¿Por qué no se puede ejecutar Wi-Fi a 2,4 Gbit / s?

Entonces, el Wi-Fi se ejecuta en la banda de 2.4 GHz, sí (y los nuevos de 5 GHz). Lo que significa que cada segundo, una antena Wi-Fi genera 2.4 mil millones de pulsos de onda cuadrada, ¿verdad?

Entonces me preguntaba, ¿por qué no puede transmitir datos en cada pulso y poder enviar datos a 2.4 Gbit / s? Incluso si el 50% de eso fuera codificación de datos, entonces todavía sería 1.2 Gbit / s.

¿O tengo el concepto de cómo funciona el Wi-Fi mal ...?

Estás confundiendo bandcon bandwidth.

• Banda: la frecuencia de la portadora.
• Ancho de banda: el ancho de la señal, generalmente alrededor de la portadora.

Por lo tanto, una señal 802.11b típica puede operar en una portadora de 2.4GHz, la banda, solo ocupará 22MHz del espectro, el ancho de banda.

Es el ancho de banda lo que determina el rendimiento del enlace, no la banda. La banda se considera mejor como un carril de tráfico. Varias personas pueden estar transfiriendo datos al mismo tiempo, pero en diferentes carriles.

Algunos carriles son más grandes y pueden transportar más datos. Algunos son mas pequeños. Las comunicaciones de voz suelen ser de unos 12 kHz o menos. Los estándares wifi más nuevos permiten un ancho de banda de hasta 160MHz de ancho.

Tenga en cuenta que si bien el ancho de banda y los bits enviados están intrínsecamente vinculados, también hay una conversión, que está relacionada con la eficiencia. Los protocolos más eficientes pueden transmitir más de diez bits por Hz de ancho de banda. Wifi a / g tiene una eficiencia de 2.7 bits por segundo por hertz, por lo que puede transmitir hasta 54Mbps sobre su ancho de banda de 20MHz. Los estándares wifi más nuevos superan los 5 bps por Hz.

Esto significa que si desea 2 Gbits por segundo, en realidad no necesita un ancho de banda de 2 GHz, solo necesita una alta eficiencia espectral, y hoy en día eso se da con la tecnología MIMO además de una modulación muy eficiente. Por ejemplo, ahora puede comprar un enrutador wifi 802.11ac que proporciona un rendimiento total de hasta 3.2 Gbps (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

El ancho de banda de la señal Wifi no se parece en nada a 2.4GHz: son 20 o 40MHZ.

Lo que está sugiriendo (banda base de 2.4GHz) usaría todo el espectro EM a 2.4GHz para un solo canal de comunicación.

Como puede ver en esto , ya está bastante bien utilizado para varias otras cosas:

Esencialmente, la portadora de 2.4GHz se tambalea un poco para enviar datos y eso permite que muchos canales se transmitan simultáneamente, al tiempo que deja un amplio espectro para otras aplicaciones como mandos a distancia, radio AM / FM, transpondedores en barcos y aviones, y pronto.

Para que la señal Wi-Fi de 2.4 GHz evite pisotear las señales de teléfonos móviles de 900/1800 MHz, las señales de FM de 100 MHz y una amplia gama de otras señales, hay un límite estricto en cuanto a la cantidad de señal permitida difieren de una onda sinusoidal de 2,4 GHz . Esa es una forma laica de entender el "ancho de banda".

El punto de tener un transmisor a 2412 MHz y otro a 2484 MHz, por ejemplo, es que un receptor puede filtrar todas las señales, excepto la que le interesa. Lo hace suprimiendo todas las frecuencias fuera de la banda que le interesa. .

Ahora, si toma alguna señal y filtra todo por encima de 2422 MHz y todo por debajo de 2402 MHz, le queda algo que no puede desviarse tanto de una onda sinusoidal de 2412 MHz. Así es como funciona el filtrado de frecuencia.

Me he expandido un poco en esta respuesta, agregando algunas imágenes, en esta respuesta .

La frecuencia de la portadora utilizada por Wi-Fi es de 2,4 GHz, pero el ancho del canal es mucho menor que esto. Wi-Fi puede usar canales de 20 MHz o 40 MHz de ancho y varios esquemas de modulación dentro de estos canales.

Una onda sinusoidal no modulada a 2,4 GHz consumiría un ancho de banda cero, pero también transmitiría información cero. La modulación de la onda portadora en amplitud y frecuencia permite la transmisión de datos. Cuanto más rápido se modula la onda portadora, más ancho de banda consumirá. Si AM modula una onda sinusoidal de 2.4 GHz con una señal de 10 MHz, el resultado consumirá 20 MHz de ancho de banda con frecuencias que van desde 2.39 GHz a 2.41 GHz (suma y diferencia de 10 MHz y 2.4 GHz).

Ahora, Wi-Fi no usa modulación AM; 802.11n en realidad admite una amplia gama de diferentes formatos de modulación. La elección del formato de modulación depende de la calidad del canal, por ejemplo, la relación señal / ruido. Los formatos de modulación incluyen BPSK, QPSK y QAM. BPSK y QPSK son modulación por desplazamiento de fase binaria y en cuadratura. QAM es modulación de amplitud en cuadratura. BPSK y QPSK funcionan cambiando la fase de la onda portadora de 2.4 GHz. La velocidad a la que el transmisor puede cambiar la fase de la portadora está limitada por el ancho de banda del canal. La diferencia entre BPSK y QPSK es la granularidad: BPSK tiene dos cambios de fase diferentes, QPSK tiene cuatro. Estos cambios de fase diferentes se denominan 'símbolos' y el ancho de banda del canal limita cuántos símbolos se pueden transmitir por segundo, pero no la complejidad de los símbolos. Si la relación señal / ruido es buena (mucha señal, poco ruido), entonces QPSK funcionará mejor que BPSK porque mueve más bits a la misma velocidad de símbolos. Sin embargo, si la SNR es mala, entonces BPSK es una mejor opción porque es menos probable que el ruido incluido con la señal haga que el receptor cometa un error. Es más difícil para el receptor averiguar con qué cambio de fase se transmitió un símbolo en particular cuando hay 4 cambios de fase posibles que cuando solo hay 2.

QAM extiende QPSK agregando modulación de amplitud. El resultado es un grado extra de libertad: ahora la señal transmitida puede usar un rango de cambios de fase y cambios de amplitud. Sin embargo, más grados de libertad significa que se puede tolerar menos ruido. Si la SNR es muy buena, 802.11n puede usar 16-QAM y 64-QAM. 16-QAM tiene 16 combinaciones diferentes de amplitud y fase, mientras que 64-QAM tiene 64. Cada combinación de desplazamiento de fase / amplitud se denomina símbolo. En BPSK, se transmite un bit por símbolo. En QPSK, se transmiten 2 bits por símbolo. 16-QAM permite transmitir 4 bits por símbolo, mientras que 64-QAM permite 6 bits. La velocidad a la que se pueden transmitir los símbolos está determinada por el ancho de banda del canal; Creo que 802.11n puede transmitir 13 o 14,4 millones de símbolos por segundo. Con un ancho de banda de 20 MHz y 64-QAM, 802.11n puede transferir 72 Mbit / seg.

Cuando agrega MIMO además de eso para múltiples flujos paralelos y aumenta el ancho del canal a 40 MHz, la velocidad general puede aumentar a 600 Mbit / seg.

Si desea aumentar la velocidad de datos, puede aumentar el ancho de banda del canal o la SNR. La FCC y la especificación limitan el ancho de banda y la potencia de transmisión. Es posible utilizar antenas direccionales para mejorar la intensidad de la señal de recepción, pero no es posible reducir el ruido de fondo; si puede descubrir cómo hacerlo, podría ganar muchísimo dinero.

En primer lugar, no puedes simplemente tomar una señal y recibirla haciendo un montón de ondas cuadradas en el aire. Utiliza una onda portadora (que opera a una determinada frecuencia) para modular los datos. La idea es que luego puede demodular los datos utilizando un receptor que genera una onda a la misma frecuencia. La modulación reduce la cantidad de datos que puede parecer aparente por la frecuencia de onda portadora sin procesar, pero sin una onda portadora de algún tipo, no puede recuperar los datos ya que no podrá distinguir los datos del ruido aleatorio. Cabe señalar que el ancho de banda de esta señal portadora es lo que define la velocidad real. El ancho de banda es cuánto varían las técnicas de modulación de la frecuencia real de la frecuencia portadora pura. Sin embargo, incluso suponiendo una relación perfecta de 1: 1 (que no es cierto como se discutió anteriormente), debe tener en cuenta la sobrecarga del protocolo inalámbrico de bajo nivel, que reduce la velocidad útil. En segundo lugar, tiene la sobrecarga del protocolo de nivel superior (generalmente la pila TCP / IP) que también tiene sobrecarga, lo que reduce la velocidad útil ... Luego, tiene posibles retransmisiones de datos que se corrompieron en la transmisión (nuevamente, generalmente se maneja por los protocolos de nivel superior), lo que reduce aún más su ancho de banda de datos. Existen estas y muchas otras razones por las cuales, incluso dado un ancho de banda de datos teórico real, el ancho de banda de datos real puede ser menor. Luego tiene posibles retransmisiones de datos que se corrompieron en la transmisión (nuevamente, generalmente manejados por los protocolos de nivel superior), lo que reduce aún más su ancho de banda de datos. Existen estas y muchas otras razones por las cuales, incluso dado un ancho de banda de datos teórico real, el ancho de banda de datos real puede ser menor. Luego tiene posibles retransmisiones de datos que se corrompieron en la transmisión (nuevamente, generalmente manejados por los protocolos de nivel superior), lo que reduce aún más su ancho de banda de datos. Existen estas y muchas otras razones por las cuales, incluso dado un ancho de banda de datos teórico real, el ancho de banda de datos real puede ser menor.

Este es un tema muy complicado de hecho. Sin embargo, para darle una respuesta simple, es porque la FCC tiene reglas establecidas que gobiernan el ancho de banda y la potencia del transmisor que uno puede usar para las comunicaciones wifi. Esto se debe a que hay muchas otras personas que intentan utilizar el espectro EM para varios tipos de comunicaciones inalámbricas (por ejemplo, teléfonos celulares, wifi, bluetooth, radio am / fm, televisión, etc.). De hecho, la frecuencia de la portadora (2,4 GHz) tiene muy poco que ver con el ancho de banda de las comunicaciones (o la velocidad de datos que se puede lograr, para el caso).

Como se mencionó anteriormente, estás confundiendo banda y ancho de banda; sin embargo, ninguna de las respuestas da una explicación intuitiva.

La explicación intuitiva podría hacerse con el conjunto de altavoces. Tiene un pitido alto y un pitido bajo que indican 1 y 0. Se transportan los datos alternando los pitidos alto y bajo. La frecuencia de los tonos en sí tiene poco que ver (ver más abajo) con la rapidez con la que alternan los pitidos altos y bajos.

Las ondas wifi son muy parecidas a las ondas sonoras. Son ondas portadoras : toman su señal de onda de bloque y la convierten en ondas de alta y baja frecuencia. La única diferencia es que las ondas de alta y baja frecuencia están muy juntas y centradas alrededor de 2.4GHz.

Ahora, para la parte donde desea el límite superior. Tomando nuestro sistema de 'pitido': por supuesto, no puede cambiar la frecuencia de tono ( banda ) de sus pitidos diez veces durante una sola onda de sonido. Por lo tanto, hay un límite inferior para cuando la frecuencia de la frecuencia de cambios se vuelve audible como pitidos distintos, y cuando es solo un pitido extraño y distorsionado. La velocidad a la que puede cambiar la frecuencia se denomina ancho de banda ; cuanto menor sea el ancho de banda, mejores sonarán los pitidos (por lo tanto, la velocidad de enlace más baja cuando la recepción es mala).

El teorema de la capacidad de Shannon dice que si se da la SNR recibida en el ancho de banda W en ruido normal aditivo, el canal tiene

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ capacidad en unidades de bits / seg. Aquí, la capacidad significa que si la velocidad de información deseada sobre el W dado es menor que C, entonces habrá un código de corrección de errores de suficiente complejidad con el cual se puede lograr efectivamente la transferencia de información de probabilidad de error cero en la SNR dada. Esto no tiene nada que ver con la frecuencia de la portadora y solo está indirectamente relacionado con las regulaciones de la FCC. La FCC determina cuánta potencia se puede transmitir a través de qué ancho de banda, los diseñadores deciden sobre la complejidad y la tecnología del sistema de transmisión y el usuario finaliza con la tasa de información máxima, ya que la SNR dependerá de la distancia deseada, la potencia y el ancho de banda. FCC lo permite. Sobre la PSTN, donde el sistema es bastante estático, hay un formato de modulación que utiliza 1024 formas de onda en un ancho de banda nominal de 4 kHz, ¡lo que resulta en una tasa de información teórica de 40kbit / seg! Si uno pudiera lograr esa complejidad sobre un canal móvil, podría tener ~ 10x20 = 200Mbit / seg a una SNR suficientemente alta, ¡el énfasis está en lo suficientemente alto! Cuanto mayor es la frecuencia de la portadora, mayores son las pérdidas de propagación, pero más fácil es hacer que los circuitos de RF funcionen con un ancho de banda dado suficientemente alto pero a priori.

Aunque existen variaciones en la forma exacta en que se implementan las cosas, las comunicaciones de radio generalmente implican tomar una señal de baja frecuencia que contiene información para transmitir, y usar una técnica llamada modulación a un rango más alto de frecuencias. Quizás sea más fácil pensar en términos de una "caja negra" que, dadas dos señales que contienen varias combinaciones de frecuencias, para cada combinación de señales presentes en el original, las frecuencias de suma y diferencia, en proporción al producto del fortalezas de las señales en el original. Si uno alimenta una señal de audio que contiene frecuencias en el rango de 0-10 kHz junto con una onda sinusoidal de 720,000Hz [la portadora utilizada por WGN-720 Chicago], recibirá de la caja una señal que contiene solo frecuencias en el rango de 710,000Hz a 730,000Hz. Si un receptor alimenta esa señal en una caja similar, junto con su propia onda sinusoidal de 720,000Hz, recibirá de esa caja señales en el rango de 0-10Khz, junto con señales en el rango de 1,430,000Hz a 1,450,000Hz. Las señales en 0-10Khz coincidirán con los originales; aquellos en el rango de 1,430,000Hz a 1,450,000Hz pueden ser ignorados.

Si además de WGN, otra estación está transmitiendo (por ejemplo, WBBM-780), entonces las señales en el rango de 770,000Hz a 790,000Hz transmitidas por este último serán convertidas por el receptor en señales en el rango de 50,000Hz a 70,000Hz (como así como 1,490,000Hz a 1,510,000Hz). Dado que el receptor de radio está diseñado asumiendo que ningún audio de interés involucrará frecuencias superiores a 10,000Hz, puede ignorar todas las frecuencias más altas.

Aunque los datos de WiFi se convierten a frecuencias cercanas a 2,4 GHz antes de la transmisión, las frecuencias de interés "reales" son mucho más bajas. Para evitar que las transmisiones WiFi interfieran con otras transmisiones, las transmisiones WiFi deben mantenerse lo suficientemente alejadas de las frecuencias utilizadas por esas otras transmisiones para que cualquier contenido de frecuencia no deseado que puedan recibir sea lo suficientemente diferente de lo que están buscando que ' Lo rechazaré.

Tenga en cuenta que el enfoque del mezclador de "caja negra" para el diseño de radio es un poco simplificado; Si bien sería teóricamente posible que un receptor de radio use un circuito de combinación de frecuencia en una señal sin filtrar y luego filtre la salida en paso bajo, generalmente es necesario usar múltiples etapas de filtrado y amplificación. Además, por varias razones, a menudo es más fácil para los receptores de radio mezclar una señal entrante no con la frecuencia de portadora real de interés, sino con una frecuencia ajustable que es mayor o menor en cierta cantidad (el término "* hetero * dyne" se refiere a el uso de frecuencia "diferente"), filtre la señal resultante y luego convierta esa señal filtrada a la frecuencia final deseada. Todavía,

La respuesta simple es que se puede hacer. Puede "modular cualquier" operador con cualquier señal que desee.

Suponiendo que se le permita a uno hacerlo, la pregunta es, ¿qué tan útil sería? Para responder a esta pregunta, debemos entender qué sucede cuando uno modula un operador. Tomemos una portadora que funcione a 1 MHz (1,000KHz) y la modulamos con una señal que varía de 0 a 100KHz. La "mezcla" de las señales genera señales en el rango de 900 a 1,100 KHz. Del mismo modo, si usamos 0 a 1,000 KHz, el rango de las señales generadas ahora se convierte en 0 a 2,000 KHz. Si ahora aplicamos estas señales a una antena, estaríamos transmitiendo señales en el rango de 0 a 2,000 KHz. Si dos o más personas "cercanas" hicieran lo mismo, las señales interferirían entre sí y los receptores no serían capaces de detectar ninguna información. Si limitamos la potencia de la antena, dos o más personas podrían "operar" con poca interferencia, si son suficientemente separados.

Aunque teóricamente, un transmisor podría funcionar usando todo el espectro EM, no es práctico, porque otras personas también quieren usarlo, y al igual que en otras situaciones en las que un recurso es limitado y la demanda excede la oferta, el recurso debe ser "cortado" arriba ", compartido, limitado y controlado.