Grafiskt perspektivt

Den teoretiska grunden av WLAN är omfattande och ibland svårt att förstå, men det kan förenklas med hjälp av diverse illustrationer. Det går inte att undvika fakta termer som kräver förståelse när man jobbar med trådlöst nätverk även om implementationerna kan verka enkla.

Grunder om trådlös kommunikation

Vi börjar med det vi känner till, trådbundet nätverk. I ett sådan nätverk kan dataöverföring kontrolleras och styras eftersom avsändare och mottagare är anslutna till ett nätverk via kablar. I bilden nedan visas en avsändare och en mottagare som är anslutna till varandra och då är frågan hur kan signaler överföras till mottagaren.

Bild 1: Hur kan signaler skickas till mottagare?

Har du någon gång funderat på varför i trådbundet nätverk använder vi elektriska signaler eller ljussignaler? Hur kan de förflytta sig eller hur kan de “åka” genom kablarna?

I exemplet ovan kan avsändare vinka och rör armen upp och ner, en klassisk rörelse för elektriska signaler. Nu utformas ett kontinuerligt vågmönster längs “transmissionsmediet” och eventuellt kommer framtill mottagare, se vilden nedan:

Bild 2: Signalmönster

Det kontinuerliga signalmönster kan uppfattas som flera varv. Det går att räkna antal var och kontrollera hur snabbt armen rör sig, hur ofta, etc. Faktum är att liknande principer tillämpas både i trådbundet och trådlös nätverk! Men signalerna måste ha den egenskap att förflytta sig i ett transmissionsmedium, exempelvis i kablar eller i luften.

Tack vare flera utforskare använder vi signaler som rör sig kontinuerligt fram åt och på kanterna, men alltid genom någon axel. Ja, jag pratar om elektriska och magnetiska fälten som gör att signaler sprider sig ut och bort som resande vågor. Dessa fälten står alltid i rätt vinkel mot varandra.

Bild 3: Elektromagnetisk fält

Det som behövs nu är en komponent som skickar iväg signaler till mottagare. Detta är lätt i ett trådbundet nätverk, men inte i ett trådlöst nätverk. Vi kan inte styra signalerna med samma precision och därför skickas elektromagnetiska signalerna iväg till alla håll.

Bild 4: Signalers spridning

Vi kan föreställa oss att de elektromagnetiska signaler som kommer fram till mottagaren konverteras dessa till elektriska. En sådan konvertering kräver en förklaring och då behöver vi förstå signalernas komponenter exempelvis frekvens.

En enkel definition är att frekvens är antal gånger signalen gör en komplett varv, period, under en sekund. Perioden är tiden mellan vågorna och den kan mötas när signalen stiger från mittlinjen, faller genom mittlinjen och stiger igen. Den kan också mätas från mitten av en topp till mitten av nästa topp.

Bild 5: Signalens frekvens och period (T)

Bilden ovan illustrerar antal varv i en sekund, det vill säga frekvensen. Det illustreras att en varv/period kan mätas/identifieras från mittlinjen eller från topp till topp. Nu räknar vi upp till 4 varv/period i en sekund, men hur betecknas det? vad för enhet?

Frekvens enhet är 1 Hertz (Hz) som betyder ett varv per sekund!

Jag vet, att räkna några varv är ingenting i det verkliga livet där är miljoner och miljoner varv istället. Här nedan en tabell med vanliga frekvens enheter

Enhet Förkortning Betydelse
Hertz Hz varv per sekund
Kilohertz kHz 1 000 Hz
Megahertz MHz 1 000 000 Hz
Gigahertz GHz 1 000 000 000 Hz
…. ….. ….

De frekvensintervaller vi använder för trådlös kommunikation finns mellan 3 kHz och 300 GHz. Ett sätt att identifiera vilka typer av signaler som är lämpliga inom trådlös kommunikation är frekvensspektrumet.

Bild 6: Frekvensspektrum

Bilden ovan visar att radiovågor och en del av mikrovågor ingår i frekvensen som används i trådlös kommunikation. Det är viktig att förstå att vi inte använder en viss frekvens utan en viss frekvensintervall. Trådlösa LAN använder exempelvis frekvensintervallet från 2 400 till 2 483 GHz. Som du ser finns flera frekvenser i intervallet och därför namnet BAND, eller frekvensband. Då kan vi prata om 2.4 GHz band och 5 GHz band.

Frågan är nu hur data kan läggs på radiofrekvenssignalerna (RF-signaler)? Här nedan några idéer:

Bild 7: Hu kan data transporteras fram till mottagare?

Bilden ovan illustrerar en bärvåg, data och två förslag på hur data kan läggas på bäraren. Observera att frekvensen är det samma och inte varierar på bärvågen och att data representeras med ettor och nollor i ordningen 1001.

Den första idén går ut på att en 1:a skulle skickas som två varv och en 0:a ingen signal alls. När mottagaren inte får någon signal alls kan denne avsluta kommunikationen.

Den andra idén går ut på att skicka två konsekutiva halvsignaler som 1:a och två andra som 0:a. När mottagaren tar emot halvsignaler är det svårt att tolka de egentligen betyder eftersom det saknas information om resten.

Har ni själva något förslag? Detta kallas för modulering, ett sätt att manipulera signaler så att de kan kodas som ettor och nollor samtidigt som allt information följer med. Från avsändare moduleras signalerna och hos mottagaren demoduleras.

Vad kan vi manipulera eller rättare sagt modulera signalerna? Alla ändringar måste kunna identifieras av mottagarenheten och inte blandas med möjliga interferenssignaler.

Bild 8: Modulering
  • Frekvens
  • Fas
  • Amplitud

Observera att moduleringsmetoder kräver lämpliga transmissionskanaler och bandbredd, exempelvis lågfrekventa signaler kräver inte mycket bandbredd och därför kallas smalband transmission (AM eller FM radio). Däremot modulering av signaler i ett WLAN kräver högre bandbredd. Data som förs över i trådlös nätverk och sprids över flera frekvenser betyder att modulering blir ganska komplexa. Signaler som är spridda över flera frekvenser kallas för spridningsspektrum.

För enkelhetsskull tar vi upp endast några moduleringsmetoder för WLAN som undviker interferenser:

  • Frequency-hopping spread spectrum (FHSS)
  • Direct-sequence spread spectrum (DSS)
  • Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)

FHSS

För att undvika interferenser delas upp WLAN frekvensintervallet i 79 kanaler, eller mindre än 79. Varje kanal är 1 MHz bredd. Signaler får hopp mellan de 79 kanaler så fort de identifierar interferenser, därmed namnet Frekvens-hoppning.

Bild 9: Frekvens-hoppning

Om du följer signalen på kanal 2 märker du att den hoppar till kanal 25 och därefter till kanal 64, 10, 45 och så vidare. Denna hopp teknik reglerar antal gånger signalerna kan hoppa mellan olika transmissionskanaler och under de fördefinierade tidsintervaller.

En sådan moduleringsmetod har några nackdelar exempelvis kanalernas bredd som endast tillåter upp till 1 eller 2 Mbps. En annan nackdel är att de hoppande signaler kan krocka med varandra och därmed deformeras. Det är anledningen att den metoden är inte längre populärt.

DSSS

Denna moduleringsmetod använder ett begränsat antal 22 MHz breda kanaler. Bredden tillåter stöd för komplexa moduleringar och någorlunda datamängder i överföringar.

Bild 10: DSSS kanaler

……………… Under arbete ……………………