即使已經在無線領域工作超過20年時間，我仍然對這項技術感到驚歎。設想一下，我們將信息保存在一個位置，然後它就會出現在另一個預期位置，兩點之間完全不需要任何物理連接。從我小學的第一個水晶無線裝置到現在使用的GB級系統，無線網絡的神奇仍在延續。
當然，無線技術背後並不存在什麼魔法——它實際上仍然是一些基於非常基礎的物理原理建立的無數複雜工程。因此，在本系列的三篇訪問中，我將詳細介紹無線網絡的工作原理。我一定會盡量保持簡單，使一些非技術專業的人也能夠理解這其中的奧妙。
我們首先從最基本的概念開始。我們都知道的一個物理概念是“電磁波譜”。這就是電磁波的載體，它是由一種相對較爲簡單的電子設備“振盪器”產生。振盪器會發出正弦波(還記得這是高中幾何課講的內容吧?)，然後我們可以調整振盪器，使它產生具有特定頻率和振幅的電磁波。頻率是指所生成電磁波的振動速度，而振幅則是指電磁波的強度。這兩個指標都受相關法規的限制——例如，在美國，聯邦通信委員會負責規定誰可以使用電磁頻譜中哪一些頻段(也稱爲頻帶)，同時規定它們的用途與使用環境。你可能也想到了，這裏涉及的法律問題可能比所有底層的物理與工程設計還要複雜很多。
一旦有了正弦波，下一個任務就是將需要傳輸的信息編碼並添加到電磁波上。這個過程稱爲“調製”，而它是通過改變電磁波的物理特性實現的。我們修改振幅(如AM無線電)、頻率(如FM無線電)或電磁波相位，後者是指在任意指定時刻跨越360度週期它所在的位置。而且，我們還可以組合修改這些變量。例如，正交調幅就是組合使用了振幅和相位調製，它常用於衛星通信、現代Wi-Fi系統及一些蜂窩系統，如LTE。調製的技術越好，我就可以給電磁波加載越多的數據。這會產生某種形式的數據壓縮，因此可以通過所謂的“頻譜效率”實現更高的性能。發送這種經過調製信號的最後一步是放大信號(增加功率)，然後通過天線將它發送到空中。本系列文章後面將會用更多篇幅介紹天線——無線電中最重要的部分。
無線網絡的工作原理還取決於其他因素
無線電並不是僅僅涉及正弦波和電磁頻譜。在發送信號之後，核心問題就是所謂的“無線頻道”——衆所周知，正是它將電磁波從一點傳輸到另一點。這就是最複雜的一步。首先，無線波的功率會隨距離快速地衰減(“平衰減”)——這意味着即使高功率信號也會快速減弱。因此，假設信號能夠到達並且有足夠被檢測的功率，另一端的接收器也必須要足夠敏感，才能檢測到信號。如果信號太弱，那麼它就會變得像噪音。目標是讓信噪比越高越好。
接下來，無線波還可能被固體(“陰影衰減”)、主信號的回聲及反射(“多路徑衰減”或“雷利衰減”)或有意干擾(“堵塞”，在非軍事環境極少出現)或無意干擾阻擋。Wi-Fi及其他運行在共享未授權頻帶的系統必須使用各種技術來避免受到運行在相同未授權頻帶的其他並行(且合法)信號的干擾。不僅如此，這些系統還必須避免與管理部門規定的更重要的信號發生干擾。這裏避免干擾的最常用方法是使用各種形式的擴頻無線電，它會將信號分散到大量不同頻率的頻帶中，從而以犧牲頻譜效率來提升可靠性。
最好的技術還未出現
但是，如果信號成功到達預期接收端(根據統計數據，實際上無線網絡在大多數應用程序中都能做到這一點)，那麼這些放大的信號就會被解調和轉換回原始格式。現在大多數無線通信都採用數字方式，這意味着我們只會發送1和0，因此我們就有可能以各種形式去改進可靠性和性能，而且這個過程也相對較爲簡單。到現在爲止，至少已經介紹了爲什麼現代無線系統能夠以較低的價格實現較高的性能了，例如，目前的802.11ac無線LAN產品支持1.3 Gbps吞吐量，這似乎已經非常大了，但是將來還可能出現更高速度的產品。而所有這些都歸功於我們已經有能力基於一些簡單物理原理設計和開發出可靠且低價的數字無線系統。