Интернет это какие волны

6

Какие волны использует вай фай?

Это радиоволны, инфракрасное излучение, свет. Сети Wi-Fi работают в диапазоне 2,4 ГГц, излучение в этом же диапазоне выдают мобильные телефоны и микроволновые печи. Правда, мощность излучения Wi-Fi-роутера слабее, обычно всего 100 мВт (передатчика мобильного телефона — 1 Вт).

Какие волны Wi-Fi?

Основными диапазонами Wi-Fi считаются 2,4 ГГц (2412 МГц-2472 МГц), 5 ГГц (5160-5825 МГц) и 6 ГГц (5955-7115 МГц).

Как работает сеть Wi-Fi?

Принцип работы Wi-Fi базируется на использовании радиоволн, а сам обмен данными напоминает переговоры по радиосвязи. Обычно схема Wi-Fi-сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента.

Какая частота у роутера?

На каких частотах работает роутер На данный момент, маршрутизаторы работают на частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц. Причем, 2,4 ГГц появилась раньше, поэтому основная масса точек доступа работают именно в этом диапазоне. В свою очередь, каждая Wi-Fi сеть на этой частоте, работает на каналах от 1-го до 13-го.

Что мешает вай фай?

Препятствия Наличие капитальных стен (бетон+арматура), листового металла, штукатурки на стенах, стальных каркасов и т. п. влияет на качество радиосигнала и может значительно ухудшать работу Wi-Fi-устройств. Внутри помещения причиной помех радиосигнала также могут являться зеркала и тонированные окна.

Физический уровень — wireless, radio

Электромагнитный спектр — это совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения.

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число электромагнитных колебаний в секунду называется частотой ( [math]f[/math] ) и измеряется в герцах (Гц). Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны ( [math]\lambda[/math] ). В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света ( [math]c[/math] ).

Величины [math]f, \lambda[/math] и [math]c[/math] (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением: [math]\lambda f = c[/math] .

Принцип работы антенны

Антенна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие или приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приёмником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи. Ошибочно полагать, что передающая антенна может усиливать сигнал. Обычная пассивная антенна при передаче сигнала лишь направляет спектр в определённом направлении и за счёт своей площади обеспечивает более уверенный приём. Антенна работает подобно световому отражателю в фонарях. Она направляет спектр в заданном направлении. Например, вам надо охватить уверенным сигналом большое помещение. Простым решением будет разместить точку доступа в центре помещения, но, к сожалению, это может быть связано с техническими трудностями. Намного проще установить точку доступа в одном из углов комнаты и направить сигнал в противоположный угол. Для этого вам потребуется направленная антенна, которая не будет посылать сигнал в стенку за собой, где он никому не потребуется, зато распределит спектр по площади с большей эффективностью.

Одна из основных характеристик антенны — её коэффициент усиления (КУ), выраженный в децибелах (дБ). КУ такой антенны — это отношение мощности сигнала, излучённого в определённом направлении к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной. КУ характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной, поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия.

Применение электромагнитного спектра в связи

Ниже, на рисунке, изображён электромагнитный спектр и его применение в связи. Радио, микроволновый, инфракрасные диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, опасны для всего живого, поэтому их практически не используют в радиосвязи, несмотря на их высокие частоты.

• Низкая (LF, Low Frequency) — длины волн от 1 км до 10 км;
• Средняя (MF, Medium Frequency) — длины волн от 100 м до 1 км;
• Высокая (HF, High Frequency) — длины волн от 10 м до 100 м;
• Очень высокая (VHF, Very High Frequency) — длины волн от 1 м до 10 м;
• Ультравысокая (UHF, Ultrahigh Frequency) — длины волн от 100 мм до 1000 мм;
• Сверхвысокая (SHF, Superhigh Frequency) — длины волн от 10 мм до 100 мм;
• Чрезвычайно высокая (EHF, Extremely High Frequency) — длины волн от 1 мм до 10 мм;
• Ужасно высокая (THF, Tremendously High Frequency) — длины волн от 0.1 мм до 1 мм.

Свойства радиоволн

Свойства радиоволн зависят от частоты. При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, но мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удалённости от источника выражается примерно так: [math]1 / r^2[/math] . На высоких частотах радиоволны распространяются исключительно по прямой линии и отражаются от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождём.

Так как радиоволны могут распространяться на большие расстояния, то существует и большая проблема взаимных влияний или помех. Основными причинами взаимных помех являются одновременные подключения к базовой станции, и если они используют общую полосу частот, то проблема усугубляется. Это создаёт наиболее сильный источник взаимных помех в радиосистемах многостанционного доступа. Минимизация нежелательных воздействий замираний и взаимных помех, а также оптимизация использования дефицитных радиоресурсов в значительной степени зависят от существующего планирования сети, применяющихся методов радиодоступа и алгоритмов, используемых для управления радиоресурсами, принципами сотовой связи, методами модуляции, современными антеннами и т.д.

Радиоволны низкой и средней частоты распространяются вдоль поверхности земли (на рисунке слева). На низких частотах эти волны можно поймать на расстоянии около 1000 км, и на несколько меньших расстояниях, если использовать волны средней частоты. Радиоволны же высокой частоты поглощаются землёй, но те, которые дошли до ионосферы (слой заряженных частиц на высоте от 100 до 500 км), отражаются от неё и посылаются обратно к поверхности земли (на рисунке справа).

Связь в микроволновом диапазоне

В современной высокотехнологичной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Например, сотовый телефон — он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения. Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, LTE, радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч. Это свойство СВЧ напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в этом диапазоне. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный луч, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны распространяются строго по прямой и плохо проходят сквозь твёрдые объекты. Например, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок, перекрытий, панелей сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли, ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи. Область обнаружения делится на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы соседние станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот. Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте. В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономится полоса радиочастот, используемая сетью.

Кроме того, микроволновая связь является относительно недорогой. Установка двух примитивных вышек с антеннами на каждой из них обойдётся дешевле, чем прокладка 100 км кабеля в перенаселённой городской или труднодоступной местностях.

Принцип работы сотовой связи

Вкратце, принцип работы пакетной сети можно описать так:

1. Выделение ресурсов для пакетной передачи на стороне контроллера базовых станций (при этом учитывается приоритет голосовых сервисов);
2. Проведение процедуры аутентификации абонента, включая идентификацию терминала абонента;
3. Обновление информации о местоположении абонента;
4. Согласование ключей шифрования потока;
5. Установление коммуникации между конечным устройством абонента и пакетной сетью оператора;
6. После окончания использования услуг пакетной передачи производится отключение абонента (освобождение канала).

Один из вариантов передачи данных через сотовую связь — протокол GPRS. GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (не обязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом не заметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.). Так же при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический). Соответственно, как и в обычной L3-сети, происходит обмен пакетами, где каждый пакет имеет строгую структуру — заголовки, в том числе ip.src и ip.dstn. Следовательно, пакеты, предназначенные мне, не могут попасть другим (только если их перехватят).

Инфракрасные и миллиметровые волны

Беспроводное инфракрасное и миллиметровое излучения применяется для связи на небольших расстояниях.

Достоинством диапазона миллиметровых волн являются малые размеры антенн (что позволяет уменьшить габаритные размеры системы в целом) и бо́льшая абсолютная полоса частот (что обеспечивает возможность совместного использования диапазона бо́льшим числом радиосистем). Однако, по сравнению с более низкочастотными диапазонами, радиоволны миллиметрового диапазона испытывают сильное затухание при распространении в земной атмосфере. Затухание вызвано резонансным поглощением энергии волн в атмосферных газах (преимущественно, в молекулах воды и кислорода), а также в атмосферных осадках (дождь, туман, снег и др.). Вследствие этого земные радиосистемы миллиметрового диапазона характеризуются малой дальностью действия и сильной зависимостью от погодных условий.

Дистанционные пульты управления телевизором, видеомагнитофоном, аудиосистемы используют инфракрасное излучение. Они дешёвые, направленные, но имеют важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твёрдые объекты. С другой стороны, этот факт имеет и положительную сторону: инфракрасная система в одной части здания не будет интерферировать с похожей системой в другой.

Связь в видимом диапазоне

Беспроводные оптические сигналы либо оптические системы в свободном пространстве применялись в течение нескольких веков. Примером служит использование двоичных оптических сигналов для передачи информации в пределах видимости.

Коммуникационная технология Li-Fi

Li-Fi (Light Fidelity) — новая беспроводная форма коммуникации с помощью видимого света, которая обеспечивает высокоскоростную, двустороннюю мобильную связь при помощи света из светодиодов вместо радиоволн, как это происходит в случае с Wi-Fi. Она передаёт двоичные данные в виде световых потоков и таким образом является разновидностью оптической беспроводной связи, к которой относятся все виды оптических коммуникация, где не используются оптические волокна. Также, был установлен рекорд скорости в 100 раз превышающий Wi-Fi, 224 Гбит/с.

Технология связи на основе видимого света (VLC технология) — среда для оптической беспроводной передачи данных в которой используется видимый свет в диапазоне от 400 до 800 ТГц для передачи двоичных данных в виде световых импульсов. Передача данных осуществляется с помощью светодиодов (LED), которые выступают в качестве фотодиодов. Таким образом, VLC технология может использоваться как для коммуникации, так и для освещения.

Li-Fi использует свет от светоизлучающим диодов для обеспечения сетевой, мобильной и высокоскоростной связи. Данные передаются путём модуляции интенсивности света в наносекундные интервалы, которые настолько быстрые, что не могу быть замечены человеческим глазом. Эти данные затем получает фотодетектор. После чего световой сигнал преобразуется в электронный вид.

Световые волны не могут проникать сквозь стены, поэтому радиус действия Li-Fi невелик, с другой стороны Li-Fi более защищён от взлома, чем обычный беспроводной канал связи. Также нет надобности в прямой видимости для передачи сигнала — свет, отражённый от стен, может достигать пропускной способности в 70 Мбит/сек.

Кровеносная система мирового интернета

Инфографика TeleGeography

Google запускает рой воздушных шариков в стратосферу, а Facebook — армию беспилотников на солнечных батареях. Но это лишь маленькие игрушки гиков, которые мечтают покрыть связью всю планету. Их амбициозные сервисы станут крохотным дополнением к мощной базовой инфраструктуре Всемирной сети — разветвлённой сети наземных и подводных магистральных каналов. Вот где настоящая кровеносная система современной цивилизации. Именно здесь бьётся её пульс.

Крупнейшие хабы

На физическом уровне интернет представляет сеть хабов (точек обмена трафиком), связанных магистральными каналами. В точках обмена трафиком концентрируется не только трафик, но и сетевая инфраструктура (дата-центры, хостинг и т.д). Крупнейшие точки обмена находятся во Франкфурте, Амстердаме, Лондоне и Париже. В каком-то смысле эти города можно считать столицами мирового интернета. По крайней мере, точно крупнейшими сетевыми узлами, вместе с Нью-Йорком, который тоже входит в пятёрку основных хабов.

В списке крупнейших точек обмена трафиком в мире лидируют DE-CIX (пиковая пропускная способность 5178 Гбит/с), AMS-IX (4270 Гбит/с). Российская MSK-IX находится на 5-м месте (2135 Гбит/с).

Совокупная пропускная всех международных каналов связи составляет 180 Тбит/с (на 2015 год).

По количеству международных каналов Европа долгое время была абсолютным лидером, превосходя любой другой континент. Но сейчас примерно столько же у Северной Америки (читай — у США), далее Азия, Южная Америка и Африка. Ещё десятилетие назад более половины международных каналов связи на планете приземлялись в Европе. Сейчас уже меньше половины, но Европа всё равно остаётся ключевым узлом в глобальной Сети.

Европейский узел отличается от остальных континентов ещё одной деталью: около 70% международного трафика перемещается между городами внутри континента. Для сравнения, у Южной Америки и Африки прямо противоположная картина: 80% каналов уходят к другим континентам, Кстати, 60% внешних каналов Южной Америки подключены к одному зарубежному городу: Майами. Так что если в Майами случится блэкаут, из интернета частично выпадет Южная Америка.

Почти все каналы связи между континентами прокладываются по дну океана.

Подводные бэкбоны

Подводный интернет — наверное, самая интересная (и секретная) часть мировой сетевой инфраструктуры. Секретная, потому что просто так вы не найдёте точную карту прокладки конкретного кабеля. Россия и некоторые другие страны держат эту информацию в секрете, и на то есть веские причины (см. статьи на Хабре «Подводная лодка USS Jimmy Carter, её специальные задачи», «Скрытное подсоединие к оптоволокну: методы и предосторожности»). От постороннего подключения не защищён ни один кабель, где бы он не находился.

Карта подводных кабелей 2016 года

По данным на 2014 год, по дну океана проложено 285 кабелей связи, из них 22 не использовались, это так называемые «тёмные кабели» («тёмное оптоловокно») — такие неиспользуемые кабели в большом количестве есть и на суше. Например, та же компания Google скупает тёмное оптоволокно для связи между дата-центрами. Когда по тёмному оптоволокну пускают сигнал, говорят, что его «зажгли», как лампу.

Расчётный срок службы оптоволокна составляет 25 лет — это чисто теоретическая величина. Предполагается, что в течение такого времени коммерческая эксплуатация канала будет иметь смысл. Соответственно, исходя из такого срока экономисты рассчитывают окупаемость инвестиций. Например, для компании Google выгоднее проложить собственный кабель через Тихий океан, чем 25 лет арендовать чужой.

По мере роста трафика в интернете (он растёт примерно на 37% в год) операторы производят апгрейд оптоволокна — «уплотняют» его, чтобы передавать данные одновременно в нескольких спектральных каналах за счёт спектрального уплотнения. Кроме того, внедряются более эффективные техники фазовой модуляции и устанавливается более современное оконечное оборудование. Соответственно, пропускная способность магистрального канала увеличивается пропорционально полосе частот, на которых передаются данные.

Хорошей иллюстрацией является трансатлантическая информационная магистраль. В 2003-2014 годы здесь не было проложено ни одного (!) нового кабеля, зато пропускная способность действующих каналов увеличилась в 2,4 раза исключительно за счёт уплотнения каналов и апгрейда оборудования. И у этих кабелей ещё остался большой запас на будущее.

Увеличение пропускной способности трансатлантических каналов связи в 2003-2014 годы

Прокладка нового кабеля и ввод его в эксплуатацию — длительная процедура, которая продолжается несколько лет, и довольно дорогостоящая, поэтому несколько корпораций обычно сообща финансируют такие проекты, а потом делят между собой оптоволоконные пары в кабеле. Например, 29 июня 2016 года компания Google с партнёрами (China Mobile International, China Telecom Global, Global Transit, KDDI, Singtel) объявили о вводе в эксплуатацию крупнейшего подводного кабеля в мире — транстихоокеанского кабеля FASTER на 60 Тбит/с. Кабель длиной 9000 км связал Японию и США (здесь Япония выполняет роль хаба между США и Китаем).

FASTER

Этот конкретный кабель состоит из 6 оптоволоконных пар. Каждая пара способна передавать сигнал в 100 диапазонах длины волны по 100 Гбит/с на каждую длину (10 Тбит/с на каждую оптоволоконную пару). Это соответствует 60 Тбит/с максимальной пропускной способности для каждого кабеля — это не теоретическая, а реальная максимальная пропускная способность, продемонстрированная в тестах.

Но в первое время пропускная способность даже близко не приблизится к этому пределу. На первом этапе будут задействованы всего лишь от 2 до 10 каналов, то есть 2-10% максимальной пропускной способности кабеля. В течение 25-летнего срока эксплуатации Google с партнёрами будут постепенно увеличивать его пропускную способность, по мере необходимости.

Google принадлежит один или два из шести оптоволоконных пар в кабеле, точная информация держится в секрете. Хотя стоимость прокладки магистрали FASTER составила $300 млн, для интернет-компании это действительно дешевле, чем арендовать такие же каналы у других. Кроме того, так Google получает больший контроль над линиями связи, которые связывают её дата-центры.

Кстати, Microsoft и Facebook по примеру Google сейчас тоже формируют консорциум для прокладки своего трансатлантического кабеля MAREA.

Сети в Европе

Если магистральные каналы связи сравнить с кровеносной системой современной цивилизации, то Европа — её сердце.

Карта магистральных каналов в Европе с каждым годом немного изменяется. Между крупнейшими узлами сети иногда прокладываются новые каналы с большей пропускной способностью и/или меньшей задержкой (то есть по более оптимальному маршруту). В некоторых случаях каналы могут вообще «пропадать», то есть их перестают использовать, если оператор по какой-то причине решит перенаправить линк от одного города к другому. В начале 2000-х крупнейшим международным каналом связи в мире был трансатлантический маршрут Нью-Йорк–Лондон, но в 2009 году проложили более толстый канал Амстердам–Лондон, а затем и этот рекорд был побит новым «чемпионом» — трассой Франкфурт–Париж.

Примерно в это время сформировалась окончательная структура сетевых магистралей в Европе с четырьмя крупнейшими в мире точками обмена трафиком.

1. Франкфурт
2. Лондон
3. Париж
4. Амстердам

Физическое местоположение серверов 100 самых популярных сайтов в некоторых странах, апрель 2015 год. Источник: TeleGeography

Связь с Россией

С точки зрения надёжности оптимально размещение сервера возле крупнейшей точки обмена трафиком, которая связывает Россию с мировым интернетом.

России в каком-то смысле повезло. Рядом с российским сегментом интернета располагаются крупнейшие в мире сетевые хабы. Самая близкая географически и, по стечению обстоятельствам, самая крупная в мире из точек обмена трафиком — DE-CIX во Франкфурте. Сюда подключены три крупнейших российских оператора обмена трафиком MSK-IX (2 Тбита/с), Data-IX (2 Тбита/с), W-IX (1 Тбит/с), со средней нагрузкой 3,2 Гбита/с.

На карте магистральных сетей «Ростелекома» и карте международного магистрального оператора RETN показано, по каким каналам российский сегмент подключается к крупнейшим мировым точкам обмена. Обозначена и новая быстрая линия «Ростелекома» из Москвы во Франкфурт.

Карта магистральных сетей «Ростелекома»

Карта магистральных сетей RETN

Для обмена трафиком операторы могут заключать соглашения друг с другом или выбрать более продвинутый пиринг вроде W-IX. Эта система работает внутри одного города на втором уровне, и связь между участниками осуществляется, как и в любом другом пиринге, напрямую. В то же время, через роут-сервер осуществляется связь со всеми другими точками обмена трафиком, в которых W-IX является участником.

W-IX

W-IX имеет свои международные каналы между крупнейшими точками обмена трафиком.

W-IX

Эксперты отмечают, что в последние годы наметилась некоторая тенденция к локализации трафика, когда серверы размещают внутри национальных границ той страны, где находится основная аудитория. В пользу локализации играет распространение CDN-сервисов и меры информационной безопасности, связанные с угрозой утечек конфиденциальной информации. Сейчас не только Россия, но и другие страны рассматривают законы, обязывающие хранить конфиденциальную информацию (в том числе финансового и медицинского характера) только внутри страны.

К счастью, требования локализации затрагивают только ограниченное количество веб-сайтов, так что интернет-компании по-прежнему могут выбрать место хостинга исходя из собственных потребностей. Размещение серверов рядом с глобальными сетевыми хабами делает серверы доступнее для глобальной аудитории и выходит гораздо дешевле, потому что вокруг хабов концентрируется вся соответствующая сетевая инфраструктура, в том числе дата-центры и хостинг-провайдеры.

Что такое WiFi? Подробно о свойствах WiFi сигнала

на картинке: графическое отображение WiFi волн в городе.

WiFi — беспроводной способ связи, основанный на всем нам знакомом электромагнитном излучении. Сигнал WiFi относят к радиоволнам, соответственно , он имеет такие же свойства, характеристики и поведение. Радиоволны, в свою очередь, подчиняются практически тем же физическим законам, что и свет: распространяются в пространстве с такой же скоростью (почти 300 000 километров в секунду), подвержены дифракции, поглощению, затуханию, рассеиванию и т. д.

Основные характеристики радиоволны, а значит и сигнала WiFi — это ее длина и частота (частотный диапазон). Последний параметр означает частоту переменного тока, необходимую для получения волны нужной длины и используется для классификации радиоволн. Другое определение частоты — это количество волн, проходящих через определенную точку пространства в секунду.

Существует распределение радиоволн по диапазонам, в зависимости от частоты, утвержденная Международным союзом электросвязи (МСЭ, английская аббревиатура — ITU).

Диапазон частот

Сфера применения радиоволн зависит от частотного диапазона. Это может быть телевидение, радиосвязь, мобильная связь, радиорелейная связь и т. д. Вообще, радиочастотный эфир занят довольно плотно: использование всех диапазонов буквально расписано:

В том числе это и беспроводная связь WiFi. Для нее используются дециметровые и сантиметровые волны ультравысокой и сверхвысокой частоты (УВЧ и СВЧ) в частотных диапазонах 2,4 ГГц, 5 ГГц и и других редкоиспользуемых: 900 МГц, 3,6 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц .

Главное преимущество WiFi-связи отражено во втором ее названии — беспроводная связь . Именно отсутствие проводов вкупе со все возрастающей скоростью передачи данных является ключевым моментом при выборе этого способа соединения.

Если речь идет о домашних пользователях — беспроводная связь удобна, она позволяет не привязываться к определенному месту в квартире для входа в интернет.

Если мы говорим о корпоративной связи, о провайдерских услугах, то иногда прокладка кабеля для передачи данных — это дорого, нецелесообразно или вообще невозможно. Например, нужно раздать интернет в частном секторе, прокинуть магистральный канал через ущелье, в удаленный населенный пункт и т. д. В этом случае на выручку приходит WiFi. Проблемная территория преодолевается с помощью беспроводного канала.

Связь частоты сигнала WiFi и длины волны

Характеристики длины волны сравнительно редко используются в параметрах оборудования WiFi. Однако иногда, для понимания физических свойств и поведения сигнала беспроводной связи в различных условиях неплохо разбираться в связи частоты и длины радиоволн.

Общее правило: Чем выше частота, тем короче длина волны. И наоборот.

Формула для расчета длины волны:

Длина волны WiFi сигнала (в метрах) = Скорость света (в м/сек) / Частота сигнала (в герцах).

Скорость света в м/сек = 300 000 000.

После упрощения формулы получаем: Длина волны в метрах = 300/ Частота в МГц.

Свойства WiFi сигнала

Поглощение.

Главное условие для создания беспроводного линка на расстояние большее, чем сотня метров — прямая видимость между точками установки оборудования. Проще говоря, если мы стоим рядом с одной точкой доступа WiFi, то наш взгляд, направленный в сторону второй точки, не должен упираться в стену, лес, многоэтажный дом, холм и т. д. (Это еще не все, нужно также учитывать помехи в Зоне Френеля, но об этом в другой статье.)

Такие объекты просто-напросто отражают и поглощают сигнал WiFi , если не весь, то львиную его часть.

То же самое происходит и в помещении, где сигнал от WiFi роутера или точки доступа проходит через стены в другие комнаты/на другие этажи. Каждая стена или перекрытие «отбирает» у сигнала некоторое количество эффективности.

На небольшом расстоянии, например, от комнатного роутера до ноута, у радиосигнала еще есть шансы, преодолев стену, все-таки добраться до цели. А вот на длинной дистанции в несколько километров любое такое ослабление существенно сказывается на качестве и дальности WiFi связи.

Процент ухудшения сигнала вай-фай при прохождении через препятствия зависит от нескольких факторов:

• Длины волны . В теории, чем больше длина волны (и ниже частота вай-фай), тем больше проникающая способность сигнала. Соответственно, WiFi в диапазоне 2,4 ГГц имеет большую проникающую способность, чем в диапазоне 5 ГГц. В реальных условиях выполнение этого правила очень тесно зависит от того, через препятствие какой структуры и состава проходит сигнал.
• Материала препятствия , точнее, его диэлектрических свойств.

Дополнительные потери при прохождении (dB)

Процент эффективного расстояния*, %

Нетонированное окно (отсутствует металлизированное покрытие)

Окно с металлизированным покрытием (тонировкой)

Стена 15,2 см (межкомнатная)

Стена 30,5 см (несущая)

Бетонный пол или потолок

Цельное железобетонное перекрытие

* Процент эффективного расстояния — эта величина означает, какой процент от первоначально рассчитанной дальности (на открытой местности) сможет пройти сигнал после преодоления препятствия.

Например, если на открытой местности дальность сигнала Wi-Fi — до 200 метров, то после прохождения через нетонированное окно она уменьшится до 140 метров (200 * 70% = 140). Если следующим препятствием для этого же сигнала станет бетонная стена, то после нее дальность составит уже максимум 21 метр (140*15%).

Отметим, что вода и металл — самые эффективные поглотители WiFi, т. к. являются электрическими проводниками и «забирают» на себя большое количество энергии сигнала. Например, если дома на пути вай-фай от роутера до вашего ноута стоит аквариум, то практически наверняка соединения не будет.

Именно поэтому во время дождя и других «влажных» атмосферных осадков наблюдается небольшое снижение качества беспроводного соединения, поскольку капли воды в атмосфере поглощают сигнал.

Частично этот фактор влияет и на затухание WiFi передачи в листве деревьев, т. к. они содержат большой процент воды.

• Угла падения луча на препятствие. Помимо материала преграды, через которую проходит сигнал вай-фай, важен также угол падения луча. Так, если сигнал проходит через препятствие под прямым углом, это обеспечит меньшие потери, чем если бы он падал на него под углом 45 градусов. Еще хуже, если сигнал проходит через преграду под очень острым углом. В этом случае, грубо говоря, можно смело умножать толщину стены на 10 и рассчитывать потери WiFi передачи согласно этой величине.

Огибание препятствий.

По-научному это поведение луча WiFi называется дифракцией, хотя на самом деле понятие дифракции гораздо сложнее, чем простое «огибание препятствий».

В общем можно вывести правило — чем короче длина волны (выше частота), тем хуже она огибает препятствия .

Основывается это правило на известном физическом свойстве волны: если размер препятствия меньше, чем длина волны, то она его огибает. В целом отсюда логично проистекает, что чем короче длина волны, тем меньшее остается вариантов препятствий, которые она может в принципе обойти, и поэтому принимается, что ее огибающая способность хуже.

Возьмем популярные частоты 2,4 ГГц (длина волны 12,5 см) и 5 ГГц (длина волны 6 см). Мы видим подтверждение правила на примере прохождения лесного массива. Стандартные размеры листьев, стволов, веток деревьев, в среднем будут меньше, чем 12,5 см, но больше, чем 6 см. Поэтому сигнал WiFi 5 ГГц диапазона при прохождении через густую листву “потеряется” практически полностью, в то время как 2,4 ГГц справится лучше.

Поэтому WiFi оборудование, работающее в диапазоне 900 МГц, используется в условиях отсутствия прямой видимости сигнала — его длина волны составляет 33,3 см, что позволяет огибать большее количество преград. Однако надо учитывать размеры предполагаемых препятствий и понимать, что сигнал 900 МГц не сможет “обойти” бетонную стену, расположенную перепендикулярно направлению сигнала. Здесь уже сыграют роль проникающие способности волны, которые, как мы уже говорили у сигналов с низкой частотой довольно неплохие.

Также именно поэтому для нормальной работы беспроводного оборудования, использующего частоту 24ГГц (длина волны 1,25 см) необходима абсолютно чистая видимость, потому что все препятствия больше сантиметра будут отражать и поглощать сигнал.

Как мы уже упоминали, в отношении прохождении сигнала через лесной массив играет роль также содержание воды в листьях, а также длина волны.

Естественное затухание.

Как далеко мог бы передаваться сигнал WiFi, если создать ему идеальные условия прямой видимости? В любом случае не бесконечно, потому что чем больше дальность беспроводного “пролета”, тем больше сигнал затухает сам по себе. Происходит это по 2 причинам:

Земная поверхность поглощает часть энергии сигнала. Чем выше частота WiFi, тем интенсивнее идет поглощение.

Сигнал WiFi даже из самой узконаправленной антенны распространяется не прямой линией, а лучом. Соответственно, чем дальше расстояние, тем шире становится луч, тем меньшая мощность сигнала приходится на единицу площади, и тем меньше энергии сигнала попадает в принимающую антенну.

Отражения сигнала.

Сигнал WiFi, как любая радиоволна, как свет, отражается от поверхностей и ведет себя при этом аналогично. Но тут есть нюансы — какие-то поверхности будут поглощать сигнал (полностью или частично), а какие-то — отражать (полностью или частично). Это зависит от материала поверхности, его структуры, наличия неровностей на поверхности и частоты WiFi.

Неконтролируемые отражения сигнала ухудшают его качество. Частично — из-за потери общей энергии сигнала (до принимающей антенны, упрощенно говоря, “долетает не всё” или долетает после переотражений, с задержками). Частично — из-за интерференции с негативным влиянием, когда волны накладываются в противофазе и ослабляют друг друга.

Интерференция может иметь и положительное влияние, если волны WiFi накладываются друг на друга в одинаковых фазах. Это часто используется для усиления мощности сигнала.

Плотность данных.

Частота WiFi влияет также на еще один важный параметр — объем передаваемых данных. Здесь существует прямая связь — чем выше частота, тем больше данных в единицу времени можно передать. Возможно, именно поэтому первая высокопроизводительная РРЛ от Ubiquiti — AirFiber 24, а также ее более мощная модификация — Airfiber 24HD были выпущены на частоте 24 ГГц.

Почему сложно дать однозначный ответ: на какое расстояние будет передавать сигнал WiFi оборудование?

Физические свойства и поведение радиоволны в окружающем мире довольно сложны. Нельзя взять какой-то один параметр и по нему рассчитать дальность беспроводного сигнала. В каждом конкретном случае на дальность будут оказывать влияние различные факторы окружающей среды:

• Поглощение сигнала препятствиями, земной корой, поверхностью водоемов.
• Дифракция и рассеивание сигнала из-за преград на пути.
• Отражения сигнала от препятствий, земли, воды и возникающие в результате этого интерференции волны.
• На больших расстояниях — радиогоризонт, т. е. искривление земной коры.

• Зона Френеля и, соответственно — высота расположения оборудования над поверхностью земли.

Диапазоны и частоты WiFi

Как мы уже сказали, для WiFi связи выделено несколько разных частотных диапазонов: 900 МГц, 2,4 ГГц, 3,65 ГГц, 5 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц.

В Украине на данный момент чаще всего применяются точки доступа WiFi и антенны WiFi 2,4 ГГц и 5ГГц.

Основные отличия 2,4 ГГц и 5ГГц:

2,4 ГГц. Длина волны 12,5 см. Относится к дециметровым волнам ультравысокой частоты (УВЧ).

• В реальных условиях — меньшая дальность сигнала из-за более широкой зоны Френеля, что чаще всего не компенсируется тем, что сигнал на этой частоте меньше подвержен естественному затуханию.
• Лучшее преодоление небольших преград, например, густых лесных массивов, благодаря хорошей проникающей способности и огибанию препятствий.
• Меньше относительно неперекрывающихся каналов (всего 3), а значит, “ пробки на дорогах” — теснота в эфире, и как результат — плохая связь.
• Дополнительная зашумленность эфира другими устройствами, работающими на этой же частоте, в том числе мобильных телефонов, микроволновок и т. п.

5 ГГц . Длина волны 6 см. Относится к сантиметровым волнам сверхвысокой частоты (СВЧ).

• Большее количество относительно неперекрывающихся каналов (19).
• Б о льшая емкость данных.
• Большая дальность сигнала, в связи с тем, что Зона Френеля меньше.
• Такие препятствия, как листва деревьев, стены волны диапазона 5ГГц преодолевают гораздо хуже, чем 2,4.

Диапазоны 900 МГц, 3,6 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц для нас скорее экзотика, однако могут использоваться:

Для работы в условиях, когда стандартные диапазоны плотно заняты.

Если требуется создать беспроводное соединение между двумя точками при отсутствии прямой видимости (лес и другие препятствия). Это касается такой частоты, как 900 МГц (в нашей стране ее нужно использовать с осторожностью, так как на ней работают сотовые операторы).

Если для использования частоты не требуется получать лицензию в контролирующих органах. Такое преимущество часто встречается в презентациях зарубежных производителей, однако для Украины это не совсем актуально, так как условия лицензирования в нашей стране другие.

В IEEE ведутся разработки по принятию новых стандартов и, соответственно, использованию других частот для WiFi. Не исключено, к примеру, что в ближайшее время диапазон 60 ГГц также станет использоваться для беспроводной передачи. Точно также, как и возможна вероятность “отжатия” в будущем некоторых частот, сейчас принадлежащих WiFi, в пользу, например, сотовых операторов.