Wi-Fi, 4G, 5G и другие приключения электромагнитного поля
В ИТ многое завязано на радиоволны и связь по воздуху: Wi-Fi, Bluetooth и сети 4G — всё это работает на радиоволнах. Но Wi-Fi раздаёт интернет на 10–20 метров, а вышка 4G — на несколько километров. Посмотрим, как это работает и от чего зависит дальность и качество связи.
Эта статья для тех, кому интересно, как физически устроена беспроводная передача данных. Здесь ничего нет про код и алгоритмы, поэтому, если нужно что-то по программированию, — почитайте наши проекты про вычисление логарифма или про слайдер с jQuery на странице.
Электромагнитное поле
Основа любой связи — радиоволны. Радиоволну можно представить как обычную волну на поверхности пруда, когда кидаешь в него камень. Разница в том, что волна распространяется не в воде, а в невидимом глазу электромагнитном поле.
Электромагнитное поле можно представить как океан, в который погружена Вселенная. Оно повсюду, мы его не замечаем, но как только мы начинаем трясти электронами, двигать магниты, светить лазерами и совершать любые другие манипуляции с энергией, эти манипуляции возбуждают электромагнитное поле. По нему начинают расходиться эти самые волны.
Всё движение в электромагнитном поле происходит с фиксированной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Мы называем ее «скоростью света», но на самом деле это скорость передачи любых взаимодействий в полях, и свет ей тоже подчиняется.
Любая волна — следствие того, что полю сообщили энергию. Условно говоря, если мы бросаем в озеро камень, мы «сообщаем» озеру кинетическую энергию этого камня. Эта энергия начинает распределяться во все стороны, толкая ближайшие молекулы воды. Эти молекулы толкают соседей, те — соседей. Так получается волна.
Похожим образом учёные представляют электромагнитное поле. Сообщил ему дополнительную энергию, и она пошла возмущать поле во всех направлениях, передавая себя со скоростью света. По дороге наша энергия встречается с другими энергиями — например, энергией стен, антенн, решёток, гор и т. д. По мере столкновения с такими препятствиями энергия угасает.
Длина и частота волны
У каждой волны есть три важные характеристики: длина волны, частота и амплитуда. От них зависит качество связи и дальность приёма сигнала:
Сейчас нас больше всего интересует длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями. От длины волны зависит то, на какое расстояние она может передать сигнал и как волна реагирует на препятствия — огибает их, отражается или поглощается и дальше не идёт.
Например, если волна очень длинная, она может проникать через большие земляные и водяные массы, огибать горы и в целом плевать на любые препятствия. Но зато у неё будет низкая частота, то есть данных можно передать мало. А если волна сверхкороткая, то её может задержать любое, даже незначительное препятствие. Зато короткими волнами можно передавать очень много данных очень быстро.
В зависимости от длины волны делятся на разные категории. Вот картинка, чтобы было проще понять, о чём мы будем говорить.
Сверхдлинные волны — дальняя и подводная связь
Длина одной сверхдлинной волны от 10 до 100 километров. Такая большая длина получается из-за очень низкой частоты: от 3 до 40 килогерц. Благодаря своей длине эти волны могут отражаться от ионосферы — это верхний слой атмосферы, который облучается космическими лучами. Так эти волны распространяются по всей Земле
А ещё они хорошо проникают в воду, поэтому связь с подлодками обычно происходит именно на этих частотах.
Длинные волны — телевидение и навигация
Длинные волны живут на частоте 150—500 килогерц. Их длина — от 600 метров до 2 километров. Эти волны могут огибать простые препятствия (например, горы), но проникающая способность у них небольшая, поэтому в помещении поймать ничего не получится — нужна улица и длинная антенна.
Длинные волны используют для телевещания, связи с объектами на большой площади и радионавигации. Кстати, старые большие телевизионные антенны на крышах ловили как раз длинные волны.
Средние и короткие волны — международная и местная связь
У средних и коротких волн с длиной волны от 500 до 10 метров похожая физика распространения — они хорошо отражаются от ионосферы, огибают Землю и не требуют для этого передатчиков большой мощности. Этим пользуются радиолюбители, чтобы пообщаться друг с другом с разных концов света без интернета. Частота таких волн — от 500 килогерц до 30 мегагерц.
А ещё коротковолновую связь можно иногда увидеть на машинах: если стоит длинная трёхметровая антенна, то это значит, что внутри будет коротковолновая рация для связи на частоте 27 мегагерц. Это разрешённая для использования частота, доступная без лицензии.
Метровые волны — местная связь, радио и телевидение
Сюда относятся волны с частотой от 30 до 300 мегагерц и с длиной волны от 1 до 10 метров. На этих волнах работают радиостанции (FM-диапазон тоже сюда входит), принимаются телесигналы и можно установить связь на расстояние до 2000 километров. Огибать большие препятствия эти волны не могут (но могут отражаться), а всё, что меньше 10 метров в ширину или длину, они пройдут без проблем.
Сейчас на «двухметровом» диапазоне работает связь у городских служб — МЧС, скорая и других служб быстрого реагирования. А всё потому, что на этих частотах можно установить надёжную голосовую связь даже в условиях плотной застройки.
Дециметровые волны — вайфай, блютус и мобильная связь
Самый популярный диапазон в IT — от 300 мегагерц до 3 гигагерц. Сюда попадает вайфай, блютус, протоколы умного дома, охранные брелки и прочие подобные вещи, включая микроволновки. Все современные стандарты мобильной связи тоже попадают в этот диапазон, поэтому иногда связь пропадает, на первый взгляд, просто так, а на самом деле ей может мешать работающая рядом микроволновка.
Чем выше частота, тем большую плотность передачи сигнала можно в ней закодировать, поэтому операторы сотовой связи взяли себе самые высокие из доступных частот. По этой же причине вайфай использует эти же частоты — чтобы передавать данные по воздуху как можно быстрее. О том, как устроено кодирование сигнала в зависимости от частоты, мы расскажем в следующей статье.
Сантиметровые волны — 5G и связь со спутниками
Если поднять частоту ещё выше, от 3 до 50 гигагерц, то получим уже сантиметровые волны. Они легко проникают через ионосферу, поэтому на этих частотах работает спутниковая связь и управление в космосе. При этом из-за размера они слабо проникают сквозь препятствия, но могут отражаться от них, чтобы достичь нужной точки.
А ещё на этих частотах планируется развернуть скоростную часть связи 5G, чтобы получить скорость интернета 10 гигабит в секунду и скачать любой фильм за пару секунд.
Важно: все компьютерные беспроводные дела — это одно и то же радио
Блютус, вайфай, все сотовые стандарты, NFC и другие беспроводные протоколы — это всё радио. Это всё возмущения в одном и том же электромагнитном поле — только с разной частотой, скоростью и способами кодирования. Прямо сейчас, когда вы это читаете, вы сидите в центре огромного электромагнитного шторма от всех электромагнитных излучателей вокруг вас. Если вы сейчас достанете антенну и послушаете это излучение, вы услышите всё, что происходит в «эфире» электромагнитного поля. Другое дело, что вы не сможете это дешифровать, но это детали. Представьте, что мы все сидим в одном озере и пускаем волны по его поверхности. Вот в этом хаосе волн и приходится работать всем нашим роутерам и мобильникам.
И ещё пикантная деталь: все наши радиоволны, которые прошли сквозь ионосферу и улетели в космос, продолжают бесконечный полёт по электромагнитному полю со скоростью 300 тысяч км/с, лишь изредка сталкиваясь с пылью и шальными звёздами. Если где-то на другом конце галактики инопланетяне тоже изобретут радио, с большой вероятностью они поймают наши сигналы (когда эти сигналы долетят).
Что дальше
Теперь у нас достаточно знаний, чтобы разобраться в двух вещах — как всё-таки кодируются данные, которые передаются по радиосвязи, и почему связь 5G даст такой огромный прирост скорости и возможностей.
