Chapter 5. Introduction to Wireless Networks
无处不在的连接（Ubiquitous Connectivity）
过去十年一个最具革命性的技术是无处不在的连接的可用性和不断增长的期望。无论你是收发电子邮件，还是进行语音会话，网页浏览，等等，现在，我们都期望能够随时随地访问这些在线服务：跑步时，排队时，在办公室，在地铁上，飞机上，以及其它任何地方。今天，我们仍然经常需要主动寻找连接（e.g.,
寻找附件的WiFi热点），但毫无疑问，将来连接肯定会无处不在，那时将可以再任何地方访问互联网。
寻找附件的WiFi热点），但毫无疑问，将来连接肯定会无处不在，那时将可以再任何地方访问互联网。
无限网络正处于这一趋势的中心。广意而言，无限网络指任何没有电缆连接的网络，正是这满足了我们想要的方便性和移动性。有各种千差万别的使用场景和众多不同的应用，我们自然会想到应该有很多不同的无限技术来满足这些需求，每一种有自己的性能特征，并针对一类特定的任务和上下文做优化。如今，我们广泛使用的无限技术有多达10几种：WiFi, Bluetooth,
ZigBee, NFC, WiMAX, LTE, HSPA, EV-DO, earlier 3G standards, satellite services，等等。
ZigBee, NFC, WiMAX, LTE, HSPA, EV-DO, earlier 3G standards, satellite services，等等。
因此，考虑到这种多样性，对无线网络的性能一概而论是不明智的。所幸的是大多数的无线技术有共同的运作原则，共同的权衡，并具有共同性能标准和限制因素。一旦我们认识和理解了这些无线网络性能的基本原则，其它很多东西就会昭然若揭。
通过无线电波通信发送数据与通过线缆发送数据的机制有根本的不同，但对用户来说，体验的结果应该一样 -- 相同的性能，同样的结果。长远来看，所有的应用都脱离不了网络。有的应用会更多的通过无线网络使用。不过，没有所谓的无线应用，我们也不需要这种区分。
所有的应用，无论下面的网络如何，都应该运行良好。用户不应该关心底层使用的网络，但作为开发者，我们必须考虑到各种不同网络之间的差别，并据此设计我们的应用程序。好在我们针对无线网络所做的优化在所有场景下都会带来更好的体验。就让我们一探究竟吧。
无线网络类型
彼此连接的一组设备构成了一个网络。在无线网络中，无线通信，通常是一个媒介选择。然而，即便是在无线驱动子集内部（radio-powered subset），也有许多不同的技术，它们是针对不同的规模、拓扑结构、和相当不同的使用场景设计的。说明这种不同的一种方式是基于它们的“地理范围”做一个划分：
上述这个划分不完全也不准确。有的技术和标准，最初只针对特定的应用，比如用于PAN应用和替代线缆的Bluetooth，随着时间推移，它也不断进化，功能更多，传输距离更远，速度也更快。事实上，最新的Bluetooth草案，提供了与802.11（WiFi）的无缝操作性。类似的，其它技术，比如WiMAX技术，最初是一种固定无线网解决访问，但随着时间推移，具备了额外的流动性能力，使得它们成为了其它WAN和蜂窝技术的备选方案。
分类的目的不是为了把每一种技术分门别类，而是为了强调每一用例的高级别差异。有的设备有持续不断的电源；有的必须想方设法优化电池寿命。有的要求Gbit/s+的速率；另外一些用于传输几十到几百字节的数据（eg, NFC）。一些应用要求永远在线，有的则能够忍受延迟和偶尔的离线。这些差别与许多其它的准则决定了每一种网络的初始特征。然而，一旦实现，每一个标准会持续改善：更大的电池容量、更快的处理器、更先进的调制算法，其它进步不断扩展使用场景和每个无线标准的性能。
你的下一个应用可能通过移动网络分发，可能依赖NFC进行支付，通过WebRTC和Bluetooth进行P2P通信，通过WiFi看高清视频。这不是一个选择问题，或是在打赌，它只是一个无线标准。
无线网络性能基础
每一类型的无线技术都有它自己的一套限制因素和局限性。然而，抛开使用的特定的无线技术，所有的通信方法都有一个最大通道容量，而且是由同样的原则决定的。事实上，Claud E. Shannon给了我们一个确切的计算通道容量的数学模型（等式 5-1），它与具体的网络技术无关：
- c是信道容量，单位bits/s
- BW是可用带宽，单位赫兹
- S是信号，N是噪声，单位瓦
虽然有点简单，但这个公式包含了我们理解大部分网络性能所需的知识。不管名称是什么、缩写是什么、规范的修订版本是多少，有一点是相同的，两个限制数据速率的基本因素都是可用带宽以及发送者和接收者之间的信号功率。
带宽
在有线网络中，每一个节点都可以由一条专用的线连接，无线通信与此不同，它本质上使用共享介质：无线电波，或者你喜欢的话，也可以叫电磁辐射。通信双方必须首先对通信使用的频率访问达成协议。明确的频率范围使设备之间能够无缝互通。例如，802.11b和802.11g这两个标准规定所有的WiFi设备使用2.4 - 2.5GHz频带。
谁来确定和分配频率范围呢？简言之，当地政府（图5-1）。在美国，是由联邦通信委员会管理（FCC）。事实上，由于政府法规不同，有的网络技术只在部分国家或地区使用。不同的国家可能为同一种无线技术分配不同的频谱范围。
抛开政治不谈，除为了互操作性使用共同的频带之外，最重要的性能因素是分配的频率范围大小。香农的模型表明，总的通道比特率直接与分配的范围成正比。因此，其它条件相等，可用频率范围加倍则数据率也加倍 -- 例如，把从带宽从20 MHz提升到 40 MHz，能够使数据速率变为原来的两倍，802.11n正是通过这种方式在早期的WiFi标准基础之上改进性能的方式。
最后，值得一提的是，并不是频率范围相同就会提供相同的性能。低频信号可以传输的更远，可以覆盖更大的范围（Macrocells），但它需要巨大的天线，而且服务量有限。另一方面高频数据可以传输更多数据，但是不能传递太远，只能覆盖一个小的区域（Microcells），而且需要更多的基础设施。
对于某些应用而言，特定频段比其它频段更有价值。广播应用非常适合使用低频段。另一方面，对双向通信而言，使用小cells可以获得更多好处，更高的带宽，更少的冲突。
信号功率（Signal Power）
除了带宽，所有无线通信中第二个基本限制因素是发送者和接收者之间的信号功率。也称为信噪比，S/N ratio，SNR。背景噪声越多，信号功率就得越大。
就其本质而言，所有无线通信都是通过共享介质完成，这意味着其它设备可能产生不想要的干扰。例如一个工作在2.5GHz的微波炉，可能与WiFi的频率范围重叠，产生跨标准干扰。此外，其它WiFi设备，比如你附近的WiFi热点，甚至与你访问同以网络的同事的笔记本，都会对你的传输产生干扰。
在理想情况下，你可能是唯一使用特定频率范围的用户，而且没有其它背景噪声和干扰。很不幸，这是不可能的。首先，带宽是稀缺的，其次，有太多的无线设备在工作。为了在干扰存在的情况下获得理想的数据率，我们一方面可以增加发送功率，以增加信号强度，另一方面缩短传输者和发送者之间的距离。
路径损耗（Path loss），或者path attenuation，信号强度随着传输距离的增长而衰减 -- 具体的衰减了取决于环境。关于这一主题的讨论超出了本书访问，不过你可以请教搜索引擎。
为了说明信号，噪声，传输功率，距离之间的关系，想象你正在一个小房间，与20码之处的某个人交谈。如果旁边没有人，你可以与正常音量来对话。然而，现在房间里多了几个人，比如在一个喧闹的party上，每个人都在交谈。突然，你没法听到对方说什么了！当然，你可能开始大声说话，但同时也给你周围的人增加了“噪音”。接着，他们同样不得不提高音量，噪音和干扰不断的增加。很快，房间中的每个人都只能与几英尺内的人交谈（图
5-2）。如果你曾经参加过一个喧闹的聚会，你就亲身体验SNR了。
5-2）。如果你曾经参加过一个喧闹的聚会，你就亲身体验SNR了。
事实上，这个场景说明了两个重要影响：
远近问题（Near-far problem）
远近问题是指在无线通信中，在系统繁忙的时候，由于移动台（英语：mobile station）要加大发射功率以获得可用的服务连接，因而导致远处移动台失去联系。
小区呼吸
小区呼吸（cell breathing）是被某一移动电话发射机覆盖的地理区域范围的持续变化。当小区超负荷时，它的寿命会减短。用户的通信量将会被转到负荷较轻的地方，这种方法被称为负载平衡。
如果你周围有一个或多个说话大声的人，你就听不到再远一点的人的说话声 -- 远近问题。类似的，如果你周围说话的人越多，干扰就越大，你能听清别人说话的范围就越小 -- 小区呼吸。各种各样的无线通信都会受到这样的限制，无论它采用的协议和技术是什么。
调制（Modulation）
真实世界的无线性能测量
我们短暂的信号理论速成课程可以概括如下：任何无线网络的性能，根本上受限于几个众所周知的参数。尤其是，带宽和信噪比。此外，任何无线通信都有下面的特征：
- 使用共享通信介质
- 规范使用特定的带宽频率范围
- 规范使用特定的发射功率（transmit power rates）
- 受到不断变化的背景噪声和干扰影响
- 每一种技术都有所限制
- 受设备所限：形状（form factor），电源，etc
所有的无线技术都有一个声称的最大速度。例如，802.11g标准能够达到54 Mbit/s，802.11n标准可以达到600Mbit/s。类似的，一些移动运营商声称，使用LTE可以达到100+MBit/s的吞吐量。然而，谈到这些数字时，最终要的部分是，强调要在理想条件下。
什么是理想条件呢？你猜对了：最大分配带宽，专用频谱，最小或没有背景噪声，最高吞吐量的调制字母表（highest-throughput modulation alphabet）,还有更重要的多广播流并行传输（多人多出技术）。毫无疑问，理想和现实总是有差距的，我们时间能达到的速度可能比这些声称的速率要低得多。
几个因素会影响你的无线网络的性能
- 接收者和发送者之间的距离
- 当地的环境噪声
- 同一网络中用户之间的干扰
- 附近网络用户的干扰
- 收发双方可用的发送功率
- 处理能力和所选的调制方案
也就是说，如果你想要达到最大吞吐量，那就试着移除所有你能控制的噪声和干扰，使发送者和接收者尽可能的接近，提供不受限的电源，确保双方都使用了最好的调制技术。如果你执意要性能，那就在两者之间架设一条物理线路吧！无线通信的便利是由代价的。
无线网络性能的测量是一件辣手的事情。稍微移动几英寸，速度可能就加倍，一会可能又因为另一个接收者激活，而停止不动了，而后可能又可以完全访问广播通道。无线网络性能特别容易波动，这是它的本质。
最后，注意所有之前的讨论一直专注于吞吐量。我们是有意不提延迟吗？事实上，是这样的，因为无线网络的延迟与所用的特定技术密切相关，那是后面章节的主题。
原文：http://chimera.labs.oreilly.com/books/1230000000545/ch05.html