Tại sao Wi-Fi không thể chạy ở tốc độ 2,4 Gbit / s?

Vì vậy, Wi-Fi chạy trong băng tần 2,4 GHz, yeah (và những cái mới 5 GHz)? Điều đó có nghĩa là mỗi giây, ăng-ten Wi-Fi tạo ra 2,4 tỷ xung sóng vuông, phải không?

Vì vậy, tôi đã tự hỏi, tại sao nó không thể truyền dữ liệu trên mỗi xung và có thể gửi dữ liệu ở tốc độ 2,4 Gbit / s? Ngay cả khi 50% trong số đó là mã hóa dữ liệu, thì nó vẫn sẽ là 1,2 Gbit / s.

Hay tôi đã có khái niệm về cách Wi-Fi hoạt động sai ...?

Bạn đang bối rối bandvới bandwidth.

• Băng tần - Tần số của sóng mang.
• Băng thông - độ rộng của tín hiệu, thường là xung quanh sóng mang.

Vì vậy, tín hiệu 802.11b điển hình có thể hoạt động ở sóng mang 2.4GHz - băng tần - nó sẽ chỉ chiếm 22 MHz phổ - băng thông.

Đó là băng thông xác định thông lượng liên kết, không phải băng tần. Ban nhạc được coi là tốt nhất như một làn đường giao thông. Một số người có thể truyền dữ liệu cùng một lúc, nhưng ở các làn khác nhau.

Một số làn đường lớn hơn và có thể mang nhiều dữ liệu hơn. Một số nhỏ hơn. Thông tin liên lạc bằng giọng nói thường khoảng 12kHz hoặc ít hơn. Các chuẩn wifi mới hơn cho phép băng thông rộng tới 160 MHz.

Hãy nhớ rằng trong khi băng thông và bit được gửi có liên kết nội tại, thì cũng có một chuyển đổi, điều đó liên quan đến hiệu quả. Các giao thức hiệu quả nhất có thể truyền trên mười bit trên mỗi Hz băng thông. Wifi a / g có hiệu suất 2,7 bit mỗi giây mỗi hertz, do đó bạn có thể truyền tối đa 54Mbps trên băng thông 20 MHz của nó. Các chuẩn wifi mới hơn vượt quá 5 bps mỗi Hz.

Điều này có nghĩa là nếu bạn muốn 2Gbits mỗi giây, bạn thực sự không cần băng thông 2GHz, bạn chỉ cần hiệu suất phổ cao và ngày nay thường được sử dụng công nghệ MIMO trên đầu điều chế rất hiệu quả. Chẳng hạn, giờ đây bạn có thể mua bộ định tuyến wifi 802.11ac cung cấp tổng thông lượng lên tới 3,2Gbps (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

Băng thông của tín hiệu Wifi không giống như 2,4 GHz - đó là 20 hoặc 40MHZ.

Những gì bạn đang đề xuất (baseband 2.4GHz) sẽ sử dụng toàn bộ phổ EM đến 2.4GHz cho một kênh liên lạc duy nhất.

Như bạn có thể thấy từ điều này , nó đã được sử dụng khá tốt cho nhiều thứ khác:

Về cơ bản, sóng mang 2.4GHz bị chao đảo một chút để gửi dữ liệu và cho phép nhiều kênh được truyền đồng thời trong khi vẫn để lại nhiều phổ cho các ứng dụng khác như điều khiển từ xa fob, radio AM / FM, transponders trên tàu và máy bay, và Sớm.

Để tín hiệu Wi-Fi 2,4 GHz tránh bị giẫm đạp lên tín hiệu điện thoại di động 900/1800 MHz, tín hiệu FM 100 MHz và toàn bộ dải tín hiệu khác, có một giới hạn cứng về mức tín hiệu được phép khác với một hình sin 2,4 GHz . Đó là cách hiểu của giáo dân về "băng thông".

Ví dụ, điểm có một máy phát ở 2412 MHz và một máy phát khác ở 2484 MHz là máy thu có thể lọc tất cả các tín hiệu nhưng tín hiệu mà nó quan tâm. Bạn làm điều này bằng cách triệt tiêu tất cả các tần số bên ngoài băng tần mà bạn quan tâm .

Bây giờ, nếu bạn lấy bất kỳ tín hiệu nào và lọc ra mọi thứ trên 2422 MHz và mọi thứ dưới 2402 MHz, bạn sẽ bị bỏ lại thứ gì đó không thể sai lệch nhiều so với sóng hình 2412 MHz. Đó chỉ là cách lọc tần số hoạt động.

Tôi đã phần nào mở rộng câu trả lời này, thêm một vài hình ảnh vào câu trả lời này .

Tần số sóng mang được sử dụng bởi Wi-Fi là 2,4 GHz, nhưng độ rộng kênh nhỏ hơn nhiều so với mức này. Wi-Fi có thể sử dụng các kênh rộng 20 MHz hoặc 40 MHz và các sơ đồ điều chế khác nhau trong các kênh này.

Một mạng hình sin không điều chế ở tốc độ 2,4 GHz sẽ tiêu tốn băng thông bằng 0, nhưng nó cũng sẽ truyền thông tin bằng không. Điều chỉnh sóng mang theo biên độ và tần số cho phép dữ liệu được truyền đi. Sóng mang được điều chế càng nhanh, băng thông sẽ tiêu thụ càng nhiều. Nếu bạn điều chỉnh một hình sin 2,4 GHz với tín hiệu 10 MHz, kết quả sẽ tiêu thụ băng thông 20 MHz với tần số từ 2,39 GHz đến 2,41 GHz (tổng và chênh lệch 10 MHz và 2,4 GHz).

Bây giờ, Wi-Fi không sử dụng điều chế AM; 802.11n thực sự hỗ trợ một loạt các định dạng điều chế khác nhau. Việc lựa chọn định dạng điều chế phụ thuộc vào chất lượng của kênh - ví dụ: tỷ lệ tín hiệu / nhiễu. Các định dạng điều chế bao gồm BPSK, QPSK và QAM. BPSK và QPSK là khóa dịch pha nhị phân và cầu phương. QAM là điều chế biên độ cầu phương. BPSK và QPSK hoạt động bằng cách dịch pha của sóng mang 2,4 GHz. Tốc độ mà máy phát có thể thay đổi pha sóng mang bị giới hạn bởi băng thông kênh. Sự khác biệt giữa BPSK và QPSK là độ chi tiết - BPSK có hai lần dịch pha khác nhau, QPSK có bốn. Các dịch chuyển pha khác nhau này được gọi là 'ký hiệu' và băng thông kênh giới hạn số lượng biểu tượng có thể được truyền mỗi giây, nhưng không phải là độ phức tạp của các ký hiệu. Nếu tỷ lệ tín hiệu / nhiễu là tốt (nhiều tín hiệu, ít nhiễu) thì QPSK sẽ hoạt động tốt hơn BPSK vì nó di chuyển nhiều bit hơn ở cùng tốc độ ký hiệu. Tuy nhiên, nếu SNR là xấu, thì BPSK là lựa chọn tốt hơn vì ít có khả năng nhiễu kèm theo tín hiệu sẽ khiến máy thu bị lỗi. Người nhận khó có thể tìm ra sự dịch pha nào mà một biểu tượng cụ thể được truyền đi khi có 4 lần dịch pha có thể xảy ra so với khi chỉ có 2.

QAM mở rộng QPSK bằng cách thêm điều chế biên độ. Kết quả là có thêm một mức độ tự do - bây giờ tín hiệu truyền có thể sử dụng một loạt các dịch pha và thay đổi biên độ. Tuy nhiên, nhiều mức độ tự do hơn có nghĩa là ít tiếng ồn hơn có thể được chấp nhận. Nếu SNR rất tốt, 802.11n có thể sử dụng 16-QAM và 64-QAM. 16-QAM có 16 tổ hợp biên độ và pha khác nhau trong khi 64-QAM có 64. Mỗi tổ hợp dịch chuyển / biên độ pha được gọi là ký hiệu. Trong BPSK, một bit được truyền cho mỗi ký hiệu. Trong QPSK, 2 bit được truyền cho mỗi ký hiệu. 16-QAM cho phép truyền 4 bit cho mỗi ký hiệu, trong khi 64-QAM cho phép 6 bit. Tốc độ mà các ký hiệu có thể được truyền đi được xác định bởi băng thông kênh; Tôi tin rằng 802.11n có thể truyền 13 hoặc 14,4 triệu ký hiệu mỗi giây. Với băng thông rộng 20 MHz và 64-QAM, 802.11n có thể truyền 72 Mbit / giây.

Khi bạn thêm MIMO trên đầu luồng đó cho nhiều luồng song song và bạn tăng độ rộng kênh lên 40 MHz, thì tốc độ tổng thể có thể tăng lên 600 Mbit / giây.

Nếu bạn muốn tăng tốc độ dữ liệu, bạn có thể tăng băng thông kênh hoặc SNR. FCC và đặc điểm kỹ thuật giới hạn băng thông và công suất truyền. Bạn có thể sử dụng ăng-ten định hướng để cải thiện cường độ tín hiệu thu, nhưng không thể hạ thấp mức nhiễu - nếu bạn có thể tìm ra cách để làm điều đó, bạn có thể kiếm được rất nhiều tiền.

Đầu tiên, bạn không thể chỉ nhận tín hiệu và nhận nó bằng cách thực hiện một loạt các sóng vuông trong không khí. Bạn sử dụng sóng mang (hoạt động ở một tần số nhất định) để điều chỉnh dữ liệu. Ý tưởng là sau đó bạn có thể giải điều chế dữ liệu bằng cách sử dụng máy thu tạo sóng với cùng tần số. Việc điều chế sẽ làm giảm lượng dữ liệu có vẻ rõ ràng bằng tần số sóng mang thô, nhưng không có sóng mang nào đó, bạn không thể khôi phục dữ liệu vì bạn sẽ không thể phân biệt dữ liệu với nhiễu ngẫu nhiên. Cần lưu ý rằng băng thông của tín hiệu sóng mang này là yếu tố xác định tốc độ thực tế. Băng thông là bao nhiêu (các) kỹ thuật điều chế thay đổi tần số thực tế từ tần số sóng mang thuần. Mặc dù, thậm chí giả sử tỷ lệ 1: 1 hoàn hảo (không đúng như đã thảo luận ở trên), bạn phải xem xét chi phí hoạt động của giao thức không dây cấp thấp, giúp giảm tốc độ hữu ích. Thứ hai, bạn có chi phí hoạt động của giao thức cấp cao hơn (thường là ngăn xếp TCP / IP) mà chính nó có phí, do đó làm giảm tốc độ hữu ích ... Sau đó, bạn có thể truyền lại dữ liệu bị hỏng trong quá trình truyền (một lần nữa, thường được xử lý bởi các giao thức cấp cao hơn), điều này thậm chí còn làm giảm băng thông dữ liệu của bạn. Có những lý do này và nhiều lý do khác là tại sao, thậm chí với một băng thông dữ liệu lý thuyết thực tế, băng thông dữ liệu thực tế có thể ít hơn. Sau đó, bạn có thể truyền lại dữ liệu bị hỏng trong quá trình truyền (một lần nữa, thường được xử lý bởi các giao thức cấp cao hơn), điều này thậm chí còn làm giảm băng thông dữ liệu của bạn. Có những lý do này và nhiều lý do khác là tại sao, thậm chí với một băng thông dữ liệu lý thuyết thực tế, băng thông dữ liệu thực tế có thể ít hơn. Sau đó, bạn có thể truyền lại dữ liệu bị hỏng trong quá trình truyền (một lần nữa, thường được xử lý bởi các giao thức cấp cao hơn), điều này thậm chí còn làm giảm băng thông dữ liệu của bạn. Có những lý do này và nhiều lý do khác là tại sao, thậm chí với một băng thông dữ liệu lý thuyết thực tế, băng thông dữ liệu thực tế có thể ít hơn.

Đây thực sự là một chủ đề rất phức tạp. Tuy nhiên, để cung cấp cho bạn một câu trả lời đơn giản, đó là bởi vì FCC có các quy tắc quản lý băng thông và công suất phát mà người ta có thể sử dụng để liên lạc wifi. Điều này là do có nhiều người khác đang cố gắng sử dụng phổ EM cho nhiều loại truyền thông không dây khác nhau (ví dụ như điện thoại di động, wifi, bluetooth, radio am / fm, truyền hình, v.v.). Trong thực tế, tần số sóng mang (2.4GHz) có rất ít liên quan đến băng thông truyền thông (hoặc tốc độ dữ liệu có thể đạt được, đối với vấn đề đó).

Như đã đề cập trước đây, bạn nhầm lẫn băng thông và băng thông; tuy nhiên, không có câu trả lời nào đưa ra lời giải thích trực quan.

Việc giải thích trực quan có thể được thực hiện với bộ loa. Bạn có tiếng bíp cao và tiếng bíp thấp chỉ 1 và 0. Bạn vận chuyển dữ liệu bằng cách xen kẽ tiếng bíp cao và thấp. Bản thân tần số của các âm có rất ít (xem bên dưới) liên quan đến tốc độ bạn thực hiện xen kẽ giữa tiếng bíp cao và thấp.

Sóng Wi-fi giống như sóng âm thanh. Chúng là sóng mang : chúng lấy tín hiệu sóng khối của bạn và chuyển đổi nó thành sóng tần số cao và thấp. Sự khác biệt duy nhất là sóng tần số cao và thấp rất gần nhau và tập trung vào khoảng 2,4 GHz.

Bây giờ, đối với phần mà bạn muốn giới hạn trên. Lấy hệ thống 'tiếng bíp' của chúng tôi: tất nhiên bạn không thể thay đổi tần số âm ( dải ) của tiếng bíp của mình mười lần trong một sóng âm thanh. Vì vậy, có giới hạn thấp hơn khi tốc độ thay đổi tần số có thể nghe thấy dưới dạng tiếng bíp riêng biệt và khi đó chỉ là tiếng bíp méo kỳ lạ. Tốc độ mà bạn có thể thay đổi tần số được gọi là băng thông ; băng thông càng thấp, tiếng bíp càng rõ ràng càng khác biệt (do đó tốc độ liên kết thấp hơn khi thu sóng kém).

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ dung lượng tính theo đơn vị bit / giây. Ở đây, dung lượng có nghĩa là nếu tốc độ thông tin mong muốn trên W đã cho nhỏ hơn C thì sẽ có một mã sửa lỗi có độ phức tạp đủ để người ta có thể đạt được hiệu quả chuyển thông tin xác suất lỗi không tại SNR đã cho. Điều này không liên quan gì đến tần số của nhà mạng và chỉ gián tiếp liên quan đến các quy định của FCC. FCC xác định mức năng lượng có thể được truyền qua băng thông là bao nhiêu, các nhà thiết kế quyết định mức độ phức tạp và công nghệ của hệ thống truyền tải và bạn kết thúc với tốc độ thông tin tối đa vì SNR sẽ phụ thuộc vào khoảng cách mong muốn, công suất và băng thông FCC cho phép. Trên PSTN nơi hệ thống khá tĩnh có định dạng điều chế sử dụng 1024 dạng sóng trong băng thông danh nghĩa 4kHz, kết quả là tốc độ thông tin lý thuyết 40kbit / giây! Nếu một người có thể đạt được sự phức tạp đó trên một kênh di động, người ta có thể có ~ 10x20 = 200Mbit / giây ở SNR đủ cao, sự nhấn mạnh là ở mức đủ cao! Tần số sóng mang càng cao thì tổn thất lan truyền càng cao nhưng càng dễ dàng để các mạch RF hoạt động trên mức đủ cao nhưng băng thông đã cho trước.

Mặc dù có nhiều biến thể theo cách chính xác mọi thứ được thực hiện, thông tin vô tuyến nói chung liên quan đến việc lấy tín hiệu tần số thấp có chứa thông tin cần truyền và sử dụng một kỹ thuật gọi là điều chế ở dải tần số cao hơn. Có lẽ dễ nghĩ nhất về "hộp đen", với hai tín hiệu chứa nhiều tổ hợp tần số khác nhau, sẽ - cho mọi tổ hợp tín hiệu có trong bản gốc, tần số tổng và độ chênh lệch, tỷ lệ với sản phẩm của điểm mạnh của các tín hiệu trong bản gốc. Nếu một nguồn cấp tín hiệu âm thanh chứa tần số trong phạm vi 0-10KHz cùng với sóng hình sin 720.000Hz [sóng mang được sử dụng bởi WGN-720 Chicago], người ta sẽ nhận được từ hộp một tín hiệu chỉ chứa tần số trong phạm vi từ 710.000Hz đến 730.000Hz. Nếu một máy thu cấp tín hiệu đó vào một hộp tương tự, cùng với tín hiệu hình sin 720.000Hz của chính nó, nó sẽ nhận được từ tín hiệu hộp đó trong phạm vi 0-10Khz, cùng với các tín hiệu trong phạm vi từ 1.430.000Hz đến 1.450.000Hz. Các tín hiệu trong 0-10Khz sẽ khớp với bản gốc; những người trong phạm vi 1.430.000Hz đến 1.450.000Hz có thể bị bỏ qua.

Nếu ngoài WGN, một trạm khác đang phát sóng (ví dụ WBBM-780), thì các tín hiệu trong phạm vi 770.000Hz đến 790.000Hz được truyền bởi bộ thu sẽ được chuyển đổi bởi máy thu thành tín hiệu trong phạm vi 50.000Hz đến 70.000Hz (như cũng như 1.490.000Hz đến 1.510.000Hz). Vì máy thu radio được thiết kế dựa trên giả định rằng không có âm thanh quan tâm nào có tần số trên 10.000Hz, nên nó có thể bỏ qua tất cả các tần số cao hơn.

Mặc dù dữ liệu WiFi được chuyển đổi thành tần số gần 2,4 GHz trước khi truyền, tần số quan tâm "thực" thấp hơn nhiều . Để tránh việc truyền phát WiFi gây trở ngại cho các chương trình phát sóng khác, việc truyền WiFi phải cách xa tần số được sử dụng bởi các truyền phát khác mà bất kỳ nội dung tần số không mong muốn nào họ có thể nhận được đều khác với những gì họ đang tìm kiếm. sẽ từ chối nó

Lưu ý rằng phương pháp trộn "hộp đen" đối với thiết kế radio là một chút đơn giản hóa; Mặc dù về mặt lý thuyết, máy thu radio có thể sử dụng mạch kết hợp tần số trên tín hiệu chưa được lọc và sau đó lọc qua đầu ra, thông thường cần phải sử dụng nhiều giai đoạn lọc và khuếch đại. Hơn nữa, vì nhiều lý do, các máy thu radio thường dễ dàng trộn tín hiệu đến không phải với tần số sóng mang thực tế, mà là tần số có thể điều chỉnh cao hơn hoặc thấp hơn một lượng nhất định (thuật ngữ "* hetero * dyne" dùng để chỉ việc sử dụng tần số "khác nhau"), lọc tín hiệu kết quả và sau đó chuyển đổi tín hiệu đã lọc thành tần số cuối cùng mong muốn. Vẫn,

Câu trả lời đơn giản là nó có thể được thực hiện. Bạn có thể "điều chỉnh bất kỳ" sóng mang nào với bất kỳ tín hiệu nào bạn muốn.

Giả sử một người được phép làm điều đó, câu hỏi là, nó sẽ hữu ích như thế nào? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta phải hiểu điều gì xảy ra khi điều chỉnh một sóng mang. Chúng ta hãy sử dụng sóng mang hoạt động ở tần số 1 MHz (1.000KHz) và chúng tôi điều chỉnh nó với tín hiệu thay đổi từ 0 đến 100KHz. Việc "trộn" các tín hiệu tạo ra các tín hiệu trong phạm vi từ 900 đến 1.100 KHz. Tương tự, nếu chúng ta sử dụng 0 đến 1.000 KHz, phạm vi của các tín hiệu được tạobây giờ trở thành 0 đến 2.000 KHz. Nếu bây giờ chúng ta áp dụng các tín hiệu này cho ăng ten, chúng ta sẽ truyền tín hiệu trong phạm vi từ 0 đến 2.000 KHz. Nếu hai hoặc nhiều người "gần đó" làm như vậy, các tín hiệu sẽ gây nhiễu lẫn nhau và người nhận sẽ không thể phát hiện bất kỳ thông tin nào. Nếu chúng ta giới hạn công suất cho ăng-ten, hai hoặc nhiều cá nhân có thể "hoạt động" với ít nhiễu, nếu chúng được phân tách đủ .

Mặc dù về mặt lý thuyết, một máy phát có thể hoạt động bằng toàn bộ phổ EM, nhưng điều đó là không thực tế, bởi vì những người khác cũng muốn sử dụng nó, và giống như trong các tình huống khác khi tài nguyên bị hạn chế và nhu cầu vượt quá nguồn cung, tài nguyên phải bị "cắt lên ", chia sẻ, giới hạn và kiểm soát.