Dlaczego Wi-Fi nie może działać z prędkością 2,4 Gbit / s?

Wi-Fi działa w paśmie 2,4 GHz, tak (i ​​nowe 5 GHz)? Co oznacza, że ​​co sekundę antena Wi-Fi wysyła 2,4 miliarda impulsów fali kwadratowej, prawda?

Zastanawiałem się więc, dlaczego nie może przesyłać danych przy każdym impulsie i być w stanie wysyłać dane z prędkością 2,4 Gbit / s? Nawet jeśli 50% z nich stanowiło kodowanie danych, to wciąż wynosiłoby 1,2 Gbit / s.

Czy mam pojęcie o tym, jak Wi-Fi działa źle ...?

Mylisz się bandz bandwidth.

• Pasmo - częstotliwość nośnej.
• Szerokość pasma - szerokość sygnału, zwykle wokół nośnej.

Zatem typowy sygnał 802.11b może działać na nośnej 2,4 GHz - w paśmie - zajmie tylko 22 MHz widma - szerokość pasma.

Przepustowość określa przepustowość łącza, a nie pasmo. Zespół najlepiej traktować jako pas ruchu. Kilka osób może przesyłać dane w tym samym czasie, ale na różnych pasach.

Niektóre pasy są większe i mogą przenosić więcej danych. Niektóre są mniejsze. Komunikacja głosowa zwykle wynosi około 12 kHz lub mniej. Nowsze standardy Wi-Fi pozwalają na przepustowość do 160 MHz.

Należy pamiętać, że chociaż przesyłane pasmo i bity są wewnętrznie powiązane, istnieje również konwersja związana z wydajnością. Najbardziej wydajne protokoły mogą przesyłać ponad dziesięć bitów na Hz szerokości pasma. Wifi a / g ma wydajność 2,7 bitów na sekundę na herc, dzięki czemu można przesyłać do 54 Mb / s przy jego paśmie 20 MHz. Nowsze standardy Wi-Fi przekraczają 5 bps na Hz.

Oznacza to, że jeśli chcesz 2 Gb / s, tak naprawdę nie potrzebujesz przepustowości 2 GHz, potrzebujesz tylko wysokiej wydajności widmowej, a dziś często daje to zastosowanie technologii MIMO oprócz bardzo wydajnej modulacji. Na przykład możesz teraz kupić router Wi-Fi 802.11ac, który zapewnia całkowitą przepustowość do 3,2 Gb / s (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

Przepustowość sygnału Wi-Fi nie przypomina 2,4 GHz - to 20 lub 40 MHz.

To, co sugerujesz (pasmo podstawowe 2,4 GHz), zużyłoby całe spektrum EM do 2,4 GHz dla jednego kanału komunikacji.

Jak widać z tego , jest już całkiem dobrze wykorzystywany do różnych innych rzeczy:

Zasadniczo nośnik 2,4 GHz jest nieco poruszony w celu wysyłania danych, co pozwala na jednoczesną transmisję wielu kanałów, jednocześnie pozostawiając wiele widma do innych zastosowań, takich jak piloty, radio AM / FM, transpondery na statkach i samolotach oraz wkrótce.

Aby sygnał Wi-Fi 2,4 GHz zapobiegał deptaniu sygnałów telefonii komórkowej 900/1800 MHz, sygnałów FM 100 MHz i całego szerokiego zakresu innych sygnałów, istnieje ścisły limit dopuszczalnej ilości sygnału różnią się od fali sinusoidalnej 2,4 GHz . To laicki sposób rozumienia „przepustowości”.

Na przykład jeden nadajnik na częstotliwości 2412 MHz i drugi na częstotliwości 2484 MHz polega na tym, że odbiornik może odfiltrować wszystkie sygnały oprócz tego, który jest zainteresowany. Robisz to, tłumiąc wszystkie częstotliwości poza pasmem, który Cię interesuje .

Teraz, jeśli weźmiesz jakikolwiek sygnał i odfiltrujesz wszystko powyżej 2422 MHz i wszystko poniżej 2402 MHz, pozostanie Ci coś, co nie może tak bardzo odbiegać od fali sinusoidalnej 2412 MHz. Właśnie tak działa filtrowanie częstotliwości.

Nieco rozszerzyłem tę odpowiedź, dodając kilka zdjęć w tej odpowiedzi .

Częstotliwość nośna używana przez Wi-Fi wynosi 2,4 GHz, ale szerokość kanału jest znacznie mniejsza niż ta. Wi-Fi może wykorzystywać kanały o szerokości 20 MHz lub 40 MHz i różne schematy modulacji w tych kanałach.

Niemodulowana fala sinusoidalna o częstotliwości 2,4 GHz zużywałaby zerową szerokość pasma, ale również przesyłałaby zerową informację. Modulowanie fali nośnej pod względem amplitudy i częstotliwości umożliwia przesyłanie danych. Im szybciej modulowana jest fala nośna, tym większa przepustowość zużywa. Jeśli modulujesz falę sinusoidalną 2,4 GHz z sygnałem 10 MHz, wynik zużyje 20 MHz szerokości pasma przy częstotliwościach od 2,39 GHz do 2,41 GHz (suma i różnica 10 MHz i 2,4 GHz).

Teraz Wi-Fi nie korzysta z modulacji AM; 802.11n obsługuje szeroki zakres różnych formatów modulacji. Wybór formatu modulacji zależy od jakości kanału - np. Stosunek sygnału do szumu. Formaty modulacji obejmują BPSK, QPSK i QAM. BPSK i QPSK to binarne i kwadraturowe kluczowanie fazowe. QAM jest modulacją kwadraturowej amplitudy. BPSK i QPSK działają poprzez przesunięcie fazy fali nośnej 2,4 GHz. Szybkość, z jaką nadajnik może zmieniać fazę nośną, jest ograniczona przepustowością kanału. Różnica między BPSK a QPSK polega na ziarnistości - BPSK ma dwa różne przesunięcia fazowe, QPSK ma cztery. Te różne przesunięcia fazowe są nazywane „symbolami”, a szerokość pasma kanału ogranicza liczbę symboli, które można przesłać na sekundę, ale nie złożoność symboli. Jeśli stosunek sygnału do szumu jest dobry (dużo sygnału, mało szumów), wtedy QPSK będzie działał lepiej niż BPSK, ponieważ przesuwa więcej bitów przy tej samej szybkości transmisji symboli. Jeśli jednak SNR jest zły, BPSK jest lepszym wyborem, ponieważ jest mniej prawdopodobne, że szum zawarty w sygnale spowoduje błąd odbiornika. Odbiornikowi trudniej jest ustalić, z jakim przesunięciem fazowym został przesłany dany symbol, gdy możliwe są 4 przesunięcia fazowe, gdy są tylko 2.

QAM rozszerza QPSK o modulację amplitudy. Rezultatem jest cały dodatkowy stopień swobody - teraz przesyłany sygnał może korzystać z szeregu przesunięć fazowych i zmian amplitudy. Jednak więcej stopni swobody oznacza, że ​​mniejszy hałas może być tolerowany. Jeśli SNR jest bardzo dobry, 802.11n może używać 16-QAM i 64-QAM. 16-QAM ma 16 różnych kombinacji amplitud i faz, podczas gdy 64-QAM ma 64. Każda kombinacja przesunięcia fazy / amplitudy nazywana jest symbolem. W BPSK przesyłany jest jeden bit na symbol. W QPSK przesyłane są 2 bity na symbol. 16-QAM pozwala na transmisję 4 bitów na symbol, a 64-QAM pozwala na 6 bitów. Szybkość przesyłania symboli jest określona przez szerokość pasma kanału; Wierzę, że 802.11n może przesyłać 13 lub 14,4 miliona symboli na sekundę. Dzięki szerokości pasma 20 MHz i 64-QAM, 802.11n może przesyłać 72 Mbit / s.

Po dodaniu MIMO do wielu równoległych strumieni i zwiększeniu szerokości kanału do 40 MHz, ogólna szybkość może wzrosnąć do 600 Mbit / s.

Jeśli chcesz zwiększyć szybkość transmisji danych, możesz zwiększyć przepustowość kanału lub SNR. FCC i specyfikacja ograniczają przepustowość i moc nadawania. Możliwe jest użycie anten kierunkowych w celu poprawy siły odbieranego sygnału, ale nie jest możliwe obniżenie poziomu szumów - jeśli potrafisz to zrobić, możesz zarobić ogromne pieniądze.

Po pierwsze, nie można po prostu odebrać sygnału i odebrać go, wykonując kilka kwadratowych fal w powietrzu. Do modulowania danych używasz fali nośnej (działającej z określoną częstotliwością). Chodzi o to, że można następnie demodulować dane za pomocą odbiornika generującego falę o tej samej częstotliwości. Modulacja zmniejsza ilość danych, które mogą wydawać się widoczne na podstawie surowej częstotliwości fali nośnej, ale bez pewnego rodzaju fali nośnej nie można odzyskać danych, ponieważ nie będzie można odróżnić danych od szumu losowego. Należy zauważyć, że szerokość pasma tego sygnału nośnego określa rzeczywistą prędkość. Szerokość pasma to stopień, w jakim technika (techniki) modulacji zmieniają rzeczywistą częstotliwość od czystej częstotliwości nośnej. Chociaż nawet przy założeniu idealnego stosunku 1: 1 (co nie jest prawdą, jak omówiono powyżej), musisz wziąć pod uwagę narzut protokołu bezprzewodowego niskiego poziomu, który zmniejsza użyteczną prędkość. Po drugie, masz narzut protokołu wyższego poziomu (zwykle stos TCP / IP), który sam ma narzut, zmniejszając w ten sposób użyteczną prędkość ... Następnie masz możliwe retransmisje danych, które zostały uszkodzone w transmisji (znowu zwykle obsługiwane przez protokoły wyższego poziomu), co jeszcze bardziej zmniejsza przepustowość danych. Istnieje wiele innych powodów, dlaczego nawet biorąc pod uwagę rzeczywistą teoretyczną przepustowość danych, rzeczywista przepustowość danych może być mniejsza. Następnie masz możliwe retransmisje danych, które zostały uszkodzone w transmisji (ponownie, zwykle obsługiwane przez protokoły wyższego poziomu), co jeszcze bardziej zmniejsza przepustowość danych. Istnieje wiele innych powodów, dlaczego nawet biorąc pod uwagę rzeczywistą teoretyczną przepustowość danych, rzeczywista przepustowość danych może być mniejsza. Następnie masz możliwe retransmisje danych, które zostały uszkodzone w transmisji (ponownie, zwykle obsługiwane przez protokoły wyższego poziomu), co jeszcze bardziej zmniejsza przepustowość danych. Istnieje wiele innych powodów, dlaczego nawet biorąc pod uwagę rzeczywistą teoretyczną przepustowość danych, rzeczywista przepustowość danych może być mniejsza.

To naprawdę bardzo skomplikowany temat. Jednak, aby dać ci jedną prostą odpowiedź, to dlatego, że FCC ma zasady regulujące przepustowość i moc nadajnika, które można wykorzystać do komunikacji Wi-Fi. Wynika to z faktu, że wiele innych osób próbuje wykorzystać widmo EM do różnych rodzajów komunikacji bezprzewodowej (np. Telefony komórkowe, Wi-Fi, bluetooth, radio am / fm, telewizja itp.). W rzeczywistości częstotliwość nośna (2,4 GHz) ma bardzo niewiele wspólnego z przepustowością komunikacji (lub z szybkością danych, którą można osiągnąć, jeśli o to chodzi).

Jak wspomniano wcześniej, masz mylące pasmo i przepustowość; żadna z odpowiedzi nie daje jednak intuicyjnego wyjaśnienia.

Intuicyjne wyjaśnienie można wykonać przy użyciu zestawu głośników. Wysoki i niski sygnał dźwiękowy wskazują 1 i 0. Dane są przenoszone przez naprzemienne emitowanie sygnałów wysokich i niskich. Częstotliwość samych dźwięków ma niewiele (patrz niżej), jak szybko zmieniasz wysokie i niskie dźwięki.

Fale Wi-Fi przypominają fale dźwiękowe. Oni są przewoźnikami fale : odbierają sygnał fali blokowej i przekształcają go w fale o wysokiej i niskiej częstotliwości. Jedyna różnica polega na tym, że fale o wysokiej i niskiej częstotliwości są bardzo blisko siebie i skupione wokół 2,4 GHz.

Teraz dla części, w której chcesz górny limit. Biorąc nasz system „beep”: oczywiście nie możesz zmienić częstotliwości tonu ( pasma ) swoich dźwięków dziesięć razy podczas jednej fali dźwiękowej. Zatem istnieje dolny limit, kiedy częstotliwość zmian częstotliwości staje się słyszalna jako wyraźne sygnały dźwiękowe, a kiedy jest to po prostu dziwny zniekształcony sygnał dźwiękowy. Szybkość, z jaką można zmienić częstotliwość, nazywa się przepustowością ; im niższa szerokość pasma, tym lepiej słyszalne są wyraźne sygnały dźwiękowe (stąd mniejsza prędkość łącza, gdy odbiór jest zły).

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ wydajność w jednostkach bitów / sek. Tutaj pojemność oznacza, że ​​jeśli pożądana szybkość informacji dla danej W jest mniejsza niż C, wówczas pojawi się kod korygujący błędy o wystarczającej złożoności, z którym można skutecznie osiągnąć transfer informacji o zerowym prawdopodobieństwie błędu przy danym SNR. Nie ma to nic wspólnego z częstotliwością nośną i tylko pośrednio jest związane z przepisami FCC. FCC określa, ile mocy może być przesyłane na jakiej szerokości pasma, projektanci decydują o złożoności i technologii systemu przesyłowego, a użytkownik kończy z maksymalną szybkością informacji, ponieważ SNR będzie zależeć od pożądanej odległości, mocy i przepustowości FCC pozwala. Ponad siecią PSTN, w której system jest raczej statyczny, istnieje format modulacji, który wykorzystuje 1024 kształty fali o nominalnej szerokości pasma 4 kHz, co skutkuje teoretyczną szybkością informacyjną 40 kbit / s! Jeśli uda się osiągnąć tę złożoność w kanale mobilnym, można uzyskać ~ 10x20 = 200 Mb / s przy wystarczająco wysokim współczynniku SNR, nacisk zostanie położony na wystarczająco duży! Im wyższa częstotliwość nośna, tym większe są straty propagacji, ale łatwiej jest sprawić, aby obwody RF działały na wystarczająco wysokiej, ale z góry określonej szerokości pasma.

Chociaż istnieją różnice w dokładnym sposobie implementacji rzeczy, komunikacja radiowa zasadniczo obejmuje przejęcie sygnału o niskiej częstotliwości, który zawiera informacje do przesłania, i zastosowanie techniki zwanej modulacją do wyższego zakresu częstotliwości. Być może najłatwiej jest myśleć w kategoriach „czarnej skrzynki”, która przy dwóch sygnałach zawierających różne kombinacje częstotliwości będzie - dla każdej kombinacji sygnałów obecnych w oryginale, suma i różnica częstotliwości, proporcjonalnie do iloczynu mocne sygnały w oryginale. Jeśli ktoś poda sygnał audio zawierający częstotliwości w zakresie 0-10 KHz wraz z falą sinusoidalną 720 000 Hz [nośnik używany przez WGN-720 Chicago], otrzyma z pudełka sygnał zawierający jedynie częstotliwości w zakresie 710 000 Hz do 730 000 Hz. Jeżeli odbiornik podaje ten sygnał do podobnego urządzenia, wraz z własną falą sinusoidalną 720 000 Hz, odbierze z niego sygnały w zakresie 0-10 kHz, wraz z sygnałami w zakresie od 1430 000 Hz do 1 450 000 Hz. Sygnały w zakresie 0-10 Khz będą pasować do oryginałów; te w zakresie od 1430 000 Hz do 1 450 000 Hz można zignorować.

Jeśli oprócz WGN nadawana jest inna stacja (np. WBBM-780), wówczas sygnały w zakresie od 770 000 Hz do 790 000 Hz nadawane przez tę ostatnią zostaną przetworzone przez odbiornik na sygnały w zakresie od 50 000 Hz do 70 000 Hz (jako oraz od 1490 000 Hz do 1 510 000 Hz). Ponieważ odbiornik radiowy został zaprojektowany przy założeniu, że żaden interesujący dźwięk nie będzie obejmował częstotliwości powyżej 10 000 Hz, może zignorować wszystkie wyższe częstotliwości.

Mimo że dane WiFi są konwertowane na częstotliwości zbliżone do 2,4 GHz przed transmisją, „rzeczywiste” częstotliwości będące przedmiotem zainteresowania są znacznie niższe. Aby uniknąć zakłócania transmisji Wi-Fi w innych transmisjach, transmisje Wi-Fi muszą znajdować się wystarczająco daleko od częstotliwości wykorzystywanych przez te inne transmisje, aby wszelkie odbierane przez nie niepożądane częstotliwości były wystarczająco różne od tego, czego szukają, że „ Odrzucę to.

Zauważ, że podejście miksera „czarnej skrzynki” do projektowania radia jest trochę uproszczeniem; chociaż teoretycznie byłoby możliwe, aby odbiornik radiowy używał obwodu łączącego częstotliwości na niefiltrowanym sygnale, a następnie filtrował dolnoprzepustowy sygnał wyjściowy, generalnie konieczne jest stosowanie wielu etapów filtrowania i wzmacniania. Ponadto, z różnych powodów, odbiorcom radiowym często łatwiej jest miksować przychodzący sygnał nie z rzeczywistą interesującą częstotliwością nośną, ale raczej z regulowaną częstotliwością, która jest wyższa lub niższa o określoną wartość (termin „* hetero * dyna” odnosi się do użycie „innej” częstotliwości), odfiltruj otrzymany sygnał, a następnie przekonwertuj ten filtrowany sygnał na pożądaną częstotliwość końcową. Nadal,

Prosta odpowiedź jest taka, że można to zrobić. Możesz „modulować” dowolną nośną za pomocą dowolnego sygnału.

Zakładając, że można to zrobić, pytanie brzmi, jak przydatne byłoby to? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zrozumieć, co się dzieje, gdy moduluje się przewoźnika. Weźmy nośnik pracujący z częstotliwością 1 MHz (1000 kHz) i modulujemy go sygnałem, który zmienia się od 0 do 100 kHz. „Miksowanie” sygnałów generuje sygnały w zakresie od 900 do 1100 kHz. Podobnie, jeśli użyjemy od 0 do 1000 KHz, zakres generowanych sygnałówteraz staje się od 0 do 2000 KHz. Gdybyśmy teraz zastosowali te sygnały do ​​anteny, przekazalibyśmy sygnały w zakresie od 0 do 2000 KHz. Gdyby dwie lub więcej „pobliskich” osób postąpiło tak samo, sygnały zakłócałyby się nawzajem, a odbiorniki nie byłyby w stanie wykryć żadnych informacji. Jeśli ograniczymy moc do anteny, dwie lub więcej osób może „działać” z niewielkimi zakłóceniami, jeśli są wystarczająco oddzielone.

Chociaż teoretycznie jeden nadajnik może działać z wykorzystaniem całego spektrum EM, jest to niepraktyczne, ponieważ inni ludzie też chcą z niego korzystać, i podobnie jak w innych sytuacjach, w których zasób jest ograniczony, a popyt przewyższa podaż, zasób musi zostać „odcięty” w górę ”, udostępniane, ograniczone i kontrolowane.