Mengapa Wi-Fi tidak dapat berjalan pada 2,4 Gbit / s?

Jadi Wi-Fi berjalan di pita 2,4 GHz, ya (dan yang baru 5 GHz)? Yang berarti setiap detik, antena Wi-Fi menghasilkan 2,4 miliar pulsa gelombang persegi, bukan?

Jadi saya bertanya-tanya, mengapa tidak bisa mengirimkan data pada setiap pulsa, dan dapat mengirim data pada 2,4 Gbit / s? Bahkan jika 50% dari itu adalah penyandian data, maka itu akan tetap menjadi 1,2 Gbit / s.

Atau apakah saya mendapat konsep tentang bagaimana Wi-Fi bekerja salah ...?

Anda bingung banddengan bandwidth.

• Band - Frekuensi pembawa.
• Bandwidth - lebar sinyal, biasanya di sekitar carrier.

Jadi sinyal 802.11b khas dapat beroperasi pada pembawa 2.4GHz - band - hanya akan menempati spektrum 22MHz - bandwidth.

Bandwidth yang menentukan throughput tautan, bukan band. Band ini dianggap terbaik sebagai jalur lalu lintas. Beberapa orang mungkin mentransfer data pada saat yang sama, tetapi di jalur yang berbeda.

Beberapa jalur lebih besar, dan dapat membawa lebih banyak data. Beberapa lebih kecil. Komunikasi suara biasanya sekitar 12kHz atau kurang. Standar wifi yang lebih baru memungkinkan lebar pita hingga 160MHz.

Perlu diingat bahwa meskipun bandwidth dan bit yang dikirim terkait secara intrinsik, ada konversi di sana juga, yang terkait dengan efisiensi. Protokol yang paling efisien dapat mengirimkan lebih dari sepuluh bit per Hz bandwidth. Wifi a / g memiliki efisiensi 2,7 bit per detik per hertz, sehingga Anda dapat mengirim hingga 54Mbps melalui bandwidth 20MHz-nya. Standar wifi baru naik 5 bps per Hz.

Ini berarti bahwa jika Anda ingin 2Gbits per detik, Anda sebenarnya tidak memerlukan bandwidth 2GHz, Anda hanya perlu efisiensi spektral yang tinggi, dan hari ini sering diberikan menggunakan teknologi MIMO di atas modulasi yang sangat efisien. Misalnya sekarang Anda dapat membeli router wifi 802.11ac yang memasok hingga 3,2Gbps total throughput (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

Bandwidth dari sinyal Wifi tidak seperti 2.4GHz-itu 20 atau 40MHZ.

Apa yang Anda sarankan (baseband 2.4GHz) akan menggunakan seluruh spektrum EM hingga 2.4GHz untuk satu saluran komunikasi.

Seperti yang Anda lihat dari ini , sudah cukup baik digunakan untuk berbagai hal lain:

Pada dasarnya, operator 2.4GHz sedikit terhuyung-huyung untuk mengirim data dan yang memungkinkan banyak saluran untuk secara bersamaan ditransmisikan sementara masih menyisakan banyak spektrum untuk aplikasi lain seperti remote fob remote, radio AM / FM, transponder pada kapal dan pesawat, dan begitu seterusnya.

Agar sinyal Wi-Fi 2,4 GHz untuk menghindari terinjak-injak pada sinyal ponsel 900/1800 MHz, sinyal FM 100 MHz, dan berbagai sinyal lainnya, ada batasan keras tentang seberapa banyak sinyal diizinkan untuk berbeda dari gelombang sinus 2,4 GHz . Itu cara awam memahami "bandwidth".

Titik memiliki satu pemancar pada 2412 MHz dan yang lain pada 2484 MHz, misalnya, adalah bahwa penerima dapat memfilter semua sinyal tetapi yang menarik. Anda melakukan ini dengan menekan semua frekuensi di luar pita yang Anda minati. .

Sekarang, jika Anda mengambil sinyal apa pun, dan memfilter semua yang berada di atas 2422 MHz dan semuanya di bawah 2402 MHz, Anda dibiarkan dengan sesuatu yang tidak dapat menyimpang jauh dari gelombang frekuensi 2412 MHz. Begitulah cara penyaringan frekuensi bekerja.

Saya agak memperluas jawaban ini, menambahkan beberapa gambar, dalam jawaban ini .

Frekuensi operator yang digunakan oleh Wi-Fi adalah 2,4 GHz, tetapi lebar saluran jauh lebih sedikit dari ini. Wi-Fi dapat menggunakan saluran lebar 20 MHz atau 40 MHz dan berbagai skema modulasi dalam saluran ini.

Sinewave yang tidak termodulasi pada 2,4 GHz akan mengkonsumsi bandwidth nol, tetapi juga akan mengirimkan informasi nol. Memodulasi gelombang pembawa dalam amplitudo dan frekuensi memungkinkan data ditransmisikan. Semakin cepat gelombang pembawa dimodulasi, semakin banyak bandwidth yang akan dikonsumsi. Jika Anda memodulasi gelombang sinus 2,4 GHz dengan sinyal 10 MHz, hasilnya akan menggunakan bandwidth 20 MHz dengan frekuensi mulai dari 2,39 GHz hingga 2,41 GHz (jumlah dan selisih 10 MHz dan 2,4 GHz).

Sekarang, Wi-Fi tidak menggunakan modulasi AM; 802.11n sebenarnya mendukung berbagai format modulasi yang berbeda. Pilihan format modulasi tergantung pada kualitas saluran - misalnya rasio sinyal terhadap noise. Format modulasi termasuk BPSK, QPSK, dan QAM. BPSK dan QPSK adalah kunci pergeseran fase biner dan quadrature. QAM adalah modulasi amplitudo quadrature. BPSK dan QPSK bekerja dengan menggeser fase gelombang pembawa 2,4 GHz. Tingkat di mana pemancar dapat mengubah fase pembawa dibatasi oleh bandwidth saluran. Perbedaan antara BPSK dan QPSK adalah granularitas - BPSK memiliki dua pergeseran fase yang berbeda, QPSK memiliki empat. Pergeseran fase yang berbeda ini disebut 'simbol' dan bandwidth saluran membatasi berapa banyak simbol yang dapat ditransmisikan per detik, tetapi bukan kompleksitas simbol. Jika rasio sinyal terhadap noise baik (banyak sinyal, sedikit noise) maka QPSK akan berkinerja lebih baik daripada BPSK karena bergerak lebih banyak bit pada laju simbol yang sama. Namun, jika SNR buruk, maka BPSK adalah pilihan yang lebih baik karena kecilnya kemungkinan kebisingan yang disertakan dengan sinyal akan menyebabkan penerima melakukan kesalahan. Lebih sulit bagi penerima untuk mengetahui perpindahan fasa mana simbol tertentu yang ditransmisikan ketika ada 4 kemungkinan pergeseran fasa daripada ketika hanya ada 2.

QAM memperluas QPSK dengan menambahkan modulasi amplitudo. Hasilnya adalah tingkat kebebasan ekstra - sekarang sinyal yang ditransmisikan dapat menggunakan berbagai perubahan fasa dan perubahan amplitudo. Namun, semakin banyak derajat kebebasan berarti semakin sedikit kebisingan dapat ditoleransi. Jika SNR sangat baik, 802.11n dapat menggunakan 16-QAM dan 64-QAM. 16-QAM memiliki 16 kombinasi amplitudo dan fase yang berbeda sementara 64-QAM memiliki 64. Setiap kombinasi fase / amplitudo disebut simbol. Di BPSK, satu bit ditransmisikan per simbol. Dalam QPSK, 2 bit ditransmisikan per simbol. 16-QAM memungkinkan 4 bit untuk dikirim per simbol, sedangkan 64-QAM memungkinkan 6 bit. Tingkat di mana simbol dapat ditransmisikan ditentukan oleh bandwidth saluran; Saya percaya 802.11n dapat mengirimkan 13 atau 14,4 juta simbol per detik. Dengan lebar pita 20 MHz dan 64-QAM, 802.11n dapat mentransfer 72 Mbit / detik.

Ketika Anda menambahkan MIMO di atasnya untuk beberapa aliran paralel dan Anda meningkatkan lebar saluran hingga 40 MHz, maka laju keseluruhan dapat meningkat hingga 600 Mbit / detik.

Jika Anda ingin meningkatkan kecepatan data, Anda dapat meningkatkan bandwidth saluran atau SNR. FCC dan spesifikasinya membatasi bandwidth dan daya pancar. Adalah mungkin untuk menggunakan antena terarah untuk meningkatkan kekuatan sinyal terima, tetapi tidak mungkin untuk menurunkan tingkat kebisingan - jika Anda bisa mengetahui cara melakukannya, Anda bisa menghasilkan banyak uang.

Pertama, Anda tidak bisa hanya mengambil sinyal dan menerimanya dengan melakukan banyak gelombang persegi di udara. Anda menggunakan gelombang pembawa (beroperasi pada frekuensi tertentu) untuk memodulasi data. Idenya adalah Anda dapat mendemodulasi data menggunakan penerima yang menghasilkan gelombang pada frekuensi yang sama. Modulasi memang mengurangi jumlah data yang mungkin tampak jelas oleh frekuensi gelombang pembawa mentah, tetapi tanpa semacam gelombang pembawa, Anda tidak dapat memulihkan data karena Anda tidak akan dapat membedakan data dari noise acak. Perlu dicatat bahwa bandwidth dari sinyal pembawa ini adalah apa yang menentukan kecepatan sebenarnya. Bandwidth adalah seberapa besar teknik modulasi memvariasikan frekuensi aktual dari frekuensi pembawa murni. Padahal, bahkan dengan asumsi rasio 1: 1 sempurna (yang tidak benar seperti dibahas di atas), Anda harus mempertimbangkan overhead protokol nirkabel tingkat rendah, yang mengurangi kecepatan yang berguna. Kedua, Anda memiliki overhead protokol tingkat yang lebih tinggi (biasanya TCP / IP stack) yang dengan sendirinya memiliki overhead, sehingga mengurangi kecepatan yang berguna ... Kemudian Anda memiliki kemungkinan transmisi ulang data yang rusak dalam transmisi (sekali lagi, biasanya ditangani oleh protokol tingkat yang lebih tinggi), yang semakin mengurangi bandwidth data Anda. Ada alasan-alasan ini dan banyak lainnya mengapa, bahkan diberi bandwidth data teoritis yang sebenarnya, bandwidth data aktual mungkin kurang. Kemudian Anda memiliki kemungkinan transmisi ulang data yang rusak dalam transmisi (sekali lagi, biasanya ditangani oleh protokol tingkat yang lebih tinggi), yang bahkan semakin mengurangi bandwidth data Anda. Ada alasan-alasan ini dan banyak lainnya mengapa, bahkan diberi bandwidth data teoritis yang sebenarnya, bandwidth data aktual mungkin kurang. Kemudian Anda memiliki kemungkinan transmisi ulang data yang rusak dalam transmisi (sekali lagi, biasanya ditangani oleh protokol tingkat yang lebih tinggi), yang bahkan semakin mengurangi bandwidth data Anda. Ada alasan-alasan ini dan banyak lainnya mengapa, bahkan diberi bandwidth data teoritis yang sebenarnya, bandwidth data aktual mungkin kurang.

Ini memang topik yang sangat rumit. Namun, untuk memberikan Anda satu jawaban sederhana, itu karena FCC memiliki aturan yang mengatur bandwidth dan daya pemancar yang dapat digunakan untuk komunikasi wifi. Ini karena ada banyak orang yang mencoba menggunakan spektrum EM untuk berbagai jenis komunikasi nirkabel (mis. Ponsel, wifi, bluetooth, radio am / fm, televisi, dll.). Bahkan, frekuensi pembawa (2.4GHz) sangat sedikit hubungannya dengan bandwidth komunikasi (atau kecepatan data yang dapat dicapai, dalam hal ini).

Seperti yang disebutkan sebelumnya, Anda band dan bandwidth yang membingungkan; namun, tidak ada jawaban yang memberikan penjelasan intuitif.

Penjelasan intuitif dapat dilakukan dengan set speaker. Anda memiliki bunyi bip tinggi dan bip rendah yang menunjukkan 1 dan 0. Anda mengangkut data dengan mengganti bunyi bip tinggi dan rendah. Frekuensi nada itu sendiri sedikit (lihat di bawah) berkaitan dengan seberapa cepat Anda melakukan bolak-balik antara bunyi bip tinggi dan rendah.

Gelombang Wi-fi sangat mirip gelombang suara. Mereka adalah gelombang pembawa : mereka mengambil sinyal gelombang blok Anda dan mengubahnya menjadi gelombang frekuensi tinggi dan rendah. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa gelombang frekuensi tinggi dan rendah sangat berdekatan, dan berpusat di sekitar 2.4GHz.

Sekarang, untuk bagian di mana Anda ingin batas atas. Mengambil sistem 'bip' kami: Anda tentu saja tidak dapat mengubah frekuensi nada ( pita ) bip Anda sepuluh kali selama satu gelombang suara. Jadi, ada batas yang lebih rendah tentang kapan frekuensi perubahan menjadi terdengar sebagai bunyi bip berbeda, dan saat itu hanya bunyi bip aneh yang menyimpang. Tingkat di mana Anda dapat mengubah frekuensi disebut bandwidth ; semakin rendah bandwidth, semakin baik bunyi bip terdengar berbeda (karenanya kecepatan tautan lebih rendah saat penerimaan buruk).

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ kapasitas dalam satuan bit / detik. Di sini kapasitas berarti bahwa jika laju informasi yang diinginkan melebihi W yang diberikan kurang dari C maka akan ada kode koreksi kesalahan dari kompleksitas yang cukup yang dengannya seseorang dapat mencapai transfer informasi probabilitas kesalahan nol secara efektif pada SNR yang diberikan. Ini tidak ada hubungannya dengan frekuensi operator dan hanya secara tidak langsung terkait dengan peraturan FCC. FCC menentukan berapa banyak daya yang dapat ditransmisikan pada bandwidth apa, para perancang memutuskan kompleksitas dan teknologi sistem transmisi dan Anda pengguna akhir dengan laju informasi maksimum karena SNR akan tergantung pada jarak yang diinginkan, daya dan bandwidth FCC memungkinkan. Selama PSTN di mana sistem agak statis ada format modulasi yang menggunakan 1024 bentuk gelombang dalam bandwidth nominal 4kHz, yang menghasilkan tingkat informasi teoritis 40kbit / detik! Jika seseorang dapat mencapai kompleksitas itu melalui saluran seluler yang dapat dimiliki ~ 10x20 = 200Mbit / detik pada SNR yang cukup tinggi, penekanannya adalah pada yang cukup tinggi! Semakin tinggi frekuensi pembawa, semakin tinggi kerugian propagasi, tetapi semakin mudah untuk mendapatkan sirkuit RF untuk beroperasi dengan cukup tinggi tetapi bandwidth yang diberikan priori.

Meskipun ada variasi dalam cara yang tepat diimplementasikan, komunikasi radio umumnya melibatkan pengambilan sinyal frekuensi rendah yang berisi informasi untuk ditransmisikan, dan menggunakan teknik yang disebut modulasi ke rentang frekuensi yang lebih tinggi. Mungkin paling mudah untuk berpikir dalam hal "kotak hitam" yang, mengingat dua sinyal yang mengandung berbagai kombinasi frekuensi, akan - untuk setiap kombinasi sinyal yang ada dalam frekuensi asli, jumlah dan perbedaan, sebanding dengan produk dari kekuatan sinyal di aslinya. Jika seseorang memasukkan sinyal audio yang mengandung frekuensi dalam kisaran 0-10KHz bersama dengan gelombang sinus 720.000Hz [pembawa yang digunakan oleh WGN-720 Chicago], orang akan menerima dari kotak sinyal yang hanya berisi frekuensi di kisaran 710.000Hz untuk 730.000Hz. Jika penerima memasukkan sinyal itu ke dalam kotak yang serupa, bersama dengan gelombang sinusnya sendiri 720,000Hz, itu akan menerima dari sinyal kotak itu dalam kisaran 0-10Khz, bersama dengan sinyal dalam kisaran 1,430,000Hz hingga 1,450,000Hz. Sinyal dalam 0-10Khz akan cocok dengan aslinya; mereka yang berada dalam kisaran 1,430,000Hz hingga 1,450,000Hz dapat diabaikan.

Jika selain WGN, stasiun lain menyiarkan (misalnya WBBM-780), maka sinyal dalam kisaran 770.000 Hz hingga 790.000 Hz yang ditransmisikan oleh yang terakhir akan dikonversi oleh penerima menjadi sinyal dalam kisaran 50.000 Hz hingga 70.000 Hz (seperti serta 1.490.000Hz ke 1.510.000Hz). Karena penerima radio dirancang dengan asumsi bahwa tidak ada audio yang menarik akan melibatkan frekuensi lebih dari 10.000Hz, ia dapat mengabaikan semua frekuensi yang lebih tinggi.

Meskipun data WiFi dikonversi ke frekuensi dekat 2,4GHz sebelum transmisi, frekuensi "nyata" yang menarik jauh lebih rendah. Untuk menghindari transmisi WiFi yang mengganggu siaran lain, transmisi WiFi harus menjauh dari frekuensi yang digunakan oleh transmisi lain sehingga konten frekuensi yang tidak diinginkan yang mungkin mereka terima akan cukup berbeda dari apa yang mereka cari sehingga mereka ' akan menolaknya.

Perhatikan bahwa pendekatan mixer "kotak hitam" untuk desain radio sedikit penyederhanaan; Meskipun secara teori dimungkinkan bagi penerima radio untuk menggunakan sirkuit penggabungan frekuensi pada sinyal yang tidak disaring dan kemudian menyaring output yang rendah, umumnya diperlukan untuk menggunakan beberapa tahap penyaringan dan amplifikasi. Lebih jauh, karena berbagai alasan, seringkali lebih mudah bagi penerima radio untuk mencampur sinyal masuk bukan dengan frekuensi pembawa aktual yang diinginkan, melainkan frekuensi yang dapat disesuaikan yang lebih tinggi atau lebih rendah dengan jumlah tertentu (istilah "* hetero * dyne" mengacu pada penggunaan frekuensi "berbeda"), saring sinyal yang dihasilkan, dan kemudian ubah sinyal tersaring ke frekuensi akhir yang diinginkan. Masih,

Jawaban sederhananya adalah itu bisa dilakukan. Anda dapat "memodulasi pembawa" dengan sinyal apa pun yang Anda inginkan.

Dengan asumsi seseorang diizinkan untuk melakukannya, pertanyaannya adalah, seberapa bermanfaatkah itu? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita harus memahami apa yang terjadi ketika seseorang memodulasi pembawa. Mari kita ambil operator yang beroperasi pada 1 MHz (1.000KHz) dan kami memodulasi dengan sinyal yang bervariasi dari 0 hingga 100KHz "Pencampuran" sinyal menghasilkan sinyal dalam kisaran 900 hingga 1.100 KHz. Demikian pula jika kita menggunakan 0 hingga 1.000 KHz, jangkauan sinyal yang dihasilkansekarang menjadi 0 hingga 2.000 KHz. Jika sekarang kita menerapkan sinyal-sinyal ini ke antena, kita akan mentransmisikan sinyal dalam kisaran 0 hingga 2.000 KHz. Jika dua atau lebih orang "dekat" melakukan hal yang sama, sinyal akan saling mengganggu dan penerima tidak akan mampu mendeteksi informasi apa pun. Jika kita membatasi daya ke antena, dua atau lebih individu dapat "beroperasi" dengan sedikit gangguan, jika mereka cukup terpisah.

Meskipun secara teoritis, satu pemancar dapat beroperasi menggunakan seluruh spektrum EM, itu tidak taktis, karena orang lain ingin menggunakannya juga, dan seperti dalam situasi lain di mana sumber daya terbatas dan permintaan melebihi pasokan, sumber daya harus "dipotong ", dibagikan, terbatas, dan dikendalikan.