Основы беспроводных сетей

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания, распространяемые в среде. В контексте беспроводных систем связи под средой подразумевается свободное пространство, где скорость распространения волн соответствует скорости света. Источником электромагнитной волны является проводник, выступающий в роли антенны, через который протекает переменный электрический ток. Важно понимать, что электромагнитное поле будет существовать только вокруг проводника, через который протекает переменный ток, причём излучаемая проводником энергия и характеристики напряжённости поля будут соответствовать протекающему току.

Природа радиоволн

Известно, что электрическое поле формируется вокруг электрически заряженных тел, а магнитное - вокруг проводников с переменным электрическим ток. Рассмотрим незамкнутый проводник, вибратор, заряды вдоль которого распределены неравномерно, как на рисунке 1.

Поскольку заряд вдоль вибратора распределён неравномерно, то между отдельными участками проводника формируется электрическое поле, под действием которого начнётся движение зарядов и возникнут электрические колебания. Переменное электрическое поле вокруг вибратора формирует переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, вновь формирует переменное электрическое поле. Такое явление обеспечивает распространение электромагнитного излучения в пространстве и называется электромагнитной волной.

Поляризация

Одной из характеристик электромагнитных волн, подобно световым волнам, является поляризация, под которой понимается ориентация вектора напряжённости электрического поля, который перпендикулярен направлению распространения волны и вектору магнитного поля.

Как видно на рисунке 2, выделяют три вида поляризации: линейная вертикальная, линейная горизонтальная и круговая. На иллюстрации отсутствуют частные виды поляризаций: угловая (вектор напряжённости электрического поля направлен под углом 45 градусов) и эллиптическая (конец вектора электрического поля описывает эллипс в плоскости колебаний).

Важно понимать, что характер поляризации зависит от источника излучения. Приёмник, в свою очередь, для построения эффективных каналов связи, должен быть согласован по поляризации с источником.

Поскольку электрический ток, наводимый волной горизонтальной поляризации в вертикально-установленном вибраторе, будет минимальным из-за рассогласования приёмной и передающей сторон, то волны горизонтальной и вертикальной поляризации не будут оказывать влияния друг на друга. Аналогичный эффект будет наблюдаться при взаимодействии двух волн угловых поляризаций, угол поворота которых отличается на 90°С. Явление слабой интерференции между двумя радиосигналами различной поляризации может быть использовано для увеличения ёмкости системы связи: за счёт одновременной передачи сигнала с вертикальной и горизонтальной поляризациями в одной полосе частот пропускная способность увеличивается в два раза.

Базовые характеристики волны

Поскольку электромагнитная волна формируется в соответствии с переменным током в вибраторе, то распределение напряжённости электрического и магнитного полей будет носить периодический характер, который, как и любое колебание, можно описать с помощью следующих понятий:

• амплитуда;
• длина волны;
• частота;
• фаза.

Для пояснения базовых характеристик электромагнитного колебания, обратимся к рисунку 3, на котором представлено распределение напряженности электрического поля во времени.

Амплитуда - максимальное значение смещения величины напряжённости поля от его среднего значения. Единица измерения - Вольт/метр (В/м).

Частота - количество повторений периодических процессов в единицу времени. Единица измерения - Герц (Гц). На рисунке 2 представлено два полных колебания, произошедших за одну секунду, т.е. частота равна:

Длина волны - расстояние, на которое волна перемещается в течении одного колебания. Единица измерения - метр (м). Данный параметр связан с частотой через скорость распространения электромагнитной волны, которая в свободном пространстве соответствует скорости света:

Для частот 2,4 ГГц и 5 ГГц длины волн соответственно равны:

В общем случае выражение, описывающее колебательный процесс, выглядит следующим образом:

В этой формуле аргумент функции синус называется полной фазой и описывает волновой процесс во времени. Начальная фаза, являющаяся частью полной фазы, определяет начальное состояние колебательного процесса.

Радиочастотный спектр

Привычным инструментом анализа сигналов являются осциллограммы - зависимости напряжения и тока от времени. С помощью осциллограмм можно наблюдать форму сигнала и характер его изменения во времени. Однако, при формировании сложных сигналов или анализе реальных систем связи, удобным инструментом анализа служит частотный спектр. Частотный спектр представляет из себя зависимость интенсивности электромагнитного излучения от частоты и позволяет оценить утилизацию диапазона частот системами связи и другими источниками электромагнитных волн. Важно понимать, что инструмент осциллограмм и спектральных характеристик не является взаимозаменяемым и на практике применяется совместно.

Между временными и частотными характеристиками существует однозначная зависимость: согласно теории Фурье, осциллограмма сигнала может быть представлена как сумма гармонических колебаний кратных частот, называемых гармониками. Таким образом, периодический сигнал частоты F может быть представлен как сумма синусоид с частотами F, 2F, 3F и т.д., что позволяет оценить каждую гармонику отдельно и построить спектральные характеристики. Последствием данного преобразования является то, что спектр сигнала становится бесконечным за счёт высших гармоник. На практике спектр сигнала ограничивают с помощью фильтрации, удаляя высшие гармоники, которые вносят небольшой вклад в суммарный сигнал из-за малой амплитуды.

Если представить спектр гармонического сигнала, рассмотренного выше, то получим следующую картину:

Рассмотренный сигнал не является носителем информации, поскольку, оценив параметры сигнала на приёмной стороне, можно предсказать его поведение в любой момент времени. Для передачи информации одна или несколько из рассмотренных характеристик сигнала - амплитуда, частота или фаза, подвергаются изменению в соответствии с информационным сообщением, при этом исходный гармонический сигнал называется несущим. Подробно данные процессы будут рассмотрены в уроке "Аналоговые и цифровые сигналы".

Продемонстрируем преимущество использования частотного спектра относительно временных диаграмм. Дополнительно к существующему сигналу, сформируем сигнал с частотой, равной 3 Гц:

Суммируем полученные сигналы и оценим спектр совместного сигнала. Как видно на рисунке 6, по полученной осциллограмме достаточно трудно судить о присутствующих гармонических составляющих, однако спектральная характеристика позволяет это сделать:

При рассмотрении спектральных характеристик, интересно то, что последствием модуляции несущего сигнала информационным является расширение спектра, т.е. система связи использует для передачи информации полосу частот, а не только несущую.

На рисунке 7 изображён частотный спектр, на котором представлена работа трёх каналов связи:

Рассматриваемые системы связи настроены на следующие частоты:

Номер	Центральная частота, МГц	Полоса, МГц
Канал 1	4960	20
Канал 2	4970	20
Канал 3	5000	20

Частотный спектр, представленный на рисунке 7, демонстрирует пересечение по частотам у каналов связи 1 и 2, что приведёт к негативным последствиям в виде взаимного влияния. Канал 3 не имеет пересечения по частотам с другими системами связи, а также, по причине наличия защитного интервала между каналами 2 и 3, влияние рассматриваемых систем связи на канал 3 будет минимальным.

Диапазоны частот

Согласно регламенту, разработанного международным союзом по электросвязи (МСЭ), выделяют следующие диапазоны частот:

Номер диапазона	Обозначение МСЭ (EN)	Обозначение МСЭ (RU)	Наименование диапазона	Диапазон частот	Применение
-1	ELF	КНЧ	Гигаметровые волны	0,03-0,3 Гц
0	ELF	КНЧ	Гектомегаметровые волны	0,3-3 Гц
1	ELF	КНЧ	Декамегаметровые волны	3-30 Гц	Связь с подводными лодками, геофизические исследования
2	ELF	КНЧ	Мегаметровые волны	30-300 Гц	Связь с подводными лодками, геофизические исследования
3	ULF	УНЧ	Гектокилометровые волны	300-3000 Гц	Связь с подводными лодками
4	VLF	ОНЧ	Мириаметровые волны	3-30 кГц	Служба точного времени, радиосвязь с подводными лодками
5	LF	НЧ	Километровые волны	30-300 кГц	Радиовещание, радиосвязь земной волной, навигация
6	MF	СЧ	Гектометровые волны	300-3000 кГц	Радиовещание и радиосвязь земной волной и ионосферная
7	HF	ВЧ	Декаметровые волны	3-30 МГц	Радиовещание и радиосвязь ионосферная, загоризонтная радиолокация, рации
8	VHF	ОВЧ	Метровые волны	30-300 МГц	Телевидение, радиовещание, радиосвязь тропосферная и прямой волной, рации
9	UHF	УВЧ	Дециметровые волны	300-3000 МГц	Телевидение, радиосвязь тропосферная и прямой волной, мобильные телефоны, рации, УВЧ-терапия, микроволновые печи, спутниковая навигация
10	SHF	СВЧ	Сантиметровые волны	3-30 ГГц	Радиолокация, интернет, спутниковое телевещание, спутниковая- и радиосвязь прямой волной, беспроводные компьютерные сети
11	EHF	КВЧ	Миллиметровые волны	30-300 ГГц	Радиоастрономия, высокоскоростная радиорелейная связь, радиолокация (метерологическая, управление вооружением), медицина, спутниковая радиосвязь
12			Децимиллиметровые волны	300-3000 ГГц	Экспериментальная "терагерцовая камера", регистрирующая изображение в длинноволновом ИК
13			Сантимиллиметровые волны	3-30 ТГц
14			Микрометровые волны	30-300 ТГц
15			Децимикрометровые волны	300-3000 ТГц

Регуляторная работа

Использование частотного ресурса регулируется политикой государства, поэтому важным аспектом при эксплуатации беспроводных систем связи является разрешение со стороны государственных органов и использование сертифицированного оборудования. Поскольку оборудование, функционирующее на смежных частотах, как было сказано, может оказывать влияние друг на друга, то важным показателем сертификации является частотная маска, определяющая уровень внеполосного излучения. Так, например, в соответствии с приказом Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации №124 от 14.09.2010, для оборудования беспроводной передачи данных, функционирующего в частотном диапазоне 5150-6425 МГц маска спектра сигнала шириной 20 МГц выглядит следующим образом:

Таким образом, допустимо использование оборудования с внеполосным излучением на 20 дБ ниже мощности сигнала в полосе. Также следует отметить, что требования к внеполосному излучению ужесточаются при удалении от центральной частоты канала: так на частоте, отстоящей от центральной на 30 МГц, требования к внеполосному излучению составляют -40 дБ.

Для сигнала с шириной полосы 40 МГц: