Ludzkie oko jest wrażliwe tylko na wąski zakres częstotliwości fal elektromagnetycznych – na światło widzialne. Długości fal radiowych wykorzystywanych w komunikacji bezprzewodowej są całkowicie niewidoczne dla człowieka, gdyż są o około osiem rzędów dłuższe od widma światła.
W tym artykule dowiesz się, co to jest analiza częstotliwości oraz jak na jej podstawie możesz dowiedzieć się, co hula w radiu. Jest to kontynuacja naszego wpisu Pasmo 2,4GHz – co tutaj hula prócz WiFi w którym opisywaliśmy technologie zakłócające naszą komunikacje WiFi w 2.4GHz.
- Analizatory spektrum wykorzystywane są do zobrazowania widma częstotliwości.
- Prezentację widma częstotliwości w funkcji czasu najlepiej pokazać przy pomocy tzw. wykresu wodospadowego.
- Na podstawie wykresów wodospadowych można zidentyfikować prawdopodobne źródła zakłóceń w domenie RF.
- Artykuł przygotowany przy współpracy z producentem platformy 7Signal, który oferuje analizator widma w każdym urządzeniu Sapphire Eye
Częstotliwości regulowane i ogólnodostępne
Wytwarzanie i przesyłanie fal radiowych jest regulowane przepisami regionalnymi lub krajowymi, a następnie koordynowane na szczeblu międzynarodowym przez międzynarodowy organ, Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU). Celem takiego zabiegu jest zapobieganie ingerencjom między różnymi zastosowaniami. W tym artykule skupię się na jednym z najbardziej problematycznym z zakresów wykorzystywanych w sieciach bezprzewodowych, czyli na częstotliwości 2,4GHz.
Zgodnie z FCC i ITU nie możemy monitorować zastrzeżonych częstotliwości. Tylko te otwarte. W naszym przypadku skupiamy się na dość wąskim zakresie, na częstotliwościach obsługiwanych przez technologię Wi-Fi.
Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU).
Analizator widma częstotliwości fal radiowych
Zacznijmy od uproszczonej definicji, czym jest analizator widma. Jest to urządzenie, które mierzy wielkość sygnału wejściowego w funkcji czasu, w pełnym zakresie częstotliwości pomiarowych przyrządu. Podstawowym zastosowaniem jest pomiar mocy widma znanych i nieznanych sygnałów.
Wynik analizatora spektrum najczytelniej jest przedstawić na wykresie wodospadowym. Wykresy wodospadowe pokazują, jak dwuwymiarowe informacje zmieniają się w czasie lub wraz z inną zmienną. Zwykle mają postać wykresu dwuwymiarowego, w którym na osi poziomej widzimy moc sygnału dla poszczególnych częstotliwości, a na osi pionowej następujące po sobie pomiary widma. Poziom zmierzonej mocy reprezentowany jest kolorem. Zwykle od czerwonego poprzez żółty, niebieski do czarnego — choć użytkownik najczęściej może zdefiniować swoją paletę kolorów.
Analiza częstotliwości 2.4GHz na bazie wykresów wodospadowych
Spójrzmy na kilka przykładów pomiarów wykonanych dla częstotliwości wykorzystywanych w komunikacji bezprzewodowej i zróbmy wstępną analizę otrzymanych spektrogramów. W tym artykule będę analizować tylko otwarte pasmo 2,4GHz, czyli przedział 2400 do 2484 MHz.
Powyżej mamy całkiem ładny spektrogram. Łatwo możemy zidentyfikować pasma, w których realizowana jest komunikacja WiFi w standardzie 802.11 b/g/n. Łatwo dostrzec, iż są to kanały 1,6,11 o szerokości 20MHz. Pomiędzy nimi jest wyraźna przerwa o niższych niebieskich poziomach — tego właśnie powinniśmy oczekiwać. Najbardziej wykorzystywany kanał 11, natomiast najmniej — kanał 1.
Komunikacja Bluetooth w pasmie 2.4GHz
Drugi przykład wygląda inaczej. Nadal możemy zobaczyć wykorzystanie trzech kluczowych kanałów, głównie 1 i 6, znacznie mniej kanał 11. Widać również trzy wąskie, pionowe pasma i pojawiające się piki (czerwone plamy) w połowie wykresu. Te anomalie to komunikacje Bluetooth, właściwie BT LowEnergy. Te trzy widoczne pionowe żółte pasy to są kanały reklamowe BTLE — Advertisment Channels. Szczegółowe informacje na temat komunikacji BT/BLE znajdziesz w artykule: „Częstotliwości komunikacja BLE”.
Widoczne czerwone plamy wraz ze wzmożoną amplitudą na wszystkich częstotliwościach (kreska od lewej do prawej) to moment przejścia BT z ogłaszania do komunikacji. Sama komunikacja skacze w całym paśmie częstotliwości. Protokół BT stara się omijać wykorzystywane częstotliwości, szczególnie obsadzone przez Wi-Fi. W tym przypadku mamy dość gęsto wykorzystaną architekturę WiFi w standardzie 802.11 b/g/n z wykorzystaniem kanałów 1/6/11. Właściwie nie ma wolnego kanału na komunikację BT. Tym samym, obie technologie mogą się zakłócać.
Następny przykład wygląda, jakby ktoś w poprzek rozmazał czerwoną plamę. Obserwujemy działanie większej ilości urządzeń BT. Problem występuje w godzinach pracy i zdecydowanie nasila się na koniec dnia roboczego. Po godzinach pracy — już go nie widać. W celu identyfikacji źródła należy wykonać dodatkową analizę, w punkt wystąpienia — czyli w godzinach 13-17.
W tym przykładzie widzimy piki pochodzące od komunikacji reklamowej BT oraz widać również wiele pików w innych częstotliwościach. Początkowo widać jak komunikacja skacze pomiędzy poszczególnymi kanałami, później stabilizuje się na konkretnych częstotliwościach. Są to pasma o szerokości 1MHz, wykorzystywane przez urządzenia BT. W tej sytuacji należy się przyjrzeć szczególnie uważnie co powoduje taki ruch. Ponieważ jest to ruch przez cały tydzień, przez całe dnie, od góry do dołu wykresu, jako źródło zakłóceń raczej można wykluczyć urządzenia peryferyjne użytkowników.
Niski datarate
Powyższy przykład również pokazuje wykorzystanie 3 kanałów WiFi wraz z 3 kanałami reklamowymi BT LowEnergy. Ale spójrzmy na komunikację w kanał 6, o szerokości 20MHz. Kanał ten jest znacznie mocniej używany niż pozostałe dwa kanały. Jego spektrum jest zajęte właściwie w całej szerokości. Widzimy znacznie większą aktywność w środkowej części, ze spadkami dopiero na krawędziach zakresu. Oznacza to, iż działa tutaj urządzenie w starszej technologii lub podłączone z mniejszą prędkością, np 1, 2, 5.5 lub 11 Mbps.
Komunikacja analogowa w 2,4GHz
Na powyższym wykresie widać właściwie całkowicie zamazane częstotliwości dla kanału 1 oraz nawet początek kanału 6. Przez cały wykres (około 48 godzin) widać zajętość konkretnych częstotliwości. Zdecydowanie nie jest to obraz komunikacji BT. Patrząc na ciągłość widma, stabilność częstotliwości oraz stabilność amplitudy sygnału można wywnioskować, że jest to komunikacja analogowa. Urządzenia analogowe najczęściej nadają non-stop, nawet ciszę. Komunikacja cyfrowa zwykle ma przerwy pomiędzy pakietami.
Jest to realny przykład analizy widma wykonanej w szpitalu, wykorzystującego bezprzewodowe zestawy słuchawkowe Hearing-Aids. Nie Bluetooth — lecz urządzenia analogowe, działające w paśmie 2,4GHz.
Wpływ 802.15.4
Na tym przykładzie możemy zaobserwować coś nowego. Widać na kanale 11 komunikację narrow-band, czasami pojawią się również szybsza transmisja. Również kanały 1 i 6 są w znacznym stopniu wykorzystane. Unikalny jest widoczny pik w okolicach 2450MHz.
Nie jest to BT, bo pojawia się z prawej, a nie lewej strony kanału 6. Biorąc pod uwagę jego orientacyjną szerokość 2-3MHz może sugerować, że jest to transmisja 802.15.4 – czyli Zigbee lub Threed czyli urządzeń IoT. Protokół Zigbee w zakresie 2,4GHz ma dostępnych aż 16 kanałów, z czego 4 z nich nie pokrywają się z kanałami 1/6/11 w 802.11 i nie powinny wprowadzać zakłóceń.
Środowisko Contact Center
Kolejny wykres jest paskudny z punktu widzenia Wi-Fi. Widzimy jak komunikacja BT niszczy możliwości komunikacyjne w całym spektrum. Wynika to ze sposobu działania protokołu WiFi, który czeka na wolne pasmo i możliwość nadawania. WiFi nie analizuje jaki protokół nadaje, tylko bierze pod uwagę obecność mocnego sygnału. Jeśli obecny sygnał jest powyżej zdefiniowanego progu, WiFi poczeka z rozpoczęciem nadawania.
Należy mieć na uwadze, że jeśli sygnał BT będzie nieznacznie poniżej progu, WiFi zacznie nadawać dopiero po spełnieniu tego warunku. Wtedy całkiem możliwe, że żadna komunikacja ani WiFi w standardzie 802.11 b/g/n ani Bluetooth, nie będzie skuteczna i będzie powtarzana (retires).
Na podstawie doświadczenia możemy podejrzewać, że są to urządzenia typu audio — słuchawki, zegarki, peryferia — mysz/klawiatura. Taki obraz może być w środowisku Contact Center, gdzie mamy spory, niezakłócony obszar i każdy z użytkowników ma swoje peryferia BT.
Tutaj jeszcze wyraźniej widać wpływ urządzeń peryferyjnych na komunikację w domenie 2,4GHz. Widzimy w różnym stopniu wykorzystanie przez WiFi kanałów 1/6/11. Ale w ciągu dnia wyraźnie widzimy coś bardzo dziwnego.
Zakłócenia zaczynają się rano, około 9 rano, kończy się ok godziny 17:00. Jest to wykres pomiarów zrobionych w obiekcie Call Center, gdzie w momencie jak wszyscy przychodzą do pracy, to pojawiają się zakłócenia. Potem koniec pracy, wszyscy wychodzą i…. całkowity brak zakłóceń. Co ciekawe, znikają nawet kanały reklamowe BT. Wyraźnie widać okresowość zdarzeń, z przerwą weekendową. Adaptery bezprzewodowe lub moduły BT zabierane są przez użytkowników wraz ze sprzętem do domu, lub wszystkie stacje są w pełni wyłączania.
Inne źródła zakłóceń
Tutaj mamy przykład z jednego z lotnisk. Widzimy pewne zagęszczenia działania urządzeń BT — poziome wykorzystania całej częstotliwości. Najciekawszym jest czerwony pik w okolicach 2407MHz widoczny na końcu wykresu. Niestety nie udało się zidentyfikować żródła interferencji.
Możliwe, że analogowy transmiter pomiędzy jakimiś urządzeniami do synchronizacji danych. Na pewno nie było to nawet obce WiFi. Jednak najważniejsze w takim tuobleshootingu to identyfikacja problemu. Problem został rozwiązany poprzez zmianę konfiguracji WiFi i zmianę wykorzystywanych kanałów przez AP — tak, aby od tych częstotliwości trzymać się daleko.
Niestety korzystając z pasma ogólnodostępnego, nie jesteśmy w stanie powiedzieć jakie urządzenia wykorzystują pasmo. Możemy tylko na podstawie swojego doświadczenia przypuszczać źródło. W powyższym przypadku może to być najnowszy model systemu monitorowania bagażu. Czy możemy powiedzieć „hej, wyłączcie to urządzenie!”? Na pewno nie. Ale robiąc ciągłą (lub chociaż okresową) analizę widma, możemy zobaczyć jakich częstotliwości powinniśmy unikać.
Ostatni przykład bardzo dobrze obrazuje różne sytuacje, z jakim się spotykamy. Te zakłócenia pojawiły się raz, trwały kilka godziny i nigdy więcej się już nie pojawiły. Podejrzewamy uruchomienie prywatnego hotspot’u. Wyraźnie widać, iż na szerokość kanału ustawiono na 40MHz, pewnie aby przesłać duże ilości danych. Całość działa się w nocy. Wnioskuję, że ktoś przesyłał duży plik, niestety zakłócając pozostałą komunikację w sieci WiFi.
Nie wiesz, czemu pomimo „poprawnej” konfiguracji Twoja sieć nie działa tak, jak powinna? Zastanawiasz się, co powoduje okresowe spadki wydajności? Chcesz zrobić u siebie analiza częstotliwości? Skontaktuj się z naszym zespołem, który zidentyfikuje problem i pomoże usunąć niedogodności.
Polski 
English (UK)