Pourquoi le Wi-Fi ne peut-il pas fonctionner à 2,4 Gbit / s?

Le Wi-Fi fonctionne donc dans la bande 2,4 GHz, oui (et les nouveaux 5 GHz)? Ce qui signifie que chaque seconde, une antenne Wi-Fi émet 2,4 milliards d'impulsions carrées, non?

Je me demandais donc pourquoi il ne peut pas transmettre de données à chaque impulsion et être capable d'envoyer des données à 2,4 Gbit / s? Même si 50% de cela était du codage de données, ce serait toujours 1,2 Gbit / s.

Ou ai-je une idée du fonctionnement incorrect du Wi-Fi ...?

Vous confondez bandavec bandwidth.

• Bande - La fréquence de la porteuse.
• Bande passante - la largeur du signal, généralement autour de la porteuse.

Ainsi, un signal 802.11b typique peut fonctionner sur une porteuse 2,4 GHz - la bande - il n'occupera que 22 MHz du spectre - la bande passante.

C'est la bande passante qui détermine le débit de la liaison, pas la bande. Le groupe est considéré comme une voie de circulation. Plusieurs personnes peuvent transférer des données en même temps, mais dans des voies différentes.

Certaines voies sont plus grandes et peuvent transporter plus de données. Certains sont plus petits. Les communications vocales sont généralement d'environ 12 kHz ou moins. Les normes Wi-Fi plus récentes permettent une bande passante allant jusqu'à 160 MHz de large.

Gardez à l'esprit que si la bande passante et les bits envoyés sont intrinsèquement liés, il y a également une conversion, qui est liée à l'efficacité. Les protocoles les plus efficaces peuvent transmettre plus de dix bits par Hz de bande passante. Le Wifi a / g a une efficacité de 2,7 bits par seconde par hertz, vous pouvez donc transmettre jusqu'à 54 Mbps sur sa bande passante de 20 MHz. Les normes wifi plus récentes dépassent les 5 bps par Hz.

Cela signifie que si vous voulez 2 Gbits par seconde, vous n'avez pas réellement besoin d'une bande passante de 2 GHz, vous avez juste besoin d'une efficacité spectrale élevée, et aujourd'hui cela est souvent donné en utilisant la technologie MIMO en plus d'une modulation très efficace. Par exemple, vous pouvez désormais acheter un routeur wifi 802.11ac qui fournit un débit total allant jusqu'à 3,2 Gbit / s (Netgear Nighthawk X6 AC3200).

La bande passante du signal Wifi n'a rien à voir avec 2,4 GHz, c'est 20 ou 40 MHz.

Ce que vous proposez (bande de base 2,4 GHz) utiliserait tout le spectre EM à 2,4 GHz pour un seul canal de communication.

Comme vous pouvez le voir ce , il est déjà assez bien utilisé pour d'autres choses:

Essentiellement, la porteuse 2,4 GHz oscille un peu pour envoyer des données et cela permet à de nombreux canaux d'être transmis simultanément tout en laissant beaucoup de spectre pour d'autres applications telles que les télécommandes porte-clés, la radio AM / FM, les transpondeurs sur les navires et les avions, et bientôt.

Pour que le signal Wi-Fi 2,4 GHz évite de piétiner les signaux de téléphone mobile 900/1800 MHz, les signaux FM 100 MHz et toute une gamme étendue d'autres signaux, il y a une limite stricte sur la quantité de signal autorisée diffèrent d'une onde sinusoïdale de 2,4 GHz . C'est une façon profane de comprendre la "bande passante".

Le fait d'avoir un émetteur à 2412 MHz et un autre à 2484 MHz, par exemple, est qu'un récepteur peut filtrer tous les signaux, mais celui qui l'intéresse. Pour ce faire, vous supprimez toutes les fréquences en dehors de la bande qui vous intéresse .

Maintenant, si vous prenez n'importe quel signal et filtrez tout ce qui est au-dessus de 2422 MHz et tout ce qui est en dessous de 2402 MHz, vous vous retrouvez avec quelque chose qui ne peut pas tellement dévier d'une onde sinusoïdale de 2412 MHz. Voilà comment fonctionne le filtrage des fréquences.

J'ai un peu développé cette réponse, en ajoutant quelques images, dans cette réponse .

La fréquence porteuse utilisée par le Wi-Fi est de 2,4 GHz, mais la largeur du canal est bien inférieure à cela. Le Wi-Fi peut utiliser des canaux larges de 20 MHz ou 40 MHz et divers schémas de modulation au sein de ces canaux.

Une onde sinusoïdale non modulée à 2,4 GHz consommerait une bande passante nulle, mais elle transmettrait également zéro information. La modulation de l'onde porteuse en amplitude et en fréquence permet de transmettre des données. Plus l'onde porteuse est modulée rapidement, plus elle consommera de bande passante. Si vous modulez une onde sinusoïdale de 2,4 GHz avec un signal de 10 MHz, le résultat consommera 20 MHz de bande passante avec des fréquences allant de 2,39 GHz à 2,41 GHz (somme et différence de 10 MHz et 2,4 GHz).

Désormais, le Wi-Fi n'utilise pas de modulation AM; Le 802.11n prend en charge une large gamme de formats de modulation différents. Le choix du format de modulation dépend de la qualité du canal - par exemple le rapport signal / bruit. Les formats de modulation incluent BPSK, QPSK et QAM. BPSK et QPSK sont des incréments de décalage de phase binaires et en quadrature. QAM est une modulation d'amplitude en quadrature. BPSK et QPSK fonctionnent en décalant la phase de l'onde porteuse de 2,4 GHz. La vitesse à laquelle l'émetteur peut changer la phase de la porteuse est limitée par la largeur de bande du canal. La différence entre BPSK et QPSK est la granularité - BPSK a deux déphasages différents, QPSK en a quatre. Ces différents déphasages sont appelés «symboles» et la largeur de bande du canal limite le nombre de symboles pouvant être transmis par seconde, mais pas la complexité des symboles. Si le rapport signal / bruit est bon (beaucoup de signal, peu de bruit), alors QPSK fonctionnera mieux que BPSK car il déplace plus de bits au même débit de symboles. Cependant, si le SNR est mauvais, alors le BPSK est un meilleur choix car il est moins probable que le bruit inclus avec le signal provoque une erreur du récepteur. Il est plus difficile pour le récepteur de déterminer avec quel décalage de phase un symbole particulier a été transmis lorsqu'il y a 4 déphasages possibles que lorsqu'il n'y en a que 2.

QAM étend QPSK en ajoutant une modulation d'amplitude. Le résultat est un degré de liberté supplémentaire - le signal transmis peut désormais utiliser une gamme de déphasages et de changements d'amplitude. Cependant, plus de degrés de liberté signifient que moins de bruit peut être toléré. Si le SNR est très bon, 802.11n peut utiliser 16-QAM et 64-QAM. Le 16-QAM a 16 combinaisons d'amplitude et de phase différentes tandis que le 64-QAM en a 64. Chaque combinaison de déphasage / amplitude est appelée symbole. En BPSK, un bit est transmis par symbole. Dans QPSK, 2 bits sont transmis par symbole. Le 16-QAM autorise la transmission de 4 bits par symbole, tandis que le 64-QAM autorise 6 bits. La vitesse à laquelle les symboles peuvent être transmis est déterminée par la largeur de bande du canal; Je crois que le 802.11n peut transmettre 13 ou 14,4 millions de symboles par seconde. Avec une bande passante large de 20 MHz et 64-QAM, le 802.11n peut transférer 72 Mbit / sec.

Lorsque vous ajoutez MIMO en plus de cela pour plusieurs flux parallèles et que vous augmentez la largeur du canal à 40 MHz, le débit global peut augmenter à 600 Mbit / sec.

Si vous souhaitez augmenter le débit de données, vous pouvez augmenter la bande passante du canal ou le SNR. La FCC et la spécification limitent la bande passante et la puissance d'émission. Il est possible d'utiliser des antennes directionnelles pour améliorer la force du signal reçu, mais il n'est pas possible de réduire le bruit de fond - si vous pouvez comprendre comment le faire, vous pourriez gagner beaucoup d'argent.

Premièrement, vous ne pouvez pas simplement prendre un signal et le recevoir en faisant un tas d'ondes carrées dans l'air. Vous utilisez une onde porteuse (fonctionnant à une certaine fréquence) pour moduler les données avec. L'idée est que vous pouvez ensuite démoduler les données à l'aide d'un récepteur générant une onde à la même fréquence. La modulation réduit la quantité de données qui peut sembler apparente par la fréquence de l'onde porteuse brute, mais sans une onde porteuse quelconque, vous ne pouvez pas récupérer les données car vous ne pourrez pas distinguer les données du bruit aléatoire. Il convient de noter que la bande passante de ce signal porteur est ce qui définit la vitesse réelle. La largeur de bande correspond à la variation de la ou des techniques de modulation entre la fréquence réelle et la fréquence porteuse pure. Bien que, même en supposant un rapport parfait de 1: 1 (ce qui n'est pas vrai comme discuté ci-dessus), vous devez tenir compte de la surcharge du protocole sans fil de bas niveau, ce qui réduit la vitesse utile. Deuxièmement, vous avez la surcharge du protocole de niveau supérieur (généralement la pile TCP / IP) qui elle-même a une surcharge, réduisant ainsi la vitesse utile ... Ensuite, vous avez la possibilité de retransmettre des données qui ont été corrompues dans la transmission (encore une fois, généralement gérées par les protocoles de niveau supérieur), ce qui réduit encore plus votre bande passante de données. Il y a ces raisons et bien d'autres pour lesquelles, même avec une largeur de bande de données théorique réelle, la largeur de bande de données réelle peut être inférieure. Vous pouvez ensuite retransmettre des données qui ont été corrompues lors de la transmission (là encore, généralement gérées par les protocoles de niveau supérieur), ce qui réduit encore davantage votre bande passante de données. Il y a ces raisons et bien d'autres pour lesquelles, même avec une largeur de bande de données théorique réelle, la largeur de bande de données réelle peut être inférieure. Vous pouvez ensuite retransmettre des données qui ont été corrompues lors de la transmission (là encore, généralement gérées par les protocoles de niveau supérieur), ce qui réduit encore davantage votre bande passante de données. Il y a ces raisons et bien d'autres pour lesquelles, même avec une largeur de bande de données théorique réelle, la largeur de bande de données réelle peut être inférieure.

Il s'agit en effet d'un sujet très compliqué. Cependant, pour vous donner une réponse simple, c'est parce que la FCC a mis en place des règles régissant la bande passante et la puissance d'émission que l'on peut utiliser pour les communications wifi. En effet, de nombreuses autres personnes essaient d'utiliser le spectre électromagnétique pour divers types de communications sans fil (par exemple, les téléphones portables, le wifi, le bluetooth, la radio am / fm, la télévision, etc.). En fait, la fréquence porteuse (2,4 GHz) a très peu à voir avec la bande passante des communications (ou le débit de données qui peut être atteint, d'ailleurs).

Comme mentionné précédemment, vous confondez bande et bande passante; cependant, aucune des réponses ne donne une explication intuitive.

L'explication intuitive pourrait être faite avec un ensemble d'enceintes. Vous avez un bip haut et un bip bas indiquant 1 et 0. Vous transportez les données en alternant les bips haut et bas. La fréquence des tonalités elles-mêmes a peu (voir ci-dessous) à voir avec la vitesse à laquelle vous effectuez l'alternance entre les bips hauts et bas.

Les ondes Wi-Fi ressemblent beaucoup aux ondes sonores. Ce sont des ondes porteuses : elles prennent votre signal d'onde de bloc et le convertissent en ondes hautes et basses fréquences. La seule différence est que les ondes hautes et basses fréquences sont très proches et centrées autour de 2,4 GHz.

Maintenant, pour la partie où vous voulez la limite supérieure. En utilisant notre système de «bip»: vous ne pouvez bien sûr pas changer la fréquence de tonalité ( bande ) de vos bips dix fois pendant une seule onde sonore. Donc, il y a une limite inférieure sur le moment où la fréquence des changements devient audible sous forme de bips distincts, et quand ce n'est qu'un bip déformé bizarre. La vitesse à laquelle vous pouvez changer la fréquence est appelée la bande passante ; plus la bande passante est basse, plus les bips sont audibles comme distincts (d'où la vitesse de liaison plus faible lorsque la réception est mauvaise).

$$C = Wlog_{2}(1+SNR)$$ capacité en unités de bits / sec. Ici, la capacité signifie que si le débit d'information souhaité sur le W donné est inférieur à C, alors il y aura un code correcteur d'erreurs d'une complexité suffisante avec lequel on peut réaliser un transfert d'informations de probabilité d'erreur zéro au SNR donné. Cela n'a rien à voir avec la fréquence porteuse et n'est qu'indirectement lié à la réglementation FCC. La FCC détermine la quantité d'énergie pouvant être transmise sur quelle bande passante, les concepteurs décident de la complexité et de la technologie du système de transmission et vous l'utilisateur final avec le débit d'information maximal car le SNR dépendra de la distance souhaitée, de la puissance et de la bande passante du FCC le permet. Sur le RTPC où le système est plutôt statique, il existe un format de modulation qui utilise 1024 formes d'onde dans une bande passante nominale de 4 kHz, le résultat en un taux d'information théorique de 40 kbit / s! Si l'on pouvait atteindre cette complexité sur un canal mobile, on pourrait avoir ~ 10x20 = 200Mbit / sec à un SNR suffisamment élevé, l'accent est mis sur le suffisamment élevé! Plus la fréquence porteuse est élevée, plus les pertes de propagation sont élevées, mais plus il est facile de faire fonctionner les circuits RF sur une bande passante suffisamment élevée mais a priori donnée.

Bien qu'il existe des variations dans la façon dont les choses sont mises en œuvre, les communications radio impliquent généralement de prendre un signal basse fréquence qui contient des informations à transmettre et d'utiliser une technique appelée modulation à une gamme de fréquences plus élevée. Il est peut-être plus facile de penser en termes de "boîte noire" qui, étant donné deux signaux contenant différentes combinaisons de fréquences, - pour chaque combinaison de signaux présents dans l'original, les fréquences de somme et de différence, proportionnellement au produit de la forces des signaux dans l'original. Si l'on alimente un signal audio contenant des fréquences dans la gamme 0-10KHz avec une onde sinusoïdale 720,000Hz [la porteuse utilisée par le WGN-720 Chicago], on recevra de la boîte un signal contenant uniquement des fréquences dans la gamme 710,000Hz à 730 000 Hz. Si un récepteur alimente ce signal dans un boîtier similaire, avec sa propre onde sinusoïdale de 720 000 Hz, il recevra de ce boîtier des signaux dans la plage de 0 à 10 kHz, ainsi que des signaux dans la plage de 1 430 000 Hz à 1 450 000 Hz. Les signaux dans le 0-10Khz correspondront aux originaux; ceux dans la plage de 1 430 000 Hz à 1 450 000 Hz peuvent être ignorés.

Si en plus du WGN, une autre station diffuse (par exemple WBBM-780), alors les signaux dans la gamme 770 000 Hz à 790 000 Hz transmis par ce dernier seront convertis par le récepteur en signaux dans la gamme 50 000 Hz à 70 000 Hz (comme ainsi que de 1 490 000 Hz à 1 510 000 Hz). Étant donné que le récepteur radio est conçu en supposant qu'aucun audio d'intérêt n'implique des fréquences supérieures à 10 000 Hz, il peut ignorer toutes les fréquences plus élevées.

Même si les données WiFi sont converties en fréquences proches de 2,4 GHz avant la transmission, les fréquences "réelles" d'intérêt sont beaucoup plus faibles. Afin d'éviter que les transmissions Wi-Fi interfèrent avec d'autres émissions, les transmissions Wi-Fi doivent rester suffisamment éloignées des fréquences utilisées par ces autres transmissions pour que tout contenu de fréquence indésirable qu'elles puissent recevoir serait suffisamment différent de ce qu'elles recherchent pour qu'elles '' Je vais le rejeter.

Notez que l'approche du mélangeur «boîte noire» pour la conception radio est un peu simplifiée; bien qu'il soit théoriquement possible pour un récepteur radio d'utiliser un circuit de combinaison de fréquences sur un signal non filtré puis de filtrer passe-bas la sortie, il est généralement nécessaire d'utiliser plusieurs étapes de filtrage et d'amplification. En outre, pour diverses raisons, il est souvent plus facile pour les récepteurs radio de mélanger un signal entrant non pas avec la fréquence porteuse réelle d'intérêt, mais plutôt une fréquence réglable qui est plus ou moins élevée d'une certaine quantité (le terme "* hétéro * dyne" fait référence à l'utilisation de fréquences "différentes"), filtrez le signal résultant, puis convertissez ce signal filtré à la fréquence finale souhaitée. Encore,

La réponse simple est que cela peut être fait. Vous pouvez "moduler n'importe quelle" porteuse avec le signal de votre choix.

En supposant que l'on soit autorisé à le faire, la question est: quelle serait son utilité? Pour répondre à cette question il faut comprendre ce qui se passe quand on module une porteuse. Prenons une porteuse fonctionnant à 1 MHz (1 000 KHz) et nous la modulons avec un signal qui varie de 0 à 100 KHz. Le «mélange» des signaux génère des signaux dans la plage de 900 à 1 100 kHz. De même, si nous utilisons 0 à 1 000 KHz, la plage des signaux générésdevient désormais 0 à 2 000 KHz. Si nous appliquons maintenant ces signaux à une antenne, nous transmettrons des signaux dans la plage de 0 à 2 000 kHz. Si deux personnes ou plus "à proximité" faisaient de même, les signaux se gêneraient et les récepteurs ne pourraient détecter aucune information. Si nous limitons la puissance de l'antenne, deux personnes ou plus pourraient "fonctionner" avec peu d'interférences, si elles sont suffisamment séparées.

Bien que théoriquement, un émetteur puisse fonctionner en utilisant tout le spectre électromagnétique, ce n'est pas pratique, car d'autres personnes veulent l'utiliser aussi, et tout comme dans d'autres situations où une ressource est limitée et la demande dépasse l'offre, la ressource doit être "coupée" up ", partagé, limité et contrôlé.