W tym wpisie na blogu sprawdzimy, dlaczego w komunikacji bezprzewodowej sygnały mogą być przesyłane dokładnie, pomimo szumów, wykorzystując metody modulacji, niezawodność i koncepcje przepustowości.
Telefony komórkowe analogowe pojawiły się po raz pierwszy w 1981 roku. W tamtym czasie telefony komórkowe były po prostu urządzeniami do rozmów głosowych i były dość duże i ciężkie. Następnie, w 1991 roku, komunikacja 2G, która przekształciła istniejący analogowy system komunikacji w cyfrowy, stała się dostępna komercyjnie, znacznie poprawiając wydajność i użyteczność telefonów komórkowych. Komunikacja 2G wykorzystywała sygnały cyfrowe do obsługi połączeń głosowych i wiadomości tekstowych, a także zwiększała bezpieczeństwo. W latach 2000. komunikacja trzeciej generacji stała się dostępna komercyjnie, umożliwiając telefonom komórkowym wysyłanie i odbieranie dużych ilości danych. Telefony komórkowe, które pojawiły się w tym czasie, wykroczyły poza proste urządzenia komunikacyjne i stały się początkiem smartfonów z dostępem do Internetu i możliwościami multimedialnymi.
W 2011 r. LTE (long term evolution), które reprezentuje długoterminową ewolucję 3G, weszło w fazę komercjalizacji. LTE umożliwiło szybką transmisję danych, umożliwiając płynne usługi przesyłania strumieniowego i transfery dużych plików. Znacznie poprawiło to doświadczenie użytkownika smartfonów i doprowadziło do gwałtownego wzrostu korzystania z mobilnego Internetu. Przyjrzyjmy się badaniom nad technologią komunikacji bezprzewodowej, która rozwija się w tak szybkim tempie.
Technologia komunikacji bezprzewodowej ma zasadniczo na celu przesyłanie określonych informacji do odległej lokalizacji. Gdy wiele urządzeń wysyła i odbiera sygnały jednocześnie, komunikacja bezprzewodowa przechodzi proces transformacji sygnału, zwany modulacją, w którym odbierane są tylko sygnały emitowane przez określone urządzenie. Modulacja ma dwie funkcje: zwiększanie częstotliwości sygnałów i szyfrowanie sygnałów. Rozwój technologii modulacji jest rdzeniem nowoczesnej komunikacji bezprzewodowej.
Jako prosty przykład załóżmy, że na świecie są tylko trzy telefony komórkowe, A, B i C, i chcemy zadzwonić do A. Zakres częstotliwości słyszalnych dla człowieka wynosi od 20 do 20,000 20 Hz, więc wysyłane i odbierane przez nas dane będą sygnałami głosowymi o częstotliwościach od 20,000 do 100 20 Hz. Jednak jeśli A, B i C wysyłają sygnały jednocześnie bez modulacji, wystąpią zakłócenia między sygnałami o tym samym zakresie częstotliwości, uniemożliwiając odróżnienie sygnału od sygnału A wśród trzech sygnałów. Aby rozwiązać ten problem, podczas procesu modulacji przeprowadza się przesunięcie częstotliwości. Na przykład, ogólna częstotliwość może zostać zwiększona o 40 kHz, częstotliwość sygnału A może zostać zwiększona o 100 kHz, a częstotliwość sygnału B może zostać zwiększona o 120 kHz przed transmisją. Następnie sygnał pomiędzy 120 a 140 kHz to C, sygnał pomiędzy 140 a 160 kHz to A, a sygnał pomiędzy 2 a 20 kHz to B, co umożliwia rozróżnienie, który sygnał pochodzi z którego urządzenia. W rzeczywistej komunikacji częstotliwość jest podnoszona łącznie o około XNUMX GHz. Częstotliwość ta nazywana jest częstotliwością nośną, a zakres częstotliwości wykorzystywanych przez każde urządzenie nazywany jest szerokością pasma. W powyższym przykładzie szerokość pasma wynosi XNUMX kHz.
Z drugiej strony, gdy sygnały głosowe są przesyłane przez podniesienie tylko częstotliwości, zakłócenia fal elektromagnetycznych w przestrzeni powodują zniekształcenie sygnału. Fale elektromagnetyczne w przestrzeni nazywane są szumem. W przypadku transmisji przez proste podniesienie częstotliwości, informacja do przesłania jest zawarta w amplitudzie fal elektromagnetycznych, więc nazywa się to AM (modulacja amplitudy). Jednak AM nie jest szeroko stosowana w życiu codziennym. Dzieje się tak, ponieważ gdy jest używana AM, siła sygnału jest stosunkowo słaba w porównaniu z innymi metodami modulacji, a oryginalny przesyłany sygnał jest znacznie zniekształcony przez szum. Aby rozwiązać ten problem, przed transmisją do sygnału stosuje się pewien rodzaj procesu szyfrowania, a następnie sygnał jest odszyfrowywany przez odbiornik. Proces ten różni się w zależności od zastosowanej metody modulacji. Najważniejszymi czynnikami w procesie szyfrowania są niezawodność procesu modulacji i wydajność pasma.
Niezawodność procesu modulacji jest miarą tego, jak blisko odebrany sygnał może być interpretowany jako sygnał oryginalny, gdy informacja pierwotnie przeznaczona do przesłania jest zniekształcona przez szum. Prostym przykładem metody zwiększania niezawodności jest wielokrotne wysyłanie sygnału. Na przykład, podczas przesyłania informacji cyfrowej 1, jeśli wyślesz ją pięć razy na bit, prześlesz 11111, więc nawet jeśli szum zniekształci sygnał do 11011, możesz łatwo wywnioskować, że oryginalny sygnał miał wartość 1.
Z drugiej strony, jak wspomniano wcześniej, gdy wiele urządzeń oddziałuje jednocześnie, zakresy częstotliwości używane między urządzeniami muszą być różne. W tym przypadku im mniejszy zakres częstotliwości używany na urządzenie, tym więcej urządzeń może komunikować się z tym samym zakresem częstotliwości. Nazywa się to wydajnością pasma. W powyższym przykładzie, ponieważ te same informacje są wysyłane pięć razy, informacje muszą być wysyłane pięć razy szybciej, aby przesyłać informacje z tą samą prędkością. W rezultacie, aby wysłać informacje pięć razy, częstotliwość przesyłanego sygnału musi być pięć razy większa, więc w tym przypadku wydajność pasma jest bardzo niska. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej niezawodna jest metoda modulacji, tym niższa jest wydajność pasma.
Typowym przykładem wprowadzenia nowej metody modulacji jest LTE. LTE to standard szybkiej bezprzewodowej komunikacji danych, co oznacza, że pojemność kanału i prędkość komunikacji zostały zwiększone dzięki zastosowaniu nowych metod modulacji dla technologii GSM/EDGE i UMTS/HSPA. GSM/EDGE to znana nam technologia komunikacji 2G, a UMTS/HSPA to nazwa technologii 3G. Krótko mówiąc, LTE to nowa metoda modulacji dla technologii 3G, która zwiększa prędkość. Ściśle rzecz biorąc, LTE nie może być nazywane 4G, jak często reklamują to operatorzy komórkowi, ale nadal ma zalety w stosunku do istniejącej technologii 3G, takie jak większa prędkość, wyższa przepustowość i niższe koszty operacyjne. Jak widać, historia technologii komunikacyjnej pokazuje, że kluczem do rozwoju technologii komunikacji bezprzewodowej jest rozwój metod modulacji. Obecnie badacze w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej nadal próbują dowiedzieć się, jak przezwyciężyć niedociągnięcia istniejących metod modulacji i opracować szybsze i dokładniejsze technologie komunikacji bezprzewodowej, a ich wysiłki stopniowo przynoszą owoce w naszym codziennym życiu.
