无线网络工作原理：最好的技术还未出现

本文为解密无线网络系列文章的第一部分，文章中，分析师Craig Mathias详细介绍了构成现代无线网络的幕后技术。

即使已经在无线领域工作超过20年时间，我仍然对这项技术感到惊叹。设想一下，我们将信息保存在一个位置，然后它就会出现在另一个预期位置，两点之间完全不需要任何物理连接。从我小学的第一个水晶无线装置到现在使用的GB级系统，无线网络的神奇仍在延续。

当然，无线技术背后并不存在什么魔法——它实际上仍然是一些基于非常基础的物理原理建立的无数复杂工程。因此，在本系列的三篇访问中，我将详细介绍无线网络的工作原理。我一定会尽量保持简单，使一些非技术专业的人也能够理解这其中的奥妙。

我们首先从最基本的概念开始。我们都知道的一个物理概念是“电磁波谱”。这就是电磁波的载体，它是由一种相对较为简单的电子设备“振荡器”产生。振荡器会发出正弦波（还记得这是高中几何课讲的内容吧？），然后我们可以调整振荡器，使它产生具有特定频率和振幅的电磁波。频率是指所生成电磁波的振动速度，而振幅则是指电磁波的强度。这两个指标都受相关法规的限制——例如，在美国，联邦通信委员会负责规定谁可以使用电磁频谱中哪一些频段（也称为频带），同时规定它们的用途与使用环境。你可能也想到了，这里涉及的法律问题可能比所有底层的物理与工程设计还要复杂很多。

一旦有了正弦波，下一个任务就是将需要传输的信息编码并添加到电磁波上。这个过程称为“调制”，而它是通过改变电磁波的物理特性实现的。我们修改振幅（如AM无线电）、频率（如FM无线电）或电磁波相位，后者是指在任意指定时刻跨越360度周期它所在的位置。而且，我们还可以组合修改这些变量。例如，正交调幅就是组合使用了振幅和相位调制，它常用于卫星通信、现代Wi-Fi系统及一些蜂窝系统，如LTE。调制的技术越好，我就可以给电磁波加载越多的数据。这会产生某种形式的数据压缩，因此可以通过所谓的“频谱效率”实现更高的性能。发送这种经过调制信号的最后一步是放大信号（增加功率），然后通过天线将它发送到空中。本系列文章后面将会用更多篇幅介绍天线——无线电中最重要的部分。

无线网络的工作原理还取决于其他因素

无线电并不是仅仅涉及正弦波和电磁频谱。在发送信号之后，核心问题就是所谓的“无线频道”——众所周知，正是它将电磁波从一点传输到另一点。这就是最复杂的一步。首先，无线波的功率会随距离快速地衰减（“平衰减”）——这意味着即使高功率信号也会快速减弱。因此，假设信号能够到达并且有足够被检测的功率，另一端的接收器也必须要足够敏感，才能检测到信号。如果信号太弱，那么它就会变得像噪音。目标是让信噪比越高越好。

接下来，无线波还可能被固体（“阴影衰减”）、主信号的回声及反射（“多路径衰减”或“雷利衰减”）或有意干扰（“堵塞”，在非军事环境极少出现）或无意干扰阻挡。Wi-Fi及其他运行在共享未授权频带的系统必须使用各种技术来避免受到运行在相同未授权频带的其他并行（且合法）信号的干扰。不仅如此，这些系统还必须避免与管理部门规定的更重要的信号发生干扰。这里避免干扰的最常用方法是使用各种形式的扩频无线电，它会将信号分散到大量不同频率的频带中，从而以牺牲频谱效率来提升可靠性。

最好的技术还未出现

但是，如果信号成功到达预期接收端（根据统计数据，实际上无线网络在大多数应用程序中都能做到这一点），那么这些放大的信号就会被解调和转换回原始格式。现在大多数无线通信都采用数字方式，这意味着我们只会发送1和0，因此我们就有可能以各种形式去改进可靠性和性能，而且这个过程也相对较为简单。到现在为止，本文至少已经介绍了为什么现代无线系统能够以较低的价格实现较高的性能了，例如，目前的802.11ac无线LAN产品支持1.3 Gbps吞吐量，这似乎已经非常大了，但是将来还可能出现更高速度的产品。而所有这些都归功于我们已经有能力基于一些简单物理原理设计和开发出可靠且低价的数字无线系统。