Chapter 5. Introduction to Wireless Networks
無處不在的連接（Ubiquitous Connectivity）
過去十年一個最具革命性的技術是無處不在的連接的可用性和不斷增長的期望。無論你是收發電子郵件，還是進行語音會話，網頁瀏覽，等等，現在，我們都期望能夠隨時隨地訪問這些在線服務：跑步時，排隊時，在辦公室，在地鐵上，飛機上，以及其它任何地方。今天，我們仍然經常需要主動尋找連接（e.g.,
尋找附件的WiFi熱點），但毫無疑問，將來連接肯定會無處不在，那時將可以再任何地方訪問互聯網。
無限網絡正處於這一趨勢的中心。廣意而言，無限網絡指任何沒有電纜連接的網絡，正是這滿足了我們想要的方便性和移動性。有各種千差萬別的使用場景和衆多不同的應用，我們自然會想到應該有很多不同的無限技術來滿足這些需求，每一種有自己的性能特徵，並針對一類特定的任務和上下文做優化。如今，我們廣泛使用的無限技術有多達10幾種：WiFi, Bluetooth,
ZigBee, NFC, WiMAX, LTE, HSPA, EV-DO, earlier 3G standards, satellite services，等等。
因此，考慮到這種多樣性，對無線網絡的性能一概而論是不明智的。所幸的是大多數的無線技術有共同的運作原則，共同的權衡，並具有共同性能標準和限制因素。一旦我們認識和理解了這些無線網絡性能的基本原則，其它很多東西就會昭然若揭。
通過無線電波通信發送數據與通過線纜發送數據的機制有根本的不同，但對用戶來說，體驗的結果應該一樣 -- 相同的性能，同樣的結果。長遠來看，所有的應用都脫離不了網絡。有的應用會更多的通過無線網絡使用。不過，沒有所謂的無線應用，我們也不需要這種區分。
所有的應用，無論下面的網絡如何，都應該運行良好。用戶不應該關心底層使用的網絡，但作爲開發者，我們必須考慮到各種不同網絡之間的差別，並據此設計我們的應用程序。好在我們針對無線網絡所做的優化在所有場景下都會帶來更好的體驗。就讓我們一探究竟吧。
無線網絡類型
彼此連接的一組設備構成了一個網絡。在無線網絡中，無線通信，通常是一個媒介選擇。然而，即便是在無線驅動子集內部（radio-powered subset），也有許多不同的技術，它們是針對不同的規模、拓撲結構、和相當不同的使用場景設計的。說明這種不同的一種方式是基於它們的“地理範圍”做一個劃分：
上述這個劃分不完全也不準確。有的技術和標準，最初只針對特定的應用，比如用於PAN應用和替代線纜的Bluetooth，隨着時間推移，它也不斷進化，功能更多，傳輸距離更遠，速度也更快。事實上，最新的Bluetooth草案，提供了與802.11（WiFi）的無縫操作性。類似的，其它技術，比如WiMAX技術，最初是一種固定無線網解決訪問，但隨着時間推移，具備了額外的流動性能力，使得它們成爲了其它WAN和蜂窩技術的備選方案。
分類的目的不是爲了把每一種技術分門別類，而是爲了強調每一用例的高級別差異。有的設備有持續不斷的電源；有的必須想方設法優化電池壽命。有的要求Gbit/s+的速率；另外一些用於傳輸幾十到幾百字節的數據（eg, NFC）。一些應用要求永遠在線，有的則能夠忍受延遲和偶爾的離線。這些差別與許多其它的準則決定了每一種網絡的初始特徵。然而，一旦實現，每一個標準會持續改善：更大的電池容量、更快的處理器、更先進的調製算法，其它進步不斷擴展使用場景和每個無線標準的性能。
你的下一個應用可能通過移動網絡分發，可能依賴NFC進行支付，通過WebRTC和Bluetooth進行P2P通信，通過WiFi看高清視頻。這不是一個選擇問題，或是在打賭，它只是一個無線標準。
無線網絡性能基礎
每一類型的無線技術都有它自己的一套限制因素和侷限性。然而，拋開使用的特定的無線技術，所有的通信方法都有一個最大通道容量，而且是由同樣的原則決定的。事實上，Claud E. Shannon給了我們一個確切的計算通道容量的數學模型（等式 5-1），它與具體的網絡技術無關：
- c是信道容量，單位bits/s
- BW是可用帶寬，單位赫茲
- S是信號，N是噪聲，單位瓦
雖然有點簡單，但這個公式包含了我們理解大部分網絡性能所需的知識。不管名稱是什麼、縮寫是什麼、規範的修訂版本是多少，有一點是相同的，兩個限制數據速率的基本因素都是可用帶寬以及發送者和接收者之間的信號功率。
帶寬
在有線網絡中，每一個節點都可以由一條專用的線連接，無線通信與此不同，它本質上使用共享介質：無線電波，或者你喜歡的話，也可以叫電磁輻射。通信雙方必須首先對通信使用的頻率訪問達成協議。明確的頻率範圍使設備之間能夠無縫互通。例如，802.11b和802.11g這兩個標準規定所有的WiFi設備使用2.4 - 2.5GHz頻帶。
誰來確定和分配頻率範圍呢？簡言之，當地政府（圖5-1）。在美國，是由聯邦通信委員會管理（FCC）。事實上，由於政府法規不同，有的網絡技術只在部分國家或地區使用。不同的國家可能爲同一種無線技術分配不同的頻譜範圍。
拋開政治不談，除爲了互操作性使用共同的頻帶之外，最重要的性能因素是分配的頻率範圍大小。香農的模型表明，總的通道比特率直接與分配的範圍成正比。因此，其它條件相等，可用頻率範圍加倍則數據率也加倍 -- 例如，把從帶寬從20 MHz提升到 40 MHz，能夠使數據速率變爲原來的兩倍，802.11n正是通過這種方式在早期的WiFi標準基礎之上改進性能的方式。
最後，值得一提的是，並不是頻率範圍相同就會提供相同的性能。低頻信號可以傳輸的更遠，可以覆蓋更大的範圍（Macrocells），但它需要巨大的天線，而且服務量有限。另一方面高頻數據可以傳輸更多數據，但是不能傳遞太遠，只能覆蓋一個小的區域（Microcells），而且需要更多的基礎設施。
對於某些應用而言，特定頻段比其它頻段更有價值。廣播應用非常適合使用低頻段。另一方面，對雙向通信而言，使用小cells可以獲得更多好處，更高的帶寬，更少的衝突。
信號功率（Signal Power）
除了帶寬，所有無線通信中第二個基本限制因素是發送者和接收者之間的信號功率。也稱爲信噪比，S/N ratio，SNR。背景噪聲越多，信號功率就得越大。
就其本質而言，所有無線通信都是通過共享介質完成，這意味着其它設備可能產生不想要的干擾。例如一個工作在2.5GHz的微波爐，可能與WiFi的頻率範圍重疊，產生跨標準干擾。此外，其它WiFi設備，比如你附近的WiFi熱點，甚至與你訪問同以網絡的同事的筆記本，都會對你的傳輸產生干擾。
在理想情況下，你可能是唯一使用特定頻率範圍的用戶，而且沒有其它背景噪聲和干擾。很不幸，這是不可能的。首先，帶寬是稀缺的，其次，有太多的無線設備在工作。爲了在干擾存在的情況下獲得理想的數據率，我們一方面可以增加發送功率，以增加信號強度，另一方面縮短傳輸者和發送者之間的距離。
路徑損耗（Path loss），或者path attenuation，信號強度隨着傳輸距離的增長而衰減 -- 具體的衰減了取決於環境。關於這一主題的討論超出了本書訪問，不過你可以請教搜索引擎。
爲了說明信號，噪聲，傳輸功率，距離之間的關係，想象你正在一個小房間，與20碼之處的某個人交談。如果旁邊沒有人，你可以與正常音量來對話。然而，現在房間裏多了幾個人，比如在一個喧鬧的party上，每個人都在交談。突然，你沒法聽到對方說什麼了！當然，你可能開始大聲說話，但同時也給你周圍的人增加了“噪音”。接着，他們同樣不得不提高音量，噪音和干擾不斷的增加。很快，房間中的每個人都只能與幾英尺內的人交談（圖
5-2）。如果你曾經參加過一個喧鬧的聚會，你就親身體驗SNR了。
事實上，這個場景說明了兩個重要影響：
遠近問題（Near-far problem）
遠近問題是指在無線通信中，在系統繁忙的時候，由於移動臺（英語：mobile station）要加大發射功率以獲得可用的服務連接，因而導致遠處移動臺失去聯繫。
小區呼吸
小區呼吸（cell breathing）是被某一移動電話發射機覆蓋的地理區域範圍的持續變化。當小區超負荷時，它的壽命會減短。用戶的通信量將會被轉到負荷較輕的地方，這種方法被稱爲負載平衡。
如果你周圍有一個或多個說話大聲的人，你就聽不到再遠一點的人的說話聲 -- 遠近問題。類似的，如果你周圍說話的人越多，干擾就越大，你能聽清別人說話的範圍就越小 -- 小區呼吸。各種各樣的無線通信都會受到這樣的限制，無論它採用的協議和技術是什麼。
調製（Modulation）
真實世界的無線性能測量
我們短暫的信號理論速成課程可以概括如下：任何無線網絡的性能，根本上受限於幾個衆所周知的參數。尤其是，帶寬和信噪比。此外，任何無線通信都有下面的特徵：
- 使用共享通信介質
- 規範使用特定的帶寬頻率範圍
- 規範使用特定的發射功率（transmit power rates）
- 受到不斷變化的背景噪聲和干擾影響
- 每一種技術都有所限制
- 受設備所限：形狀（form factor），電源，etc
所有的無線技術都有一個聲稱的最大速度。例如，802.11g標準能夠達到54 Mbit/s，802.11n標準可以達到600Mbit/s。類似的，一些移動運營商聲稱，使用LTE可以達到100+MBit/s的吞吐量。然而，談到這些數字時，最終要的部分是，強調要在理想條件下。
什麼是理想條件呢？你猜對了：最大分配帶寬，專用頻譜，最小或沒有背景噪聲，最高吞吐量的調製字母表（highest-throughput modulation alphabet）,還有更重要的多廣播流並行傳輸（多人多出技術）。毫無疑問，理想和現實總是有差距的，我們時間能達到的速度可能比這些聲稱的速率要低得多。
幾個因素會影響你的無線網絡的性能
- 接收者和發送者之間的距離
- 當地的環境噪聲
- 同一網絡中用戶之間的干擾
- 附近網絡用戶的干擾
- 收發雙方可用的發送功率
- 處理能力和所選的調製方案
也就是說，如果你想要達到最大吞吐量，那就試着移除所有你能控制的噪聲和干擾，使發送者和接收者儘可能的接近，提供不受限的電源，確保雙方都使用了最好的調製技術。如果你執意要性能，那就在兩者之間架設一條物理線路吧！無線通信的便利是由代價的。
無線網絡性能的測量是一件辣手的事情。稍微移動幾英寸，速度可能就加倍，一會可能又因爲另一個接收者激活，而停止不動了，而後可能又可以完全訪問廣播通道。無線網絡性能特別容易波動，這是它的本質。
最後，注意所有之前的討論一直專注於吞吐量。我們是有意不提延遲嗎？事實上，是這樣的，因爲無線網絡的延遲與所用的特定技術密切相關，那是後面章節的主題。
原文：http://chimera.labs.oreilly.com/books/1230000000545/ch05.html