Беспроводная передача данных.

Беспроводные системы используют электромагнитные волны, которые могут распространяться в космическом вакууме или через некоторые среды передачи данных, такие, как эфир. Для беспроводных систем не нужна физическая медная либо оптическая среда передачи данных, вследствие чего беспроводное взаимодействие является универсальным методом построения сетей. Беспроводная передача может быть осуществлена на большие расстояния при использовании высоких несущих частот. Для различных сигналов используются различные частоты, которые измеряются в герцах (Гц). Разные частоты позволяют отличать один сигнал от остальных.
Беспроводные технологии окружают нас на протяжении многих лет. Спутниковое телевидение, радио, мобильные телефоны, устройства дистанционного управления, радары, системы сигнализации, беспроводные телефоны и сканеры штрихкодов присутствуют в нашей повседневной жизни. На сегодняшний день беспроводные технологии представляют собой одну из основных составных частей бизнеса и личной жизни.

 

 

Процесс передачи данных

Радиочастотный спектр представляет собой часть электромагнитного спектра и служит для передачи голоса, видео и данных. Для него используются частоты в диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц.
Существует большое число разновидностей беспроводной передачи данных. Каждая из технологий беспроводной передачи информации имеет свои преимущества и недостатки.

- Инфракрасному (Infrared — ИК) методу передачи данных присуща очень большая пропускная способность и низкая стоимость, но очень маленькие расстояния, на которые можно передавать данные.
- Узкополосным (Narrowband) технологиям присуща небольшая пропускная способность и средняя стоимость. Они требуют лицензирования и работают на небольших расстояниях.
- Технологии с расширением спектра (Spread spectrum) имеют среднюю стоимость и большую пропускную способность. Они используются для взаимодействия в пределах территориальной сети. Данный тип связи используется в оборудовании Cisco Aironet.
Для широкополосных средств персональной связи (Broadband personal communications service — PCS) характерна низкая пропускная способность, средняя стоимость; они обеспечивают взаимодействие устройств в пределах города.
- Технология с коммутацией каналов и пакетов данных (сотовая система передачи данных и сотовая система передачи пакетов цифровых данных — Cellular Data and Cellular Digital Packet Data, CDPD) характеризуется низкой пропускной способностью, высокой стоимостью передачи данных и обеспечивает покрытие в пределах государства.
- Спутниковая связь (Satellite) имеет низкую пропускную способность, высокую стоимость и обеспечивает покрытие в пределах государства либо всего земного шара.

Протокол Тактовая частота Ширина канала MIMO Скорость
(теоретическая)
802.11ac wave2 5 ГГц 80, 80+80, 160 МГц Многопользовательский (MU-MIMO) 1,73 Гбит/с*
802.11ac wave1 5 ГГц 80 МГц Однопользовательский (MIMO SU) 866,7 Мбит/c*
802.11n 2,4 или 5 ГГц 20, 40 МГц Однопользовательский (MIMO SU) 450 Мбит/c**
802.11g 2,4 ГГц 20 МГц Н/Д 54 Мбит/с
802.11a 5 ГГц 20 МГц Н/Д 54 Мбит/с
802.11b 2,4 ГГц 20 МГц Н/Д 11 Мбит/с
802.11 2,4 ГГц 20 МГц Н/Д 2 Мбит/с

 * два распределенных потока с модуляцией 256 QAM.
** три распределенных потока с модуляцией 64 QAM.

UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) нелицензируемая национальная информационная инфраструктура полосы радиочастот (в частности, 5,15-5,25, 5,25-5,35 и 5,725-5,825 ГГц), работа в которых не требует получения лицензии FCC; в США этот термин употребляется как синоним информационной супермагистрали (Information Highway), обеспечивающей свободный доступ к информации для граждан и предприятий.

Беспроводные сигналы.

При рассмотрении сигнала, который используется для передачи информации в формате данных, необходимо иметь представление о следующих вещах:

- как быстро передается ифнормация, т.е. какой скорости передачи данных можно достичь?
- как далеко могут быть переданы данные, т.е. насколько устройства беспроводной ЛВС (WLAN) могут быть удалены друг от друга при сохранении максимальной скорости передачи данных?
- как много данных может быть передано, т.е. как много пользователей может существовать в такой сети без замедления скорости передачи данных? Все вышеуказанные параметры определяют возможность принять хороший сигнал на максимально возможном расстоянии. Для увеличения объема передаваемых данных за единицу времени необходимо использовать более широкую полосу спектра либо дифференциальные методы передачи данных с помощью радиочастотных сигналов. Как показано на рис 3.39, на эффективность передачи данных при использовании радиочастот влияют следующие факторы:
- тип используемой модуляции сигнала. Сложные методы модуляции позволяют достичь большей пропускной способности;
- расстояние. Чем больше расстояние между передатчиком и приемником, тем слабее сигнал будет получен на приемнике;
- уровень шумов. Электронные помехи и физические барьеры негативно влияют на качество радиочастотного сигнала.

В беспроводных каналах, передача информации осуществляется на основе распространения радиоволн. В таблице приведены сведения о диапазонах электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных и оптических каналах связи.

Диапазон Длины волн, м Частоты, ГГц Применение
Дециметровый 1..0,1 0,3..3 Сотовые радиотелефоны, ТВ, спутниковая связь, РК в ЛВС*
Сантиметровый 0,1..0,01 3..30 Радиорелейные линии, РК в ЛВС, спутниковая связь
Миллиметровый 0,01..0,001 30..300 РК в ЛВС
Инфракрасный 0,001..7,5*10-7 3*102..4*105 ВОЛС, WDМ**
Видимый свет (7,5...4,0)*10-7 (4,0...7,5)*105  

* РК в ЛВС - радиоканалы в локальных сетях и системах связи.
** WDM - мультиплексирование с разделением каналов по длинам волн.

 

 

Модуляция.

Процесс модуляции заключается в изменении амплитуды, частоты либо фазы радиочастотного или светового сигнала, в зависимости от передаваемых данных. Характеристики несущей волны практически мгновенно изменяются в зависимости от формы модулирующего сигнала. С помощью модуляции в несущую частоту вносится информация о сигнале данных (текст, голос и т.д.) для дальнейшей передачи по беспроводной сети.

 

Наиболее распространенные методы модуляции.

▪ Амплитудная модуляция (АМ) предполагает модулирование амплитуды (высоты сигнала) несущей волны в зависимости от сигнала данных.
▪ Частотная модуляция (ЧМ) использует модулирование частоты несущей волны.
▪ Фазовая модуляция (ФМ) обеспечивает модулирование полярности (фазы) несущей волны.

 

Влияние расстояния на качество сигнала.
Чем больше расстояние между приемником и передатчиком, тем более слабым становится несущий сигнал и тем меньше различие между полезным сигналом и шумом. В конечном итоге сигнал будет невозможно выделить на фоне шума. На таком предельном расстоянии происходит потеря связи между устройствами. Отношение сигнал/шум, необходимое для восстановления сигнала, определяется типом используемой модуляции. При увеличении пропускной способности беспроводных сетей используются более сложные схемы модуляции сигнала, при этом уменьшается устойчивость сигнала к помехам и поэтому уменьшается максимальное расстояние, на которое можно предавать данные.

Влияние помех на качество сигнала.
Электронные помехи и физические преграды негативно отражаются на качестве радиочастотного сигнала. Невозможно гарантировать нормальную работу устройств для беспроводных сетей без проведения измерений на месте параметров принимаемого сигнала. Например, стены со встроенными металлическими конструкциями заметно ограничивают максимальное расстояние для передачи данных.
Чтобы получить в приемнике достаточно чистый полезный сигнал, несущий сигнал должен иметь высокий коэффициент сигнал/шум (высокий уровень сигнала и низкий уровень шумов). Если в канале передачи данных присутствуют шумы либо помехи, то скорость взаимодействия будет уменьшаться. Помехи, скорость взаимодействия и максимальное расстояние взаимосвязаны.

Радиочастотный диапазон.
Использование диапазонов по радиослужбам регламентируется Законом РФ «О связи» и международными соглашениями. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации и других навигационных систем, спутников связи, компьютерных сетей и других бесчисленных приложений.

Различные частоты радиоволн по-разному распространяются в атмосфере Земли:

- длинные волны могут покрыть часть Земли очень последовательно;
- более короткие волны могут отражаться от ионосферы и распространяются по всему миру;
- еще более короткими длинами радиоволны изгибаются или отражаются очень слабо и распространяются в пределах прямой видимости.

Радиоволны различной длины распространяются по-разному: 1 — земной луч; 2— отраженный луч; 3 — ионосфера; ДВ— длинные волны; СВ — средние волны; KB — короткие волны; УКВ — ультракороткие волны.
▪ Диапазон до 300 ГГц имеет общее стандартное название —радиодиапазон. Союз ITU разделил его на несколько поддиапазонов, начиная от сверхнизких частот (Extremely Low Frequency, ELF) и заканчивая сверхвысокими (Extra High Frequency, EHF).
Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц, и для этих диапазонов существует хотя и не определенное в стандартах, используемое название широковещательное радио. Сюда попадают низкоскоростные системы AM- и FM- диапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен килобит в секунду. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400, 9600 или 19200 Кбит/с.
▪ Несколько диапазонов от 300 МГц до 3000 ГГц имеют также нестандартное название микроволновых диапазонов. Микроволновые системы представляют наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные локальные сети и системы фиксированного беспроводного доступа, называемые также системами беспроводных абонентских окончаний (Wireless Local Loop, WLL).
▪ Выше микроволновых диапазонов располагается инфракрасный диапазон. Микроволновые и инфракрасный диапазоны также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, то системы инфракрасных волн используются для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения.
▪ В последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Системы видимого света используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.