Чому Wi-Fi не може працювати при 2,4 Гбіт / с?

Отже, Wi-Fi працює в діапазоні 2,4 ГГц, так (а нові 5 ГГц)? Що означає, що щосекундна антена Wi-Fi виводить 2,4 мільярди квадратних хвиль імпульсів, правда?

Тож мені було цікаво, чому він не може передавати дані на кожному імпульсі, і не в змозі надсилати дані при швидкості 2,4 Гбіт / с? Навіть якби 50% цього було кодуванням даних, воно все одно складе 1,2 Гбіт / с.

Або я зрозумів, як Wi-Fi працює неправильно ...?

Ви плутаєте bandз bandwidth.

• Діапазон - частота носія.
• Ширина смуги - ширина сигналу, зазвичай навколо носія.

Отже, типовий сигнал 802.11b може працювати на несучій частоті 2,4 ГГц - смузі - він буде займати лише 22 МГц спектру - пропускну здатність.

Саме пропускна здатність визначає пропускну здатність зв'язку, а не смугу. Групу найкраще розглядати як смугу руху. Кілька людей можуть передавати дані одночасно, але в різних смугах.

Деякі смуги є більшими і можуть переносити більше даних. Деякі менші. Голосовий зв’язок зазвичай становить приблизно 12 кГц або менше. Новіші стандарти Wi-Fi дозволяють пропускну здатність до 160 МГц.

Майте на увазі, що хоча смуга пропускання та біти, що надсилаються, нерозривно пов'язані, перетворення там також є, це пов'язано з ефективністю. Найбільш ефективні протоколи можуть передавати більше десяти біт на Гц пропускної здатності. Wifi a / g має ефективність 2,7 біт на секунду на герц, тому ви можете передавати до 54 Мбіт / с через пропускну здатність 20 МГц. Новіші стандарти Wi-Fi перевищують 5 біт / с за Гц.

Це означає, що якщо ви хочете 2 Гбіт в секунду, вам насправді не потрібна смуга пропускання 2 ГГц, вам просто потрібна висока спектральна ефективність, і сьогодні це часто дається за допомогою технології MIMO, крім дуже ефективної модуляції. Наприклад, зараз ви можете придбати wifi-маршрутизатор 802.11ac, який забезпечує пропускну здатність до 3,2 Гбіт / с (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

Пропускна здатність сигналу Wifi - це не що інше, як 2,4 ГГц - це 20 або 40 МГц.

Те, що ви пропонуєте (базовий діапазон 2,4 ГГц), використовувало б весь спектр ЕМ до 2,4 ГГц для одного каналу зв'язку.

Як видно з цього , він уже досить добре використовується для різних інших речей:

По суті, носій 2,4 ГГц коливається трохи для надсилання даних, і це дозволяє одночасно передавати багато каналів, залишаючи при цьому достатньо спектру для інших застосувань, таких як пульт дистанційного керування, радіо AM / FM, транспондери на кораблях і літаках, і так далі.

Для того щоб сигнал Wi-Fi 2,4 ГГц уникнув топтання сигналів мобільного телефону 900/1800 МГц, FM-сигналів 100 МГц та цілого ряду інших сигналів, існує жорстке обмеження щодо кількості сигналу, дозволеного відрізняються від синусоїди 2,4 ГГц . Це непростої спосіб розуміння "пропускної здатності".

Наприклад, один передавач на 2412 МГц і інший на 2484 МГц, наприклад, у тому, що приймач може фільтрувати всі сигнали, окрім того, що його цікавить. Ви робите це, пригнічуючи всі частоти поза діапазону, який вас цікавить. .

Тепер, якщо ви приймаєте будь-який сигнал і фільтруєте все вище 2422 МГц і все нижче 2402 МГц, вам залишається щось, що не може відхилити все так сильно від синусоїди 2412 МГц. Ось так працює частотна фільтрація.

Я дещо розширив цю відповідь, додавши у цю відповідь кілька зображень .

Несуча частота, яка використовується Wi-Fi, становить 2,4 ГГц, але ширина каналу набагато менша за цю. Wi-Fi може використовувати канали шириною 20 МГц або 40 МГц і різні схеми модуляції в межах цих каналів.

Немодульована синусоїда на частоті 2,4 ГГц споживала б нульову пропускну здатність, але також передала б нульову інформацію. Модулювання несучої хвилі за амплітудою та частотою дозволяє передавати дані. Чим швидше модулюється хвиля несучої, тим більше пропускної здатності вона буде споживати. Якщо ви модулюєте АМ синусоїду 2,4 ГГц із сигналом 10 МГц, то результат споживає 20 МГц смуги пропускання з частотами від 2,39 ГГ до 2,41 ГГц (сума та різниця 10 МГц та 2,4 ГГц).

Тепер Wi-Fi не використовує модуляцію AM; 802.11n фактично підтримує широкий спектр різних форматів модуляції. Вибір формату модуляції залежить від якості каналу - наприклад, співвідношення сигнал / шум. Формати модуляції включають BPSK, QPSK та QAM. BPSK і QPSK - це двійкове та квадратурне фазове зміщення фаз. QAM - квадратурна амплітудна модуляція. BPSK і QPSK працюють, зміщуючи фазу несучої хвилі 2,4 ГГц. Швидкість, з якою передавач може змінювати несучу фазу, обмежена пропускною здатністю каналу. Різниця між BPSK і QPSK полягає в деталізації - BPSK має два різних фазових зрушення, QPSK - чотири. Ці різні фазові зрушення називаються "символами", і пропускна здатність каналу обмежує кількість символів, що можуть передаватися в секунду, але не складність символів. Якщо співвідношення сигнал / шум добре (багато сигналу, мало шуму), то QPSK працюватиме краще, ніж BPSK, оскільки він рухає більше бітів при однаковій швидкості символу. Однак якщо SNR поганий, то BPSK є кращим вибором, оскільки менша ймовірність того, що шум, включений до сигналу, спричинить помилку приймача. Одержувачу важче зрозуміти, з яким фазовим зрушенням передається той чи інший символ, коли є 4 можливих фазових зрушення, ніж коли їх є лише 2.

QAM розширює QPSK, додаючи амплітудну модуляцію. Результатом є цілий додатковий ступінь свободи - тепер переданий сигнал може використовувати діапазон фазових зрушень та змін амплітуди. Однак більша ступінь свободи означає, що можна допустити менше шуму. Якщо SNR дуже хороший, 802.11n може використовувати 16-QAM і 64-QAM. 16-QAM має 16 різних комбінацій амплітуди та фаз, тоді як 64-QAM має 64. Кожна комбінація зсуву фаз / амплітуд називається символом. У BPSK передається один біт на символ. У QPSK передається 2 біта на символ. 16-QAM дозволяє передавати 4 біти на символ, тоді як 64-QAM дозволяє передавати 6 біт. Швидкість, з якою символи можуть передаватися, визначається пропускною здатністю каналу; Я вважаю, що 802.11n може передавати 13 або 14.4 мільйонів символів за секунду. Завдяки пропускній здатності 20 МГц і 64-QAM 802.11n може передавати 72 Мбіт / с.

Якщо додати MIMO поверх цього для декількох паралельних потоків і збільшити ширину каналу до 40 МГц, то загальна швидкість може зрости до 600 Мбіт / с.

Якщо ви хочете збільшити швидкість передачі даних, ви можете збільшити або пропускну здатність каналу, або SNR. FCC та специфікація обмежують пропускну здатність і потужність передачі. Можна використовувати спрямовані антени для поліпшення сили сигналу прийому, але знизити рівень шуму неможливо - якщо ви зможете розібратися, як це зробити, ви могли б заробити багато грошей.

По-перше, ви не можете просто прийняти сигнал і отримати його, виконавши купу повітряних хвиль. Ви використовуєте несучу хвилю (працюючу з певною частотою) для модулювання даних. Ідея полягає в тому, що потім можна демодулювати дані за допомогою приймача, що генерує хвилю з однаковою частотою. Модуляція зменшує кількість даних, які можуть здаватися невидимими частотою хвилі несучої, але без якоїсь несучої хвилі ви не можете відновити дані, оскільки ви не зможете відрізнити дані від випадкового шуму. Слід зазначити, що пропускна здатність цього сигналу несучої - це те, що визначає фактичну швидкість. Ширина смуги пропускання - це наскільки методи (и) модуляції змінюють фактичну частоту від чистої несучої частоти. Хоча навіть припускаючи ідеальне співвідношення 1: 1 (що не відповідає дійсності, як обговорювалося вище), ви повинні врахувати накладні витрати бездротового протоколу низького рівня, що знижує корисну швидкість. По-друге, у вас є накладні витрати протоколу вищого рівня (як правило, стек TCP / IP), який сам має накладні витрати, тим самим знижуючи корисну швидкість ... Потім у вас можливі повторні передачі даних, які були пошкоджені в передачі (знову ж таки, як правило, обробляються протоколами вищого рівня), що ще більше зменшує пропускну здатність даних. Існують ці та багато інших причин, чому навіть з огляду на фактичну теоретичну пропускну здатність даних фактична пропускна здатність даних може бути меншою. Потім у вас можливі повторні передачі даних, які були пошкоджені в передачі (знову ж таки, як правило, обробляються протоколами вищого рівня), що ще більше зменшує пропускну здатність даних. Існують ці та багато інших причин, чому навіть з огляду на фактичну теоретичну пропускну здатність даних фактична пропускна здатність даних може бути меншою. Потім у вас можливі повторні передачі даних, які були пошкоджені в передачі (знову ж таки, як правило, обробляються протоколами вищого рівня), що ще більше зменшує пропускну здатність даних. Існують ці та багато інших причин, чому навіть з огляду на фактичну теоретичну пропускну здатність даних фактична пропускна здатність даних може бути меншою.

Це справді дуже складна тема. Однак, щоб дати вам одну просту відповідь, це тому, що FCC має правила, які регулюють пропускну здатність і потужність передавача, які можна використовувати для зв'язку через Wi-Fi. Це тому, що є багато інших людей, які намагаються використовувати спектр ЕМ для різних типів бездротового зв'язку (наприклад, стільникові телефони, wifi, bluetooth, радіо am / fm, телебачення тощо). Насправді несуча частота (2,4 ГГц) має дуже мало спільного з пропускною здатністю зв'язку (або швидкістю передачі даних, яка може бути досягнута в цьому питанні).

Як згадувалося раніше, ви плутаєте діапазон і пропускну здатність; проте жодна з відповідей не дає інтуїтивного пояснення.

Інтуїтивне пояснення можна зробити за допомогою набору динаміків. У вас високий і низький звуковий сигнал, що вказує на 1 і 0. Ви транспортуєте дані, чергуючи високий і низький звукові сигнали. Частота самих тонів мала (див. Нижче), що стосується того, як швидко ви чергуєте високі та низькі звукові сигнали.

Wi-fi хвилі схожі на звукові хвилі. Вони є несучими хвилями: вони приймають сигнал вашої блокової хвилі і перетворюють його на високо- і низькочастотні хвилі. Єдина відмінність полягає в тому, що хвилі високої та низької частоти дуже близькі між собою і зосереджені навколо 2,4 ГГц.

Тепер для тієї частини, де ви хочете верхню межу. Беручи нашу систему «звукового сигналу»: ви, звичайно, не можете змінювати частоту тону ( смугу ) звукових сигналів десять разів під час однієї звукової хвилі. Отже, існує нижня межа, коли швидкість зміни частоти стає чутною як виразний звуковий сигнал, а коли це просто дивний спотворений звуковий сигнал. Швидкість, з якою можна змінювати частоту, називається пропускною здатністю ; чим менша пропускна здатність, тим краще звукові звукові сигнали виразні (отже, нижча швидкість зв'язку, коли прийом поганий).

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ ємність в одиницях біт / с. Тут ємність означає, що якщо бажана швидкість інформації над заданим W менше C, то буде код, що виправляє помилку достатньої складності, за допомогою якого можна ефективно досягти нульової помилки ймовірності передачі інформації в заданому SNR. Це не має нічого спільного з частотою несучої та лише опосередковано пов'язане з правилами FCC. FCC визначає, яка потужність може передаватися через яку пропускну здатність, дизайнери вирішують складність та технологію системи передачі, і ви користувач закінчуєте з максимальною швидкістю інформації, оскільки SNR буде залежати від потрібної відстані, потужності та пропускної здатності FCC дозволяє. Над PSTN, де система є досить статичною, існує формат модуляції, який використовує 1024 форми хвиль у номінальній смузі частот 4 кГц, отримана теоретична швидкість інформації 40 кбіт / сек! Якби можна було досягти цієї складності по мобільному каналу, можна було мати ~ 10x20 = 200 Мбіт / сек при досить високому SNR, акцент робиться на достатньо високому! Чим вище несуча частота, тим вище втрати на поширення, але тим простіше змусити радіочастотні схеми працювати над досить високою, але апріорі заданою пропускною здатністю.

Незважаючи на те, що існують різні способи реалізації способу, радіозв'язок, як правило, передбачає прийняття низькочастотного сигналу, який містить інформацію, що передається, та використання методики, що називається модуляцією, до більш високого діапазону частот. Це, мабуть, найпростіше думати з точки зору "чорної скриньки", яка з урахуванням двох сигналів, що містять різні комбінації частот, - для кожної комбінації сигналів, наявних в оригіналі, суми та різниці частот, пропорційно добутку сильні сторони сигналів в оригіналі. Якщо один подає аудіосигнал, що містить частоти в діапазоні 0-10 кГц разом із синусоїдою 720 000 Гц [носієм, який використовується WGN-720 Чикаго], з поля вийде сигнал, що містить лише частоти в діапазоні від 710 000 ГГц до 730 000 ГГц. Якщо приймач подає цей сигнал у аналогічне вікно разом із власною синусоєю 720 000 Гц, він отримуватиме з цього сигналу коробки в діапазоні 0-10 кГц разом із сигналами в діапазоні від 1,430 000 Гц до 1450 000 ГГц. Сигнали в 0-10 кГц будуть відповідати оригіналам; ті, що знаходяться в діапазоні від 1430 000 Гц до 1450 000 Гц, можуть бути ігноровані.

Якщо на додаток до WGN транслюється інша станція (наприклад, WBBM-780), то сигнали в діапазоні від 770 000 Гц до 790 000 ГГц, що передаються останнім, будуть перетворені приймачем в сигнали в діапазоні від 50 000 Гц до 70 000 ГГц (як а також від 1490 000 Гц до 1,510 000 ГГц). Оскільки радіоприймач розроблений за припущенням, що жоден цікавий аудіо не буде залучати частоти понад 10 000 ГГц, він може ігнорувати всі більш високі частоти.

Навіть незважаючи на те, що дані WiFi перетворюються на частоти близько 2,4 ГГц до передачі, "справжні" частоти, що цікавлять, значно нижчі. Щоб уникнути того, щоб передачі Wi-Fi перешкоджали іншим трансляціям, передачі Wi-Fi повинні залишатися досить далеко від частот, які використовуються тими іншими передачами, щоб будь-який небажаний частотний вміст, який вони отримують, був би досить відмінним від того, що вони шукають, щоб вони ' відкину.

Зауважте, що підхід мікшера "чорного ящика" до дизайну радіо - це трохи спрощення; хоча теоретично можливо, щоб радіоприймач використовував схему, що поєднує частоту, на нефільтрований сигнал, а потім низькочастотний фільтр на виході, як правило, необхідно використовувати кілька етапів фільтрації та посилення. Крім того, з різних причин радіоприймачам часто простіше змішувати вхідний сигнал не з фактичною цікавою несучою частотою, а скоріше з регульованою частотою, яка вище або нижча на певну кількість (термін "* гетеро * дін" відноситься до використання "різної" частоти), фільтрують отриманий сигнал, а потім перетворюють цей відфільтрований сигнал на потрібну кінцеву частоту. Все-таки,

Проста відповідь - це можна зробити. Ви можете "модулювати будь-якого" оператора будь-яким сигналом, який хочете.

Якщо припустити, що це дозволено робити, питання полягає в тому, наскільки це було б корисно? Щоб відповісти на це запитання, ми повинні зрозуміти, що відбувається, коли один модулює оператор. Візьмемо носій, що працює на частоті 1 МГц (1000 КГц), і модулюємо його сигналом, який коливається від 0 до 100 КГц. "Змішування" сигналів генерує сигнали в діапазоні від 900 до 1100 КГц. Аналогічно, якщо ми використовуємо 0-1000 КГц, діапазон генеруваних сигналівтепер стає від 0 до 2000 КГц. Якщо ми зараз застосуємо ці сигнали до антени, ми б передавали сигнали в діапазоні від 0 до 2000 КГц. Якби дві або більше осіб, що «знаходяться поблизу», зробили те саме, сигнали заважали б один одному, і приймачі не змогли б виявити будь-яку інформацію. Якщо ми обмежимо потужність антени, два чи більше людей можуть «працювати» з невеликими перешкодами, якщо вони будуть достатньо розділені.

Хоча теоретично один передавач міг би функціонувати, використовуючи весь спектр ЕМ, це недоцільно, тому що інші люди теж хочуть ним користуватися, як і в інших ситуаціях, коли ресурс обмежений, а попит перевищує пропозицію, ресурс повинен бути "скорочений" вгору ", спільний, обмежений та контрольований.