Por que o Wi-Fi não pode ser executado a 2,4 Gbit / s?

Então o Wi-Fi funciona na faixa de 2,4 GHz, sim (e os novos 5 GHz)? O que significa que a cada segundo, uma antena Wi-Fi gera 2,4 bilhões de pulsos de onda quadrada, certo?

Fiquei pensando: por que ele não pode transmitir dados em todos os pulsos e ser capaz de enviar dados a 2,4 Gbit / s? Mesmo se 50% disso fosse codificação de dados, ainda seria 1,2 Gbit / s.

Ou entendi como o Wi-Fi funciona errado ...?

Você está confundindo bandcom bandwidth.

• Banda - a frequência da operadora.
• Largura de banda - a largura do sinal, geralmente em torno da operadora.

Portanto, um sinal 802.11b típico pode operar em uma portadora de 2,4 GHz - a banda - ocupará apenas 22 MHz do espectro - a largura de banda.

É a largura de banda que determina a taxa de transferência do link, não a banda. A banda é melhor pensada como uma faixa de tráfego. Várias pessoas podem estar transferindo dados ao mesmo tempo, mas em faixas diferentes.

Algumas faixas são maiores e podem transportar mais dados. Alguns são menores. As comunicações de voz são geralmente de 12kHz ou menos. Os padrões wifi mais recentes permitem largura de banda de até 160 MHz de largura.

Lembre-se de que, embora a largura de banda e os bits enviados estejam intrinsecamente vinculados, também há uma conversão relacionada à eficiência. Os protocolos mais eficientes podem transmitir mais de dez bits por Hz de largura de banda. O Wifi a / g tem uma eficiência de 2,7 bits por segundo por hertz, para que você possa transmitir até 54Mbps em sua largura de banda de 20MHz. Os padrões wifi mais recentes ultrapassam os 5 bps por Hz.

Isso significa que, se você deseja 2 Gbits por segundo, na verdade não precisa de uma largura de banda de 2 GHz, precisa apenas de uma alta eficiência espectral, e hoje isso é frequentemente dado usando a tecnologia MIMO, além de uma modulação muito eficiente. Por exemplo, agora você pode comprar um roteador wifi 802.11ac que fornece taxa de transferência total de até 3.2Gbps (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

A largura de banda do sinal Wifi não é nada como 2.4GHz - é 20 ou 40MHZ.

O que você está sugerindo (banda base de 2,4 GHz) usaria todo o espectro EM para 2,4 GHz para um único canal de comunicação.

Como você pode ver a partir desta , é já muito bem usado para várias outras coisas:

Essencialmente, a operadora de 2,4 GHz oscila um pouco para enviar dados e isso permite que muitos canais sejam transmitidos simultaneamente, deixando ainda muito espectro para outras aplicações, como controles remotos de chaves, rádio AM / FM, transponders em navios e aeronaves, e em breve.

Para que o sinal Wi-Fi de 2,4 GHz evite pisar nos sinais do telefone móvel de 900/1800 MHz, sinais FM de 100 MHz e toda uma vasta gama de outros sinais, há um limite rígido para quanto o sinal é permitido diferem de uma onda senoidal de 2,4 GHz . Essa é uma maneira leiga de entender a "largura de banda".

O objetivo de ter um transmissor a 2412 MHz e outro a 2484 MHz, por exemplo, é que um receptor pode filtrar todos os sinais, exceto aquele em que está interessado. Você faz isso suprimindo todas as frequências fora da banda em que está interessado. .

Agora, se você pegar qualquer sinal e filtrar tudo acima de 2422 MHz e tudo abaixo de 2402 MHz, você terá algo que não pode se desviar tanto de uma onda senoidal de 2412 MHz. É assim que a filtragem de frequência funciona.

Eu expandi um pouco essa resposta, adicionando algumas imagens nessa resposta .

A frequência da operadora usada pelo Wi-Fi é de 2,4 GHz, mas a largura do canal é muito menor que isso. O Wi-Fi pode usar canais de largura de 20 ou 40 MHz e vários esquemas de modulação dentro desses canais.

Uma onda senoidal não modulada em 2,4 GHz consumiria largura de banda zero, mas também transmitiria informações zero. Modular a onda portadora em amplitude e frequência permite que os dados sejam transmitidos. Quanto mais rápida a modulação da onda portadora, mais largura de banda será consumida. Se você modular AM uma onda senoidal de 2,4 GHz com um sinal de 10 MHz, o resultado consumirá 20 MHz de largura de banda com frequências variando de 2,39 GHz a 2,41 GHz (soma e diferença de 10 MHz e 2,4 GHz).

Agora, o Wi-Fi não usa modulação AM; O 802.11n, na verdade, suporta uma ampla variedade de diferentes formatos de modulação. A escolha do formato de modulação depende da qualidade do canal - por exemplo, a relação sinal / ruído. Os formatos de modulação incluem BPSK, QPSK e QAM. BPSK e QPSK são chaveamento de mudança de fase binária e em quadratura. QAM é uma modulação em amplitude em quadratura. O BPSK e o QPSK funcionam mudando a fase da onda portadora de 2,4 GHz. A taxa na qual o transmissor pode alterar a fase portadora é limitada pela largura de banda do canal. A diferença entre BPSK e QPSK é a granularidade - o BPSK possui dois turnos de fase diferentes, o QPSK possui quatro. Essas diferentes mudanças de fase são chamadas de 'símbolos' e a largura de banda do canal limita quantos símbolos podem ser transmitidos por segundo, mas não a complexidade dos símbolos. Se a relação sinal / ruído for boa (muito sinal, pouco ruído), o QPSK terá um desempenho melhor que o BPSK, pois move mais bits na mesma taxa de símbolo. No entanto, se o SNR estiver ruim, o BPSK é uma escolha melhor, pois é menos provável que o ruído incluído no sinal faça com que o receptor cometa um erro. É mais difícil para o receptor descobrir com qual mudança de fase um símbolo específico foi transmitido quando há quatro mudanças de fase possíveis do que quando há apenas duas.

O QAM estende o QPSK adicionando modulação de amplitude. O resultado é um grau extra de liberdade - agora o sinal transmitido pode usar uma variedade de mudanças de fase e alterações de amplitude. No entanto, mais graus de liberdade significa que menos ruído pode ser tolerado. Se o SNR for muito bom, o 802.11n pode usar 16-QAM e 64-QAM. 16-QAM possui 16 combinações diferentes de amplitude e fase, enquanto 64-QAM possui 64. Cada combinação de mudança de fase / amplitude é chamada de símbolo. No BPSK, um bit é transmitido por símbolo. No QPSK, 2 bits são transmitidos por símbolo. 16-QAM permite que 4 bits sejam transmitidos por símbolo, enquanto 64-QAM permite 6 bits. A taxa na qual os símbolos podem ser transmitidos é determinada pela largura de banda do canal; Acredito que o 802.11n pode transmitir 13 ou 14,4 milhões de símbolos por segundo. Com uma largura de banda de 20 MHz e 64-QAM, o 802.11n pode transferir 72 Mbit / s.

Quando você adiciona MIMO em cima disso para vários fluxos paralelos e aumenta a largura do canal para 40 MHz, a taxa geral pode aumentar para 600 Mbit / s.

Se você deseja aumentar a taxa de dados, pode aumentar a largura de banda do canal ou o SNR. A FCC e a especificação limitam a largura de banda e a potência de transmissão. É possível usar antenas direcionais para melhorar a intensidade do sinal de recebimento, mas não é possível diminuir o nível de ruído - se você puder descobrir como fazer isso, poderá ganhar muito dinheiro.

Em primeiro lugar, você não pode simplesmente pegar um sinal e recebê-lo fazendo várias ondas quadradas no ar. Você usa uma onda portadora (operando em uma determinada frequência) para modular os dados. A idéia é que você pode desmodular os dados usando um receptor que gera uma onda na mesma frequência. A modulação reduz a quantidade de dados que podem parecer aparentes pela frequência bruta da onda portadora, mas sem uma onda portadora de algum tipo, você não pode recuperar os dados, pois não será possível distinguir os dados do ruído aleatório. Deve-se notar que a largura de banda desse sinal de portadora é o que define a velocidade real. A largura de banda é o quanto a (s) técnica (s) de modulação varia a frequência real da frequência portadora pura. Embora, mesmo assumindo uma proporção perfeita de 1: 1 (o que não é verdade conforme discutido acima), você deve considerar a sobrecarga do protocolo sem fio de baixo nível, o que reduz a velocidade útil. Em segundo lugar, você tem a sobrecarga do protocolo de nível superior (geralmente pilha TCP / IP) que possui sobrecarga, reduzindo assim a velocidade útil ... Então você tem possíveis retransmissões de dados que foram corrompidos na transmissão (novamente, geralmente manipulados pelos protocolos de nível superior), o que reduz ainda mais sua largura de banda de dados. Existem essas e muitas outras razões pelas quais, mesmo com uma largura de banda de dados teórica real, a largura de banda de dados real pode ser menor. Então você tem possíveis retransmissões de dados que foram corrompidos na transmissão (novamente, geralmente manipulados pelos protocolos de nível superior), o que reduz ainda mais a largura de banda de dados. Existem essas e muitas outras razões pelas quais, mesmo com uma largura de banda de dados teórica real, a largura de banda de dados real pode ser menor. Então você tem possíveis retransmissões de dados que foram corrompidos na transmissão (novamente, geralmente manipulados pelos protocolos de nível superior), o que reduz ainda mais a largura de banda de dados. Existem essas e muitas outras razões pelas quais, mesmo com uma largura de banda de dados teórica real, a largura de banda de dados real pode ser menor.

Este é realmente um tópico muito complicado. No entanto, para lhe dar uma resposta simples, é porque a FCC possui regras em vigor que regem a largura de banda e a potência do transmissor que pode ser usada para comunicações por Wi-Fi. Isso ocorre porque muitas outras pessoas estão tentando usar o espectro EM para vários tipos de comunicação sem fio (por exemplo, telefones celulares, wifi, bluetooth, rádio am / fm, televisão, etc.). De fato, a frequência da portadora (2,4 GHz) tem muito pouco a ver com a largura de banda das comunicações (ou a taxa de dados que pode ser alcançada, nesse sentido).

Como mencionado anteriormente, você está confundindo banda e largura de banda; no entanto, nenhuma das respostas fornece uma explicação intuitiva.

A explicação intuitiva pode ser feita com os alto-falantes definidos. Você tem um bipe alto e um bipe baixo indicando 1 e 0. Você transporta os dados alternando os bipes alto e baixo. A frequência dos sons em si tem pouco (veja abaixo) a ver com a rapidez com que você alterna entre bipes altos e baixos.

As ondas Wi-fi são muito parecidas com as ondas sonoras. São ondas portadoras : pegam seu sinal de onda em bloco e o convertem em ondas de alta e baixa frequência. A única diferença é que as ondas de alta e baixa frequência estão muito próximas e centralizadas em torno de 2,4 GHz.

Agora, para a parte em que você deseja o limite superior. Tomando nosso sistema de 'bipe': é claro que você não pode alterar a frequência do tom ( banda ) dos seus bipes dez vezes durante uma única onda sonora. Portanto, há um limite mais baixo para quando a frequência da taxa de alterações se torna audível como sinais sonoros distintos e quando é apenas um sinal distorcido estranho. A taxa na qual você pode alterar a frequência é chamada de largura de banda ; quanto menor a largura de banda, melhores serão os sinais sonoros como distintos (daí a menor velocidade do link quando a recepção for ruim).

O teorema da capacidade de Shannon diz que, se dado o SNR recebido na largura de banda W no ruído normal aditivo, o canal tem

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ capacidade em unidades de bits / s. Aqui capacidade significa que, se a taxa de informações desejada sobre o W fornecido for menor que C, haverá um código de correção de erros de complexidade suficiente com o qual é possível obter efetivamente a transferência de informações com probabilidade zero de erro no SNR fornecido. Isso não tem nada a ver com a frequência da operadora e apenas indiretamente está relacionado aos regulamentos da FCC. A FCC determina quanta energia pode ser transmitida sobre qual largura de banda, os projetistas decidem sobre a complexidade e a tecnologia do sistema de transmissão e o usuário finaliza com a taxa máxima de informações, pois o SNR dependerá da distância desejada, da potência e da largura de banda. A FCC permite. Na PSTN, onde o sistema é bastante estático, existe um formato de modulação que usa 1024 formas de onda na largura de banda nominal de 4kHz, resultando em uma taxa de informação teórica de 40kbit / s! Se alguém conseguisse atingir essa complexidade em um canal móvel, poderia ter ~ 10x20 = 200Mbit / s em SNR suficientemente alto, a ênfase está no suficientemente alto! Quanto maior a frequência da portadora, maiores são as perdas de propagação, mas mais fácil é fazer com que os circuitos de RF operem sobre uma largura de banda suficientemente alta, mas a priori, dada a largura de banda.

Embora existam variações na maneira exata como as coisas são implementadas, as comunicações por rádio geralmente envolvem a tomada de um sinal de baixa frequência que contém informações a serem transmitidas e o uso de uma técnica chamada modulação para uma faixa mais alta de frequências. Talvez seja mais fácil pensar em termos de uma "caixa preta" que, dados dois sinais contendo várias combinações de frequências, irá - para cada combinação de sinais presentes no original, as frequências de soma e diferença, proporcionalmente ao produto do forças dos sinais no original. Se você alimentar um sinal de áudio contendo frequências na faixa de 0 a 10KHz, juntamente com uma onda senoidal de 720.000Hz [a operadora usada pelo WGN-720 Chicago], receberá da caixa um sinal contendo apenas frequências na faixa de 710.000Hz a 730.000Hz. Se um receptor alimenta esse sinal em uma caixa semelhante, junto com sua própria onda senoidal de 720.000Hz, receberá dessa caixa sinais no intervalo de 0 a 10KHz, juntamente com sinais no intervalo de 1.430.000Hz a 1.450.000Hz. Os sinais no 0-10Khz corresponderão aos originais; aqueles na faixa de 1.430.000Hz a 1.450.000Hz podem ser ignorados.

Se, além do WGN, outra estação estiver transmitindo (por exemplo, WBBM-780), os sinais no intervalo de 770.000Hz a 790.000Hz transmitidos por este último serão convertidos pelo receptor em sinais no intervalo de 50.000Hz a 70.000Hz (como 1.490.000Hz a 1.510.000Hz). Como o receptor de rádio é projetado com base no pressuposto de que nenhum áudio de interesse envolverá frequências acima de 10.000Hz, ele pode ignorar todas as frequências mais altas.

Embora os dados WiFi sejam convertidos em frequências próximas a 2,4 GHz antes da transmissão, as frequências "reais" de interesse são muito mais baixas. Para evitar que as transmissões de WiFi interfiram com outras transmissões, as transmissões de WiFi devem ficar longe o suficiente das frequências usadas por essas outras transmissões para que qualquer conteúdo de frequência indesejado que eles possam receber seja suficientemente diferente do que eles estão procurando '. vou rejeitá-lo.

Observe que a abordagem do mixer da "caixa preta" para o design de rádio é um pouco de simplificação; embora seja teoricamente possível para um receptor de rádio usar um circuito de combinação de frequência em um sinal não filtrado e depois filtrar passa-baixo a saída, geralmente é necessário usar vários estágios de filtragem e amplificação. Além disso, por várias razões, geralmente é mais fácil para os receptores de rádio misturar um sinal de entrada não com a frequência de interesse real da operadora, mas com uma frequência ajustável que é maior ou menor em uma certa quantidade (o termo "* hetero * dyne" se refere a uso de frequência "diferente"), filtre o sinal resultante e depois converta esse sinal filtrado na frequência final desejada. Ainda,

A resposta simples é que isso pode ser feito. Você pode "modular qualquer" operadora com qualquer sinal que desejar.

Supondo que alguém possa fazê-lo, a questão é: quão útil seria? Para responder a essa pergunta, precisamos entender o que acontece quando alguém modula uma transportadora. Vamos pegar uma operadora operando a 1 MHz (1.000KHz) e a modulamos com um sinal que varia de 0 a 100KHz. A "mistura" dos sinais gera sinais na faixa de 900 a 1.100 KHz. Da mesma forma, se usarmos de 0 a 1.000 KHz, o alcance dos sinais geradosagora se torna de 0 a 2.000 KHz. Se agora aplicarmos esses sinais a uma antena, estaremos transmitindo sinais na faixa de 0 a 2.000 KHz. Se duas ou mais pessoas "próximas" fizessem o mesmo, os sinais interfeririam entre si e os receptores não seriam capazes de detectar nenhuma informação. Se limitarmos a potência da antena, dois ou mais indivíduos poderão "operar" com pouca interferência, se estiverem suficientemente separados.

Embora teoricamente, um transmissor possa operar usando todo o espectro EM, isso é impraticável, porque outras pessoas também o desejam e, como em outras situações em que um recurso é limitado e a demanda excede a oferta, o recurso deve ser "cortado". up ", compartilhado, limitado e controlado.