Как работает Wi-Fi, Bluetooth, 5G, NFC и так далее? Разбор

Привет. Ролик, который вы можете включить ниже в виде файла весит 1,5 ГБ. Но я загрузил его в YouTube всего за пару минут. По Wi-Fi. Слава скорости — 300 Мбит/с. После переезда на новую студию никак не могу к такому привыкнуть.

Это прекрасное чувство когда себе подключил интернет 300 Мбит! Просто бальзам на душу! Но как всё это возможно?

Мы уже привыкли передавать данные по воздуху: Wi-Fi, AirDrop, Bluetooth, NFC. Но вы задумывались, как это работает? Почему стандартов так много и как они не конфликтуют друг с другом. Каким образом видео с YouTube из неоткуда появляется на экране вашего смартфона?

Сегодня мы поговорим о том как работают беспроводные технологии.

Узнаем почему Wi-Fi быстрее Bluetooth? Хоть работают они на одной частоте. А заодно разберемся, почему беспроводные технологии могут быть безопасными на примере системы AJAX. И выясним, что нам ждать от следующих поколений связи 6G и Wi-Fi 7?

Электромагнитные волны

Радио, GPS, Bluetooth, 5G — все эти технологии передают данные при помощи электромагнитных волн. Но как они это делают?

Простой пример: если бросить в воду камень — возникают волны — это некое возмущение водной поверхности. А если где-то образуется новое электромагнитное поле, оно точно также возмущает пространство вокруг себя и образуются волны. А когда мы пускаем по проводнику переменный ток, он возмущает пространство попеременно — это и порождает электромагнитные волны.

Эти волны распространяются в воздушном пространстве со скоростью света (примерно 300 тысяч км/с). И это неудивительно, потому как свет — это тоже электромагнитная волна. Просто наши глаза по мере эволюции стали восприимчивы к определенному спектру электромагнитного излучения, который исходит от солнца.

Поэтому, если бы много миллионов лет, нашу Землю обогревало не Солнце, а огромный Wi-Fi-роутер, наши глаза бы точно также научились видеть Wi-Fi.

Помимо простого распространения в пространстве эти волны могут отражаться, либо поглощаться предметом. Поэтому, когда волна исходящая от передатчика поглощается антенной приёмника, в ней возникает электрический импульс, такой же как и в передатчике. Поэтому, если мы грамотно закодируем эти электромагнитные колебания, мы можем передать информацию по воздуху. Но как конкретно кодируется сигнал?

AM

Начнем с очень простого примера, с радиосигнала. Самый первый вид кодирования радиосигнала, которое придумало человечество — это амплитудная модуляция. Помните буковки AM на старых радиоприемниках. Это оно — Amplitude modulation

Тут принцип кодирования элементарный. В соответствии с амплитудой сигнала, изменяется амплитуда колебаний. Это как если бы мы поместили колонку в пруд: и от громких фрагментов возникала бы большая волна. Такой сигнал очень просто передать и расшифровать.

Правда, есть у него недостаток — он очень чувствителен к помехам. В частности поэтому амплитудная модуляция не прижилась в радиовещании, и её быстро вытеснила частотная модуляция, более известная нам как FM — Frequency modulation. Тут принцип похож, но вместо амплитуды меняется частота колебаний.

Цифровой сигнал

Это были примеры аналоговых сигналов, но точно также при помощи амплитудной или частотной модуляции можно передавать и цифровой сигнал.

Это даже еще проще и надежнее, потому как вместо непрерывного аналогового сигнала, нужно передать просто нолики и единички. Есть колебание — нет колебания для амплитудной модуляции, высокая частота — низкая частота для частотной.

АМ (цифровая)

FM (цифровая)

Фазовая манипуляция / Phase-shift keying (PSK)

Гауссовская частотная модуляция с минимальным сдвигом / Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK))

Естественно сейчас методы кодирования куда более изобретательны, в мобильной связи и Wi-Fi используются методы ортогонального частотного разделения (OFDM), а также квадратурной амплитудной модуляции (QAM).

Всё это выглядит гораздо сложнее, но я думаю основной принцип вы поняли: амплитудой, частотой, фазой несущего сигнала, мы можем закодировать массу информации.

Квадратурная амплитудная модуляция /Quadrature Amplitude Modulation, QAM

Шифрование

Но раз всё так просто, насколько это безопасно? Ведь по идее сигнал по воздуху можно легко перехватить.

Естественно, сигнал шифруется. О том как работает шифрование мы делали отдельный материал. Тут же же дадим несколько дельных советов. В настройках роутера вам нужно выбрать тип защиты и тип шифрования.

Если у вас в типе защиты выбрано WEP (Wired Equivalent Privacy) — код красный. Это не актуальный стандарт его легко взламывают за счет уязвимостей.

В качестве защиты выбирайте WPA любой версии, но лучше самую последнюю WPA3 (Wi-Fi Protected Access).

А в качестве стандарта шифрования выбирайте AES. Сейчас это самый надежный стандарт беспроводного шифрования.

TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) — НЕБЕЗОПАСНО

AES (Advanced Encryption Standard) — БЕЗОПАСНО

Даже Агентство национальной безопасности США постановило, что шифр AES является достаточно надежным, чтобы использовать его для защиты сведений, составляющих государственную тайну. Вплоть до уровня TOP SECRET.

Также алгоритмы на основе AES в том числе используются во всевозможных охранных системах. Например, в беспроводной системе безопасности AJAX защищены все передаваемые данные. Там используется собственный помехоустойчивый протокол связи c AES-шифрованием с плавающим ключом. Поэтому на взлом такое системы уйдёт астрономически много времени.

Скорость

Оки-доки, данные мы передавать научились. Но от чего зависит скорость передачи? Есть несколько факторов.

Во-первых, это частота сигнала. Тут всё вроде как просто. Чем выше частота, тем выше скорость передачи. Потому как чем больше колебаний в секунду мы сможем передать, тем больше бит информации мы сможем запихнуть.

Именно поэтому новые стандарты связи переходят на всё более и более высокие частоты.

Например, если с первого по четвертое поколение мобильных сетей, мы как-то обходились частотами от 750 до 2700 МГц и максимальная скорость передачи данных на 4G была 1 Гбит/с, то с приходом 5G начали использоваться частоты до 30 ГГц и выше, что позволит увеличить скорость передачи данных в 20 раз.

Длина волны и скорость

Так почему бы все данные не передавать на частоте 100 ГГц или даже выше? Скажем так, есть побочный эффект.

Чем выше частота — тем меньше дальность передачи сигнала.

Во-первых, чем короче волна, тем быстрее она затухает в пространстве.

Во-вторых, у коротких волн уменьшается, так скажем, ловкость.

Дело в том, что волны способны огибать препятствия меньшие по размеру, чем их длина.

Например, на частоте 2,4 ГГц, на котором работает обычный Wi-Fi, длина волны 12,5 см. Это позволят ей спокойно огибать мелкие препятствия. А вот на частоте свыше 30 ГГц длина волны уже меньше 10 мм, поэтому каждый листик или капелька дождя для такого сигнала становятся серьезной преградой. Поэтому крайне высокочастотный сигнал не является надежным. Да что уж далеко ходить за примерами, у кого есть Wi-Fi на частоте 5 ГГц знает насколько меньше зона покрытия у такой сети.

Мощность

Высокая частота повышает скорость, но уменьшает зону охвата и надежность. Это мы поняли. Но значит ли это, что всё стандарты, которые работают на одной частоте одинаковые по скростоит и надежности?

Конечно, нет: на скорость и охват также очень влияет мощность передатчика.

Например, Wi-Fi и Bluetooth работают на одной и той же частоте 2.4 Ггц. Но при этом WI-Fi и бьет дальше, и скорость выше.

Как так? Всё потому что, Bluetooth проектировался как персональный стандарт передачи данных, в котором главное — не скорость, а энергоэффективность. А значит можно и мощность передатчика поубавить.

Помехи

И последнее, что влияет на скорость — это помехи. Вернёмся к нашему Wi-Fi и Bluetooth. Из-за того, что они работают на одной частоте — 2.4 ГГц — на многих ноутбуках и смартфонах при одновременно включенном Wi-Fi и Bluetooth падает скорость как у одного, так и у второго. А могут вообще возникнуть проблемы с передачей сигнала. Это происходит из-за интерференции и электромагнитных волн. Сигналы накладываются и гасят друг друга.

Точно также гасят друг друга соседские роутеры и другие умные девайсы. При этом ситуация с каждым годом ухудшается. Появляется всё больше систем умных домов от тех же Xiaomi, которые работают на стандарте Wi Fi, что ненадежно и небезопасно.

Во-первых, обилие умных лампочек, чайников и ip-камер непреднамеренно засоряет эфир.

Во-вторых, Wi-Fi можно легко заглушить преднамеренно при помощи недорогих глушилок.

В-третьих, так как мы не особо паримся по поводу паролей и методов шифрования, можно перехватить пакет данных и ваш “умный дом” может с легкостью превратиться в дом ужасов.

Ну и, в-четвертых, в примитивных беспроводных системах связь проходит напрямую через роутер. А если он перестает работать — система становится бесполезной. Нет альтернативных каналов связи или просто выделенного канала.

Надежность

Что же получается? Беспроводная связь — очень удобная вещь, но она никогда не сравнится с проводами по надёжности и безопасности?

На самом деле всё не так плохо.

Например, существуют системы умного дома: Zigbee и Z-Wave, которые работают на кастомных протоколах и частота преимущественно до 1 ГГЦ.

Эти системы используют низкоэнергетические радиоволны с достаточно большим радиусом действия, что позволяет обеспечить надежный канал связи, при этом устройства не будут потреблять много энергии и могут работать на батарейках годами.

И это уже не плохо. Но вот с точки зрения дальностидействия, шифрования и альтернативных каналов связи у таких систем умного дома всё еще есть проблемы. Поэтому большинство профессиональных систем безопасности делают проводными. Но есть и светлые примеры. Я естественно имею ввиду беспроводную систему безопасности AJAX.

AJAX

Система уникальна тем, что ребята разработали собственную радиотехнологию Jeweller, при помощи которой осуществляется связь между устройствами системы и её центром (хабом).

У технологии есть несколько преимуществ. Во-первых, используются незагруженная полоса частот 868-869.2 МГц, что позволяет AJAX поддерживать связь с датчиками и устройствами на расстоянии 2000 метров.

• 868.0 — 868.6 МГц для Европы
• 868.7-869.2 для стран ЕАС

Так как частота не очень высокая, то не требуется огромная мощность передатчика, плюс батарею экономит кастомный радиопротокол. Благодаря этому датчики AJAX стабильно работают от предустановленных батареек до семи лет.

Внутри хаба установлены две антенны для частот Jeweller, что позволяет добиться бесперебойного сигнала даже в экстремальных радиоусловиях. Но как всё это поможет, если сигнал будут глушить злоумышленники?

На этот случай, есть несколько степеней защиты. При наличии помех или глушении система автоматически сменит частоту на свободную. Эта технология называется радиочастотным хоппингом. А если кто-то заглушил вообще весь канал — соответствующее событие отправляется на пульт охранной компании и всем пользователям. Вот бы с Wi-Fi соседа так можно было сделать.

Более того, хаб общается с пользователями и охранной компанией по Ethernet, Wi-Fi, LTE. Каналы работают параллельно и страхуют другдруга.

Но самое классное, в беспроводных охранных системах, что стены штробить не надо.

В общем, будущее за беспроводными технологиями, ведь даже в таких серьезных вещах, как системы безопасности удалось достичь уровня защиты, сравнивого с проводными решениями.

Что нас ждёт в будущем?

Безусловно, мы будем всё больше переходить на беспроводные технологии. Мы еще не успели вкусить 5G как уже во всю разрабатывается шестое поколение мобильной связи, которые планируют внедрить через 5-10 лет. 6G, кстати, будет работать на терагерцовом и субтерагерцовый диапазоны частот. Это как раз частоты между инфракрасным диапазоном и микроволновым.

Нас ожидают скорости передачи данных от 100 Гбит до 1 Тбит/с и управлять всем этим будет искусственный интеллект. Примерно в тоже время, в 2025 году мы увидим Wi-Fi 7. Стандарт будет работать на частоте до 7 ГГц, а пропускная способность достигнет 40 Гбит/с. Про Wi-Fi 7 и 6G мы еще сделаем отдельные материалы.

А пока покупаем себе Wi-Fi 6 роутеры, золотые iPhone с поддержкой 5G и прочие гаджеты. Охранять это всё будут беспроводные системы безопасности. Поэтому ставим себе AJAX, всё это добро еще надо уберечь до 2025 года.