Из этого отрывка из главы Cisco Press вы узнаете, как работают радиоволны.
Примечание редактора: это отрывок из главы из книги Джима Гейера «Проектирование и развертывание беспроводных сетей 802.11», опубликованной Cisco Press
В качестве основы для понимания установки, эксплуатации и устранения неполадок беспроводных локальных сетей (WLAN) важно хорошо знать, как радиоволны распространяются в окружающей среде. Каждое развертывание Wi-Fi требует, чтобы системный инженер понимал основы того, как радиоволны движутся и реагируют в окружающей среде.
Например, в WLAN радиоволны переносят информацию по воздуху из одной точки в другую. По пути волны сталкиваются с различными препятствиями или препятствиями, которые могут повлиять на дальность действия и производительность, в зависимости от характеристик радиоволны. Кроме того, нормативные правила регулируют использование и ограничения радиоволн. Этот отрывок объясняет основы радиоволн, чтобы у вас была хорошая основа для понимания сложностей развертывания сетей WLAN.
Атрибуты радиоволн
Радиоволна - это тип электромагнитного сигнала, предназначенный для передачи информации по воздуху на относительно большие расстояния. Иногда радиоволны называют радиочастотными (РЧ) сигналами. Эти сигналы колеблются с очень высокой частотой, что позволяет волнам перемещаться по воздуху, как волны в океане. Радиоволны используются уже много лет. Они предоставляют средства для передачи музыки на FM-радио и видео на телевизоры. Кроме того, радиоволны являются основным средством передачи данных по беспроводной сети. Как показано на рисунке 2-1, радиоволна имеет элементы амплитуды, частоты и фазы. Эти атрибуты могут меняться во времени для представления информации.
Амплитуда
Амплитуда радиоволны указывает на ее силу. Мерилом амплитуды обычно является мощность, которая аналогична количеству усилий, которые человек должен приложить, чтобы проехать на велосипеде определенное расстояние. Точно так же мощность в терминах электромагнитных сигналов представляет собой количество энергии, необходимое для проталкивания сигнала на определенное расстояние. По мере увеличения мощности увеличивается и дальность действия.
Радиоволны имеют амплитуды в ваттах, которые представляют мощность сигнала. Ватты имеют линейные характеристики, которые следуют математическим соотношениям, с которыми мы все хорошо знакомы. Например, результат удвоения 10 милливатт (мВт) составляет 20 мВт. Нам, конечно же, не нужно серьезно заниматься вычислением чисел, чтобы получить такой результат.
В качестве альтернативы можно использовать единицы дБм (децибелы относительно 1 мВт) для представления амплитуды радиоволн. ДБм - это количество мощности в ваттах, относящееся к 1 мВт. Нулевой (0) дБм равен 1 мВт. Кстати, маленький м в дБм - хорошее напоминание об эталонной мощности 1 мВт. Значения дБм положительные выше 1 мВт и отрицательные ниже 1 мВт. Кроме того, математика со значениями в дБм становится немного сложнее. Обратитесь к разделу «ВЧ-математика» далее в этой главе, чтобы узнать, как преобразовать ватты в единицы измерения в дБм, и понять, почему предпочтительнее использовать единицы измерения в дБм.
Примечание: Вы можете настроить мощность передачи большинства клиентских карт и точек доступа. Например, некоторые точки доступа позволяют устанавливать мощность передачи с шагом от -1 дБм (0,78 мВт) до 23 дБм (200 мВт).
Частота
Частота радиоволны - это количество повторений сигнала в секунду. Единицей измерения частоты является герц (Гц), что на самом деле представляет собой количество циклов, происходящих каждую секунду. Фактически, старое соглашение для единицы измерения частоты - количество циклов в секунду (cps).
802.11 WLAN используют радиоволны с частотами 2,4 ГГц и 5 ГГц, что означает, что сигнал включает 2 400 000 000 циклов в секунду и 5 000 000 000 циклов в секунду, соответственно. Сигналы, работающие на этих частотах, слишком высоки, чтобы люди могли их слышать, и слишком низки, чтобы люди могли их видеть. Таким образом, люди не замечают радиоволны.
Частота влияет на распространение радиоволн. Теоретически более высокочастотные сигналы распространяются в более коротком диапазоне, чем низкочастотные сигналы. Однако на практике диапазон различных частотных сигналов может быть одинаковым, или более высокочастотные сигналы могут распространяться дальше, чем низкочастотные сигналы. Например, сигнал 5 ГГц, передаваемый с более высокой мощностью передачи, может идти дальше, чем сигнал 2,4 ГГц, передаваемый при более низкой мощности, особенно если электрические помехи в этой области влияют на 5-ГГц часть радиоспектра меньше, чем 2,4 ГГц. -ГГц часть спектра (что обычно бывает).
Фаза
Фаза радиоволны соответствует тому, насколько сигнал смещен от опорной точки (например, конкретное время или другой сигнал). По соглашению, каждый цикл сигнала охватывает 360 градусов. Например, сигнал может иметь фазовый сдвиг 90 градусов, что означает, что величина смещения составляет одну четверть (90/360 = 1/4) сигнала.
Компоненты радиочастотной системы
На рисунке 2-2 показана базовая радиочастотная система, которая обеспечивает распространение радиоволн. Приемопередатчик и антенна могут быть встроены в клиентское устройство или могут быть внешним компонентом. Среда передачи - это в основном воздух, но могут быть препятствия, такие как стены и мебель.
Радиочастотный трансивер
Ключевым компонентом WLAN является приемопередатчик RF, который состоит из передатчика и приемника. Передатчик передает радиоволны на одном конце системы («источник»), а приемник принимает радиоволны на другом конце («пункте назначения») системы. Приемопередатчик обычно состоит из оборудования, которое является частью беспроводного клиентского радиоустройства (иногда называемого клиентской картой).
На рис. 2-3 показаны основные компоненты передатчика. Процесс, известный как модуляция, преобразует электрические цифровые сигналы, которые представляют информацию (биты данных, единицы и нули) внутри компьютера в радиоволны на желаемой частоте, которые распространяются через воздушную среду. Обратитесь к разделу «RF Модуляция» для получения подробной информации о том, как работает модуляция. Усилитель увеличивает амплитуду радиоволнового сигнала до желаемой мощности передачи до того, как он будет подан на антенну и распространен через среду передачи (состоящую в основном из воздуха в дополнение к препятствиям, таким как стены, потолки, стулья и т. Д.).
В пункте назначения приемник (см. Рисунок 2-4) обнаруживает относительно слабый радиочастотный сигнал и демодулирует его в типы данных, применимые к компьютеру назначения. Радиоволна на приемнике должна иметь амплитуду, превышающую чувствительность приемника приемника; в противном случае приемник не сможет «интерпретировать» сигнал или декодировать его. Минимальная чувствительность приемника зависит от скорости передачи данных. Например, предположим, что чувствительность приемника точки доступа составляет -69 дБм для 300 Мбит / с (802.11n) и -90 дБм для 1 Мбит / с (802.11b). Амплитуда радиоволны на приемнике этой точки доступа должна быть выше -69 дБм для 300 Мбит / с или выше -90 дБм для 1 Мбит / с, прежде чем приемник сможет декодировать сигнал.
RF модуляция
Радиочастотная модуляция преобразует цифровые данные, такие как двоичные единицы и нули, представляющие сообщение электронной почты, из сети в радиочастотный сигнал, пригодный для передачи по воздуху. Это включает преобразование цифрового сигнала, представляющего данные, в аналоговый сигнал. Как часть этого процесса, модуляция накладывает цифровой сигнал данных на несущий сигнал, который представляет собой радиоволну, имеющую определенную частоту. Фактически, данные передаются поверх носителя. Для представления данных сигнал модуляции изменяет сигнал несущей таким образом, чтобы представлять данные.
Модуляция необходима, поскольку передавать данные в исходной форме непрактично. Например, предположим, что Кимберлин хочет передать свой голос по беспроводной сети из Дейтона в Цинциннати, что составляет около 65 миль. Один из подходов состоит в том, чтобы Кимберлин использовала действительно мощную систему звукового усилителя, чтобы усилить свой голос настолько, чтобы его можно было услышать на расстоянии 65 миль. Проблема с этим, конечно же, в том, что громкий звук, вероятно, оглушит всех в Дейтоне и все общины между Дейтоном и Цинциннати. Вместо этого лучший подход - модулировать голос Кимберлин с помощью радиоволн или светового сигнала, который находится вне диапазона человеческого слуха и подходит для распространения по воздуху. Сигнал данных может изменять амплитуду, частоту или фазу несущего сигнала, и усиление несущей не будет беспокоить людей, поскольку оно выходит далеко за пределы диапазона слышимости.
Последнее как раз то, что делает модуляция. Модулятор смешивает сигнал исходных данных с сигналом несущей. Кроме того, передатчик передает полученные модулированные и усиленные сигналы на антенну, которая предназначена для передачи сигнала в эфир. Затем модулированный сигнал покидает антенну и распространяется по воздуху. Антенна приемной станции передает модулированный сигнал в демодулятор, который получает сигнал данных из несущей сигнала.
Манипуляция со сдвигом амплитуды
Одной из простейших форм модуляции является амплитудная модуляция (иногда называемая амплитудной манипуляцией), которая изменяет амплитуду сигнала для представления данных. Рисунок 2-5 иллюстрирует эту концепцию. Частотная манипуляция (FSK) является обычным явлением для систем на основе света, когда наличие 1 бита данных включает свет, а наличие бита 0 выключает свет. Фактические коды световых сигналов более сложные, но основная идея состоит в том, чтобы включать и выключать свет для отправки данных. Это похоже на то, как дарить фонарики двум людям в темной комнате и заставлять их общаться друг с другом, включая и выключая фонарики для отправки закодированной информации.
Сама по себе амплитудная модуляция не очень хорошо работает с радиочастотными системами, поскольку внутри зданий и на улице присутствуют сигналы (шум), которые изменяют амплитуду радиоволны, что приводит к неправильной демодуляции сигнала приемником. Эти шумовые сигналы могут вызвать искусственно завышение амплитуды сигнала в течение определенного периода времени; например, приемник демодулирует сигнал во что-то, что не соответствует тому, что было задумано (например, 10000001101101 станет 10111101101101). Для борьбы с воздействиями шума модуляция для радиочастотных систем является более сложной, чем использование только амплитудной модуляции.
Частотная манипуляция
FSK незначительно изменяет частоту несущего сигнала для представления данных способом, который подходит для распространения по воздуху на низких или средних скоростях передачи данных. Например, как показано на рисунке 2-6, модуляция может представлять бит данных 1 или 0 с положительным или отрицательным сдвигом частоты несущей. Если сдвиг частоты отрицательный, то есть сдвиг несущей на более низкую частоту, результатом является логический 0. Приемник может обнаружить этот сдвиг частоты и демодулировать результаты как нулевой бит данных. В результате FSK избегает воздействия обычного шума, который демонстрирует сдвиги по амплитуде.
Фазовая манипуляция
Некоторые системы используют фазовую манипуляцию (PSK), которая похожа на FSK, для целей модуляции для низких и средних скоростей передачи данных. При использовании PSK данные вызывают изменение фазы сигнала, в то время как частота остается постоянной. Фазовый сдвиг, как показано на рисунке 2-7, может соответствовать определенной положительной или отрицательной величине относительно эталона. Приемник может обнаруживать эти фазовые сдвиги и реализовывать соответствующие биты данных. Как и в случае с FSK, PSK в основном невосприимчив к обычному шуму, основанному на сдвигах амплитуды.
Квадратурная амплитудная модуляция
Квадратурная амплитудная модуляция (QAM) вызывает изменение как амплитуды, так и фазы несущей для представления структур данных, часто называемых символами. Преимущество QAM заключается в возможности представления больших групп битов в виде единой комбинации амплитуды и фазы. Фактически, некоторые системы на основе QAM, например, используют 64 различных комбинации фазы и амплитуды, что приводит к представлению 6 бит данных на символ. Комбинации фазы и амплитуды более высокого порядка в QAM позволяют таким стандартам, как 802.11n и 802.11ac, поддерживать более высокие скорости передачи данных.
Расширенный спектр
После модуляции цифрового сигнала в аналоговый сигнал несущей с использованием FSK, PSK или QAM некоторые трансиверы WLAN расширяют модулированную несущую по более широкому спектру в соответствии с нормативными правилами. Этот процесс, называемый расширенным спектром, значительно снижает возможность внешних и внутренних помех. В результате регулирующие органы обычно не требуют от пользователей систем с расширенным спектром получения лицензий. Расширенный спектр, первоначально разработанный военными, распределяет мощность сигнала по широкой полосе частот (см. Рис. 2-8).
Радиокомпоненты с расширенным спектром используют либо прямую последовательность, либо скачкообразную перестройку частоты для расширения сигнала. Прямая последовательность модулирует радионоситель цифровым кодом с битовой скоростью, намного превышающей ширину полосы информационного сигнала. Рисунок 2-9 представляет собой гипотетический пример прямой последовательности, которая представляет передачу трех битов данных (101) последовательно во времени. Фактическая передача основана на другом кодовом слове, которое представляет каждый тип бита данных (1 и 0). Как показано на рисунке, при отправке бита данных 1 радиостанция отправляет кодовое слово 00010011100 для представления бита данных. Аналогично, при отправке бита данных 0 радиостанция отправляет кодовое слово 11101100011. Увеличение количества отправленных битов, представляющих данные, эффективно расширяет сигнал по более широкой части частотного спектра.
Скачкообразная перестройка частоты использует другую технику для расширения сигнала путем быстрой перескока несущей радиочастоты с одной частоты на другую в пределах определенного диапазона. Рисунок 2-10 иллюстрирует эту концепцию. Поля, обозначенные на рисунке A, B, C, D и E, представляют пакеты данных, которые отправляются в разное время и с разной частотой. Это также эффективно распространяет сигнал по более широкой части спектра.
Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов
Вместо использования расширенного спектра в высокоскоростных сетях WLAN используется мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). OFDM разделяет сигнал, модулированный с помощью FSK, PSK или QAM, по нескольким поднесущим, занимающим определенный канал (см. Рисунок 2-11). OFDM чрезвычайно эффективен, что позволяет ему обеспечивать более высокие скорости передачи данных и минимизировать проблемы многолучевого распространения. OFDM также существует некоторое время, поддерживая глобальный стандарт асимметричной цифровой абонентской линии (ADSL), стандарт высокоскоростной проводной телефонии.