Почему Wi-Fi не может работать на скорости 2,4 Гбит / с?

То есть Wi-Fi работает в диапазоне 2,4 ГГц, да (а новые 5 ГГц)? Что означает, что каждую секунду антенна Wi-Fi выдает 2,4 миллиарда прямоугольных импульсов, верно?

Поэтому мне было интересно, почему он не может передавать данные по каждому импульсу и иметь возможность передавать данные со скоростью 2,4 Гбит / с? Даже если бы 50% этого было кодированием данных, оно все равно было бы 1,2 Гбит / с.

Или я понял, как работает Wi-Fi неправильно ...?

Вы путаете bandс bandwidth.

• Band - частота несущей.
• Полоса пропускания - ширина сигнала, обычно вокруг несущей.

Таким образом, типичный сигнал 802.11b может работать на несущей 2,4 ГГц - в полосе - он будет занимать только 22 МГц спектра - ширину полосы.

Пропускная способность канала определяет пропускная способность, а не полоса. Группу лучше всего рассматривать как полосу движения. Несколько человек могут передавать данные одновременно, но в разных направлениях.

Некоторые дорожки больше и могут нести больше данных. Некоторые меньше. Голосовая связь обычно составляет около 12 кГц или меньше. Новые стандарты Wi-Fi разрешают пропускную способность до 160 МГц.

Имейте в виду, что, хотя полоса пропускания и передаваемые биты неразрывно связаны, здесь также есть преобразование, которое связано с эффективностью. Самые эффективные протоколы могут передавать более десяти бит на Гц полосы пропускания. Эффективность Wi-Fi / g составляет 2,7 бит в секунду на герц, поэтому вы можете передавать до 54 Мбит / с в полосе пропускания 20 МГц. Новые стандарты Wi-Fi превышают 5 бит / с на Гц.

Это означает, что если вы хотите 2 Гбит / с, вам на самом деле не нужна полоса пропускания 2 ГГц, вам просто нужна высокая спектральная эффективность, и сегодня это часто достигается с использованием технологии MIMO, а также очень эффективной модуляции. Например, теперь вы можете купить беспроводной маршрутизатор 802.11ac с общей пропускной способностью до 3,2 Гбит / с (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

Полоса пропускания сигнала Wi-Fi не имеет ничего общего с 2,4 ГГц - это 20 или 40 МГц.

То, что вы предлагаете (основная полоса 2,4 ГГц), будет использовать весь спектр электромагнитного излучения до 2,4 ГГц для одного канала связи.

Как вы можете видеть из этого , он уже довольно хорошо используется для различных других вещей:

По сути, несущая 2,4 ГГц немного колеблется для отправки данных, и это позволяет одновременно передавать много каналов, оставляя при этом достаточно спектра для других приложений, таких как пульты дистанционного управления, радио AM / FM, транспондеры на кораблях и самолетах, и скоро.

Чтобы сигнал Wi-Fi 2,4 ГГц не попал в сигналы мобильных телефонов с частотой 900/1800 МГц, FM-сигналы 100 МГц и целый ряд других сигналов, существует жесткое ограничение на то, сколько сигнала разрешено отличаются от синусоиды 2,4 ГГц . Это непрофессиональный способ понимания "пропускной способности".

Например, один передатчик на частоте 2412 МГц, а другой на частоте 2484 МГц - это то, что приемник может отфильтровывать все сигналы, кроме того, который ему интересен. Вы делаете это, подавляя все частоты за пределами интересующей вас полосы. ,

Теперь, если вы возьмете какой-либо сигнал и отфильтруете все, что выше 2422 МГц, и все, что ниже 2402 МГц, у вас останется нечто, что не может так сильно отклоняться от синусоиды 2412 МГц. Вот так работает частотная фильтрация.

Я несколько расширил этот ответ, добавив несколько изображений, в этом ответе .

Несущая частота, используемая Wi-Fi, составляет 2,4 ГГц, но ширина канала намного меньше этой. Wi-Fi может использовать каналы шириной 20 МГц или 40 МГц и различные схемы модуляции в этих каналах.

Немодулированная синусоида на частоте 2,4 ГГц будет использовать нулевую полосу пропускания, но она также будет передавать нулевую информацию. Модуляция несущей волны по амплитуде и частоте позволяет передавать данные. Чем быстрее модулируется несущая волна, тем большую полосу пропускания она будет использовать. Если вы AM модулируете синусоиду 2,4 ГГц с сигналом 10 МГц, результат будет использовать полосу пропускания 20 МГц с частотами в диапазоне от 2,39 ГГц до 2,41 ГГц (сумма и разность 10 МГц и 2,4 ГГц).

Теперь Wi-Fi не использует AM-модуляцию; 802.11n фактически поддерживает широкий спектр различных форматов модуляции. Выбор формата модуляции зависит от качества канала, например, отношения сигнал / шум. Форматы модуляции включают в себя BPSK, QPSK и QAM. BPSK и QPSK являются двоичной и квадратурной фазовой манипуляцией. QAM - квадратурная амплитудная модуляция. BPSK и QPSK работают, сдвигая фазу несущей частоты 2,4 ГГц. Скорость, с которой передатчик может изменять фазу несущей, ограничена шириной полосы канала. Разница между BPSK и QPSK заключается в гранулярности - у BPSK есть два разных сдвига фаз, у QPSK - четыре. Эти разные фазовые сдвиги называются «символами», а ширина полосы канала ограничивает количество символов, которые могут передаваться в секунду, но не сложность символов. Если отношение сигнал / шум хорошее (много сигнала, мало шума), тогда QPSK будет работать лучше, чем BPSK, потому что он перемещает больше битов с той же скоростью передачи символов. Однако, если SNR является плохим, тогда BPSK является лучшим выбором, потому что менее вероятно, что шум, включенный в сигнал, вызовет ошибку приемника. Приемнику сложнее определить, с каким сдвигом фазы был передан конкретный символ, когда имеется 4 возможных сдвига фаз, чем когда их всего 2.

QAM расширяет QPSK, добавляя амплитудную модуляцию. Результатом является совершенно дополнительная степень свободы - теперь передаваемый сигнал может использовать диапазон фазовых сдвигов и амплитудных изменений. Тем не менее, больше степеней свободы означает, что меньше шума можно терпеть. Если SNR очень хорошее, 802.11n может использовать 16-QAM и 64-QAM. 16-QAM имеет 16 различных комбинаций амплитуды и фазы, в то время как 64-QAM имеет 64. Каждая комбинация сдвига фазы / амплитуды называется символом. В BPSK один бит передается на символ. В QPSK 2 бита передаются на символ. 16-QAM позволяет передавать 4 бита на символ, в то время как 64-QAM допускает 6 бит. Скорость, с которой символы могут передаваться, определяется шириной полосы канала; Я считаю, что 802.11n может передавать 13 или 14,4 миллиона символов в секунду. Благодаря широкой полосе пропускания 20 МГц и 64-QAM 802.11n может передавать 72 Мбит / с.

Если вы добавите MIMO поверх этого для нескольких параллельных потоков и увеличите ширину канала до 40 МГц, общая скорость может увеличиться до 600 Мбит / с.

Если вы хотите увеличить скорость передачи данных, вы можете увеличить пропускную способность канала или SNR. FCC и спецификация ограничивают полосу пропускания и мощность передачи. Можно использовать направленные антенны для улучшения уровня принимаемого сигнала, но невозможно снизить минимальный уровень шума - если вы можете понять, как это сделать, вы можете заработать много денег.

Во-первых, вы не можете просто взять сигнал и получить его, выполняя кучу квадратных волн в воздухе. Вы используете несущую волну (работающую на определенной частоте) для модуляции данных. Идея состоит в том, что затем вы можете демодулировать данные, используя приемник, генерирующий волну на той же частоте. Модуляция действительно уменьшает объем данных, который может казаться очевидным по частоте необработанной несущей, но без какой-либо несущей волны вы не сможете восстановить данные, так как не сможете отличить данные от случайного шума. Следует отметить, что полоса пропускания этого несущего сигнала определяет фактическую скорость. Полоса пропускания - это то, насколько метод (ы) модуляции изменяет фактическую частоту от частоты чистой несущей. Хотя, даже предполагая идеальное соотношение 1: 1 (что не так, как обсуждалось выше), Вы должны учитывать издержки беспроводного протокола низкого уровня, что снижает полезную скорость. Во-вторых, у вас есть издержки протокола более высокого уровня (обычно стека TCP / IP), который сам по себе имеет издержки, тем самым снижая полезную скорость ... Затем у вас есть возможные повторные передачи данных, которые были повреждены при передаче (опять же, обычно обрабатываются протоколами более высокого уровня), что еще больше снижает пропускную способность данных. Существуют эти и многие другие причины того, почему даже при фактической теоретической ширине полосы данных фактическая ширина полосы данных может быть меньше. Затем у вас есть возможность повторной передачи данных, которые были повреждены при передаче (опять же, как правило, обрабатываются протоколами более высокого уровня), что еще больше снижает пропускную способность данных. Существуют эти и многие другие причины того, почему даже при фактической теоретической ширине полосы данных фактическая ширина полосы данных может быть меньше. Затем у вас есть возможность повторной передачи данных, которые были повреждены при передаче (опять же, как правило, обрабатываются протоколами более высокого уровня), что еще больше снижает пропускную способность данных. Существуют эти и многие другие причины того, почему даже при фактической теоретической ширине полосы данных фактическая ширина полосы данных может быть меньше.

Это действительно очень сложная тема. Однако, чтобы дать вам один простой ответ, это потому, что FCC имеет правила, регулирующие полосу пропускания и мощность передатчика, которые можно использовать для связи Wi-Fi. Это потому, что есть много других людей, которые пытаются использовать электромагнитный спектр для различных типов беспроводной связи (например, сотовые телефоны, Wi-Fi, Bluetooth, радио AM / FM, телевидение и т. Д.). Фактически, несущая частота (2,4 ГГц) имеет очень мало общего с шириной полосы связи (или скоростью передачи данных, которая может быть достигнута в этом отношении).

Как упоминалось ранее, вы путаете полосу и пропускную способность; однако ни один из ответов не дает интуитивного объяснения.

Интуитивное объяснение может быть сделано с установленными динамиками. У вас высокий звуковой сигнал и низкий звуковой сигнал, указывающий 1 и 0. Вы передаете данные, чередуя высокий и низкий сигналы. Частота самих тонов мало влияет (см. Ниже) на то, насколько быстро вы чередуете высокие и низкие сигналы.

Волны Wi-Fi очень похожи на звуковые волны. Они являются несущими волнами: они принимают ваш блочный волновой сигнал и преобразуют его в высокочастотные и низкочастотные волны. Единственное отличие состоит в том, что высокочастотные и низкочастотные волны очень близки друг к другу и сосредоточены около 2,4 ГГц.

Теперь для той части, где вы хотите верхний предел. Воспользовавшись нашей системой звуковых сигналов : вы, конечно, не можете изменять частоту тонов ( полосу ) звуковых сигналов десять раз за одну звуковую волну. Таким образом, существует нижний предел, когда частота изменений частоты становится слышимой как отдельные звуковые сигналы, а когда это просто странный искаженный звуковой сигнал. Скорость, с которой вы можете изменить частоту, называется пропускной способностью ; чем ниже полоса пропускания, тем лучше звуковые сигналы различимы (следовательно, чем ниже скорость соединения при плохом приеме).

Теорема Шеннона о пропускной способности говорит, что, если принять полученное SNR в полосе W в аддитивном нормальном шуме, канал

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ пропускная способность в единицах бит / сек Здесь емкость означает, что если желаемая скорость передачи информации по данному W меньше, чем C, то будет существовать код с исправлением ошибок достаточной сложности, с помощью которого можно эффективно достичь передачи информации с нулевой вероятностью ошибки при данном SNR. Это не имеет ничего общего с несущей частотой и только косвенно связано с правилами FCC. FCC определяет, сколько мощности может быть передано в какой полосе пропускания, разработчики выбирают сложность и технологию системы передачи, и вы, пользователь, получаете максимальную скорость передачи информации, поскольку SNR будет зависеть от требуемого расстояния, мощности и полосы пропускания. FCC позволяет. В КТСОП, где система довольно статична, существует формат модуляции, который использует 1024 сигнала в номинальной полосе частот 4 кГц, В результате получается теоретическая скорость передачи 40 кбит / с! Если бы можно было достичь такой сложности по мобильному каналу, можно было бы получить ~ 10x20 = 200 Мбит / с при достаточно высоком SNR, акцент делается на достаточно высоком! Чем выше частота несущей, тем выше потери при распространении, но тем легче заставить РЧ-схемы работать в достаточно высокой, но априорно заданной полосе пропускания.

Хотя существуют точные способы реализации, радиосвязь обычно включает в себя прием низкочастотного сигнала, который содержит информацию, подлежащую передаче, и использование метода, называемого модуляцией, для более высокого диапазона частот. Возможно, проще всего думать в терминах «черного ящика», который, учитывая два сигнала, содержащих различные комбинации частот, будет - для каждой комбинации сигналов, присутствующих в оригинале, суммы частот и разностей, пропорционально произведению Сильные стороны сигналов в оригинале. Если вы подаете звуковой сигнал, содержащий частоты в диапазоне 0–10 кГц вместе с синусоидой 720 000 Гц [несущей, используемой WGN-720 Чикаго], вы получите из коробки сигнал, содержащий только частоты в диапазоне 710 000 Гц, для 730,000Hz. Если приемник подает этот сигнал в аналогичную коробку вместе со своей синусоидальной частотой 720 000 Гц, он будет принимать от этой коробки сигналы в диапазоне 0–10 кГц, а также сигналы в диапазоне от 1 430 000 Гц до 1450 000 Гц. Сигналы в диапазоне 0-10 кГц будут соответствовать оригиналам; значения в диапазоне от 1430 000 Гц до 1450 000 Гц могут игнорироваться.

Если в дополнение к WGN вещает другая станция (например, WBBM-780), то сигналы в диапазоне от 770 000 Гц до 790 000 Гц, передаваемые последней, будут преобразовываться приемником в сигналы в диапазоне от 50 000 Гц до 70 000 Гц (как а также от 1 490 000 Гц до 1 510 000 Гц). Поскольку радиоприемник спроектирован исходя из предположения, что никакой интересующий звук не будет задействовать частоты более 10000 Гц, он может игнорировать все более высокие частоты.

Несмотря на то, что данные WiFi перед передачей преобразуются в частоты около 2,4 ГГц, «реальные» интересующие частоты намного ниже. Для того чтобы передачи WiFi не мешали другим трансляциям, передачи WiFi должны находиться достаточно далеко от частот, используемых этими другими передачами, чтобы любой нежелательный частотный контент, который они могут получить, был бы достаточно отличным от того, что они ищут, что они ' отвергну это.

Обратите внимание, что микшерный подход «черного ящика» к дизайну радио является немного упрощением; хотя для радиоприемника теоретически возможно использовать схему объединения частот для нефильтрованного сигнала и затем фильтровать выходной сигнал нижних частот, обычно необходимо использовать несколько ступеней фильтрации и усиления. Кроме того, по разным причинам для радиоприемников часто проще смешивать входящий сигнал не с фактической несущей частотой, а с регулируемой частотой, которая выше или ниже определенной величины (термин «* hetero * dyne» относится к использование «другой» частоты), отфильтруйте полученный сигнал, а затем преобразуйте этот отфильтрованный сигнал в требуемую конечную частоту. Все еще,

Ответ прост: это можно сделать. Вы можете «модулировать любой» носитель любым сигналом, который хотите.

Если допустить, что это можно сделать, вопрос в том, насколько это будет полезно? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны понять, что происходит, когда кто-то модулирует носитель. Давайте возьмем несущую, работающую на частоте 1 МГц (1000 кГц), и модулируем ее сигналом, который варьируется от 0 до 100 кГц. «Микширование» сигналов генерирует сигналы в диапазоне от 900 до 1100 кГц. Точно так же, если мы используем от 0 до 1000 кГц, диапазон генерируемых сигналовтеперь становится от 0 до 2000 кГц. Если мы теперь применим эти сигналы к антенне, мы будем передавать сигналы в диапазоне от 0 до 2000 кГц. Если два или более «соседних» человека сделали то же самое, сигналы будут мешать друг другу, и получатели не смогут обнаружить какую-либо информацию. Если мы ограничим мощность антенны, два или более человека могут «работать» с небольшими помехами, если они достаточно разнесены.

Хотя теоретически один передатчик может работать с использованием всего электромагнитного спектра, это нецелесообразно, поскольку другие люди тоже хотят его использовать, и, как и в других ситуациях, когда ресурс ограничен, а спрос превышает предложение, ресурс необходимо «сократить». вверх ", общий, ограниченный и контролируемый.