Компьютерные сети. 6-е изд.

2.2. Беспроводная передача данных

На сегодняшний день множество людей использует беспроводную связь при работе с разными устройствами, от ноутбуков и смартфонов до «умных» часов и холодильников. Все эти устройства передают данные друг другу и конечным точкам сети по беспроводным каналам.

Следующие разделы посвящены общим вопросам беспроводной передачи данных. Для нее существует множество важных сценариев применения (помимо выхода в интернет для пользователей, желающих побродить по Всемирной паутине, лежа на пляже). Иногда беспроводная связь удобнее даже для стационарных устройств, например, если из-за рельефа местности (горы, джунгли, болота и т.п.) провести оптоволоконный кабель к зданию затруднительно. Современная беспроводная связь возникла в 1970-х благодаря проекту профессора Нормана Абрамсона (Norman Abramson) из Гавайского университета. Стоит отметить, что гавайских пользователей от вычислительных центров отделял Тихий океан, а телефонная система в то время оставляла желать лучшего. Мы обсудим проект Абрамсона, ALOHA, в главе 4.

2.2.1. Спектр электромагнитных волн

Электроны при движении создают электромагнитные волны, способные распространяться в пространстве (даже в вакууме). В 1865 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) высказал гипотезу о существовании этих волн, а в 1887 году они впервые были зафиксированы немецким физиком Генрихом Герцем (Heinrich Hertz). Число колебаний волны в секунду, измеряемое в герцах, называется ее частотой (frequency), f. Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны (wavelength) и традиционно обозначается греческой буквой λ (лямбда).

Если к электрической цепи подключить антенну нужного размера, можно с успехом передавать электромагнитные волны на приемник, расположенный на некотором расстоянии. На этом принципе основана вся беспроводная связь.

В вакууме все электромагнитные волны перемещаются с одной скоростью, вне зависимости от их частоты. Эту скорость называют скоростью света, c. Она равна приблизительно 3×108 м/с, то есть около 1 фута (30 см) в наносекунду. (Можно было бы пересмотреть традицию и определить фут как расстояние, проходимое светом в вакууме за наносекунду, вместо того чтобы опираться на размер обуви давно умершего короля.) В медном проводе или оптоволокне скорость волн снижается до 2/3 этого значения и начинает в некоторой степени зависеть от частоты. Скорость света — абсолютный предел скорости во Вселенной. Никакой объект или сигнал не может перемещаться быстрее.

f, λ и c (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением:

λ f = c. (2.1)

Поскольку c — постоянная, то, зная f, можно найти λ, и наоборот. Эмпирическое правило: если λ измеряется в метрах, а f — в мегагерцах, то λf ≈ 300. Например, длина волн частотой 100 МГц составляет около 3 м, 1000 МГц — 0,3 м, а 3000 МГц — 0,1 м.

На илл. 2.8 приведен спектр электромагнитных волн. Для передачи данных путем модуляции амплитуды, частоты или фазы волн можно использовать радиоволны, микроволновое и инфракрасное излучение, а также видимый свет. Еще лучше для этой цели подошло бы ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение благодаря более высокой частоте, но генерировать и модулировать их сложнее: они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, опасны для всего живого.

Названия частотных диапазонов, представленные в нижней части илл. 2.8, являются официальными наименованиями Международного союза электросвязи (ITU). Они соответствуют длине волны: к примеру, низкочастотный диапазон охватывает длины волн от 1 до 10 км (примерно от 30 до 300 КГц). Сокращения НЧ (LF), СЧ (MF) и ВЧ (HF) означают низкие (low), средние (medium) и высокие частоты (high frequency) соответственно. Разумеется, при выборе названий никто не ожидал, что будут использоваться частоты выше 10 МГц. Поэтому последующие диапазоны получили названия ОВЧ, очень высокие частоты (VHF, very high frequency); УВЧ, ультравысокие частоты (UHF, ultra high frequency); СВЧ, сверхвысокие частоты (SHF, super high frequency); КВЧ, крайне высокие частоты (EHF, extremely high frequency), и ГВЧ, гипервысокие частоты (THF, tremendously high frequency). Наименования следующих диапазонов пока не придуманы, но как нам кажется, отлично подойдут «невероятно высокие», «поразительно высокие» и «чудовищно высокие» частоты (НВЧ, ПВЧ и ЧВЧ). Выше 1012 Гц начинается инфракрасное излучение, которое имеет смысл сравнивать с видимым светом, а не с радиоволнами.

Илл. 2.8. Спектр электромагнитных волн и их применение для электросвязи

Из теоретических основ электросвязи (изложенных далее в этой главе) известно, что количество информации, переносимой сигналом (например, электромагнитной волной), зависит от принимаемой мощности и пропорционально ширине полосы пропускания. Из илл. 2.8 становится ясно, почему разработчики сетей так любят оптоволокно. В микроволновом диапазоне для передачи данных доступна полоса пропускания на много гигагерц, но оптоволокно находится правее на логарифмической шкале, поэтому его показатели еще лучше. В качестве примера рассмотрим 1,30-микрометровый диапазон на илл. 2.5; ширина диапазона составляет 0,17 мкм. Воспользуемся уравнением (2.1) и вычислим начальную и конечную частоты на основе соответствующих длин волн. Диапазон составляет около 30 000 ГГц. При допустимом соотношении «сигнал/шум» в 10 дБ скорость будет равна 300 Тбит/с.

Большая часть данных передается в относительно узком диапазоне частот, другими словами, ∆ f / f << 1. Сигналы сосредоточиваются в узком диапазоне для более эффективного использования спектра и достижения хороших скоростей передачи за счет достаточной мощности. Далее мы опишем три типа передачи, при которых используются более широкие диапазоны частот.

2.2.2. Псевдослучайная перестройка рабочей частоты

При расширении спектра сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (frequency hopping spread spectrum) передатчик меняет частоту сотни раз в секунду. Этот метод широко используется в военной связи: такую передачу труднее засечь и практически невозможно заглушить. Помимо этого он снижает замирание сигналов, поскольку они движутся от источника к приемнику различными путями. Также он устойчив к узкополосным помехам, поскольку приемник не задерживается долго на проблемной частоте и связь не разрывается. Благодаря такой ошибкоустойчивости данный метод хорошо подходит для перегруженных частей спектра, таких как диапазоны ISM (мы расскажем о них чуть позднее). Псевдослучайная перестройка рабочей частоты также применяется в коммерческих системах, например в Bluetooth и в старых версиях стандарта 802.11.

Любопытно, что одним из изобретателей этой технологии стала австрийская и американская киноактриса Хеди Ламарр (Hedy Lamarr), снискавшая славу ролями в европейских фильмах в 1930-х годах под своим настоящим именем Хедвиг (Хеди) Кислер (Hedwig (Hedy) Kiesler). Ее первый супруг — богатый владелец оружейной фабрики — однажды рассказал ей, насколько легко блокировать радиосигналы управления торпедами. Обнаружив, что он продает вооружение Гитлеру, Хеди пришла в ужас. Переодевшись горничной, она сбежала в Голливуд, где продолжила карьеру актрисы. А в перерыве между съемками Хеди создала технологию перестройки рабочей частоты, чтобы помочь антигитлеровской коалиции.

В ее схеме использовалось 88 частот — по числу клавиш (и частот) фортепиано. Хеди Ламарр и ее друг, композитор Джордж Антейл (George Antheil), запатентовали изобретение (патент U.S. 2292387). Впрочем, им не удалось убедить ВМС США в практической ценности этой технологии, так что никаких выплат они так никогда и не получили. Лишь спустя многие годы после того, как патент утратил силу, эта методика была вновь открыта. Теперь она используется в мобильных электронных устройствах (вместо того, чтобы блокировать сигналы для торпед).

2.2.3. Метод прямой последовательности для расширения спектра

При расширении спектра методом прямой последовательности (direct sequence spread spectrum) информационный сигнал распределяется по более широкому диапазону частот с помощью кодовой последовательности. Данный метод обеспечивает эффективное совместное использование одной полосы частот несколькими сигналами, а потому широко применяется в промышленности. Сигналам присваиваются разные коды методом множественного доступа с кодовым разделением каналов (code division multiple access, CDMA); его мы обсудим позже. На илл. 2.9 приводится сравнение двух методов расширения спектра сигнала (прямой последовательности и псевдослучайной перестройки рабочей частоты). На методе прямой последовательности основываются мобильные телефонные сети 3G. Кроме того, он применяется в GPS. Даже без различных кодов метод прямой последовательности не боится помех и замирания, поскольку теряется лишь небольшая доля полезного сигнала. В таком виде он применяется в старых версиях протокола беспроводных LAN 802.11b. Захватывающая история связи на основе расширения спектра подробно описана в работе Уолтерса (Walters, 2013).

Илл. 2.9. Расширение спектра и сверхширокополосная связь (UWB)

2.2.4. Сверхширокополосная связь

При использовании сверхширокополосной связи (ultra-wideband, UWB) происходит отправка ряда быстрых сигналов низкой мощности, а передача данных происходит за счет варьирования несущих частот. В результате быстрых переходов сигнал распределяется по очень широкой частотной полосе. К UWB относятся сигналы с полосой частот не менее 500 МГц либо занимающие как минимум 20 % от средней частоты их частотного диапазона. UWB-связь также показана на илл. 2.9. При такой ширине полосы частот скорость UWB-связи потенциально может достигать нескольких сотен мегабит в секунду. А поскольку сигнал распределен по широкому диапазону, ему не страшны довольно сильные помехи со стороны других сигналов с узкой полосой частот. Важный нюанс: поскольку при передаче данных на короткие расстояния мощность UWB-сигналов очень невелика, они не генерируют помех для вышеупомянутых узкополосных сигналов. В отличие от передачи данных при расширенном спектре, UWB-сигналы не мешают несущим сигналам в той же полосе частот. Их можно также использовать для просвечивания твердых объектов (земли, стен и тел) или в качестве составной части систем точного позиционирования. Эта технология нередко применяется для связи на коротких расстояниях в помещениях, а также для получения точных координат и отслеживания местоположения.