Возможность разработки анализатора точек доступа Wi-Fi сетей для систем радиоконтроля на базе панорамного измерительного приемника Аргамак-ИС

УДК 621.391

ВОЗМОЖНОСТЬ РАЗРАБОТКИ АНАЛИЗАТОРА ТОЧЕК ДОСТУПА WI-FI СЕТЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ РАДИОКОНТРОЛЯ НА БАЗЕ ПАНОРАМНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИЕМНИКА АРГАМАК-ИС В.А. Сладких, И.С. Мякинин, Б.В. Матвеев

На основе анализа существующего оборудования радиоконтроля точек доступа Wi-Fi сетей показана актуальность разработки анализатора на базе цифровых радиоприемных устройств. Рассмотрены основные особенности сигналов стандартов 802.11а/Ь^ и основные параметры панорамного измерительного приемника АРГАМАК-ИС. Показана возможность построения анализатора точек доступа Wi-Fi сетей на основе приемника Аргамак-ИС

Ключевые слова: точка доступа, панорамный измерительный приемник, радиоконтроль

Актуальность задачи радиоконтроля точек доступа Wi-Fi сетей

Огромную популярность в настоящее время получили беспроводные сети передачи информации. Основными преимуществами беспроводных сетей является непривязанность к отдельным помещениям и возможность мобильности пользователей в её пределах. Скорость передачи информации в современных беспроводных сетях достигает 300-600 Мбит/сек, что может составить конкуренцию традиционным кабельным сетям.

Существуют различные типы беспроводных сетей, отличающиеся друг от друга радиусом действия, поддерживаемыми скоростями соединения, технологией кодирования данных. Наибольшее распространение получили беспроводные сети стандарта IEEE 802.11a/b/g, в настоящее время идет активное внедрение стандарта IEEE 802.11n. В настоящее время идет разработка стандарта 802.11ас для сетей Wi-Fi на частотах 5-6 ГГц, первая версия которого уже была принята в 2011 году. Устройства, работающие по этому стандарту, будут обеспечивать скорость передачи данных более 1 Гбит/с.

Стандарт 802.11 предусматривает два основных способа организации локальной сети -по принципу "каждый с каждым" (ad hoc сеть) и в виде структурированной сети [1]. В первом случае связь устанавливается непосредственно между двумя станциями, все устройства ad ^с сети должны находиться в зоне радиовидимости, не предусмотрено администрирования сети. В случае структурированных сетей, основного

Сладких Владимир Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: sladkihva@ircoc.vrn.ru

Мякинин Игорь Сергеевич - ЗАО «ИРКОС», инженер, e-mail: MyakininIS@ircoc.vrn.ru

Матвеев Борис Васильевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: matveevzavkaf@mail.ru

способа построения сетей IEEE 802.11 на практике, в их составе появляется дополнительное устройство - точка доступа (AP - Access Point), как правило, стационарная и работающая на фиксированном канале. Связь между устройствами происходит только через подобную точку доступа. Через них же возможен выход во внешние проводные сети. В сети IEEE 802.11 может быть несколько АР, объединенных проводной сетью Ethernet. Фактически такая сеть представляет собой набор базовых станций с перекрывающимися зонами охвата. Стандарт IEEE

802.11 предусматривает возможность перемещения устройств из зоны одной АР в зону другой (роуминг), тем самым обеспечивая мобильность.

Семейство стандартов 802.11a/b/g предусматривает использование диапазонов частот 2.4 ГГц и 5 ГГц. В России использование Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Для легального использования вне офисной беспроводной сети Wi-Fi необходимо получение разрешения на использование частот.

Таким образом, конфигурация и территориальное размещение большинства точек доступа Wi-Fi сетей регулируется государственными радиочастотными службами. В то же время, практика показывает, что не всегда количество, рабочий диапазон частот и территориальное размещение базовых станций соответствуют выданным разрешениям. В некоторых случаях пользователи размещают точку доступа в зоне действия других точек доступа, что приводит к конфликтным ситуациям. Иногда характеристики реально используемого оборудования не соответствуют характеристикам оборудования, за-

явленным в лицензии, что является нарушением и может мешать работе других точек доступа. В ряде случаев точки доступа функционируют в диапазонах рабочих частот, не регламентированных стандартом Wi-Fi.

На основе вышеизложенного материала можно выделить ряд важных задач государственных служб радиоконтроля, связанных с обеспечением законного регламента использования сетей Wi-Fi. К ним можно отнести проверку соблюдения разрешений на использование радиочастотного спектра для передачи информации, проверку заявленных характеристик излучения, проверку соответствия параметров точек доступа территориально-частотному плану, исследование конфликтных ситуаций при решении вопросов электромагнитной совместимости нескольких точек доступа. Таким образом, задача радиоконтроля сетей широкополосного беспроводного радиодоступа является весьма актуальной.

Оборудование для радиоконтроля точек доступа Wi-Fi сетей

Оборудование для анализа параметров базовых станций Wi-Fi сетей можно разделить на несколько видов.

К первому виду можно отнести универсальное оборудование от ведущих мировых производителей аппаратуры радиоконтроля. Оно используется для анализа параметров базовых станций сетей различных стандартов, включая Wi-Fi, имеет функции быстрого цифрового спектрального анализа и определения параметров радиосигнала, предназначено для трактовых измерений с непосредственным подключением к передающей части базовых станций, так и для измерений по эфиру. Примером подобного анализатора является полнофункциональный анализатор спектра и сигналов в реальном масштабе времени R&SFSVR от компании Rohde&Schwarz [2]. Анализ сигналов Wi-Fi производится с помощью встроенного программного обеспечения. Использование данного анализатора при анализе сетей Wi-Fi ограничивается невозможностью работы с частотнотерриториальным планом и построением топологии сетей.

Оборудование второго типа представляет собой специальные адаптеры, предназначенные для контроля Wi-Fi сетей по эфиру. Адаптеры имеют более узкий по сравнению с первым видом перечень измеряемых параметров радиосигналов, использует некалиброванные по полю антенные системы, что обусловливает невозможность их применения в средствах радиоконтроля. Примером данного вида оборудова-

ния может служить тестер сетей Wi-Fi AirCheck Wi-Fi Tester компании Fluke networks. Данное оборудование в основном применяется специалистами по размещению точек доступа для поиска и устранения неисправностей в беспроводных сетях в реальном времени.

На рис. 1 представлены анализатор спектра R&SFSVR от компании Rohde&Schwarz и тестер сетей Wi-Fi AirCheck Wi-Fi Tester компании Fluke networks.

К третьему виду оборудования можно отнести анализаторы беспроводных сетей на основе универсальных измерительных цифровых радиоприемных устройств (ЦРПУ). Подобные приемники имеют метрологические параметры, достаточные для проведения измерений в сетях Wi-Fi, в том числе высокую стабильность частоты опорного генератора, широкую полосу пропускания, малые погрешности амплитудночастотной характеристики, цифровой выход сигнала промежуточной частоты. Функциональность такого анализатора зависит от параметров измерительного ЦРПУ и алгоритмических возможностей программного обеспечения. Стоимость анализаторов беспроводных сетей на базе цифровых измерительных приемников соизмерима со стоимостью универсальных анализаторов, но их достоинством является возможность использования программного обеспечения для решения других задач радиоконтроля, не связанных с измерением параметров WLAN сетей.

Одним из промежуточных вариантов является комбинированное использование цифрового измерительного приемника для измерения основных параметров радиосигнала с адаптером для извлечения детальной информации из MAC-уровня каждого принятого пакета данных. Однако существующие адаптеры сигналов работают на фиксированных частотах, предусмотренных стандартом 802.11, использование данного оборудования на иных рабочих частотах без дополнительного переноса частоты на «стандартную» для адаптера частоту невозможно. В связи с этим комбинированное использование цифрового измерительного приемника со встроенным адаптером для решения задач радиоконтроля не является приемлемым.

В данной статье будут рассмотрены основные особенности сигналов стандартов 802.11 а/b/g и возможность построения анализатора сигналов данного типа на базе цифрового радиоприемного устройства АРГАМАК-ИС компании ИРКОС [3,4] и других подобных измерительных приемников.

Рис. 1. Полнофункциональный анализатор спектра Rohde&Schwarz c опциональной возможностью подключения ПЭВМ для векторного и специального анализа сигналов сетей WLAN

рость передачи информации

Особенности физического уровня сигналов стандартов 802.11 a/b/g

Рассмотрим основные особенности физического уровня сигналов стандартов 802.11 a/b/g в порядке их появления.

Стандарт 802.11b был принят в июле 1999 года. Данный стандарт предполагает использование диапазона частот в районе 2.4 ГГц и предусматривает 4 значения скорости передачи данных - 1, 2, 5.5 и 11 Мбит/с [5]. Для скоростей 1 и 2 Мбит/с используется метод расширения спектра последовательностью Баркера, для более высоких скоростей используются так называемые комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK). Опционально предусмотрена возможность скорости передачи 22 МГц, при этом используется технология двоичного пакетного сверочного кодирования (РВСС). В стандарте 802.11b применяется дифференциальная двоичная фазовая модуляция (DBPSK) для скоростей 1 и 2 Мбит/с и дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (DQPSK) для скоростей 5.5 и 11 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11a предполагает использование диапазона частот от 5,15 до 5,35 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц. Данный диапазон разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Физический уровень стандарта IEEE 802.11a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов применяется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала [6]. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал (поднесущая) имеет ширину 312,5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяются для передачи данных (Data Tones), а остальные 4 - для передачи служебной информации (Pilot ^nes). Ско-

для стандарта 802.11а может достигать 54 Мбит/с. На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе, а во втором - уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность из 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM - на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11g по сути представляет собой перенесение схемы модуляции OFDM из диапазона 5 ГГц в область 2,4 ГГц при сохранении функциональности устройств стандарта 802.11b [7]. Это возможно, поскольку в стандартах 802.11 ширина одного канала в диапазонах 2,4 и 5 ГГц схожа - 22 МГц.

Одним из основных требований к спецификации 802.11g была обратная совместимость с устройствами 802.11b. В стандарте 802.11b в качестве основного способа модуляции принята схема ССК, а в качестве дополнительной возможности допускается модуляция PBCC.

Разработчики 802.11g предусмотрели ССК-модуляцию для скоростей до 11 Мбит/с и OFDM для более высоких скоростей. Для работы стандарта в режиме множественного доступа к каналу связи с контролем несущей и предотвращением коллизий предусмотрен смешанный режим

- CCK-OFDM. В режиме CCK-OFDM преамбула и заголовок модулируются методом ССК (реально - путем прямого расширения спектра DSSS посредством последовательности Баркера, поэтому в стандарте 802.11g этот режим именуется DSSS-OFDM), а информационное поле -методом OFDM. Таким образом, все устройства 802.11b, постоянно "прослушивающие" эфир, принимают заголовки кадров и узнают, сколько

времени будет транслироваться кадр 802.11g. В этот период они "молчат". Естественно, пропускная способность сети падает, поскольку скорость передачи преамбулы и заголовка - 1 Мбит/с. Существует также и опциональный режим - PBSS, в котором заголовок и преамбула передаются так же, как и при ССК, а информационное поле модулируется по схеме PBSS и передается на скорости 22 или 33 Мбит/с. В результате устройства стандарта 802.11g оказываются совместимыми со всеми модификациями оборудования 802.11b и не создают взаимных помех.

Панорамный измерительный приемник АРГАМАК-ИС

Рассмотрим основные особенности цифрового радиоприемного устройства АРГАМАК-ИС. ЦРПУ АРГАМАК-ИС имеет сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации об утверждении типа средств измерений [4]. Диапазон рабочих частот составляет от 25 до 3000 МГц. Приемник имеет метрологические характеристики, обеспечивающие возможность его применения для измерения параметров точек доступа Wi-Fi сетей, в том числе: пределы допускаемой относительной погрешности частоты синусоидального сигнала не хуже 10-9, предел погрешности измерений уровня сигнала не хуже 1.5 дБ, динамический диапазон по интермодуляции третьего и второго порядков - не менее 75 дБ.

Приемник имеет выход внутреннего опорного генератора, выход цифрового демодулятора, вход сигнала внешнего опорного генератора, вход и выход сигнала промежуточной частоты 41,6 МГц. Мгновенная полоса пропускания приемника составляет 22 МГц. В приемнике предусмотрена совместная работа с выносным конвертором АРК-КНВ4, который позволяет расширить диапазон рабочих частот до 18 ГГц.

Основные возможности приемника:

измерение параметров радиосигналов и напряженности электромагнитного поля в широком диапазоне частот;

панорамный спектральный анализ;

запись радиосигналов и передач;

технический анализ;

работа в составе стационарных (обслуживаемых и необслуживаемых) и мобильных измерительных станций радиоконтроля и пеленгования, а также автономных измерительных радиоконтрольных пунктов.

На рис. 2 представлены радиоприемный блок АРГАМАК-ИС и блок выносного датчика

поля с преобразователем радиосигналов, размещаемого на мачте.

Основной особенностью данного радиоприемного устройства, отличающего его от устройств предыдущих поколений, является возможность одновременной обработки полосы 22 МГц, что делает данный приемник применимым для анализа сигналов стандартов 802.11 а/b/g, максимальная полоса частот которых не превышает 22 МГц.

Назначение и функциональные возможности разрабатываемого анализатора

Разрабатываемый на базе приемника АРГАМАК-ИС предназначен для идентификации и измерения параметров радиосигналов точек доступа Wi-Fi сетей, работающих по стандартам

802.11 а/b/g. Анализатор использует только широковещательные данные, передаваемые в заголовке МAC-уровня, игнорируя непосредственно передаваемую информацию.

Анализатор состоит из аппаратной части (измерительного ЦРПУ АРГАМАК-ИС) и программной части. В связи с широкой полосой одновременной обработки сигнала предполагается часть обработки, а именно обнаружение и начальную частотно-временную синхронизацию, выполнять на аппаратном уровне (на программируемой логической интегральной схеме -ПЛИС - внутри приемника), затем обнаруженные пакеты обрабатывать с помощью программного обеспечения для декодирования и выделения требуемой информации. Разрабатываемый анализатор должен обеспечивать выполнение следующих требований:

1) Обнаружение беспроводных сетей широкополосной передачи данных стандартов IEEE 802.11 a/b/g во всех диапазонах частот;

2) Оценка параметров точек доступа и клиентских устройств, входящих в состав беспроводных сетей широкополосной передачи данных:

- названий беспроводных сетей (Service set identification, SSID);

- аппаратных адресов сетевого оборудования РЭС(Media Access Control, MAC-адрес);

- номеров используемых каналов и номиналов частот;

- уровней сигналов;

- типов устройств.

3) Анализ топологии сети по перехваченным пакетам. Данная функция включает в себя автоматическое определение количества подключенных устройств, их аппаратные (MAC) адреса и тип соединения.

Рис. 2. Радиоприемный блок АРГАМАК-ИС с полосой одновременной обработки 22 МГц и блок выносного датчика поля с преобразователем радиосигналов

4) Отображение уровня сигнала выбранных РЭС беспроводных сетей широкополосной передачи данных для ручного пеленгования.

5) Опознавание и идентификацию сигналов легитимно действующих РЭС беспроводных сетей широкополосной передачи данных и РЭС незаконно действующих передатчиков по результатам сравнения с базой данных.

Выводы: на основе вышеизложенного материала, можно сделать следующие выводы:

1) Стандарты беспроводного доступа IEEE

802.11 a/b/g в настоящее время имеют широкое распространение.

2) Работа вне офисных Wi-Fi сетей контролируется радиочастотными службами. Существующее оборудование не удовлетворяет потребностям радиочастотных служб, поскольку не обеспечивает выполнение всех функций по анализу беспроводных сетей радиодоступа.

3) Актуальной является задача разработки анализатора сигналов сетей WLAN стандартов

802.11 а/b/g на базе приемника АРГАМАК-ИС. Данный анализатор будет иметь достаточные для проведения измерений метрологические характеристики, а также возможность анализа передаваемых пакетов данных с построением топологии сети, выявлением несанкционированных точек доступа Wi-Fi и другими возможностями.

4) Для работы анализатора сигналов в режиме реального времени предлагается сделать анализатор аппаратно-программным: часть обработки, касающуюся обнаружения и начальной частотно-временной синхронизации, реализовать на ПЛИС, обнаруженные пакеты обрабатывать с помощью специального программного обеспечения.

Литература

1. И. Шахнович. Беспроводные локальные сети. Анатомия стандартов IEEE 802.11. Ж-л «Электроника: наука, технология, бизнес», вып. №1, 2003.

2. R&SFSVR Real-Time Spectrum Analyzer. Specifications [Электронный ресурс] / version 02.00 - 2010.

- Режим доступа: http://www2.rohde-schwarz.eom/file_

14437 /FSVR_dat-sw_en.pdf - Загл. с экрана.

3. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг - задачи, методы, средства / Под редакцией А.М. Рембовского. 2-е изд., перераб. и доп. -М: Горячая линия - Телеком, 2010. - 624 с.:ил.

4. Каталог ИРКОС. 2011. Технические средства радиомониторинга. М.: ЗАО ИРКОС, 88 с.

5. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band. IEEE Standard 802.11b-1999.

6. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High speed Physical Layer in the 5 GHz Band. IEEE Standard 802.11a-1999.

7. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band. IEEE Standard 802.11g-2003.

Воронежский государственный технический университет ЗАО «ИРКОС», г. Москва

POSSIBILITY OF WORKING OUT OF THE ANALYZER OF WI-FI ACCESS POINTS ON THE BASIS OF PANORAMIC MEASURING RECEIVER ARGAMAK-IS FOR RADIOCONTROL SYSTEMS

V.A. Sladkih, I.S. Myakinin, B.V. Matveev

On the basis of the analysis of the existing radio control equipment for Wi-Fi access points the urgency of working out of the analyzer based on digital radio receivers is shown. The basic features of signals of 802.11a/b/g standards and key para-metres of panoramic measuring receiver ARGAMAK-IS are considered. Possibility of construction of the analyzer for Wi-Fi access points based on receiver Argamak-Is is shown

Key words: access point, the panoramic measurement receiver, radio control