V tej objavi na blogu bomo preučili, zakaj se signali lahko natančno prenašajo kljub šumu v brezžičnih komunikacijah s pomočjo modulacijskih metod, zanesljivosti in konceptov pasovne širine.
Analogni mobilni telefoni so se prvič pojavili leta 1981. Takrat so bili mobilni telefoni preprosto naprave za glasovne klice, ki so bile precej velike in težke. Nato je leta 1991 komercialno dostopna komunikacija 2G, ki je obstoječi analogni komunikacijski sistem pretvorila v digitalnega, kar je močno izboljšalo delovanje in uporabnost mobilnih telefonov. Komunikacija 2G je uporabljala digitalne signale za zagotavljanje glasovnih klicev in pošiljanja besedilnih sporočil, izboljšana pa je bila tudi varnost. V 2000-ih je komercialno dostopna komunikacija tretje generacije, ki je mobilnim telefonom omogočila pošiljanje in prejemanje velikih količin podatkov. Mobilni telefoni, ki so se pojavili v tem času, so presegli preproste komunikacijske naprave in postali začetek pametnih telefonov z dostopom do interneta in multimedijskimi zmogljivostmi.
Leta 2011 je LTE (dolgoročni razvoj), ki predstavlja dolgoročni razvoj 3G, vstopil v fazo komercializacije. LTE je omogočil hiter prenos podatkov, kar je omogočilo nemoteno pretakanje in prenos velikih datotek. To je močno izboljšalo uporabniško izkušnjo uporabnikov pametnih telefonov in privedlo do eksplozivnega povečanja uporabe mobilnega interneta. Oglejmo si raziskave o brezžični komunikacijski tehnologiji, ki se razvija z tako hitrim tempom.
Brezžična komunikacijska tehnologija je v osnovi namenjena prenosu določenih informacij na oddaljeno lokacijo. Ko več naprav hkrati pošilja in sprejema signale, brezžična komunikacija preide v proces transformacije signala, imenovan modulacija, pri katerem se sprejemajo samo signali, ki jih oddaja določena naprava. Modulacija ima dve funkciji: povečanje frekvence signalov in šifriranje signalov. Razvoj modulacijske tehnologije je jedro sodobne brezžične komunikacije.
Kot preprost primer, predpostavimo, da so na svetu samo trije mobilni telefoni, A, B in C, in želimo poklicati A. Frekvenčno območje, ki ga slišimo ljudje, je od 20 do 20,000 Hz, zato bodo podatki, ki jih pošiljamo in prejemamo, glasovni signali s frekvencami med 20 in 20,000 Hz. Če pa A, B in C hkrati pošiljajo signale brez modulacije, bo prišlo do motenj med signali z istim frekvenčnim območjem, zaradi česar med tremi signali ne bo mogoče razlikovati signala od A. Da bi rešili to težavo, se med procesom modulacije izvede premik frekvence. Na primer, skupno frekvenco je mogoče povečati za 100 kHz, frekvenco signala A za 20 kHz, frekvenco signala B pa za 40 kHz pred prenosom. Nato je signal med 100 in 120 kHz C, signal med 120 in 140 kHz je A, signal med 140 in 160 kHz pa je B, kar omogoča razlikovanje, kateri signal prihaja iz katere naprave. V dejanski komunikaciji se frekvenca skupaj zviša za približno 2 GHz. Ta frekvenca se imenuje nosilna frekvenca, obseg frekvenc, ki jih uporablja vsaka naprava, pa se imenuje pasovna širina. V zgornjem primeru je pasovna širina 20 kHz.
Po drugi strani pa, ko se glasovni signali prenašajo samo z zvišanjem frekvence, motnje zaradi elektromagnetnih valov v prostoru povzročijo popačenje signala. Elektromagnetni valovi v prostoru se imenujejo šum. V primeru prenosa s preprostim zvišanjem frekvence so informacije, ki jih je treba prenesti, vsebovane v amplitudi elektromagnetnih valov, zato se to imenuje AM (amplitudna modulacija). Vendar se AM v vsakdanjem življenju ne uporablja pogosto. To je zato, ker je pri uporabi AM moč signala relativno šibka v primerjavi z drugimi metodami modulacije, prvotni preneseni signal pa je močno popačen zaradi šuma. Za rešitev te težave se pred prenosom na signal uporabi vrsta šifrirnega postopka, ki ga nato sprejemnik dešifrira. Ta postopek se razlikuje glede na uporabljeno metodo modulacije. Najpomembnejša dejavnika v procesu šifriranja sta zanesljivost procesa modulacije in učinkovitost pasovne širine.
Zanesljivost modulacijskega procesa je merilo, kako natančno je mogoče sprejeti signal interpretirati kot originalni signal, ko so informacije, ki so bile prvotno namenjene prenosu, popačene zaradi šuma. Preprost primer metode za povečanje zanesljivosti je večkratno pošiljanje signala. Na primer, pri prenosu digitalnih informacij 1, če jih pošljete petkrat na bit, boste poslali 11111, zato lahko tudi če šum popači signal na 11011, preprosto sklepamo, da je bil originalni signal 1.
Po drugi strani pa, kot smo že omenili, morajo biti frekvenčna območja, ki se uporabljajo med napravami, različna, ko hkrati interagira več naprav. V tem primeru velja, da manjše kot je frekvenčno območje, ki se uporablja na napravo, več naprav lahko komunicira z istim frekvenčnim območjem. To se imenuje učinkovitost pasovne širine. V zgornjem primeru, ker se iste informacije pošljejo petkrat, jih je treba poslati petkrat hitreje, da se prenesejo z enako hitrostjo. Posledično mora biti za petkratno pošiljanje informacij frekvenca prenesenega signala petkrat večja, zato je v tem primeru učinkovitost pasovne širine zelo nizka. Na splošno velja, da bolj zanesljiva kot je metoda modulacije, nižja je učinkovitost pasovne širine.
Reprezentativen primer uvedbe nove modulacijske metode je LTE. LTE je standard za visokohitrostno brezžično podatkovno komunikacijo, kar pomeni, da sta se zmogljivost kanalov in hitrost komunikacije povečali z uporabo novih modulacijskih metod za tehnologiji GSM/EDGE in UMTS/HSPA. GSM/EDGE je komunikacijska tehnologija 2G, ki jo poznamo, UMTS/HSPA pa je ime za tehnologijo 3G. Skratka, LTE je nova modulacijska metoda za tehnologijo 3G, ki povečuje hitrost. Strogo gledano LTE ne moremo imenovati 4G, kot jo pogosto oglašujejo mobilni operaterji, vendar ima še vedno prednosti pred obstoječo tehnologijo 3G, kot so večja hitrost, večja prepustnost in nižji obratovalni stroški. Kot lahko vidite, zgodovina komunikacijske tehnologije kaže, da je ključ do napredka brezžične komunikacijske tehnologije v razvoju modulacijskih metod. Danes raziskovalci na področju brezžične komunikacije še vedno poskušajo ugotoviti, kako premagati pomanjkljivosti obstoječih modulacijskih metod in razviti hitrejše in natančnejše brezžične komunikacijske tehnologije, njihova prizadevanja pa postopoma prinašajo sadove v našem vsakdanjem življenju.
