Физический уровень - wireless, radio

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр - это совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения.

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число электромагнитных колебаний в секунду называется частотой ([math]f[/math]) и измеряется в герцах (Гц). Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны ([math]\lambda[/math]). В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света ([math]c[/math]).

Величины [math]f, \lambda[/math] и [math]c[/math] (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением: [math]\lambda f = c[/math].

Принцип работы антенны

Антенна - устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие или приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приёмником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи. Ошибочно полагать, что передающая антенна может усиливать сигнал. Обычная пассивная антенна при передаче сигнала лишь направляет спектр в определённом направлении и за счёт своей площади обеспечивает более уверенный приём. Антенна работает подобно световому отражателю в фонарях. Она направляет спектр в заданном направлении. Например, вам надо охватить уверенным сигналом большое помещение. Простым решением будет разместить точку доступа в центре помещения, но, к сожалению, это может быть связано с техническими трудностями. Намного проще установить точку доступа в одном из углов комнаты и направить сигнал в противоположный угол. Для этого вам потребуется направленная антенна, которая не будет посылать сигнал в стенку за собой, где он никому не потребуется, зато распределит спектр по площади с большей эффективностью.

Одна из основных характеристик антенны - её коэффициент усиления (КУ), выраженный в децибелах (дБ). КУ такой антенны - это отношение мощности сигнала, излучённого в определённом направлении к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной. КУ характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной, поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия.

Применение электромагнитного спектра в связи

Ниже, на рисунке, изображён электромагнитный спектр и его применение в связи. Радио, микроволновый, инфракрасные диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, опасны для всего живого, поэтому их практически не используют в радиосвязи, несмотря на их высокие частоты.

Диапазоны частот:

• Низкая (LF, Low Frequency) - длины волн от 1 км до 10 км;
• Средняя (MF, Medium Frequency) - длины волн от 100 м до 1 км;
• Высокая (HF, High Frequency) - длины волн от 10 м до 100 м;
• Очень высокая (VHF, Very High Frequency) - длины волн от 1 м до 10 м;
• Ультравысокая (UHF, Ultrahigh Frequency) - длины волн от 100 мм до 1000 мм;
• Сверхвысокая (SHF, Superhigh Frequency) - длины волн от 10 мм до 100 мм;
• Чрезвычайно высокая (EHF, Extremely High Frequency) - длины волн от 1 мм до 10 мм;
• Ужасно высокая (THF, Tremendously High Frequency) - длины волн от 0.1 мм до 1 мм.

Свойства радиоволн

Свойства радиоволн зависят от частоты. При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, но мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удалённости от источника выражается примерно так: [math]1 / r^2[/math]. На высоких частотах радиоволны распространяются исключительно по прямой линии и отражаются от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождём.

Так как радиоволны могут распространяться на большие расстояния, то существует и большая проблема взаимных влияний или помех. Основными причинами взаимных помех являются одновременные подключения к базовой станции, и если они используют общую полосу частот, то проблема усугубляется. Это создаёт наиболее сильный источник взаимных помех в радиосистемах многостанционного доступа. Минимизация нежелательных воздействий замираний и взаимных помех, а также оптимизация использования дефицитных радиоресурсов в значительной степени зависят от существующего планирования сети, применяющихся методов радиодоступа и алгоритмов, используемых для управления радиоресурсами, принципами сотовой связи, методами модуляции, современными антеннами и т.д.

Радиоволны низкой и средней частоты распространяются вдоль поверхности земли (на рисунке слева). На низких частотах эти волны можно поймать на расстоянии около 1000 км, и на несколько меньших расстояниях, если использовать волны средней частоты. Радиоволны же высокой частоты поглощаются землёй, но те, которые дошли до ионосферы (слой заряженных частиц на высоте от 100 до 500 км), отражаются от неё и посылаются обратно к поверхности земли (на рисунке справа).

Связь в микроволновом диапазоне

В современной высокотехнологичной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Например, сотовый телефон - он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения. Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, LTE, радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч. Это свойство СВЧ напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в этом диапазоне. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный луч, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны распространяются строго по прямой и плохо проходят сквозь твёрдые объекты. Например, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок, перекрытий, панелей сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли, ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи. Область обнаружения делится на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы соседние станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот. Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте. В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономится полоса радиочастот, используемая сетью.

Кроме того, микроволновая связь является относительно недорогой. Установка двух примитивных вышек с антеннами на каждой из них обойдётся дешевле, чем прокладка 100 км кабеля в перенаселённой городской или труднодоступной местностях.

Принцип работы сотовой связи

Вкратце, принцип работы пакетной сети можно описать так:

1. Выделение ресурсов для пакетной передачи на стороне контроллера базовых станций (при этом учитывается приоритет голосовых сервисов);
2. Проведение процедуры аутентификации абонента, включая идентификацию терминала абонента;
3. Обновление информации о местоположении абонента;
4. Согласование ключей шифрования потока;
5. Установление коммуникации между конечным устройством абонента и пакетной сетью оператора;
6. После окончания использования услуг пакетной передачи производится отключение абонента (освобождение канала).

Один из вариантов передачи данных через сотовую связь - протокол GPRS. GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (не обязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом не заметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.). Так же при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический). Соответственно, как и в обычной L3-сети, происходит обмен пакетами, где каждый пакет имеет строгую структуру - заголовки, в том числе ip.src и ip.dstn. Следовательно, пакеты, предназначенные мне, не могут попасть другим (только если их перехватят).

Инфракрасные и миллиметровые волны

Беспроводное инфракрасное и миллиметровое излучения применяется для связи на небольших расстояниях.

Достоинством диапазона миллиметровых волн являются малые размеры антенн (что позволяет уменьшить габаритные размеры системы в целом) и бо́льшая абсолютная полоса частот (что обеспечивает возможность совместного использования диапазона бо́льшим числом радиосистем). Однако, по сравнению с более низкочастотными диапазонами, радиоволны миллиметрового диапазона испытывают сильное затухание при распространении в земной атмосфере. Затухание вызвано резонансным поглощением энергии волн в атмосферных газах (преимущественно, в молекулах воды и кислорода), а также в атмосферных осадках (дождь, туман, снег и др.). Вследствие этого земные радиосистемы миллиметрового диапазона характеризуются малой дальностью действия и сильной зависимостью от погодных условий.

Дистанционные пульты управления телевизором, видеомагнитофоном, аудиосистемы используют инфракрасное излучение. Они дешёвые, направленные, но имеют важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твёрдые объекты. С другой стороны, этот факт имеет и положительную сторону: инфракрасная система в одной части здания не будет интерферировать с похожей системой в другой.

Связь в видимом диапазоне

Беспроводные оптические сигналы либо оптические системы в свободном пространстве применялись в течение нескольких веков. Примером служит использование двоичных оптических сигналов для передачи информации в пределах видимости.

Коммуникационная технология Li-Fi

Li-Fi (Light Fidelity) - новая беспроводная форма коммуникации с помощью видимого света, которая обеспечивает высокоскоростную, двустороннюю мобильную связь при помощи света из светодиодов вместо радиоволн, как это происходит в случае с Wi-Fi. Она передаёт двоичные данные в виде световых потоков и таким образом является разновидностью оптической беспроводной связи, к которой относятся все виды оптических коммуникация, где не используются оптические волокна. Также, был установлен рекорд скорости в 100 раз превышающий Wi-Fi, 224 Гбит/с.

Технология связи на основе видимого света (VLC технология) - среда для оптической беспроводной передачи данных в которой используется видимый свет в диапазоне от 400 до 800 ТГц для передачи двоичных данных в виде световых импульсов. Передача данных осуществляется с помощью светодиодов (LED), которые выступают в качестве фотодиодов. Таким образом, VLC технология может использоваться как для коммуникации, так и для освещения.

Li-Fi использует свет от светоизлучающим диодов для обеспечения сетевой, мобильной и высокоскоростной связи. Данные передаются путём модуляции интенсивности света в наносекундные интервалы, которые настолько быстрые, что не могу быть замечены человеческим глазом. Эти данные затем получает фотодетектор. После чего световой сигнал преобразуется в электронный вид.

Световые волны не могут проникать сквозь стены, поэтому радиус действия Li-Fi невелик, с другой стороны Li-Fi более защищён от взлома, чем обычный беспроводной канал связи. Также нет надобности в прямой видимости для передачи сигнала - свет, отражённый от стен, может достигать пропускной способности в 70 Мбит/сек.

Но у Li-Fi есть и достаточно серьёзные недостатки:

• Если говорить о случаях наружного использования, то помехи от солнечного света часто мешают внедрению Li-Fi решений. Однако, это влияние можно контролировать в случае внедрения технологии внутри помещений с помощью оптических фильтров.
• В случае с Li-Fi для удачной передачи данных вам нужно будет вытащить ваш смартфон из кармана.
• Необходимость наличия постоянно включенного света для осуществления соединения. В то время, как это не является проблемой в промышленных масштабах, это проблематично в домашних условиях с практической и экологической точек зрения. Вам придётся постоянно держать свет включенным для работы Li-Fi независимо от времени суток.