Warum kann WLAN nicht mit 2,4 Gbit / s betrieben werden?

Wi-Fi läuft also im 2,4-GHz-Band, ja (und die neuen 5 GHz)? Was bedeutet, dass eine Wi-Fi-Antenne jede Sekunde 2,4 Milliarden Rechteckimpulse ausgibt, richtig?

Ich habe mich gefragt, warum es nicht bei jedem Impuls Daten übertragen kann und Daten mit 2,4 Gbit / s senden kann. Selbst wenn 50% davon Datenverschlüsselung wären, wären es immer noch 1,2 Gbit / s.

Oder habe ich das Konzept, wie WLAN falsch funktioniert ...?

Sie verwechseln bandmit bandwidth.

• Band - Die Frequenz des Trägers.
• Bandbreite - Die Breite des Signals, normalerweise um den Träger herum.

So kann ein typisches 802.11b-Signal auf einem 2,4-GHz-Träger arbeiten - dem Band - es wird nur 22 MHz des Spektrums belegen - die Bandbreite.

Es ist die Bandbreite, die den Verbindungsdurchsatz bestimmt, nicht das Band. Die Band ist am besten als eine Straße gedacht. Möglicherweise übertragen mehrere Personen Daten gleichzeitig, jedoch auf verschiedenen Spuren.

Einige Spuren sind größer und können mehr Daten enthalten. Einige sind kleiner. Sprachkommunikation ist normalerweise ungefähr 12kHz oder kleiner. Neuere WLAN-Standards ermöglichen eine Bandbreite von bis zu 160 MHz.

Beachten Sie, dass die gesendete Bandbreite und die gesendeten Bits zwar untrennbar miteinander verbunden sind, dass jedoch auch dort eine Konvertierung stattfindet, die mit der Effizienz zusammenhängt. Die effizientesten Protokolle können über zehn Bits pro Hz Bandbreite übertragen. Wifi-A / G hat eine Effizienz von 2,7 Bit pro Sekunde und Hertz, sodass Sie über seine 20-MHz-Bandbreite bis zu 54 Mbit / s übertragen können. Neuere WLAN-Standards liegen über 5 Bit / s pro Hz.

Das bedeutet, wenn Sie 2 Gbit / s möchten, benötigen Sie eigentlich keine 2 GHz-Bandbreite, sondern nur eine hohe spektrale Effizienz. Dies wird heutzutage häufig mithilfe der MIMO-Technologie und einer sehr effizienten Modulation erreicht. Beispielsweise können Sie jetzt einen 802.11ac-WLAN-Router mit einem Gesamtdurchsatz von bis zu 3,2 Gbit / s kaufen (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

Die Bandbreite des Wifi-Signals entspricht in keiner Weise 2,4 GHz - es ist 20 oder 40 MHz.

Was Sie vorschlagen (Basisband 2,4 GHz), würde das gesamte EM-Spektrum auf 2,4 GHz für einen einzelnen Kommunikationskanal aufbrauchen.

Wie Sie aus sehen kann dies , dann ist es schon ziemlich gut für verschiedene andere Dinge verwendet:

Im Wesentlichen wird der 2,4-GHz-Träger ein wenig gewobbelt, um Daten zu senden. Auf diese Weise können viele Kanäle gleichzeitig übertragen werden, während für andere Anwendungen wie Schlüsselanhänger, AM / FM-Radio, Transponder auf Schiffen und in Flugzeugen und noch viel Frequenz übrig bleibt bald.

Damit das 2,4-GHz-WLAN-Signal nicht auf den 900/1800-MHz-Handysignalen, den 100-MHz-UKW-Signalen und einer Vielzahl anderer Signale übersteuert wird, ist die zulässige Signalstärke stark eingeschränkt unterscheiden sich von einer 2,4 GHz Sinuswelle . Das ist eine Laienmethode, um "Bandbreite" zu verstehen.

Wenn Sie beispielsweise einen Sender mit 2412 MHz und einen anderen mit 2484 MHz haben, kann ein Empfänger alle Signale ausfiltern, außer demjenigen, an dem er interessiert ist. Dazu unterdrücken Sie alle Frequenzen außerhalb des Bands, an dem Sie interessiert sind .

Wenn Sie nun ein Signal aufnehmen und alles über 2422 MHz und alles unter 2402 MHz herausfiltern, bleibt etwas übrig, das nicht viel von einer 2412 MHz-Sinuswelle abweichen kann. So funktioniert die Frequenzfilterung.

Ich habe etwas zu dieser Antwort erweitert, ein paar Bilder hinzufügen, in dieser Antwort .

Die von Wi-Fi verwendete Trägerfrequenz beträgt 2,4 GHz, die Kanalbreite ist jedoch viel geringer. Wi-Fi kann 20 MHz oder 40 MHz breite Kanäle und verschiedene Modulationsschemata innerhalb dieser Kanäle verwenden.

Eine unmodulierte Sinuswelle mit 2,4 GHz würde keine Bandbreite verbrauchen, aber auch keine Informationen übertragen. Durch die Modulation der Trägerwelle in Amplitude und Frequenz können Daten übertragen werden. Je schneller die Trägerwelle moduliert wird, desto mehr Bandbreite wird verbraucht. Wenn Sie eine 2,4-GHz-Sinuswelle mit einem 10-MHz-Signal modulieren, verbraucht das Ergebnis 20 MHz Bandbreite mit Frequenzen zwischen 2,39 GHz und 2,41 GHz (Summe und Differenz von 10 MHz und 2,4 GHz).

Jetzt verwendet Wi-Fi keine AM-Modulation. 802.11n unterstützt eine Vielzahl verschiedener Modulationsformate. Die Wahl des Modulationsformats hängt von der Qualität des Kanals ab - z. B. dem Signal-Rausch-Verhältnis. Die Modulationsformate umfassen BPSK, QPSK und QAM. BPSK und QPSK sind binäre und Quadraturphasenumtastung. QAM ist eine Quadraturamplitudenmodulation. BPSK und QPSK arbeiten durch Verschieben der Phase der 2,4-GHz-Trägerwelle. Die Rate, mit der der Sender die Trägerphase ändern kann, ist durch die Kanalbandbreite begrenzt. Der Unterschied zwischen BPSK und QPSK ist die Granularität - BPSK hat zwei verschiedene Phasenverschiebungen, QPSK hat vier. Diese unterschiedlichen Phasenverschiebungen werden als "Symbole" bezeichnet und die Kanalbandbreite begrenzt, wie viele Symbole pro Sekunde übertragen werden können, jedoch nicht die Komplexität der Symbole. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis gut ist (viel Signal, wenig Rauschen), ist QPSK besser als BPSK, da es mehr Bits mit derselben Symbolrate verschiebt. Wenn jedoch das SNR schlecht ist, ist BPSK die bessere Wahl, da es weniger wahrscheinlich ist, dass das im Signal enthaltene Rauschen den Empfänger zu einem Fehler veranlasst. Für den Empfänger ist es schwieriger herauszufinden, mit welcher Phasenverschiebung ein bestimmtes Symbol gesendet wurde, wenn es 4 mögliche Phasenverschiebungen gibt, als wenn es nur 2 gibt.

QAM erweitert QPSK um eine Amplitudenmodulation. Das Ergebnis ist ein zusätzlicher Freiheitsgrad - jetzt kann das übertragene Signal eine Reihe von Phasenverschiebungen und Amplitudenänderungen verwenden. Mehr Freiheitsgrade bedeuten jedoch, dass weniger Lärm toleriert werden kann. Wenn das SNR sehr gut ist, kann 802.11n 16-QAM und 64-QAM verwenden. 16-QAM hat 16 verschiedene Amplituden- und Phasenkombinationen, während 64-QAM 64 hat. Jede Kombination aus Phasenverschiebung und Amplitude wird als Symbol bezeichnet. In BPSK wird pro Symbol ein Bit übertragen. In QPSK werden 2 Bits pro Symbol übertragen. 16-QAM ermöglicht die Übertragung von 4 Bits pro Symbol, während 64-QAM 6 Bits zulässt. Die Rate, mit der die Symbole übertragen werden können, wird durch die Kanalbandbreite bestimmt; Ich glaube, 802.11n kann 13 oder 14,4 Millionen Symbole pro Sekunde übertragen. Mit einer Bandbreite von 20 MHz und 64-QAM kann 802.11n 72 Mbit / s übertragen.

Wenn Sie zusätzlich MIMO für mehrere parallele Streams hinzufügen und die Kanalbreite auf 40 MHz erhöhen, kann sich die Gesamtrate auf 600 Mbit / s erhöhen.

Wenn Sie die Datenrate erhöhen möchten, können Sie entweder die Kanalbandbreite oder das SNR erhöhen. Die FCC und die Spezifikation begrenzen die Bandbreite und die Sendeleistung. Es ist möglich, Richtantennen zu verwenden, um die Empfangssignalstärke zu verbessern, aber es ist nicht möglich, das Grundrauschen zu senken. Wenn Sie herausfinden, wie das geht, können Sie verdammt viel Geld verdienen.

Erstens kann man ein Signal nicht einfach durch ein paar Rechteckwellen in der Luft empfangen. Sie verwenden eine Trägerwelle (die mit einer bestimmten Frequenz arbeitet), um die Daten mit zu modulieren. Die Idee ist, dass Sie die Daten dann demodulieren können, indem Sie einen Empfänger verwenden, der eine Welle mit derselben Frequenz erzeugt. Die Modulation reduziert die Datenmenge, die durch die Frequenz der rohen Trägerwelle erkennbar erscheint. Ohne eine Art Trägerwelle können Sie die Daten jedoch nicht wiederherstellen, da Sie die Daten nicht von zufälligem Rauschen unterscheiden können. Es ist zu beachten, dass die Bandbreite dieses Trägersignals die tatsächliche Geschwindigkeit definiert. Die Bandbreite gibt an, um wie viel die Modulationstechnik (en) die tatsächliche Frequenz von der reinen Trägerfrequenz unterscheidet. Selbst wenn man ein perfektes 1: 1-Verhältnis annimmt (was nicht wie oben diskutiert zutrifft), Sie müssen den Overhead des Low-Level-WLAN-Protokolls berücksichtigen, der die nützliche Geschwindigkeit verringert. Zweitens haben Sie den Overhead des Protokolls der höheren Ebene (normalerweise TCP / IP-Stack), der selbst Overhead hat, wodurch die nützliche Geschwindigkeit verringert wird. Dann haben Sie mögliche Neuübertragungen von Daten, die bei der Übertragung beschädigt wurden (erneut, normalerweise behandelt) durch die übergeordneten Protokolle), die Ihre Datenbandbreite noch weiter reduzieren. Es gibt diese und viele andere Gründe, warum selbst bei einer tatsächlichen theoretischen Datenbandbreite die tatsächliche Datenbandbreite geringer sein kann. Dann haben Sie die Möglichkeit, Daten erneut zu übertragen, die bei der Übertragung beschädigt wurden (wiederum in der Regel von den übergeordneten Protokollen verarbeitet), wodurch Ihre Datenbandbreite noch weiter reduziert wird. Es gibt diese und viele andere Gründe, warum selbst bei einer tatsächlichen theoretischen Datenbandbreite die tatsächliche Datenbandbreite geringer sein kann. Dann haben Sie die Möglichkeit, Daten erneut zu übertragen, die bei der Übertragung beschädigt wurden (wiederum in der Regel von den übergeordneten Protokollen verarbeitet), wodurch Ihre Datenbandbreite noch weiter reduziert wird. Es gibt diese und viele andere Gründe, warum selbst bei einer tatsächlichen theoretischen Datenbandbreite die tatsächliche Datenbandbreite geringer sein kann.

Dies ist in der Tat ein sehr kompliziertes Thema. Um Ihnen eine einfache Antwort zu geben: Die FCC verfügt über Regeln für die Bandbreite und die Sendeleistung, die für die WLAN-Kommunikation verwendet werden können. Dies liegt daran, dass es viele andere Menschen gibt, die versuchen, das EM-Spektrum für verschiedene Arten der drahtlosen Kommunikation zu nutzen (z. B. Mobiltelefone, WLAN, Bluetooth, AM / FM-Radio, Fernsehen usw.). Tatsächlich hat die Trägerfrequenz (2,4 GHz) sehr wenig mit der Kommunikationsbandbreite (oder der Datenrate, die erreicht werden kann) zu tun.

Wie bereits erwähnt, verwechseln Sie Band und Bandbreite. Keine der Antworten gibt jedoch eine intuitive Erklärung.

Die intuitive Erklärung könnte mit eingestellten Lautsprechern erfolgen. Sie haben einen hohen und einen niedrigen Piepton, der 1 und 0 anzeigt. Sie transportieren die Daten, indem Sie den hohen und den niedrigen Piepton abwechseln. Die Frequenz der Töne selbst hat wenig (siehe unten) damit zu tun, wie schnell Sie zwischen hohen und niedrigen Signaltönen wechseln.

Wi-Fi-Wellen sind Schallwellen sehr ähnlich. Sie sind Trägerwellen : Sie nehmen Ihr Blockwellensignal und wandeln es in hoch- und niederfrequente Wellen um. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Hoch- und Niederfrequenzwellen sehr nahe beieinander liegen und um 2,4 GHz zentriert sind.

Nun zu dem Teil, an dem Sie die Obergrenze festlegen möchten. Nehmen wir unser 'Beep'-System: Sie können die Tonfrequenz ( Band ) Ihrer Beeps natürlich nicht zehnmal während einer einzelnen Schallwelle ändern . Es gibt also eine Untergrenze dafür, wann die Änderungsrate als eindeutiger Signalton hörbar wird und wann es sich nur um einen seltsamen verzerrten Signalton handelt. Die Rate, mit der Sie die Frequenz ändern können, wird als Bandbreite bezeichnet . Je niedriger die Bandbreite, desto besser sind die Signaltöne als deutlich zu hören (daher die niedrigere Verbindungsgeschwindigkeit, wenn der Empfang schlecht ist).

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ Kapazität in Einheiten von Bits / Sek. Hier bedeutet Kapazität, dass, wenn die gewünschte Informationsrate über das gegebene W kleiner als C ist, es einen Fehlerkorrekturcode von ausreichender Komplexität gibt, mit dem eine Informationstransfer mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit von Null bei dem gegebenen SNR effektiv erreicht werden kann. Dies hat nichts mit der Trägerfrequenz zu tun und hängt nur indirekt mit den FCC-Bestimmungen zusammen. Die FCC bestimmt, wie viel Leistung über welche Bandbreite übertragen werden kann, die Entwickler entscheiden über die Komplexität und Technologie des Übertragungssystems und Sie als Benutzer haben die maximale Informationsrate, da das SNR von der gewünschten Entfernung, der Leistung und der Bandbreite abhängt FCC erlaubt. Über dem PSTN, wo das System eher statisch ist, gibt es ein Modulationsformat, das 1024 Wellenformen in einer nominalen Bandbreite von 4 kHz verwendet. das ergibt eine theoretische 40kbit / sec informationsrate! Wenn man diese Komplexität über einen Mobilkanal erreichen könnte, könnte man ~ 10x20 = 200 Mbit / s bei ausreichend hohem SNR haben, der Schwerpunkt liegt auf dem ausreichend hohen! Je höher die Trägerfrequenz ist, desto höher sind die Ausbreitungsverluste, aber desto einfacher ist es, die HF-Schaltungen dazu zu bringen, über eine ausreichend hohe, aber von vornherein vorgegebene Bandbreite zu arbeiten.

Obwohl es Unterschiede in der genauen Art und Weise gibt, wie die Dinge implementiert werden, beinhaltet die Funkkommunikation im Allgemeinen das Aufnehmen eines Niederfrequenzsignals, das zu sendende Informationen enthält, und die Verwendung einer als Modulation bezeichneten Technik für einen höheren Frequenzbereich. Es ist vielleicht am einfachsten, an eine "Black Box" zu denken, die bei zwei Signalen mit unterschiedlichen Frequenzkombinationen für jede im Original vorhandene Signalkombination die Summen - und Differenzfrequenz proportional zum Produkt der Stärken der Signale im Original. Wenn man ein Audiosignal mit Frequenzen im Bereich von 0-10 kHz zusammen mit einer 720.000 Hz-Sinuswelle [dem von WGN-720 Chicago verwendeten Träger] einspeist, erhält man von der Box ein Signal, das nur Frequenzen im Bereich von 710.000 Hz bis 710.000 Hz enthält 730.000Hz. Wenn ein Empfänger dieses Signal zusammen mit seiner eigenen 720.000-Hz-Sinuswelle in eine ähnliche Box einspeist, empfängt er von dieser Box Signale im Bereich von 0 bis 10 kHz sowie Signale im Bereich von 1.430.000 Hz bis 1.450.000 Hz. Die Signale im Bereich von 0-10 kHz stimmen mit den Originalen überein. Jene im Bereich von 1.430.000 Hz bis 1.450.000 Hz können ignoriert werden.

Sendet zusätzlich zu WGN ein anderer Sender (z. B. WBBM-780), so werden die von diesem gesendeten Signale im Bereich von 770.000 Hz bis 790.000 Hz vom Empfänger in Signale im Bereich von 50.000 Hz bis 70.000 Hz (as) umgewandelt sowie 1.490.000 Hz bis 1.510.000 Hz). Da der Funkempfänger unter der Annahme ausgelegt ist, dass kein Audio von Interesse Frequenzen über 10.000 Hz enthält, kann er alle höheren Frequenzen ignorieren.

Obwohl WiFi-Daten vor der Übertragung in Frequenzen nahe 2,4 GHz konvertiert werden, sind die "echten" Frequenzen von Interesse viel niedriger. Um zu vermeiden, dass WiFi-Übertragungen andere Sendungen stören, müssen die WiFi-Übertragungen weit genug von den Frequenzen entfernt sein, die von diesen anderen Übertragungen verwendet werden, sodass unerwünschte Frequenzinhalte, die sie möglicherweise empfangen, sich ausreichend von dem unterscheiden, wonach sie suchen. ' Ich werde es ablehnen.

Beachten Sie, dass der "Black-Box" -Mixer-Ansatz für das Radio-Design eine gewisse Vereinfachung darstellt. Während es theoretisch für einen Funkempfänger möglich wäre, eine Frequenzkombinierungsschaltung für ein ungefiltertes Signal zu verwenden und dann den Ausgang tiefpasszufiltern, ist es im Allgemeinen erforderlich, mehrere Stufen der Filterung und Verstärkung zu verwenden. Aus verschiedenen Gründen ist es für Rundfunkempfänger häufig einfacher, ein eingehendes Signal nicht mit der tatsächlichen Trägerfrequenz von Interesse zu mischen, sondern mit einer einstellbaren Frequenz, die um einen bestimmten Betrag höher oder niedriger ist (der Begriff "* hetero * dyne" bezieht sich auf die Verwendung von "unterschiedlicher" Frequenz), filtern das resultierende Signal und wandeln dann das gefilterte Signal in die gewünschte Endfrequenz um. Immer noch,

Die einfache Antwort ist, dass es getan werden kann. Sie können jeden beliebigen Träger mit jedem gewünschten Signal "modulieren".

Vorausgesetzt, man darf es tun, ist die Frage, wie nützlich es wäre? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, was passiert, wenn man einen Träger moduliert. Nehmen wir einen Träger, der mit 1 MHz (1.000 kHz) arbeitet, und modulieren ihn mit einem Signal, das von 0 bis 100 kHz variiert. Das "Mischen" der Signale erzeugt Signale im Bereich von 900 bis 1.100 kHz. In ähnlicher Weise, wenn wir 0 bis 1.000 KHz verwenden, wird der Bereich der Signale erzeugtwird jetzt 0 bis 2.000 KHz. Wenn wir diese Signale nun an eine Antenne anlegen, senden wir Signale im Bereich von 0 bis 2.000 kHz. Wenn zwei oder mehr "nahe" Personen dasselbe tun würden, würden sich die Signale gegenseitig stören und die Empfänger wären nicht in der Lage, irgendwelche Informationen zu erfassen. Wenn wir die Leistung der Antenne begrenzen, können zwei oder mehr Personen mit geringen Störungen "arbeiten", wenn sie ausreichend voneinander getrennt sind.

Obwohl theoretisch ein Sender mit dem gesamten EM-Spektrum arbeiten könnte, ist dies unpraktisch, da andere ihn ebenfalls nutzen möchten, und genau wie in anderen Situationen, in denen eine Ressource begrenzt ist und die Nachfrage das Angebot übersteigt, muss die Ressource "gekürzt" werden up ", geteilt, begrenzt und kontrolliert.