Fundamenty komunikacji bezprzewodowej – część 1 – podstawy

Dla przeciętnego użytkownika połączenie bezprzewodowe wydaje się być najprostszym sposobem komunikacji. Z punktu widzenia prostoty użycia, dostępności i praktyczności z pewnością tak jest – wszak są to najczęściej wymieniane zalety sieci bezprzewodowych. Wystarczy kliknąć Połącz i działa, bez użycia dodatkowego okablowania. W tym przypadku uzyskanie technologii przystępnej dla użytkownika końcowego wiązało się z wprowadzeniem złożonych zasad, które są dla niego niewidoczne, ale stanowią podstawę udanej komunikacji.

W poszukiwaniu użytecznej informacji

W sieciach bezprzewodowych zgodnych ze standardem IEEE 802.11 (czyli po prostu popularne Wi-Fi) komunikacja odbywa się przy pomocy fal radiowych. Poniższy rysunek przedstawia schematyczny wizerunek takiej fali:

Schematyczny wizerunek fali radiowej
Schematyczny wizerunek fali radiowej

W świecie opartym na technologiach cyfrowych informacje zawarte są w ciągach bitów – zer i jedynek. Taka cykliczna i regularna fala jak na powyższym rysunku niestety nie jest w stanie dostarczyć wymaganej funkcjonalności. Oczywiście możemy się umówić, że wierzchołek fali oznacza jedynkę a jej spód zero, ale jak w takim wypadku uzyskać dwie jedynki lub dwa zera pod rząd? Wydaje się niewykonalne?

Przede wszystkim należy odnotować, że skupianie się na pojedynczych wierzchołkach fali nie daje zamierzonego efektu. Dlatego też postanowiono podzielić transmisję na kawałki o równej długości i w nich badać właściwości fali radiowej. Zmiana podejścia okazała się strzałem w dziesiątkę!

Dodatkowo z pomocą przychodzi modulacja czyli technika pozwalająca zamienić zwykły sygnał w sygnał zdolny do przenoszenia użytecznej informacji, tzw. falę nośną (ang. carrier signal).

Modulacja fali radiowej
Modulacja fali radiowej

Modulacja fali polega na zmianie jej parametrów właśnie w tych konkretnych przedziałach czasowych. Dzięki temu zabiegowi sprawdzenie właściwości fali radiowej w poszczególnych odcinkach transmisji pozwala ustalić wartość jaką ona przenosi, czyli użyteczną informację. Dokładnie o to nam chodziło!

Właściwości fali

Fala radiowa jest rodzajem fali elektromagnetycznej i tak jak ona posiada swoje parametry. Rozdział ten traktuje właśnie o cechach fal, które mogą się zmieniać pod wpływem użytej modulacji. Do tego celu użyjemy schematu fali sinusoidalnej, która pozwala zobrazować falę radiową w płaszczyźnie dwuwymiarowej.

Długość fali

Długość fali (ang. wavelength) to dystans pomiędzy odpowiadającymi punktami na dwóch sąsiednich falach. Zwyczajowo, w celu ułatwienia badania, za punkty początku i końca pomiaru obiera się wierzchołki tych fal a uzyskany wynik podaje się w milimetrach lub centymetrach.

Długość fali
Długość fali

„Czy wiesz że…?”

Przybliżoną wartość długości fali można łatwo obliczyć korzystając z poniższego wzoru:

długość fali [cm] = 30 / częstotliwość [GHz]

Dla częstotliwości 2,45 GHz oraz 5,775 GHz długość fali wynosi odpowiednio około 12,24 cm i 5,19 cm.

Częstotliwość

Drugi z parametrów związany jest z pojęciem cyklu fali czyli wykonania jednego pełnego drgania fali, np. od jednego wierzchołka do najbliższego kolejnego. Ilość takich cyklów wykonanych w czasie jednej sekundy to częstotliwość fali. Otrzymany wynik wyrażany jest w jednostkach o nazwie hertz [Hz].

Porównanie fal o niskiej i wysokiej częstotliwości
Porównanie fal o niskiej i wysokiej częstotliwości

Z powyższego przykładu jasno wynika, że pierwsza fala w ciągu jednej sekundy wykonała dwa pełne cykle, natomiast druga fala wykonała ich w tym samym czasie aż pięć. Dlatego też częstotliwość fali wynosi odpowiednio 2 Hz i 5 Hz.

Dla porównania wykorzystywany w sieciach Wi-Fi sygnał o częstotliwości 5 GHz wykonuje 5.000.000.000 (pięć miliardów) cyklów na sekundę.

Amplituda

Kolejnym istotnym parametrem fali jest jej amplituda rozumiana jako wysokość, siła lub moc tej fali. W sieciach bezprzewodowych wyrażana jest w jednostkach mocy transmisji – zwyczajowo w miliwatach. Warto odnotować, że mimo zmiany amplitudy fali jej długość i częstotliwość mogą pozostać niezmienione.

Amplituda fali
Amplituda fali

Faza

Ostatnia z omawianych składowych to faza, która sama w sobie nie jest parametrem jednej fali, lecz porównaniem co najmniej dwóch fal. Co ważne, porównywane fale muszą mieć tę samą częstotliwość, a przesunięcie fazy wyraża się przede wszystkim w stopniach, chociaż do tego celu można użyć także jednostek odległości i czasu.

Porównanie sygnału głównego z sygnałem przesuniętym o 180 stopni
Porównanie sygnału głównego z sygnałem przesuniętym o 180 stopni

Wielkość przesunięcia fazy pomiędzy porównywanymi falami ma kolosalne znaczenie. Zaczniemy od najprostszego przypadku – przesunięcie fazy pomiędzy dwoma otrzymanymi sygnałami wynosi 0 stopni, czyli mówiąc wprost fale nakładają się na siebie. Skutkuje to zwiększeniem siły (amplitudy) otrzymanego sygnału, potencjalnie nawet dwukrotnie. Skrajny przypadek do już wspomnianego to sytuacja w której sygnały przesunięte są o 180 stopni. Dwie dokładnie przeciwne fale negują swoje wartości i tym samym tracimy cały sygnał. Ostatnia możliwość to przesunięcie fazy pomiędzy 0 i 180 stopni, które może mieć skutek pozytywny albo negatywny, w zależności od wielkości przesunięcia.

Cykl artykułów „Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej”

Artykuły publikowane w ramach cyklu “Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej” można czytać niezależnie, ale najlepsze efekty osiągniesz, jeśli zapoznasz się z nimi po kolei. Cały cykl składa się z następujących artykułów:

  1. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 1 – Podstawy
  2. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 2 – FHSS
  3. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 3 – DSSS
  4. Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej – Część 4 – OFDM

Rodzaje modulacji

Modulacja jest techniką pozwalającą zamienić zwykły sygnał w sygnał zdolny do przenoszenia użytecznej informacji. Dla przypomnienia, otrzymany sygnał dzielimy na kawałki równej długości, które jesteśmy w stanie zbadać w celu uzyskania informacji. Wyróżniamy dwa główne rodzaje modulacji:

Aktualnego stanu (ang. Current State) – skupiamy się wyłącznie na aktualnie badanym kawałku sygnału, interesują nas tylko właściwości fali na tym odcinku transmisji.

Zmiany stanu (ang. State Transition) – w tym przypadku obserwujemy zmiany jakie nastąpiły w parametrach fali w porównaniu do poprzedniego kawałka transmisji.

Bardziej dokładny podział na techniki modulacji związany jest z parametrem fali jaki sprawdzany jest w danym podejściu. Przechodzimy zatem do opisu każdej z nich.

ASK

Pierwsza omawiana technika to Amplitude-Shift Keying czyli sprawdzanie amplitudy sygnału w celu znalezienia użytecznej informacji. Co ważne, częstotliwość oraz faza nie ulegają zmianie, a odcinki sygnału mogą się różnić wyłącznie amplitudą. Technika ta bardzo dobrze sprawdza się w wersji Current State. W poniższym przykładzie wysoka moc sygnału oznacza binarne 1, zaś niska moc binarne 0.

Modulacja ASK
Modulacja ASK

FSK

Druga omawiana technika to Frequency-Shift Keying czyli sprawdzanie częstotliwości sygnału w celu znalezienia użytecznej informacji. Tym razem tylko częstotliwość fali może ulec zmianie, natomiast jej amplituda i faza powinny pozostać niezmienione. Technika ta bardzo dobrze sprawdza się w wersji Current State. W poniższym przykładzie wysoka częstotliwość oznacza binarne 1, a niska częstotliwość binarne 0.

Modulacja FSK
Modulacja FSK

„Czy wiesz że…?”

Z modulacjami ASK i FSK mamy do czynienia na co dzień od wielu lat. Radia AM oraz FM nadają sygnał z modulacją odpowiednio amplitudy i częstotliwości, który to następnie jest demodulowany przez odbiorniki w naszych domach czy samochodach.

PSK

Ostatnia technika to Phase-Shift Keying czyli sprawdzanie fazy sygnału w celu znalezienia użytecznej informacji. W tym przypadku sygnał w kolejnych badanych odcinkach ma tę samą amplitudę i częstotliwość, zmienić się może wyłącznie faza. Technika ta bardzo dobrze sprawdza się w wersji State Transition. Przykład poniżej prezentuje podstawowy wariant w którym brak przesunięcia fazy oznacza binarne 0, natomiast przesunięcie o 180 stopni oznacza binarne 1.

Modulacja PSK
Modulacja PSK

W tym miejscu warto wspomnieć o Multiple Phase-Shift Keying (MPSK) czyli ulepszonej wersji PSK. Jedyna, aczkolwiek bardzo istotna zmiana, to rozróżnianie większej ilości przesunięcia faz. Dla przykładu, użycie czterech możliwości (0, 90, 180 i 270 stopni) pozwala zakodować dwa bity zamiast jednego – wydajność wzrasta dwukrotnie! Oczywiście możliwe jest zwiększanie ilości opcji a jedynymi ograniczeniami są dokładność i precyzyjność wykorzystywanych urządzeń, które takie zmiany fazy muszą wychwycić. Współczesne metody opierają się na rozwiązaniu hybrydowym MPSK i ASK bazując na zmianach fazy i amplitudy jednocześnie.

Kodowanie

Sieci bezprzewodowe korzystają z medium silnie narażonego na różnego rodzaju zakłócenia. Dlatego też jednym z etapów złożonej transmisji jest kodowanie, którego celem jest zapewnienie integralności i spójności przesyłanych danych. Kodowanie polega na zastąpieniu pojedynczego bitu użytecznej informacji wieloma bitami transmisji. Dzięki temu utrata lub przekłamanie nawet kilku kolejnych bitów nie przeszkodzi odbiorcy w uzyskaniu niezmienionych danych. W tym przypadku mówimy o tzw. kodowaniu nadmiarowym – ilość wszystkich bitów w transmisji jest większa od ilości użytecznych bitów przenoszących informacje, które jesteśmy w stanie uzyskać po odkodowaniu transmisji.

„Czy wiesz że…?”

Powstało wiele algorytmów kodowania używanych w sieciach bezprzewodowych, o różnych poziomach nadmiarowości. Warto zaznaczyć, że wśród nich są także takie, które nie wprowadzają nadmiarowości a każdy wysłany bit jest użyteczną informacją. O szczegółach dowiesz się w kolejnym artykule.

To co niewidoczne gołym okiem posiada solidne podstawy i mechanizmy, które muszą być wykonywane błyskawicznie w celu zapewnienia wydajnej transmisji danych. Przepływ fal radiowych, modulacje, kodowanie – to wszystko dzieje się właśnie teraz w Twoim otoczeniu nawet jeśli Ty bezpośrednio z tego nie korzystasz.

Tak przygotowany sygnał to dopiero początek drogi w kierunku pomyślnej komunikacji bezprzewodowej. Następnym krokiem będzie wykorzystanie jednej z dostępnych technologii transmisyjnych w celu wysłania sygnału w eter.

A Ty jak radzisz sobie z zapamiętaniem tego co leży u podstaw?

🗳 Jak przydatna była ta publikacja?

  • </