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

Du verwechselst bandmit bandwidth.

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

Ein typisches 802.11b-Signal kann also auf einem 2,4-GHz-Träger arbeiten - das Band - es belegt nur 22 MHz des Spektrums - die Bandbreite.

Es ist die Bandbreite, die den Verbindungsdurchsatz bestimmt, nicht die Bandbreite. Das Band stellt man sich am besten als Fahrspur vor. Möglicherweise übertragen mehrere Personen gleichzeitig Daten, jedoch in unterschiedlichen Bahnen.

Einige Bahnen sind größer und können mehr Daten transportieren. Einige sind kleiner. Sprachkommunikation ist normalerweise etwa 12 kHz oder weniger. Neuere WLAN-Standards erlauben eine Bandbreite von bis zu 160 MHz.

Denken Sie daran, dass Bandbreite und gesendete Bits zwar untrennbar miteinander verbunden sind, aber auch dort eine Umwandlung stattfindet, die mit der Effizienz zusammenhängt. Die effizientesten Protokolle können eine Bandbreite von über zehn Bit pro Hz übertragen. Wifi a/g hat eine Effizienz von 2,7 Bit pro Sekunde pro Hertz, sodass Sie über seine Bandbreite von 20 MHz bis zu 54 Mbit / s übertragen können. Neuere WLAN-Standards gehen über 5 bps pro Hz hinaus.

Das heißt, wenn Sie 2 Gbit pro Sekunde wollen, brauchen Sie eigentlich keine 2-GHz-Bandbreite, sondern nur eine hohe spektrale Effizienz, und die wird heute oft durch die Verwendung von MIMO-Technologie zusätzlich zu einer sehr effizienten Modulation gegeben. Beispielsweise können Sie jetzt einen 802.11ac-WLAN-Router kaufen, der einen Gesamtdurchsatz von bis zu 3,2 Gbit/s liefert (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

Die Bandbreite des WLAN-Signals ist nichts anderes als 2,4 GHz – es sind 20 oder 40 MHz.

Was Sie vorschlagen (Basisband 2,4 GHz), würde das gesamte EM-Spektrum bis 2,4 GHz für einen einzigen Kommunikationskanal verbrauchen.

Wie Sie hier sehen können , wird es bereits ziemlich gut für verschiedene andere Dinge verwendet:

Im Wesentlichen wird der 2,4-GHz-Träger ein wenig gewobbelt, um Daten zu senden, und das ermöglicht die gleichzeitige Übertragung vieler Kanäle, während noch viel Spektrum für andere Anwendungen wie Schlüsselanhänger-Fernbedienungen, AM/FM-Radio, Transponder auf Schiffen und Flugzeugen usw. übrig bleibt bald.

Damit das 2,4-GHz-Wi-Fi-Signal nicht auf die 900/1800-MHz-Mobilfunksignale, 100-MHz-UKW-Signale und eine ganze Reihe anderer Signale tritt, gibt es eine strenge Grenze dafür, wie stark das Signal sein darf unterscheiden sich von einer 2,4-GHz-Sinuswelle . Das ist eine laienhafte Art, "Bandbreite" zu verstehen.

Der Sinn eines Senders bei 2412 MHz und eines anderen bei 2484 MHz besteht beispielsweise darin, dass ein Empfänger alle Signale außer demjenigen herausfiltern kann, an dem er interessiert ist. Sie tun dies, indem Sie alle Frequenzen außerhalb des für Sie interessanten Bands unterdrücken .

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

Ich habe diese Antwort etwas erweitert und in dieser Antwort einige Bilder hinzugefügt .

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

Eine unmodulierte Sinuswelle bei 2,4 GHz würde keine Bandbreite verbrauchen, aber auch keine Informationen übertragen. Durch 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 AM modulieren, verbraucht das Ergebnis 20 MHz Bandbreite mit Frequenzen von 2,39 GHz bis 2,41 GHz (Summe und Differenz von 10 MHz und 2,4 GHz).

Jetzt verwendet Wi-Fi keine AM-Modulation; 802.11n unterstützt tatsächlich eine breite Palette unterschiedlicher Modulationsformate. Die Wahl des Modulationsformats hängt von der Qualität des Kanals ab - zB dem Signal-Rausch-Verhältnis. Die Modulationsformate umfassen BPSK, QPSK und QAM. BPSK und QPSK sind binäre und Quadratur-Phasenumtastung. QAM ist Quadraturamplitudenmodulation. BPSK und QPSK funktionieren, indem sie die Phase der 2,4-GHz-Trägerwelle verschieben. 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 "Symbole" genannt und die Kanalbandbreite begrenzt, wie viele Symbole pro Sekunde übertragen werden können, aber nicht die Komplexität der Symbole. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis gut ist (viel Signal, wenig Rauschen), funktioniert QPSK besser als BPSK, da es mehr Bits bei derselben Symbolrate bewegt. Wenn das SNR jedoch schlecht ist, dann ist BPSK eine bessere Wahl, da es weniger wahrscheinlich ist, dass das im Signal enthaltene Rauschen dazu führt, dass der Empfänger einen Fehler macht. Es ist für den Empfänger schwieriger herauszufinden, mit welcher Phasenverschiebung ein bestimmtes Symbol übertragen wurde, wenn es 4 mögliche Phasenverschiebungen gibt, als wenn es nur 2 gibt.

QAM erweitert QPSK durch Hinzufügen einer Amplitudenmodulation. Das Ergebnis ist ein ganz zusätzlicher Freiheitsgrad – jetzt kann das übertragene Signal eine Reihe von Phasenverschiebungen und Amplitudenänderungen verwenden. Mehr Freiheitsgrade bedeuten jedoch, dass weniger Rauschen toleriert werden kann. Bei sehr gutem SNR kann 802.11n 16-QAM und 64-QAM verwenden. 16-QAM hat 16 verschiedene Amplituden- und Phasenkombinationen, während 64-QAM 64 hat. Jede Phasenverschiebungs-/Amplitudenkombination wird als Symbol bezeichnet. Bei BPSK wird pro Symbol ein Bit übertragen. Bei QPSK werden 2 Bit pro Symbol übertragen. 16-QAM erlaubt die Übertragung von 4 Bit pro Symbol, während 64-QAM 6 Bit 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 MIMO für mehrere parallele Streams hinzufügen und die Kanalbreite auf 40 MHz erhöhen, kann die Gesamtrate auf 600 Mbit/s steigen.

Wenn Sie die Datenrate erhöhen möchten, können Sie entweder die Kanalbandbreite oder das SNR erhöhen. Die FCC und die Spezifikation begrenzen die Bandbreite und 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, könnten Sie verdammt viel Geld verdienen.

Erstens können Sie nicht einfach ein Signal nehmen und es empfangen, indem Sie eine Reihe von Rechteckwellen in der Luft erzeugen. Sie verwenden eine Trägerwelle (die mit einer bestimmten Frequenz arbeitet), um die Daten damit zu modulieren. Die Idee ist, dass Sie die Daten dann mit einem Empfänger demodulieren können, der eine Welle mit derselben Frequenz erzeugt. Die Modulation reduziert zwar die Datenmenge, die durch die Rohfrequenz der Trägerwelle erscheinen mag, aber ohne irgendeine Art von Trägerwelle können Sie die Daten nicht wiederherstellen, da Sie die Daten nicht von zufälligem Rauschen unterscheiden können. Es sollte beachtet werden, dass die Bandbreite dieses Trägersignals die tatsächliche Geschwindigkeit definiert. Die Bandbreite gibt an, wie stark die Modulationstechnik(en) die tatsächliche Frequenz von der reinen Trägerfrequenz abweichen. Aber selbst unter der Annahme eines perfekten Verhältnisses von 1:1 (was wie oben besprochen nicht zutrifft), Sie müssen den Overhead des drahtlosen Low-Level-Protokolls berücksichtigen, der die nutzbare Geschwindigkeit verringert. Zweitens haben Sie den Overhead des übergeordneten Protokolls (normalerweise TCP / IP-Stack), das selbst Overhead hat und dadurch die Nutzgeschwindigkeit verringert ... Dann haben Sie mögliche Neuübertragungen von Daten, die bei der Übertragung beschädigt wurden (normalerweise wieder behandelt durch die höheren Protokolle), wodurch Ihre Datenbandbreite noch weiter reduziert wird. Es gibt diese und viele andere Gründe, warum die tatsächliche Datenbandbreite geringer sein kann, selbst wenn eine tatsächliche theoretische Datenbandbreite gegeben ist. Dann haben Sie mögliche Neuübertragungen von Daten, die bei der Übertragung beschädigt wurden (wieder normalerweise von den Protokollen höherer Ebene behandelt), was Ihre Datenbandbreite noch weiter reduziert. Es gibt diese und viele andere Gründe, warum die tatsächliche Datenbandbreite geringer sein kann, selbst wenn eine tatsächliche theoretische Datenbandbreite gegeben ist. Dann haben Sie mögliche Neuübertragungen von Daten, die bei der Übertragung beschädigt wurden (wieder normalerweise von den Protokollen höherer Ebene behandelt), was Ihre Datenbandbreite noch weiter reduziert. Es gibt diese und viele andere Gründe, warum die tatsächliche Datenbandbreite geringer sein kann, selbst wenn eine tatsächliche theoretische Datenbandbreite gegeben ist.

Das ist in der Tat ein sehr kompliziertes Thema. Um Ihnen jedoch eine einfache Antwort zu geben, liegt es daran, dass die FCC Regeln für die Bandbreite und Sendeleistung hat, die für die WLAN-Kommunikation verwendet werden können. Dies liegt daran, dass viele andere Menschen 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 Bandbreite der Kommunikation (oder der erreichbaren Datenrate) zu tun.

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

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

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

Nun zu dem Teil, wo Sie die Obergrenze wollen. Nehmen wir unser "Beep"-System: Sie können die Tonfrequenz ( Band ) Ihrer Pieptöne natürlich nicht zehnmal während einer einzigen Schallwelle ändern. Es gibt also eine Untergrenze dafür, wann die Änderungsrate der Frequenz als deutliche Pieptöne hörbar wird und wann es nur ein seltsam verzerrter Piepton ist. Die Rate, mit der Sie die Frequenz ändern können, wird Bandbreite genannt ; Je geringer die Bandbreite, desto besser sind die Signaltöne deutlich hörbar (daher die geringere Verbindungsgeschwindigkeit bei schlechtem Empfang).

Das Kapazitätstheorem von Shannon besagt, dass der Kanal bei gegebenem SNR in Bandbreite W additives normales Rauschen aufweist

Obwohl es Unterschiede in der genauen Art und Weise der Implementierung gibt, umfasst die Funkkommunikation im Allgemeinen die Verwendung eines Niederfrequenzsignals, das zu übertragende Informationen enthält, und die Verwendung einer Technik, die als Modulation auf einen höheren Frequenzbereich bezeichnet wird. Am einfachsten ist es vielleicht, sich eine "Blackbox" vorzustellen, die bei zwei Signalen mit verschiedenen Frequenzkombinationen für jede im Original vorhandene Signalkombination die Summen- und Differenzfrequenzen proportional zum Produkt der Stärken der Signale im Original. Wenn man ein Audiosignal einspeist, das Frequenzen im Bereich von 0-10 kHz enthält, zusammen mit einer 720.000-Hz-Sinuswelle [der von WGN-720 Chicago verwendete Träger], erhält man von der Box ein Signal, das nur Frequenzen im Bereich von 710.000 Hz bis 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 0-10 kHz stimmen mit den Originalen überein; diejenigen im Bereich von 1.430.000 Hz bis 1.450.000 Hz können ignoriert werden.

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

Obwohl WLAN-Daten vor der Übertragung in Frequenzen nahe 2,4 GHz konvertiert werden, sind die „echten“ interessierenden Frequenzen viel niedriger. Um zu vermeiden, dass WiFi-Übertragungen andere Sendungen stören, müssen die WiFi-Übertragungen weit genug von den Frequenzen entfernt bleiben, die von diesen anderen Übertragungen verwendet werden, damit sich alle unerwünschten Frequenzinhalte, die sie möglicherweise empfangen, ausreichend von dem unterscheiden, wonach sie suchen. werde es ablehnen.

Beachten Sie, dass der „Black Box“-Mixer-Ansatz für das Funkdesign eine gewisse Vereinfachung darstellt; Während es für einen Funkempfänger theoretisch möglich wäre, eine Frequenzkombinationsschaltung für ein ungefiltertes Signal zu verwenden und dann den Ausgang tiefpasszufiltern, ist es im Allgemeinen notwendig, mehrere Filter- und Verstärkungsstufen zu verwenden. Außerdem ist es aus verschiedenen Gründen für Funkempfänger oft einfacher, ein eingehendes Signal nicht mit der tatsächlich interessierenden Trägerfrequenz 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 einer "anderen" Frequenz), das resultierende Signal filtern und dann dieses gefilterte Signal in die gewünschte Endfrequenz umwandeln. Immer noch,

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

Angenommen, man darf es tun, stellt sich die Frage, wie nützlich wäre es? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, was passiert, wenn man einen Träger moduliert. Nehmen wir einen Träger, der bei 1 MHz (1.000 kHz) arbeitet, und wir 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. Ebenso, wenn wir 0 bis 1.000 KHz verwenden, der Bereich der erzeugten Signalewird jetzt 0 bis 2.000 KHz. Wenn wir diese Signale nun an eine Antenne anlegen, würden wir Signale im Bereich von 0 bis 2.000 KHz senden. Wenn zwei oder mehr „in der Nähe befindliche“ Personen dasselbe tun würden, würden sich die Signale gegenseitig stören und die Empfänger wären nicht in der Lage, Informationen zu erfassen. Wenn wir die Leistung auf die Antenne begrenzen, könnten zwei oder mehr Personen mit geringer Interferenz "operieren", wenn sie ausreichend voneinander getrennt sind.

Obwohl theoretisch ein Sender das gesamte EM-Spektrum nutzen könnte, ist dies unpraktisch, da andere Menschen es 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.