È risaputo che più si passa da un punto di rete Wi-Fi, più lenta diventa la rete tramite Wi-Fi. Ma perché dovrebbe essere così? I segnali radio si propagano essenzialmente alla velocità della luce, e quindi dalla sola propagazione del segnale la distanza non dovrebbe essere un fattore per un intervallo ragionevole (migliaia di km / miglia).

La mia teoria è che ogni volta che viene inviato un pacchetto di rete, c'è una probabilità che non arrivi nella posizione, arrivi con dati danneggiati o arrivi nell'ordine sbagliato e questa probabilità aumenta con l'aumentare della distanza, forzando il TCP livello per causare l'invio e il rinvio dei pacchetti. Questo processo di invio e reinvio fa richiedere una quantità di tempo quantificabile. Non abbastanza che un singolo pacchetto fornirà un ritardo notevole, ma abbastanza che se è necessario inviare nuovamente uno su tre pacchetti, e quindi tutti i pacchetti reinseriti nell'ordine corretto all'altra estremità, saranno necessari tempi supplementari. Ma questa è solo la mia teoria. Qual è la vera risposta?

Spiegazione

Quindi, la velocità della luce non ha (praticamente) nulla a che fare con essa, hai ragione.

WiFi sceglie una modalità di trasmissione in base alla qualità del collegamento tra due stazioni. Peggio è il collegamento, più robusta deve essere la trasmissione. Un modo per peggiorare è avere un collegamento più lungo, il che significa che una minore energia del segnale raggiunge l'estremità di ricezione, il che significa che il rapporto tra rumore inerente al ricevitore e segnale ricevuto peggiora; questo è in genere misurato come SNR (rapporto segnale-rumore). Quindi, ecco come la distanza arriva direttamente in questo.

Per rendere una trasmissione più robusta, ci sono diverse cose che il WiFi (IEEE802.11 a / g / n / ac ...) fa:

1. Usa una modulazione meno fine. Se in precedenza hai trattato di comunicazioni wireless digitali, potresti aver sentito che le informazioni vengono trasportate modulando un'onda portante con uno di un set di simboli, che sono fondamentalmente solo numeri complessi. Più grande è quel set di simboli, più bit puoi trasportare con ogni simbolo che trasmetti, ma anche più vicini sono questi simboli. Più vicino significa che hai bisogno di meno potenza di rumore per finire accidentalmente con un simbolo diverso. Quindi, se la tua velocità deve essere elevata, in genere proveresti a utilizzare una costellazione con molti simboli, ma puoi tollerare solo un rumore molto piccolo rispetto alla tua potenza ricevuta, cioè hai bisogno di un SNR elevato.
2. I collegamenti wireless (in genere, tutti i collegamenti dati non banali) utilizzano qualcosa che chiamiamo codifica dei canali , e in particolare la correzione degli errori in avanti: Fondamentalmente sta aggiungendo ridondanza ai tuoi dati (ad esempio nella forma di ripetere gli stessi dati due volte, o aggiungendo un checksum o con molti altri mezzi). Se stai progettando il tuo codice canale e il tuo decodificatore in modo intelligente, una maggiore ridondanza significa che puoi correggere molti errori. Maggiore è la ridondanza, maggiore è la correzione degli errori. Il rovescio della medaglia, ovviamente, è che invece di trasportare dati più "interessanti", sei costretto a trasportare quella ridondanza. Quindi, se si utilizza un codice canale che aggiunge il doppio della quantità di dati originali come ridondanza per essere in grado di gestire molti errori (vedere 1.), è possibile utilizzare solo 1/3 della velocità in bit fisica per l'effettivo payload bit.

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Commento avanzato

È risaputo che più si passa da un punto di rete Wi-Fi, più lenta diventa la rete tramite Wi-Fi.

La conoscenza comune, come al solito, è una semplificazione eccessiva. La tendenza generale è giusta, più è lontana, minore è il potere, come spiegato sopra.

Canali multipath significa che le cose non vanno monotonicamente in discesa con la distanza

Ma: il WiFi viene generalmente utilizzato in ambienti chiusi. In queste impostazioni, abbiamo quello che chiamiamo un forte scenario multipath. Ciò significa che a causa delle riflessioni su pareti, mobili, cose che accadono in un ambiente generale, è possibile ottenere diversi tipi di autointerferenza del segnale. Ciò potrebbe significare che, sebbene tu sia relativamente vicino al trasmettitore, il tuo ricevitore potrebbe non vedere nulla, perché due percorsi hanno solo una differenza di mezzo lunghezza d'onda e si annullano a vicenda.

Quindi, per il tipico multipath indoor, generalmente non si può dire "il più lontano, il peggio"; di solito è molto meno facile. Questo fenomeno viene chiamato dissolvenza (e in questo caso, probabilmente dissolvenza su piccola scala ).

Diversità del canale per guadagni di robustezza

Quindi: i più moderni standard WiFi supportano MIMO (ingressi multipli, uscite multiple), il che significa sostanzialmente che hai più antenne su ciascuna estremità di un collegamento. L'idea è che dall'antenna di trasmissione 1 alla ricezione dell'antenna 1 (chiamiamo 1-> 1) ci sarà (con un'alta probabilità) una realizzazione del canale diversa (i canali sono casuali!) Rispetto all'antenna di trasmissione 2 per ricevere l'antenna 1 ( 2-> 1) e 1-> 2 e 2-> 2 e così via.

Questi canali fisicamente diversi possono aiutare con il problema dello sbiadimento di cui sopra. Sebbene il canale multipath 1-> 1 possa, casualmente, essere gravemente danneggiato cancellandosi, 1-> 2 potrebbe comunque essere OK. La tua "probabilità di cattiveria" media diminuisce con il numero di antenne. Bello! Ciò significa che più i nostri canali non sono correlati (ovvero meno probabilità di guasto di un canale significa che anche gli altri saranno cattivi), migliore sarà la nostra trasmissione.

Ciò significa anche che "molto vicino" non è intrinsecamente "molto buono", perché ciò significa anche che, probabilmente, le diverse antenne vedono praticamente la stessa realizzazione del canale, quindi non si ottiene quella "sicurezza" di "nah, è improbabile che tutti i canali siano cattivi allo stesso tempo ".

Impiego di MIMO per divertimento e profitto (e tariffe più alte)

$i$$j$$\mathbf h_{i,j}$$\mathbf H$

$\mathbf s$$\mathbf H$

$$\mathbf r = \mathbf s \mathbf H\text.\tag 1$$

Il problema è che probabilmente vorremmo avere un sacco di canali totalmente indipendenti tra trasmissione e ricezione, cioè in modo che ciò che inviamo su un'antenna a un'antenna non abbia alcun effetto su tutte le altre coppie di antenne. Quindi, possiamo inviare più flussi di dati in parallelo . Questo ci darà un notevole aumento della velocità di trasmissione!

Purtroppo, quell'equazione sopra dice che in qualche modo dobbiamo pesare e sommare tutti i segnali di trasmissione per ottenere il segnale di ricezione di ogni antenna. Hm, triste.

Ora, armato di quell'equazione, il matematico interiore in noi ci dice che, hm, se potessimo farlo in modo da trasformare in qualche altra matrice Λ , potremmo avere effettivamente canali indipendenti.$\mathbf H$$\mathbf \Lambda$

Questo è possibile se è di forma diagonale, ovvero è tutto a zeri, ma per le sue voci diagonali. Il fatto felice è che possiamo davvero farlo! C'è un metodo matematico che ci dà$\mathbf \Lambda$

$$\mathbf H = \mathbf{U\Lambda V^*}\tag 2$$

con diagonale; è la decomposizione del valore singolare (SVD). Quindi, possiamo riscrivere ( 1 ) in$\mathbf \Lambda$$(1)$

$$\mathbf r = \mathbf{sU\Lambda V^*}\text.\tag 3$$

Ora, questo non ci aiuta davvero, perché anche se ora abbiamo appena trovato un altro modo di indicare la nostra matrice di canali, questa formula continua (sostituita da un altro modo di scriverla) l'originale $\mathbf H$$\mathbf V$$\mathbf V$$\mathbf {V^*V}=\mathbf I$

$$\begin{align} \mathbf {rV} &= \mathbf{sHV}\tag 4\\ &=\mathbf{sU\Lambda V^*V}\tag 5\\ &=\mathbf{sU\Lambda I}\tag 6\\ &=\mathbf{sU\Lambda}\tag 7\\ \end{align}$$

$(7)$

$\mathbf V$$\mathbf s$$\mathbf U$$\min($$)$

Quindi, l'algoritmo diventa piuttosto semplice:

1. $\mathbf H$
2. $\mathbf H$$\mathbf{U\Lambda V^*}$
3. $\mathbf s$$\mathbf U$
4. $\mathbf r$$\mathbf V$

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Tutto questo funziona solo se l'SVD dà buoni risultati, e ciò accade solo quando i canali della coppia di antenne fisiche sono abbastanza indipendenti. Ciò significa che per MIMO, la vicinanza ravvicinata significa che puoi effettivamente potenzialmente trasmettere anche meno che per una distanza media, perché distanza significa che ci sono più riflettori casuali diversi sulla strada. (Dopo una certa distanza, gli effetti di perdita del percorso dominano e peggiori sempre.)

Il problema non è il tempo necessario per passare dall'emettitore (router) al ricevitore (il tuo laptop) che come dici tu è trascurabile con pochi metri, ma la potenza che arriva con la distanza.

Dai un'occhiata formula di Friis .

Il throughput di rete è il tasso di consegna corretta dei messaggi su un canale di comunicazione. Con meno energia ricevuta, le probabilità che un messaggio non venga ricevuto correttamente sono maggiori.

Il rumore è qualcosa da prendere in considerazione qui.

La perdita fondamentale con distanza vs frequenza è principalmente la dimensione dell'area di apertura del portante f proporzionale al quadrato della lunghezza d'onda. Quindi la perdita di percorso è minore per le frequenze più basse, che è il termine dominante in Friis Loss.

Il secondo problema più comune è l'orientamento sia dell'antenna che delle perdite nel modello di radiazione, ma questo è meno dipendente dalla frequenza ma il modello torroidale di risonatori a 1/4 d'onda e dipoli. Il segnale minimo o il pattern null sta guardando verso il basso l'estremità dell'antenna.

I conduttivi e i dielettrici in alcuni materiali da costruzione consentono ai segnali di essere riflessi in tutto il luogo. Tuttavia, questo è anche un problema per le perdite di Rice Fading nei livelli di segnale di frangia <-80dBm per i segnali di classe B e inizia a essere un problema al di sopra di questo. La linea di vista senza riflessi del terreno dall'acqua è il percorso di trasmissione ottimale per le microonde. Tuttavia, per VHF e inferiori, un grande specchio d'acqua e la ionosfera fungono da riflettori per aumentare la portata di un segnale. Ma per frequenze più alte, i riflessi portano a segnali più distorti e causano errori di dissolvenza Ricean.

Ogni banda ha la propria soglia di errore e il WiFi ad alta velocità a banda più ampia che utilizza 20 MHz o 40 MHz ha una soglia più elevata a causa delle leggi di Shannon su SNR rispetto alla larghezza di banda del rumore rispetto al BER. La soglia migliore è in genere la velocità dati più bassa, ma dipende dalla progettazione. Blocco sempre le opzioni del mio chip WiFi su 11 Mbps in Windows per ottenere un incremento più elevato nei livelli di segnale di frangia rispetto alla modalità automatica perché anche il movimento umano attorno ai percorsi può causare la perdita di pacchetti e tentativi nascosti con velocità di dati più elevate come 54 Mbps e oltre. Ancora una volta le leggi di Shannon si applicano qui agli effetti Ricean Fading e agli effetti fondamentali di Friis Loss.

In modalità automatica, un chip WiFi proverà sempre ad abbassare automaticamente la velocità dati dal modem mobile quando la perdita di pacchetti è troppo elevata. Innanzitutto potrebbe provare a riqualificare il ricevitore per l'equalizzazione del ritardo di gruppo. Quindi negoziare una velocità dati inferiore se la percentuale di errore è troppo alta. Ciò deriva dalla legge di Shannon. Ma ricorda che questi echi e Rice Fading influenzano l'equalizzazione del ritardo di questo gruppo e lo spostamento delle forze dell'antenna Wifi che si riqualificano dove ci sono molti echi in un edificio a bassi livelli di segnale. Il risultato di cambiamenti nella forza dell'eco portante è di distorcere la configurazione dell'occhio nei segnali demodulati.

La mia esperienza mi dice che più i tuoi endpoint sono tra mobile e router WiFi, maggiori sono le possibilità di riflessioni e maggiori possibilità di annullamento delle riflessioni e più abbandoni. Questo si chiama Rice Fading ed è la causa più comune dai miei risultati del test per la perdita di pacchetti a livelli di campo marginale inferiori a -75 dBm.

I segnali seguenti per net e dlink-guest provengono dal mio PC al piano superiore con un dongle WiFi su una torre e un router Dlink ad alta potenza al piano inferiore messo in un cassetto. Lo spostamento dell'antenna nel router ha causato la modifica dei livelli del segnale e il passaggio dei canali e dalla rete all'ospite senza la consapevolezza dell'utente della perdita momentanea di connettività.