Fondamentaux RF

Mesures de signal RF

En utilisant des outils comme un utilitaire de client sans fil ou un analyseur de spectre, il est possible d’accéder aux statistiques suivantes :

  • « RF noise » ou Bruit RF appelé aussi « Noise Floor » ou niveau de bruit
  • « Signal-to-noise Ratio » (SNR) ou rapport signal sur bruit
  • « Receive sensitvity » ou Sensibilité de réception
  • « Received Signal Strength Indication » (RSSI) ou indication d’intensité du signal reçu

Niveau de bruit

Le bruit RF est le terme utilisé pour qualifier les signaux RF provenant de sources autres que l’émetteur et le récepteur qui sont en communication sur un canal. Il peut s’agir de bits modulés ou encodés provenant de radios 802.11 à proximité ou d’énergie non modulée provenant d’équipements non 802.11 tels que des fours à micro-ondes, des équipements bluetooth, des téléphones portables, etc… Toute source électromagnétique a le potentiel d’élever l’amplitude du bruit de fond sur un canal spécifique. En fonction du niveau de ce bruit, il peut être difficile, pour l’émetteur et le récepteur, de se comprendre mutuellement.

Le bruit de fond varie en fonction des environnements. Dans la bande des 2,4 GHz « Industrial, Scientific and Medical » (ISM), le bruit de fond d’un canal, pour un environnement standard, est aux alentours de -100 dBm. Cependant, un environnement comme une usine de fabrication peut avoir un bruit de fond à -90 dBm du fait machines électriques. Il faut noter également que le bruit de fond des canaux 5 GHz est toujours inférieur que celui des canaux en 2,4 GHz car la bande de fréquences 5 GHz est moins utilisée.

Rapport signal sur bruit

Le rapport signal sur bruit est la différence entre la quantité de signal reçue et le bruit de fond.

SNR=\frac{P_{signal,\,mW}}{P_{noise,\,mW}}

SNR_{dB}=10 \times log_{10}(\frac{P_{signal,\,mW}}{P_{noise,\,mW}})=10 \times log\,P_{signal,\,mW}-10 \times P_{noise,\,mW}=P_{signal,\,dBm}-P_{noise,\,dBm}

Si l’amplitude du bruit de fond est trop proche de l’amplitude du signal reçu, une corruption de données va se produire et engendrer des retransmissions de niveau 2, qui vont affecter le débit et la latence.

Attention : les chipsets Wi-Fi ne savent pas mesurer directement le bruit (nécessite un analyseur de spectre radio), ils ne peuvent traiter que des bits. Le « Background Noise level » (en dBm) vu d’un chipset Wi-Fi est tout type de signal codé non utilisable (signal Wi-Fi détérioré). En l’absence d’informations, le bruit naturel ambiant est fixé à -100dBm sur le chipset Wi-Fi. Certains points d’accès utilisent un chipset hybride pour offrir, simultanément, la fonction de borne et d’analyseur de spectre, mais il y a souvent une dégradation des fonctions WLAN. Le meilleur outil permettant de mesurer le bruit ambiant reste l’analyseur de spectre.

On juge le SNR, généralement, avec les valeurs suivantes :

  • Ratio de 10-15dB: minimum acceptable pour établir une connexion
  • Ratio de 16-24dB: qualifié de « poor »
  • Ratio de 25-40dB: considéré comme « good »
  • Ratio ≥ 41dB: considéré comme « excellent »

Le SNR ne prend pas en compte les « co-channel interferences » (traité par le SIR – Signal-to-Interference Ratio). Le « Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio » (SINR) cumule les information de SNR et SIR (appelé aussi SNIR – Signal-to-Noise-plus-Interference Ratio).

Indication d’intensité du signal reçu

La sensibilité de réception est la quantité mesurable de signal RF utilisable par le récepteur. Plus le niveau de puissance que le récepteur peut traiter avec succès est bas et plus la sensibilité en réception est bonne. Dans une ambiance bruyante, le volume auquel il faut parler à son voisin pour qu’il entende correspond à sa sensibilité de réception. Pour les équipements WLAN, la sensibilité en réception est généralement définie en fonction d’une vitesse réseau. Les fabricants indiquent la sensibilité de réception en fonction des « Data Rates ». Pour supporter les « Data Rates » les plus élevés, il faut que le récepteur dispose de plus de puissance. Les différentes vitesses utilisent des techniques de modulation et des méthodes d’encodage différentes et les « Data Rates » les plus élevés utilisent des méthodes d’encodage plus sensibles à la corruption.

La norme 802.11-2012 définit le « Received Signal Strength Indication » (RSSI) comme une unité relative utilisée par les radios 802.11 pour mesurer l’intensité du signal (amplitude). Le paramètre 802.11 RSSI peut prendre une valeur de 0 à 255. Les valeurs de RSSI correspondent à des seuils de sensibilité de réception exprimés en valeurs absolues (dBm). Il n’y a aucun standard pour cette valeur et il ne faut pas comparer deux valeurs provenant de deux fabricants différents. Le calcul de la valeur de RSSI est réalisé de façon propriétaire et aucun constructeur n’a choisi de mesurer effectivement les 256 niveaux de signal différents. Il définissent les valeurs de RSSI en partant de 0 jusqu’à une valeur maximum connue sous le nom de RSSI_MAX. Tous les constructeurs ne publient pas leurs implémentations de valeurs RSSI, ce qui peut poser deux problèmes. Le premier est qu’en fonction de la valeur de RSSI_MAX choisie, l’échelle va varier est aucune comparaison ne sera possible. De plus, celui qui aura l’échelle la plus étendue aura une plus grande précision de mesure de qualité du signal et du SNR. Le deuxième est beaucoup de constructeurs parlent de RSSI mais le convertissent en valeurs dBm et avec des largeurs d’échelles plus ou moins larges on aura des plages de valeurs différentes.

La norme 802.11-2012 définit également une autre valeur appelée « Signal Quality » (SQ) qui est une mesure de qualité de « Pseudo Noise (PN) code correlation » reçu par une radio. Il peut s’agir d’une d’une mesure de ce qui pourrait affecter les techniques d’encodage telles que le « Barker Code » ou le « Complementary Code Keying » (CCK) qui ont un rapport avec la vitesse de transmission.

Les informations de mesures RSSI et SQ peuvent être passées de la couche PHY à la sous-couche MAC. Certains paramètres SQ peuvent aussi être utilisés conjointement au RSSI lors du « Clear Channel Assessment » (CCA). Bien que les mesures SQ et RSSI sont techniquement séparées, la plupart des vendeurs Wi-Fi leur font référence comme étant simplement des mesures RSSI.

Bien que les constructeurs de Wi-Fi implémentent le RSSI de façon propriétaire, tous utilisent les seuils RSSI pour des mécanismes importants tels que le « Roaming » et le « Dynamic Rate Switching » (DRS). Pendant le processus de « Roaming », le client prend la décision de passer d’une borne à une autre en fonction des « RSSI Thresholds » ou seuils RSSI. De même, les seuils RSSI sont utilisés pour implémenter le « Dynamic Rate Switching » (DRS) qui consiste, pour les radios 802.11, à basculer entre les « Data Rates ».