Perché il Wi-Fi non funziona a 2,4 Gbit / s?

Quindi il Wi-Fi funziona nella banda a 2,4 GHz, sì (e quelli nuovi a 5 GHz)? Ciò significa che ogni secondo, un'antenna Wi-Fi emette 2,4 miliardi di impulsi ad onda quadra, giusto?

Quindi mi chiedevo, perché non è in grado di trasmettere dati su ogni impulso ed essere in grado di inviare dati a 2,4 Gbit / s? Anche se il 50% di questo fosse codifica dei dati, sarebbe comunque 1,2 Gbit / s.

O ho avuto l'idea di come il Wi-Fi funzioni male ...?

Si confonde bandcon bandwidth.

• Banda: la frequenza del vettore.
• Larghezza di banda: la larghezza del segnale, generalmente attorno al vettore.

Quindi un tipico segnale 802.11b può operare su un portante a 2,4 GHz - la banda - occuperà solo 22 MHz dello spettro - la larghezza di banda.

È la larghezza di banda che determina la velocità effettiva del collegamento, non la banda. La band è meglio pensata come una corsia di traffico. Diverse persone potrebbero trasferire dati contemporaneamente, ma in corsie diverse.

Alcune corsie sono più grandi e possono trasportare più dati. Alcuni sono più piccoli. Le comunicazioni vocali sono generalmente di circa 12 kHz o meno. I nuovi standard wifi consentono una larghezza di banda fino a 160 MHz di larghezza.

Tieni presente che mentre la larghezza di banda e i bit inviati sono intrinsecamente collegati, esiste anche una conversione, correlata all'efficienza. I protocolli più efficienti possono trasmettere oltre dieci bit per Hz di larghezza di banda. Wifi a / g ha un'efficienza di 2,7 bit al secondo per hertz, quindi puoi trasmettere fino a 54 Mbps sulla sua larghezza di banda di 20 MHz. I nuovi standard wifi superano i 5 bps per Hz.

Ciò significa che se vuoi 2 Gbit al secondo, in realtà non hai bisogno di una larghezza di banda di 2 GHz, hai solo bisogno di un'alta efficienza spettrale, e oggi viene spesso dato usando la tecnologia MIMO su una modulazione molto efficiente. Ad esempio ora puoi acquistare un router Wi-Fi 802.11ac che fornisce un throughput totale fino a 3,2 Gbps (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

La larghezza di banda del segnale Wifi non è come 2,4 GHz: è 20 o 40 MHz.

Quello che stai suggerendo (banda base 2,4 GHz) utilizzerà l'intero spettro EM a 2,4 GHz per un singolo canale di comunicazione.

Come puoi vedere da questo , è già abbastanza usato per varie altre cose:

In sostanza, il vettore a 2,4 GHz è un po 'traballante per inviare dati e ciò consente a molti canali di essere trasmessi simultaneamente lasciando comunque ampio spettro per altre applicazioni come telecomandi portachiavi, radio AM / FM, transponder su navi e aerei e presto.

Affinché il segnale Wi-Fi a 2,4 GHz eviti di calpestare i segnali del telefono cellulare a 900/1800 MHz, i segnali FM a 100 MHz e una vasta gamma di altri segnali, esiste un limite rigido alla quantità di segnale consentita differisce da un'onda sinusoidale da 2,4 GHz . Questo è un modo laico di comprendere la "larghezza di banda".

Il punto di avere un trasmettitore a 2412 MHz e un altro a 2484 MHz, ad esempio, è che un ricevitore può filtrare tutti i segnali ma quello a cui è interessato. A tale scopo, sopprimere tutte le frequenze esterne alla banda di interesse .

Ora, se prendi qualche segnale e filtra tutto al di sopra di 2422 MHz e tutto al di sotto di 2402 MHz, ti rimane qualcosa che non può deviare così tanto da un'onda sinusoidale a 2412 MHz. Ecco come funziona il filtro di frequenza.

Ho in qualche modo ampliato questa risposta, aggiungendo alcune immagini, in questa risposta .

La frequenza dell'operatore utilizzata dal Wi-Fi è di 2,4 GHz, ma la larghezza del canale è molto inferiore a questa. Il Wi-Fi può utilizzare canali larghi 20 MHz o 40 MHz e vari schemi di modulazione all'interno di questi canali.

Un'onda sinusoidale non modulata a 2,4 GHz consumerebbe zero larghezza di banda, ma trasmetterebbe anche zero informazioni. La modulazione dell'onda portante in ampiezza e frequenza consente la trasmissione di dati. Più veloce è l'onda portante modulata, maggiore sarà la larghezza di banda che consumerà. Se si modula un'onda sinusoidale da 2,4 GHz con un segnale da 10 MHz, il risultato consumerà 20 MHz di larghezza di banda con frequenze comprese tra 2,39 GHz e 2,41 GHz (somma e differenza di 10 MHz e 2,4 GHz).

Ora, il Wi-Fi non utilizza la modulazione AM; 802.11n attualmente supporta una vasta gamma di diversi formati di modulazione. La scelta del formato di modulazione dipende dalla qualità del canale, ad es. Dal rapporto segnale rumore. I formati di modulazione includono BPSK, QPSK e QAM. BPSK e QPSK sono chiavi binarie e quadratura a spostamento di fase. QAM è la modulazione di ampiezza in quadratura. BPSK e QPSK funzionano spostando la fase dell'onda portante a 2,4 GHz. La velocità con cui il trasmettitore può cambiare la fase portante è limitata dalla larghezza di banda del canale. La differenza tra BPSK e QPSK è la granularità: BPSK ha due diversi spostamenti di fase, QPSK ne ha quattro. Questi diversi spostamenti di fase sono chiamati "simboli" e la larghezza di banda del canale limita il numero di simboli che possono essere trasmessi al secondo, ma non la complessità dei simboli. Se il rapporto segnale-rumore è buono (molto segnale, poco rumore) allora QPSK funzionerà meglio di BPSK perché sposta più bit con lo stesso rateo di simboli. Tuttavia, se l'SNR è difettoso, allora BPSK è una scelta migliore perché è meno probabile che il rumore incluso nel segnale causi un errore del ricevitore. È più difficile per il ricevitore capire con quale sfasamento è stato trasmesso un particolare simbolo quando ci sono 4 possibili sfasamenti rispetto a quando ce ne sono solo 2.

QAM estende QPSK aggiungendo la modulazione di ampiezza. Il risultato è un ulteriore grado di libertà: ora il segnale trasmesso può utilizzare una gamma di sfasamenti e variazioni di ampiezza. Tuttavia, più gradi di libertà significano che è possibile tollerare meno rumore. Se SNR è molto buono, 802.11n può usare 16-QAM e 64-QAM. 16-QAM ha 16 diverse combinazioni di ampiezza e fase mentre 64-QAM ha 64. Ogni combinazione di sfasamento / ampiezza è chiamata simbolo. In BPSK, viene trasmesso un bit per simbolo. In QPSK, vengono trasmessi 2 bit per simbolo. 16-QAM consente di trasmettere 4 bit per simbolo, mentre 64-QAM consente 6 bit. La velocità con cui i simboli possono essere trasmessi è determinata dalla larghezza di banda del canale; Credo che 802.11n possa trasmettere 13 o 14,4 milioni di simboli al secondo. Con una larghezza di banda ampia di 20 MHz e 64-QAM, 802.11n può trasferire 72 Mbit / sec.

Quando si aggiunge MIMO oltre a quello per più flussi paralleli e si aumenta la larghezza del canale a 40 MHz, la velocità complessiva può aumentare a 600 Mbit / sec.

Se si desidera aumentare la velocità dei dati, è possibile aumentare la larghezza di banda del canale o il SNR. FCC e le specifiche limitano la larghezza di banda e la potenza di trasmissione. È possibile utilizzare antenne direzionali per migliorare la potenza del segnale di ricezione, ma non è possibile ridurre il rumore di fondo: se riesci a capire come farlo, potresti fare un sacco di soldi.

In primo luogo, non puoi semplicemente prendere un segnale e riceverlo facendo un mucchio di onde quadrate in aria. Si utilizza un'onda portante (che opera a una certa frequenza) per modulare i dati. L'idea è che è quindi possibile demodulare i dati utilizzando un ricevitore che genera un'onda alla stessa frequenza. La modulazione riduce la quantità di dati che possono apparire evidenti dalla frequenza d'onda portante grezza, ma senza un'onda portante di qualche tipo, non è possibile recuperare i dati in quanto non sarà possibile distinguerli dal rumore casuale. Va notato che la larghezza di banda di questo segnale portante è ciò che definisce la velocità effettiva. La larghezza di banda è quanto le tecniche di modulazione variano la frequenza effettiva dalla frequenza portante pura. Tuttavia, anche assumendo un rapporto 1: 1 perfetto (che non è vero come discusso sopra), devi considerare l'overhead del protocollo wireless di basso livello, che riduce la velocità utile. In secondo luogo, hai l'overhead del protocollo di livello superiore (di solito stack TCP / IP) che a sua volta ha l'overhead, riducendo così la velocità utile ... Quindi hai possibili ritrasmissioni di dati che sono stati corrotti nella trasmissione (di nuovo, di solito gestiti dai protocolli di livello superiore), che riduce ulteriormente ulteriormente la larghezza di banda dei dati. Esistono questi e molti altri motivi per cui, anche data una larghezza di banda di dati teorica effettiva, la larghezza di banda di dati effettiva potrebbe essere inferiore. Quindi hai possibili ritrasmissioni di dati che sono stati danneggiati nella trasmissione (di nuovo, di solito gestiti dai protocolli di livello superiore), il che riduce ulteriormente la larghezza di banda dei dati. Esistono questi e molti altri motivi per cui, anche data una larghezza di banda di dati teorica effettiva, la larghezza di banda di dati effettiva potrebbe essere inferiore. Quindi hai possibili ritrasmissioni di dati che sono stati danneggiati nella trasmissione (di nuovo, di solito gestiti dai protocolli di livello superiore), il che riduce ulteriormente la larghezza di banda dei dati. Esistono questi e molti altri motivi per cui, anche data una larghezza di banda di dati teorica effettiva, la larghezza di banda di dati effettiva potrebbe essere inferiore.

Questo è davvero un argomento molto complicato. Tuttavia, per darti una risposta semplice, è perché FCC ha in atto delle regole che regolano la larghezza di banda e la potenza del trasmettitore che puoi usare per le comunicazioni wifi. Questo perché ci sono molte altre persone che cercano di utilizzare lo spettro EM per vari tipi di comunicazioni wireless (ad es. Telefoni cellulari, wifi, bluetooth, radio am / fm, televisione, ecc.). In effetti, la frequenza portante (2,4 GHz) ha ben poco a che fare con la larghezza di banda delle comunicazioni (o la velocità dei dati che può essere raggiunta, per quella materia).

Come accennato in precedenza, stai confondendo la banda e la larghezza di banda; tuttavia, nessuna delle risposte fornisce una spiegazione intuitiva.

La spiegazione intuitiva potrebbe essere fatta con i set di altoparlanti. Si sente un segnale acustico alto e un segnale acustico basso che indicano 1 e 0. Trasportare i dati alternando i segnali acustici alti e bassi. La frequenza dei toni stessi ha poco (vedi sotto) a che fare con la velocità con cui si alternano i segnali acustici alti e bassi.

Le onde Wi-Fi sono molto simili alle onde sonore. Sono onde portanti : prendono il segnale a onda di blocco e lo convertono in onde ad alta e bassa frequenza. L'unica differenza è che le onde ad alta e bassa frequenza sono molto vicine tra loro e centrate intorno a 2,4 GHz.

Ora, per la parte in cui si desidera il limite superiore. Prendendo il nostro sistema di "beep": ovviamente non puoi cambiare la frequenza di tono ( banda ) dei tuoi bip dieci volte durante una singola onda sonora. Quindi, c'è un limite inferiore su quando la frequenza delle modifiche diventa udibile come segnali acustici distinti e quando è solo un bip strano distorto. La velocità con cui è possibile modificare la frequenza è chiamata larghezza di banda ; più bassa è la larghezza di banda, migliori sono i segnali acustici percepibili come distinti (quindi la velocità di collegamento inferiore quando la ricezione è scarsa).

Il teorema della capacità di Shannon dice che se dato il SNR ricevuto in larghezza di banda W in rumore normale additivo il canale ha

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ capacità in unità di bit / sec. Qui capacità significa che se la velocità di informazione desiderata su W data è inferiore a C, allora ci sarà un codice di correzione di errore di complessità sufficiente con il quale si può ottenere effettivamente un trasferimento di informazioni di probabilità di errore pari a zero al SNR dato. Ciò non ha nulla a che fare con la frequenza portante e solo indirettamente è correlato alle normative FCC. La FCC determina quanta potenza può essere trasmessa su quale larghezza di banda, i progettisti decidono sulla complessità e la tecnologia del sistema di trasmissione e l'utente finisce con la massima velocità di informazione poiché il SNR dipenderà dalla distanza desiderata, dalla potenza e dalla larghezza di banda FCC lo consente. Sulla PSTN, dove il sistema è piuttosto statico, esiste un formato di modulazione che utilizza 1024 forme d'onda in larghezza di banda nominale di 4 kHz, il risultato è una velocità di informazione teorica di 40 kbit / sec! Se si potesse ottenere quella complessità su un canale mobile si potrebbe avere ~ 10x20 = 200Mbit / sec a SNR sufficientemente elevato, l'enfasi è su sufficientemente alta! Maggiore è la frequenza portante, maggiori sono le perdite di propagazione ma è più facile far funzionare i circuiti RF su una larghezza di banda sufficientemente elevata ma a priori.

Sebbene ci siano variazioni nel modo esatto in cui le cose vengono implementate, le comunicazioni radio generalmente implicano il prendere un segnale a bassa frequenza che contiene informazioni da trasmettere e usare una tecnica chiamata modulazione a un intervallo più alto di frequenze. È forse più facile pensare in termini di una "scatola nera" che, dati due segnali contenenti varie combinazioni di frequenze, lo farà - per ogni combinazione di segnali presenti nell'originale, le frequenze di somma e differenza, in proporzione al prodotto del punti di forza dei segnali nell'originale. Se si immette un segnale audio contenente frequenze nell'intervallo 0-10KHz insieme a un'onda sinusoidale a 720.000Hz [il vettore utilizzato da WGN-720 Chicago], si riceverà dalla scatola un segnale contenente solo frequenze nell'intervallo da 710.000Hz a 730,000Hz. Se un ricevitore immette quel segnale in una scatola simile, insieme alla propria onda sinusoidale a 720.000Hz, riceverà da quella scatola segnali nell'intervallo 0-10Khz, insieme a segnali nell'intervallo da 1.430.000Hz a 1.450.000Hz. I segnali in 0-10Khz corrisponderanno agli originali; quelli nella gamma da 1.430.000Hz a 1.450.000Hz possono essere ignorati.

Se oltre a WGN, un'altra stazione sta trasmettendo (ad es. WBBM-780), i segnali nell'intervallo da 770.000Hz a 790.000Hz trasmessi da quest'ultima verranno convertiti dal ricevitore in segnali nell'intervallo da 50.000Hz a 70.000Hz (come oltre 1.490.000Hz a 1.510.000Hz). Poiché il ricevitore radio è progettato partendo dal presupposto che nessun audio di interesse coinvolgerà frequenze superiori a 10.000Hz, può ignorare tutte le frequenze più alte.

Anche se i dati WiFi vengono convertiti in frequenze vicine a 2,4 GHz prima della trasmissione, le frequenze "reali" di interesse sono molto più basse. Al fine di evitare che le trasmissioni WiFi interferiscano con altre trasmissioni, le trasmissioni WiFi devono rimanere abbastanza lontane dalle frequenze utilizzate da quelle altre trasmissioni che qualsiasi contenuto di frequenza indesiderato che potrebbero ricevere sarebbe sufficientemente diverso da quello che stanno cercando che essi ' Lo respingerò.

Si noti che l'approccio del mixer "scatola nera" al design della radio è un po 'una semplificazione; mentre sarebbe teoricamente possibile per un ricevitore radio utilizzare un circuito di combinazione di frequenza su un segnale non filtrato e quindi filtrare l'uscita passa-basso, è generalmente necessario utilizzare più fasi di filtraggio e amplificazione. Inoltre, per vari motivi, è spesso più facile per i ricevitori radio mescolare un segnale in entrata non con la frequenza portante effettiva di interesse, ma piuttosto con una frequenza regolabile che è superiore o inferiore di un certo importo (il termine "* etero * dyne" si riferisce l'uso di "diversa" frequenza), filtrare il segnale risultante e quindi convertire quel segnale filtrato nella frequenza finale desiderata. Ancora,

La semplice risposta è che può essere fatto. Puoi "modulare qualsiasi" vettore con qualsiasi segnale tu voglia.

Supponendo che uno sia autorizzato a farlo, la domanda è: quanto sarebbe utile? Per rispondere a questa domanda dobbiamo capire cosa succede quando si modula un corriere. Prendiamo un operatore che opera a 1 MHz (1.000 KHz) e lo moduliamo con un segnale che varia da 0 a 100 KHz. La "miscelazione" dei segnali genera segnali nell'intervallo compreso tra 900 e 1.100 KHz. Allo stesso modo, se utilizziamo da 0 a 1.000 KHz, l' intervallo dei segnali generatiora diventa da 0 a 2.000 KHz. Se ora applichiamo questi segnali a un'antenna, trasmetteremmo segnali nell'intervallo da 0 a 2.000 KHz. Se due o più persone "vicine" facessero lo stesso, i segnali interferirebbero tra loro e i ricevitori non sarebbero in grado di rilevare alcuna informazione. Se limitiamo la potenza dell'antenna, due o più persone potrebbero "operare" con poca interferenza, se sono sufficientemente separate.

Anche se teoricamente, un trasmettitore potrebbe funzionare utilizzando l'intero spettro EM, non è pratico, perché anche altre persone vogliono usarlo, e proprio come in altre situazioni in cui una risorsa è limitata e la domanda supera l'offerta, la risorsa deve essere "tagliata" ", condiviso, limitato e controllato.