无线网络基础学习

Learn Wireless Basics graphic

介绍

本文档记述了无线记述怎么工作以及怎么用它来创建网络。无线记述被用于多种类型的通信中。在网络中我们使用它因为它比有线方式更加的便宜与灵活。尽管无线网络能够和有线网络一样的快速并且有力,它也有一些不足之处。

在学习本文之前阅读并研究一下学习网络基础将会使你更加容易理解一些无线网络中使用的概念。

除了一些背景资料,这份文件涵盖了六个基本概念:

  1. 无线信号 (Wireless signals) – 是什么以及信号都有何区别.
  2. 无线设备 (Wireless devices) -接收器和发射器的用途以及区别.
  3. Wifi 模式 (Wi-Fi  Modes) – 客户端、接入点或者临时设备是怎么组成网络的.
  4. Wifi 信号 (Wi-Fi Signals) – Wifi的独特之处 以及信号是被如何组织的.
  5. 功率和接受灵敏度 (Power and Receiver sensitivity) – 每个无线设备能够跑多远, 以及一个路由器可以侦听和过滤掉干扰和噪声的能力有多好.
  6. 天线 (Antennas) – 天线的类型怎么改变路由器广播的方式.

通读本材料大概会需要一个小时。而真正的研究,或者说对一组主题进行深入的剖析可能需要较长时间。

什么是无线信号?

Signals

无线信号很重要因为他们不用线缆就能够传递诸信息,如音频、视频,我们的声音,数据,这使得无线信号非常有用!

无线信号是一些穿梭于空气的电磁波。他们是电能在金属中流通时产生的——比如一条线缆或者天线,在那段金属的周围形成波。这些波可以行进一段距离,这个距离大小就依赖于该能量的强度了。

更多关于电磁波怎么工作的内容,请查看本文末尾“外部资源”一节内容。

无线信号的类型

有很多、很多种无线技术。你可能应该熟悉调频(AM)和调幅(FM)收音机,电视机,手机,无线网络,卫星信号比如GPS和卫星电视,双向无线电和蓝牙。这些都是一些最常见的信号,但是是什么让他们有什么不同?

Radio TV Phone Satellite Laptop

频率(Frequency)

首先,无线信号居于频率的一个频谱(spectrum)或者一个宽度范围,频率:一个信号振动的速率。如果一个信号振动得很慢,那该信号就有一个低的频率。如果该信号振动的非常迅速,那它就有个高频率。频率使用赫兹(Hertz)来计量,赫兹标定一个信号每秒钟改变的次数。比如,调幅收音机信号大概每秒钟振动100万次!由于通常通信信号频率很高,所以我们将频率的测量单位进行缩写——百万级振动次数每秒是兆赫兹(MHz),十亿次级振动次数每秒是千兆赫兹(GHz),千兆赫兹和兆赫兹之间进率是1000。

Example Frequency RangesBelow we can see the span of frequencies that are commonly used in communications. Broadcast transmitters for AM, FM and Television use frequencies below 1000 MHz, Wi-Fi uses two bands at higher frequencies – 2.4 and 5GHz. Cellular phones use many different frequencies.

Wireless spectrum

  1. The frequencies from left to right:
  2. AM Radio: Around 10MHz
  3. FM Radio: Around 100MHz
  4. Television: Many frequencies from 470MHz to 800MHz, and others.
  5. Cellular phones: 850MHz, 1900MHz, and others
  6. Wi-Fi: 2.4GHz
  7. Satellite: 3.5GHz
  8. Wi-Fi: 5GHz

调制(Modulation)

        除了具有不同的频率,无线信号在传达信息的方式上也可以不同。为发送信息无线信号需要进行调制(be modulated) – 或者改变 。有许多调制类型,不同的技术可以使用一种或多种类型来发送和接收信息。在下面的两个例子 – AM和FM收音机 – 的M代表调制。他们之间的区别就在于调制类型。

例一:调幅广播 (AM radio)

在AM中的A是来自于单词“幅度”(Amplitude)——工作在一个单一频率上的信号的能量或者强度。一个未调制过的调幅波看起来像下面这样:
Unmodulated wave

而一个调制过的调幅无线电波在信号中会有更高的和更低的能量(幅度,amplitude)波来表征更高和更低的音频频率:
Amplitude modulated wave

从左往右依次是正常的未调制的波,然后是蓝色标注的低振幅波(代表声浪低点),最后红色标注的是更高振幅的波(代表波峰或声波高点)

一个更详细的AM信号如下:
Detailed AM wave

该音频信号是在顶部的波以及它下面的相应幅度的调制波。

例二: 调频广播(FM radio).

FM中的这个F来自于频率(Frequency)——根据波每秒振动的快慢来定义的。一个未调制的调频波看起来可能如下:
Unmodulated wave

而一个调制过的调频无线电波信号中有更高和更低的频率表征更高和更低的音频频率
Frequency modulated wave

从左往右,依次是正常未经调制的波,然后是低频波(相当于较低的音频振幅),然后是更高频率的波(相当于更高的音频振幅)。

用于通信的各种类型的调制技术可以是非常不同的,并且经常是不兼容的。卫星设备无法与您采用Wi-Fi来发送和接收信息的笔记本电脑或智能手机直接对话。这是因为不同的设备的无线电只可以向特定类型的调制频率进行侦听

Radio

例如,一些收音机(broadcast radio receivers)具有一个AM和FM信号之间的选择开关,原因有两个:它们使用不同的频率来发送,并且使用不同的调制类型。如果你试着用一个收音机在调频模式下收听AM信号,它是不会工作的。反之亦然 – AM模式,FM信号对该接收器而言毫无意义。重要的是,发射机和接收机使用相同的频率调制类型进行通信。

在你的日常生活的设备使用了很多种类的无线信号。请看下表中每种设备使用的各种频率以及调制方式:

技术或者设备 无线信号的类型
Television
  1. 模拟视频(Analog video) – 振幅调制范围为50MHz至800MHz
  2. 数字视频(Digital video) – 混合调制,范围为200MHz 至 800MHz
Cell phone
  1. 声音(Voice) – 模拟或数字调制范围:800MHz-900MHz
  2. 3G, 4G or LTE – 数字调制,范围为1700MHz至1900MHz还有其他范围
  3. 蓝牙(Bluetooth) – 数字调制 2400MHz
  4. 对讲机(Walkie-talkie / two-way radio) – analog AM, FM or digital modulation over many frequencies
Satellite
  1. Many types of signals – voice, audio, video, data
  2. Many modulation types – analog and digital
  3. Many, many frequencies – 3400MHz, 5900MHz, 10.7GHz, 14.5GHz, 23GHz, and many others.
Laptop
  1. Wi-Fi – 数字调制 at 2400MHz or 5000 to 5800MHz.
  2. Bluetooth – digital modulation at 2400MHz
Radio
  1. AM Radio – AM modulation from 0.6MHz to 1.6MHz
  2. FM Radio – FM modulation from 88MHz to 108MHz

几乎每一种设备或者技术都使用一个不同的无线频率和调制方式。这意味着大多数设备都只能理解一种非常特殊的无线电信号。

接收器和发射器(Receivers and Transmitters)

When a device sends out a wireless signal, it is called a transmitter. When another device picks up that wireless signal and understands the information, it is called a receiver. In the case of FM radio, there is one transmitter–owned and operated by the radio station–and many receivers that people listen to the station with. When a device has both a transmitter and a receiver, it is sometimes called a transceiver. Devices such as routers can both transmit and receive, which is what makes them useful for building networks–you probably want to be able to send messages to your neighbors and out to the world, as well as receive messages!

一个设备发送出无线信号,那么它就被称作发射器。而一个设备接收这些无线信号并且能够理解信号中携带的信息,那么它就被称作接收器。在FM收音机的例子中,发射器是广播站,接收器是许多收听这该广播的收音机。当一个设备即含有发射器也有接收器,那么我们就称其为收发器(transceiver).就像路由器既可以发送也可以接收的,该特性使得路由器在网络构建中非常有用,这使你在接收消息的同时还想发送消息给你的邻居以及外界成为了可能。

快速实践:你拥有什么设备或者经常使用的一些发射器、接收器或者收发器?填写在下表相应的类型例子中:

发射器 接收器 收发器
Tower Receiver Cell
例子: 例子: 例子:

一天中你使用了更多的发射器、接收器或者收发器吗?你使用每个设备的方式有何不同?

Wi-Fi 信号(Signals)

当在使用wifi技术来构建一个网络时,你需要了解一些wifi独有的特征。

基于频率有两种wifi信号,他们是:

  1. 2.4GHz——一种较低频率的,在当今较为常见的wifi技术。许多设备都使用它,所以信号可能会变得较为拥塞(crowded)并且相互干扰。其能很好地穿过墙以及窗户。
  2. 5GHz——这种较高频率的技术被较少的设备使用,信号没有那么拥堵,所以有时能够达到较好的速率。它的通过墙壁和窗户的效果不如2.4GHz频带信号,所以5GHz技术的范围往往比较短。

这两种wifi被称为频率带Frequency Bands)或者简称 频带Bands)。

        WiFi中使用的每个频带会被分割成多个“频道”。每个频道类似于一个聚会上的房间——如果一个房间拥挤,很难进行对话。你可以移动到下一个房间,但那间房也一样的可能会变得拥挤。一旦整个建筑已满,那么就很难在该晚会上进行对话了。

2.4GHz Band

对2.4GHz频带(band)而言,总共有14个频道(channels)。不幸的是,这些信道相互重叠,所以他们不可能在同一时间起作用。如果你搭建一个网状网络mesh network),那么所有的网状链路必须在同一个频道上面。

2.4GHz channels

可用的频道取决于你在哪里。比如,在美国(United States)频道12,13以及14是不能用于WiFi的,因为这些频率是被电视(TV)和卫星服务(satellite services)使用的。如果你在美国搭建你的网络,那么你仅仅能使用1到11频道。在世界的其他地方,频道1到13通常都能使用,然后只有在少数的几个地方14频道有用。

        尽管如此,在美国和世界上大多数国家用于2.4 GHz频带设备的最好频道是1、6和11。这会将重叠部分wifi信号引起的干扰最小化。

2.4GHz channel interference

        你可以使用其他的WiFi频道,只要他们相距5个频道——例如3、8和13,尽管这可能不是最优的,因为通道1和2将不会使用的,并且在世界上许多地方频道13是不可用的。无论你在哪里,试着检查哪个频道是最常使用的,并计划使用一个不重叠的频道来运行您的网络。

5GHz Band

        5GHz 频段范围要广泛得多,有更多的频道,因此图有点更广泛。幸运的是,这些渠道不重叠,所以你不必像在2.4GHz频带上选择非标准的频道了。

5GHz channels

在5GHz频带上有更多的可用频道,所以可在这个频带上能更加容易的选择出一个不会受干扰的频道。但这不一定一直正确——越来越多的无线设备正在开始使用5GHz频带哟。

        在美国,可用于构建网状网络(mesh network)的信道只有36、40、44、48、149、153、157、161、以及165还有其他频道可以用于访问点(Access Points)或其他类型的社区网络community networks),但这些频道用于网状无线(mesh wireless)行不通。最好的检查你所在区域所允许的信道的地方是在线上(online)。本文的最后提供了外部资源链接。

当设置你的无线网络时,你需要思考使用哪种频带(frequency band)以及哪种频道(channel)

功率和接收器灵敏度(Power and Receiver Sensitivity)

很多人都想知道无线信号能够跑多远。对于计划一个网络来说知道这点是很重要,因为路由器的功率将影响到网络的设计,以及需要多少设备。

不同的无线路由器能有非常不同的功率水平。有些非常强:他们比其他的路由器拥有更多的会话或者传输功率。一些是非常好的监听器(listeners):他们有所谓的更好的接收灵敏度(receive sensitivity)。这两个元素定义了无线设备连接得有多好,接收无线路由器能有多远

        制造商通常不公布他们的路由器的传输功率接收灵敏度信息。相反,制造商将提供一个他们的路由器的通用的评级“范围”,通常只是一个相对值。在某些情况下,通常使用更多的商业的或专业方面的设备你可以找到发射功率接收灵敏度信息。

一个路由器的传输能力可以通过两个尺度来计量——毫瓦特(milliwatts)mW或者分贝(dBm):

  1. 1毫瓦特(A milliwatt):一毫瓦特就是一千分之一瓦特,瓦特是功率的基本计量单位。例如,一个灯泡可能是40瓦,一个路由器可能输出功率为100毫瓦mW,将比这个40瓦特的灯泡功率少400倍!
  2. A dBm :分贝(dBm)是一种使用对数的相对测量方法。1毫瓦特是0 dBm,10毫瓦10 dBm;100毫瓦20 dBm,等等。这是许多网络设计师用来计算长无线链接( longer wireless links)是否工作而使用的尺度。

 dBm

是一个考征功率绝对值的值,计算公式为:10lgP(功率值/1mw)。
[例1] 如果发射功率P为1mw,折算为dBm后为0dBm。
[例2] 对于40W的功率,按dBm单位进行折算后的值应为:
10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。

dB
dB是一个表征相对值的值,当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式:10lg(甲功率/乙功率)
[例6] 甲功率比乙功率大一倍,那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是说,甲的功率比乙的功率大3 dB。
[例7] 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。
[例8] 如果甲的功率为46dBm,乙的功率为40dBm,则可以说,甲比乙大6 dB。
[例9] 如果甲天线为12dBd,乙天线为14dBd,可以说甲比乙小2 dB。

下面是几个常见的无线硬件发送功率水平的例子:

10mW (10dBm): 笔记本电脑或者手机,或者非常低成本(very low cost)的无线路由器。
Low Wi-Fi level

约25到50米

100mW (20dBm): 家庭室内或者办公室内的路由器。
Home router Wi-Fi level

约50 到100米

100mW (20dBm): 户外领域路由器。
Outdoor router Wi-Fi level

约5到10千米

500mW (1/2 Watt or 27dBm): 室外,远距离集中路由器。Outdoor, long distance focused routers.
Long distance router Wi-Fi level

大概10到20千米甚至更多

        无线发射功率只有一个连接的一半。Wi-Fi接收器对可侦听到的功率电平是有一个范围的——这就是上面的图表中的“听力”。这也被称为接收灵敏度。接收灵敏度值通常额定为dBm,并且通常是在-40dBm-80dBm的范围内。负数表示非常小的信号 —— 一个毫瓦的微小的分数( tiny fractions of a milliwatt)。

下面是我们在相对较近距离的两个路由器的一个例子。他们有一个很好的连接,因为它们之间的信号非常强。
Wi-Fi routers - close

当接收器从无线路由器移开,它听到该信号将得变得越来越“安静(quieter)” ——换句话说,它接收的功率会下降。下面,我们可以看到同样的路由器,但它们之间有更长的距离。在这种情况下,路由器有一个弱连接,因为信号几乎是路由器可以听到最弱信号的极限。路由器之间的速度将减少。
Wi-Fi routers - mid-range

如果路由器移动到距发射机太远的距离,它将不能够接收任何信号,无论是由于所述信号太弱或者被其它信号干扰,路由器将会断开。下面我们可以看到两个路由器已经断开,因为没有足够的信号。
Wi-Fi routers - far away

户外无线设备的最佳信号范围为-40dBm-60dBm之间。这将确保连接可以保持最高带宽(bandwidth)成为可能。

天线 (Antennas)

无线路由器具有不同类型的天线。有些路由器将天线内置,有时路由器会有供你选择的用以连接到路由器的天线。有很多特定类型的天线,但绝大多数时候使用三种基本类型,并且在建立一个无线网络时是有用的。第一种类型也是最常见的天线 —— 全向的

全向天线(Omnidirectional Antennas)

全向天线在它周围的所有方向均匀的发出一个信号。

Wi-Fi router with omnidirectional antenna

使用全向天线的好处是任何方向都可以创建连接。与多个邻居或建筑物连接你不必做较多的规划。如果有节点之间足够的信号,它们应能连接。

Omnidirectional creates connections in all directions

伴随着这些天线的全方位实力的是发射信号较弱的缺点。由于信号是往所有方向去的,它随着距离的变化展开并且变弱得非常快。如果节点或客户的距离很远,他们可能没有很好的连接。

Omni antennas can't reach as far

而且,如果只有在一个方向上才有节点或者用户,那么跑向相反方向上的信号就浪费了:

Omni antennas can waste energy in directions with no receivers

定向天线(Directional Antennas)

接下来这种类型的天线是定向的——它以更集中的方式发出一个信号。主要有两种类型的定向天线:

Sector Antenna
Sector antenna
Focused Antenna
Focused antenna
扇形天线发送一个切饼形状一样的信号——它可以在30度和120度的宽之间的任何地方。他们通常是分开或集成到路由器里面去的长条的,矩形的天线。 聚焦天线发送出的信号为一个窄波束 ——它通常是约5到10度宽,但是它也可以再稍稍的宽一些。通常在他们身后往往是盘子或具有网状的碗的信号反射装置

使用定向天线的好处是增加了信号在一个方向上行进的距离,因为它减少了在其它方向上的信号。由于所有信号都往一个方向上送,相当于原先在全向天线上会往所有方向上发送出的功率现在是被聚拢(focused)了,从而增加了在该方向上的能量。

Directional antennas send signal farther

它也可以减少在该节点上接收到的干扰。有更少的其他信号跑到该天线中来,因为该节点仅收听它所指向的方向的信号。它不会听到它背后、或侧面、或其他的所有信号。这减少了需要进行梳理的信号,并允许它集中于其它更多的信号,提高这些连接的质量。

Directional antennas can't receive what they can't see

然而,定向天线也存在缺点,那就是当你在创建社区无线网络链接时需要更多的规划。既然你定义和限制了无线信号行进的区域,那么你需要考虑这些信号如何覆盖你的社区neighborhood)。如果还有遗留的区域,那么这些区域怎么包括在网络中?

Directional antennas can't receive what they can't see

此外,该节点在一个单一的方向上具有很强大的信号。如果全向的单元,或如笔记本电脑等低功耗的单元,想要连接到该节点上,它们可能无法正确连接。笔记本电脑会听到非常好地听到该节点,但该定向节点可能听不到笔记本电脑。这将产生一个情况,它看起来像有一个强烈的信号,但您就是无法连接上。

Directional antennas can't receive what they can't see

快速实践:不同种类的天线的最佳用户是什么?

天线类别 最佳用途
Omnidirectional

Sector

Focused

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构建社区(neighborhood)网络使用哪种天线最好?

定义 (Definitions)

全方向的 (Omnidirectional)
        当一个节点具有一个全向天线,它可以均匀的在围绕它的所有方向上发送和接收无线信号。信号实际上在天线侧(天线中心点)是最强的。而天线目的地的末端就很少或没有信号了。
定向的天线 (Directional antenna)
        当一个节点附加有一个定向天线时,无线信号是在一个方向上非常强,而在其他素有的方向上具有非常弱的或根本就没有信号。这通常在天线的前方形成一个锥形(cone)或楔形(wedge)形状的区域。
接收灵敏度 (Receive sensitivity)
        一个设备能理解信号而要求接收到的信号强度的最低水平。
接入点 (Access point)
        一种设备,可以允许无线设备通过wifi连接到有线网络。
Watt
        功率的单位,通常写成“W”。最常用的Wi-Fi设备的功率等级都在毫瓦的范围——或千分之一瓦。
dBm
An abbreviation for the power ratio in decibels (dB) of the power referenced to one milliwatt (mW). 0 dBm is equal to 1 milliwatt.
为参考一毫瓦(毫瓦)的功率的功率比(dB)分贝的缩写。0 dBm等于1毫瓦。

外部资源 (External Resources)

如果您有兴趣了解更多有关的Wi-Fi和无线技术,有大量的信息等着你。关于背景和详细信息的好书,包括辛克莱写的无线电信号如何工作(ISBN0070580588),以及由Gast写的《802.11无线网络:权威指南》(ISBN0596100523)。

在维基百科上也有关于Wi-Fi无线信号的出色的文档。同样,互联网搜索几乎能回答你能想到的任何问题,因为无线是一种非常流行的技术。

For more information on what frequencies are available in your country or regulatory area, please see this article on Wikipedia on wireless channels.

更多关于哪些频率在您所在国家或监管地区有效的信息,请参阅本文在维基百科上的无线信道一节。

 

本文英文版原文地址:

https://commotionwireless.net/docs/cck/networking/learn-wireless-basics/