Беспроводные технологии локальных и глобальных сетей

использования специальных кодов. Так, Американский стандартный код обмена информацией (American standard code for information interchange, ASCII) представляет символы латинского алфавита в виде чисел. Компьютер хранит эти числа в виде данных. Например, ASCII-код (в шестнадцатеричной фирме) прописной буквы А — это число 41, строчной h— 68. В большинстве компьютеров ASCII-кодирование используется для представления чисел в двоичной форме, т.е. только с помощью ну- лей и единиц. Видео- и аудиоинформация кодируется в виде символов. 

Основы передачи радио- и световых сигналов: невидимая среда

Основное различие между беспроводной и проводной сетями состоит в использовании различных сред передачи. В проводных сетях используются медные кабели, по которым с помощью электрического тока и передается информация. В беспроводная сетях используются радиочастотные и световые сигналы, передающие информацию через воздушную среду. В данной главе мы продолжим рассмотрение концепций, общих для беспроводных сетей всех типов, с упором на радиочастотные и световые сигналы. 
 

Беспроводные приемопередатчики 

  Беспроводной приемопередатчик состоит из приемника и передатчика. В пере- датчике в ходе процесса, получившего название модуляция (modulation), электриче- ские цифровые сигналы, поступившие из компьютера, преобразуются в радио- или световые волны, которые по своей сути являются аналоговыми сигналами. Затем эти сигналы усиливаются и подаются на антенну  (antenna). В пункте назначения прием- ник выделяет из шумов относительно слабые сигналы и демодулирует их, преобра- зуя затем в данные, приемлемые для компьютера пункта назначения. Элементы, по- казанные рис. 3.1, составляют то, что принято называть приемопередатчиком, кото- рый реализуется аппаратно и является частью платы интерфейса беспроводной сети. 

Рис. 3.1. В беспроводной  сети  сигналы  подвергаются процессам усиления и модуляции 

Что такое радиосигналы?

  Радиосигналы (RF signals) — это электромагнитные волны, которые система связи использует для передачи  информации  через воздушную среду от одной  точки к другой. Такие сигналы используются уже много лет. Именно благодаря им мы можем слушать радиопередачи и смотреть телевизионные трансляции. В действительности радиосигналы являются более распространенным  средством передачи данных, чем беспроводные сети. 

Параметры радиосигналов

  Радиосигнал передается от антенны передающей станции к антенне приемной. Сигнал, подаваемый на антенну, характеризуется амплитудой, частотой и фазой (рис.3.2). За счет изменения этих параметров можно посредством радиосигналов пе- редавать информацию.

Амплитуда определяет интенсивность радиочастотного сигнала. Мерой  амплиту-

ды является мощность, которая аналогична затраченным усилиям человека, преодо- левающего на велосипеде определенное расстояние. Мощность — это количество энергии, необходимой для преодоления сигналом определенного расстояния. Если мощность возрастает, то увеличивается и дальность связи. 

Рис.  3.2. Основными параметрами радиочастотного сигнала являются амплитуда, частота и фаза

  Поскольку радиосигнал распространяется  через воздушную среду, его амплитуда уменьшается. В случае отсутствия препятствий радиосигналы испытывают то, что инженеры называют потери в свободном пространстве, они являются одной из причин затухания сигнала. Кроме того, амплитуда сигнала уменьшается экспоненциально по мере увеличения расстояния между передатчиком  и приемником. Экспоненциальное затухание модулированного сигнала вызывает атмосфера, если он распространяется достаточно далеко от антенны. Следовательно, сигнал должен обладать достаточной мощностью для того, чтобы преодолеть нужное расстояние и иметь после этого уро- вень, достаточный для выделения его из шумов приемным устройством.

  Однако способность приемника улавливать сигнал зависит и от наличия других радиочастотных сигналов. Чтобы проиллюстрировать это, представим двух людей, Эрика и Серину, которые разделены расстоянием примерно в 7 м (20 футов) и пытаются  разговаривать. Серина, выполняя роль передатчика, говорит достаточно громко, чтобы Эрик, приемник, мог слышать каждое ее слово. Если их ребенок, Мэдисон, громко кричит, Эрик может пропустить несколько слов. В данном случае эффективная связь невозможна из-за помехи со стороны ребенка. Или Эрик и Серина должны подойти ближе друг к другу, или Серина должна говорить еще громче. Это хорошая аналогия того, как передатчики и приемники беспроводной системы используют для связи радиочастотные сигналы.

Частота (frequency) свидетельствует о том, сколько раз в секунду сигнал повторяет сам себя¹. Единица измерения частоты — герц (Гц), значение частоты соответствует числу циклов,  происходящих в течение секунды. Например, беспроводная локальная сеть стандарта 802.lib работает на частотах порядка 2,4 Гбит/с;  это означает, что количество циклов колебаний составляет примерно 2 400 000 000 в секунду.

  Фаза соответствует  тому, насколько далеко сигнал отстоит от какой-то исходной точки²    Традиционно принято считать, что каждый цикл сигнала соответствует пово- роту фазы на 360 градусов. Например, сдвиг фазы сигнала может составлять 90 граду- сов, это означает, что сдвиг фазы равен четверти (90/360 = 1/4) от полного цикла сиг- нала. Изменение фазы может быть использовано для передачи информации. Так, сдвиг фазы сигнала на 30 градусов можно представить как двоичную 1, а сдвиг фазы на

60 градусов — как двоичный 0. Важным преимуществом представления данных в виде

сдвигов фазы является снижение влияния затухания сигнала при его распространении через среду. Затухание обычно влияет на амплитуду, а не на фазу сигнала. 

Преимущества и недостатки радиочастотных сигналов

  Преимущества радиочастотных сигналов по сравнению  со световыми (табл. 3.1) делают их эффективными для применения в большей части беспроводных сетей. Большинство стандартов беспроводных сетей, таких как 802.11 и Bluetooth, регламентируют применение именно радиочастотных сигналов. 

Что такое световые сигналы?

  Световые сигналы начали применять в системах связи намного раньше, чем радиочастотные. Сотни лет назад для передачи кода между кораблями на море использовали фонари. И до сих пор световыми устройствами пользуются во многих аэропортах как резервным средством связи с самолетами, у которых отказала радиоаппаратура.

  Однако беспроводные сети на основе световых сигналов распространены не так широко, как сети, применяющие радиосигналы. Световые сигналы обычно удовлетворяют потребностям специальных приложений, таких как каналы связи между здания- ми и в персональных сетях небольшого радиуса действия. В некоторых беспроводных локальных сетях и продуктах, предназначенных для применения внутри зданий, при передаче информации   между компьютерами используется лазерное излучение.

Преимущества и недостатки световых сигналов

  Характеристики  световых сигналов делают их эффективными для применения в специализированных приложениях,  когда требуется чрезвычайно  высокая пропускная способность сети. Так, компания может установить ИК-канал связи между двумя соседними зданиями, чтобы обеспечить высокоскоростное резервирование сервера через беспроводную сеть (табл.  3.2). 

Частотная манипуляция

  Частотная манипуляция, ЧМн (frequency-shift keying, FSK), осуществляется за счет небольших изменений несущей частоты. Как показано на рис. 3.7, значения битов информационного сигнала, равные 1 или 0, представляются в виде положительного или отрицательного сдвига частоты несущего сигнала. Под отрицательным сдвигом частоты подразумевается ее уменьшение, под положительным — увеличение на определенную небольшую величину. Приемник определяет этот сдвиг, осуществляя тем самым демодуляцию сигнала.

¹  Точнее, из-за того, что электромагнитные волны любой частоты не воспринимаются органами чувств человека. Кроме того, их коэффициент затухания существенно ниже, чем акустических волн.Для передачи данных используют очень короткие световые импульсы.

Рис. 3.7. При частотной манипуляции для передачи информации использу- ется сдвиг частоты несущего сигнала 

Фазовая манипуляция

  Фазовая манипуляция, ФМн (phase-shift keying, PSK), происходит за счет небольших изменений фазы несущего сигнала. При ФМн для передачи данных используются изменения фазы, в то время как частота остается постоянной. Фазовый сдвиг может быть как положительным, так и отрицательным относительно фазы опорного сигнала (рис. 3.8). Приемник способен обнаруживать эти сдвиги фазы и получать в результате соответствующие биты данных. 

Квадратурная амплитудная модуляция

  Квадратурная амплитудная модуляция {quadrature amplitude modulation, QAM) предполагает одновременное изменение как амплитуды, так и фазы несущей для представления совокупности данных, называемой символом (рис. 3.9). Преимущество модуляции такого типа заключается в ее способности представлять большую группу символов в виде одной комбинации изменений амплитуды и фазы. Действительно, некоторые системы, при подобной модуляции, используют до 64 комбинаций фазы и амплитуды,  позволяющих  представить  6 бит данных  в виде одного  передаваемого символа. Это делает возможным применение QAM в таких стандартах, как 802.На и 802.1 lg, регламентирующих передачу данных с повышенными скоростями. 

Рис. 3.9. В случае использования квадратурной амплитудной модуляции для передачи информации используют изменения частоты и фазы 

Выводы

Именно благодаря использованию радиочастотных и световых сигналов стало возможным создание беспроводных сетей, представляющих собой средство передачи информации через воздушную среду. Ухудшение качества передачи вызывается в основном   помехами,  поэтому при развертывании сети следует уделить этому во- просу самое пристальное внимание. Различные методы модуляции — ЧМн, ФМн, квадратурная амплитудная модуляция — используются в сочетании с технологией расширения спектра или OFDM при создании приемопередатчиков, которые можно считать основными узлами плат интерфейса беспроводной сети.