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 popularne Wi-Fi) komunikacja odbywa się przy pomocy fal radiowych. Poniższy rysunek przedstawia schematyczny wizerunek takiej fali:
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 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.
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].
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
