Технологии WiFi

Wi-Fi

• WI-FI - это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную  сеть  и подключения их к  Internet .
• Под аббревиатурой "Wi-Fi" (от английского словосочетания " Wireless   Fidelity ", которое можно дословно перевести как "высокая  точность  беспроводной передачи данных") в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. 

WLAN -сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными сетями:

• WLAN -сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;
• пользователи мобильных устройств при подключении к локальным беспроводным сетям могут легко перемещаться в рамках действующих зон сети;
• скорость современных сетей довольно высока, что позволяет использовать их для решения очень широкого спектра задач;
• WLAN -сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети.

Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях беспроводных сетей. Это, как правило, все-таки меньшая скорость, подверженность влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации.

Сегмент Wi-Fi сети может использоваться как самостоятельная  сеть , либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и обычные проводные  сегменты . Wi-Fi  сеть  может использоваться:

• для беспроводного подключения пользователей к сети;
• для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или нежелательно;
• для подключения к сетям провайдера  Internet-услуги  вместо использования выделенной проводной линии или обычного модемного соединения.

Для построения беспроводной сети используются Wi-Fi адаптеры и точки доступа.

• Wi-Fi  адаптер  выполняет ту же функцию, что и  сетевая карта  в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети.
• Для выбора способа подключения  адаптер  должен быть настроен на использование либо Ad Hoc, либо инфраструктурного режима.

Для доступа к беспроводной сети  адаптер  может устанавливать  связь  непосредственно с другими адаптерами. Такая  сеть  называется  беспроводной одноранговой сетью  или  Ad Hoc  ("к случаю").  Адаптер  также может устанавливать  связь  через специальное устройство -  точку доступа . Такой режим называется  инфраструктурой .

Через точку доступа осуществляется взаимодействие и  обмен информацией  между беспроводными адаптерами, а также  связь  с проводным сегментом сети. Таким образом,  точка доступа  играет роль коммутатора.

• Точка доступа  может использоваться как для подключения к ней клиентов (базовый режим точки доступа), так и для взаимодействия с другими точками доступа с целью построения распределенной сети ( Wireless   Distributed System  -  WDS ). Это режимы беспроводного моста " точка-точка " и "точка - много точек", беспроводной клиент и  повторитель .
• Доступ  к сети обеспечивается путем передачи широковещательных сигналов через эфир. Принимающая станция может получать сигналы в диапазоне работы нескольких передающих станций. Станция-приемник использует  идентификатор  зоны обслуживания ( Service   Set  IDentifier -  SSID ) для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен.
• Зоной обслуживания  ( Service   Set  - SS) называются логически сгруппированные устройства, обеспечивающие подключение к беспроводной сети.
• Базовая зона обслуживания  ( Basic   Service   Set  -  BSS ) - это  группа  станций, которые связываются друг с другом по беспроводной связи. Технология  BSS  предполагает наличие особой станции, которая называется  точкой доступа  ( access point ).

Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть либо аналоговым, либо цифровым.  Аналоговым  называется сигнал, интенсивность которого во времени изменяется постепенно. Другими словами, в сигнале не бывает пауз или разрывов.  Цифровым  называется сигнал, интенсивность которого в течение некоторого периода поддерживается на постоянном уровне, а затем также изменяется на постоянную величину (это определение идеализировано). 

Аналоговый сигнал  может представлять речь, а цифровой - набор двоичных единиц и нулей.

Простейшим типом сигнала является  периодический сигнал , в котором некоторая структура периодически повторяется во времени. Нар рисунке приведен пример периодического  аналогового сигнала  (синусоида) и периодического  цифрового сигнала  (прямоугольный сигнал, или  меандр ). Математическое определение: сигнал s(t) является периодическим тогда и только тогда, когда

где постоянная T является периодом сигнала ( T - наименьшая величина, удовлетворяющая этому уравнению).

В общем случае синусоидальный сигнал можно представить в следующем виде:

Передача данных

• Определим  данные  как объекты, передающие смысл, или информацию. 
• Сигналы  - это электромагнитное представление данных. 
• Передача  - процесс перемещения данных путем распространения сигналов по передающей среде и их обработки.

Аналоговые и цифровые сигналы

• Аналоговый сигнал  представляет собой непрерывно изменяющуюся электромагнитную волну, которая может распространяться через множество сред, в зависимости от частоты; в качестве примеров таких сред можно назвать проводные линии, такие как витая пара и коаксиальный кабель,  оптоволокно ; этот сигнал также может распространяться через атмосферу или космическое пространство. 
• Цифровой сигнал  представляет собой последовательность импульсов напряжения, которые могут передаваться по проводной линии; при этом постоянный положительный уровень напряжения может использоваться для представления двоичного нуля, а постоянный отрицательный уровень - для представления двоичной единицы.

Речь представляет собой звуковые волны и содержит частотные составляющие в области 20 Гц - 20 кГц. Однако большая часть энергии речи находится в намного более узком диапазоне. Стандартный спектр речевых сигналов - 300-3400 Гц, и этого диапазона вполне хватает для разборчивой и четкой передачи речи. Именно такой диапазон обрабатывает телефонный аппарат. Все поступающие звуковые колебания в диапазоне 300-3400 Гц преобразуются в электромагнитный сигнал с подобными амплитудами и частотами. В другом аппарате выполняется обратный процесс: электромагнитная энергия преобразуется в звук.

Цифровые данные можно представить аналоговыми сигналами, применив с этой целью модем (модулятор/демодулятор). Модем или беспроводной адаптер преобразует последовательность двоичных (принимающих два значения) импульсов напряжения в  аналоговый сигнал , модулируя их несущей частотой. Получившийся в результате сигнал занимает определенный спектр частот с центром на несущей частоте и может распространяться в окружающую среду. На другом конце линии другой модем или беспроводной адаптер демодулирует сигнал и восстанавливает исходные данные.

Модуляция сигналов

• Исторически модуляция начала применяться для аналоговой информации, и только потом - для дискретной.
• В беспроводной технологии в процессе модулирования задействованы одна или несколько характеристик несущего сигнала: амплитуда, частота и фаза. 

Существуют три основные технологии кодирования или модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в  аналоговый сигнал

• амплитудная модуляция ( Amplitude -Shift Keying - ASK);
• частотная модуляция (Frequency-Shift Keying -  FSK );
• фазовая модуляция ( Phase -Shift Keying -  PSK ).

Во всех перечисленных случаях результирующий сигнал центрирован на несущей частоте

Квадратурная амплитудная модуляция

Квадратурная  амплитудная модуляция ( Quadrature Amplitude Modulation  -  QAM ) является популярным методом аналоговой передачи сигналов, используемым в некоторых беспроводных стандартах.

Данная схема модуляции совмещает в себе амплитудную и фазовую модуляции. В методе  QAM  использованы преимущества одновременной передачи двух различных сигналов на одной несущей частоте, но при этом задействованы две копии несущей частоты, сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов. При квадратурной амплитудной модуляции обе несущие являются амплитудно-модулированными. Итак, два независимых сигнала одновременно передаются через одну среду. В приемнике эти сигналы демодулируются, а результаты объединяются с целью восстановления исходного двоичного сигнала.

Квадратурная амплитудная модуляция

При использовании двухуровневой квадратурной амплитудной модуляции (2QAM) каждый из двух потоков может находиться в одном из двух состояний, а объединенный поток - в одном из  состояний. При использовании четырехуровневой модуляции (т.е. четырех различных уровней амплитуды, 4QAM) объединенный поток будет находиться в одном из  состояний. Уже реализованы системы, имеющие 64 или даже 256 состояний. Чем больше число состояний, тем выше скорость передачи данных, возможная при определенной ширине полосы. Разумеется, как указывалось ранее, чем больше число состояний, тем выше потенциальная частота возникновения ошибок вследствие помех или поглощения.

Пропускная способность канала

Существует множество факторов, способных исказить или повредить сигнал. Наиболее распространенные из них - помехи или шумы, представляющие собой любой нежелательный сигнал, который смешивается с сигналом, предназначенным для передачи или приема, и искажает его. 

Максимально возможная при определенных условиях скорость, при которой информация может передаваться по конкретному тракту связи, или каналу, называется  пропускной способностью  канала.

Пропускная способность канала

• Скорость передачи данных - скорость в битах в секунду (бит/с), с которой могут передаваться данные;
• Ширина полосы - ширина полосы передаваемого сигнала, ограничиваемая передатчиком и природой передающей среды. Выражается в периодах в секунду, или герцах (Гц);
• Шум. Средний уровень шума в канале связи;
• Уровень ошибок - частота появления ошибок. Ошибкой считается прием 1 при переданном 0 и наоборот.

Проблема заключается в следующем: средства связи недешевы и, в общем случае, чем шире их полоса, тем дороже они стоят. Более того, все каналы передачи, представляющие практический интерес, имеют ограниченную ширину полосы. Ограничения обусловлены физическими свойствами передающей среды или преднамеренными ограничениями ширины полосы в самом передатчике, сделанными для предотвращения интерференции с другими источниками. Естественно, нам хотелось бы максимально эффективно использовать имеющуюся полосу. Для цифровых данных это означает, что для определенной полосы желательно получить максимально возможную при существующем уровне ошибок скорость передачи данных. Главным ограничением при достижении такой эффективности являются помехи.