Signaalin voimakkuuden muuntaminen dBm:nä prosentteihin WiFi Explorerissa

WiFi Explorer, kuten muutkin langattomat skannaustyökalut, tarjoaa mahdollisuuden näyttää signaalin voimakkuuden dBm:nä tai prosentteina. Tämän blogin tarkoituksena on kuvata tämä muuntoprosessi WiFi Explorerissa. Sen pitäisi myös auttaa selventämään, miksi prosenttiarvot WiFi Explorerissa saattavat näyttää niin erilaisilta, kun niitä verrataan muissa työkaluissa näkyviin arvoihin.

Ennen kuin alamme keskustella siitä, miten muuntaminen toimii, kysytään itseltämme seuraava kysymys: Kun sanomme, että verkon signaalin voimakkuus on 75 %, mitä se tarkoittaa? Oletetaan hetkeksi, että kyseinen arvo edustaa sitä prosenttiosuutta lähetystehosta, jolla signaali vastaanotetaan. Jos AP lähettää esimerkiksi 100 mW:n teholla, 90 % tarkoittaa, että signaali vastaanotetaan 90 mW:n teholla, 80 % 80 mW:n teholla ja niin edelleen. Valitettavasti asia ei toimi näin.

Fysiikan ja Isaac Newtonin käänteisneliölain vuoksi signaalit vaimenevat hyvin nopeasti vain muutaman metrin etäisyydellä lähettimestä, ja ne mitataan vastaanottimessa aina alle 1 mW:n teholla, joten prosenttiarvojen käyttäminen tällä tavalla on epäkäytännöllistä. Itse asiassa tästä syystä käytämme sen sijaan dBm:ää. dBm on vertailuyksikkö, ja käytämme sitä vertaamaan signaalia 1 milliwatin tehoon. Se mahdollistaa sekä hyvin suurten että hyvin pienten arvojen ilmaisemisen lyhyessä muodossa:

Milliwattiarvot voidaan muuntaa dBm:ksi kaavalla:

PdBm = 10 x log10(PmW)

Käänteisellä tavalla dDm:n muuntamiseksi milliwattiarvoiksi käytetään:

PmW = 10(PdBm/10)

Yhteydessä 802.11-verkkojen yhteydessä -40 dBm:llä (0,0001 mW) vastaanotettua signaalia pidettäisiin erittäin voimakkaana signaalina, kun taas -80 dBm:llä (0,00000001 mW) vastaanotettua signaalia pidettäisiin erittäin heikkona. Nyt voit päätellä, että mitä lähempänä dBm-arvo on 0:ta, sitä voimakkaampi signaali on. Käytännössä tyypilliset dBm-mittaukset vaihtelevat myös noin välillä -20 – -95 dBm. Jos haluat nähdä jopa -20 dBm:n signaalin voimakkuuden, sinun on oltava aivan AP:n vieressä, mutta toisaalta se, kuinka heikon signaalin vastaanotin ”kuulee”, riippuu vastaanottimen herkkyydestä ja kohinatasosta (taustakohinasta).

Tässä vaiheessa tuntuu luonnolliselta suorittaa yksinkertainen yksi-yhteen-muunnos dBm-arvojen ilmaisemiseksi prosentteina, esimerkiksi: 0 dBm = 100 %, -1 dBm = 99 %, -2 dBm = 98 %, …, -98 dBm = 2 %, -99 dBm = 1 %, ei signaalia = 0 %. Voimme jopa säätää mallia siten, että se ottaa huomioon vain sen dBm-arvoalueen, jota odotamme näkevämme käytännössä. Jos esimerkiksi oletamme maksimisignaalin voimakkuuden olevan -20 dBm ja minimisignaalin voimakkuuden -85 dBm, prosenttiarvo voidaan laskea lineaarisen interpoloinnin avulla seuraavasti:

prosentti = 100 x (1 – (PdBm_max – PdBm) / (PdBm_max – PdBm_min))

Tämän lähestymistavan ongelmana on se, että on, että RF-signaalit etenevät ei-lineaarisesti! Tarkastellaan esimerkiksi vastaanotetun signaalin arvoa -40 dBm. Jos käytämme lineaarista mallia, se vastaisi 60 % signaalin voimakkuutta, jota ei pidettäisi kovin voimakkaana signaalina, mutta todellisuudessa se on. Signaalin ollessa -40 dBm ei ainoastaan signaali ole vahva, vaan verkkosi voi saavuttaa erittäin suuria lähetysnopeuksia (olettaen, että ympäristö on ihanteellinen). Siksi lineaarisen mallin käyttäminen ei ole tarkoituksenmukaista.

Jos lineaarinen malli ei ole hyvä valinta, miten muunnos tehdään WiFi Explorerissa? Muutama vuosi sitten tutkiessani dBm:n muuntamista prosentteihin ja sen toteuttamista WiFi Explorerissa törmäsin tähän asiakirjaan nimeltä Signal Quality as a Percent for IPW2200. Tässä asiakirjassa kirjoittaja kuvaa erilaisia muunnosmalleja: juuri käsittelemämme lineaarinen malli, hakutaulukot, jotka perustuvat käsitykseen verkon suorituskyvystä eri signaalitasoilla (erinomainen, erittäin nopea, hidas, ei liittynyt jne.), ja kvadraattiset mallit. Kuvaillut hakutaulukot ovat hyvin subjektiivisia (se, mitä sinä pidät ”nopeana”, ei välttämättä ole sama toisille), mutta kvadraattiset mallit näyttävät tarjoavan matemaattisen ja johdonmukaisen kartoituksen dBm:n, prosenttiarvojen ja käyttäjän odotusten välille verkon laadusta eri signaalitasoilla.

WiFi Explorer käyttää kvadraattista mallia, joka on johdettu IPW2200-ajurin toteutuksesta. Mallin parametreja on säädetty omien havaintojeni perusteella, ja vaikka voimme edelleen kiistellä siitä, että mallin tarkkuus ei ehkä ole paras mahdollinen, uskon, että se on johdonmukaisempi kuin hakutaulukko ja parempi kuin lineaarinen muunnos, varsinkin jos kysyt itseltäsi jälleen kerran, mitä 75 %:n signaalin voimakkuus tarkoittaa, ei ainoastaan käyttäjän näkökulmasta, vaan myös miten se liittyy alkuperäiseen dBm-mittaukseen.

Alhaalla näet vertailun WiFi Explorerissa käytetyn lineaarisen mallin ja kvadraattisen mallin välillä:

Ja ihan vain referenssinä liitän tähän luettelon dBm – prosenttiarvo -mappauksista, jotka luodaan tästä mallista.