Беспроводная передача данных

Aladdin

Отличное замечание. Давайте перепишем конспект, четко объяснив, откуда берутся цифры диапазонов и каналов.

Беспроводная передача

Беспроводная связь использует радиочастотный спектр — часть электромагнитного спектра, зарезервированную для передачи информации по воздуху. Этот спектр строго регулируется государственными органами, которые выделяют определенные участки для конкретных целей (радио, ТВ, военные, сотовая связь, Wi-Fi).

Частотный диапазон (Frequency Band) — это широкий, официально разрешенный для использования Wi-Fi участок этого спектра. Цифры (2.4, 5, 6 ГГц) — это центральные частоты этих выделенных полос.
- 2.4 ГГц: Официально разрешенная полоса 2400–2483.5 МГц. Это глобальный ISM-диапазон (Industrial, Scientific, Medical), открытый для нелицензионного использования, поэтому он перегружен.
- 5 ГГц: Набор нескольких поддиапазонов, например, в ЕС это 5150–5350 МГц и 5470–5725 МГц. Менее загружен, но имеет больше ограничений по мощности.
- 6 ГГц: Самый новый диапазон, 5925–7125 МГц. Предоставляет огромный объем чистого спектра, что является его главным преимуществом.
Радиоканал (Channel) — это конкретный, узкий “коридор” внутри частотного диапазона, которым управляет одна точка доступа. Каждый канал имеет свою центральную частоту и ширину.
- Пример: В диапазоне 2.4 ГГц базовый канал имеет ширину 20 МГц. Канал 1 центрирован на частоте 2412 МГц, канал 2 — на 2417 МГц, канал 6 — на 2437 МГц и так далее с шагом 5 МГц.
- Проблема перекрытия: Поскольку ширина канала (20 МГц) больше шага между центральными частотами (5 МГц), соседние каналы перекрываются. Поэтому для стабильной работы без помех используются только неперекрывающиеся каналы: 1 (2412 МГц), 6 (2437 МГц) и 11 (2462 МГц).

Tехнологий модуляции и передачи

Модуляция — это фундаментальный процесс в радиосвязи, при котором параметры высокочастотного несущего сигнала (обычно синусоидальной волны) изменяются в соответствии с передаваемым информационным сигналом (цифровыми данными или аналоговым звуком).

Существует три основных типа аналоговой модуляции:

AM (Amplitude Modulation) — Амплитудная модуляция. Информация кодируется в изменениях амплитуды (высоты) несущей волны.
FM (Frequency Modulation) — Частотная модуляция. Информация кодируется в изменениях частоты (количества колебаний в секунду) несущей волны.
PM (Phase Modulation) — Фазовая модуляция. Информация кодируется в скачкообразных изменениях фазы (положения волны в ее цикле) несущей.

В современных цифровых системах, таких как Wi-Fi, используются более сложные и эффективные цифровые схемы модуляции, которые часто комбинируют несколько параметров сразу. Например, QAM (Quadrature Amplitude Modulation) одновременно изменяет и амплитуду, и фазу несущей, чтобы закодировать в одном символе сразу несколько битов данных. Чем сложнее схема модуляции (например, 1024-QAM или 4096-QAM), тем больше данных можно передать за единицу времени, но тем выше требования к качеству канала связи.

Основные виды QAM, используемые в Wi-Fi:

64-QAM: Используется в Wi-Fi 2/3/4. Имеет 64 уникальных состояния. Передает 6 бит за символ (так как 2⁶ = 64).
256-QAM: Введен в Wi-Fi 5. Имеет 256 состояний. Передает 8 бит за символ (2⁸ = 256). Требует хорошего качества сигнала.
1024-QAM: Введен в Wi-Fi 6. Имеет 1024 состояния. Передает 10 бит за символ (2¹⁰ = 1024). Еще более чувствителен к помехам.
4096-QAM: Введен в Wi-Fi 7. Имеет 4096 состояний. Передает 12 бит за символ (2¹² = 4096). Максимально повышает скорость, но работает только при очень высоком отношении сигнал/шум (SNR).

DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) — Прямая последовательность расширения спектра

Применяется в: Wi-Fi 1 (802.11b).
Принцип: Каждый бит данных заменяется длинной псевдослучайной последовательностью. Это “размазывает” сигнал по широкой полосе частот.
Цель: Повышение помехоустойчивости и скрытности сигнала. Очень медленная технология по современным меркам.

OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) — Ортогональное Частотно-Разделение с Мультиплексированием

Применяется в: Все Wi-Fi, начиная с Wi-Fi 2 (802.11a).
Принцип: Весь поток данных разбивается на множество параллельных низкоскоростных потоков. Каждый поток модулируется на свою узкую поднесущую (subcarrier). Поднесущие ортогональны, поэтому их спектры могут перекрываться без взаимных помех.
Преимущество: Высокая спектральная эффективность и устойчивость к многолучевым помехам.

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) — Квадратурная амплитудная модуляция

Применяется в: Все OFDM-стандарты Wi-Fi.
Принцип: Кодирует данные путем одновременного изменения амплитуды и фазы несущей волны. Каждая уникальная точка на “созвездии” QAM представляет символ, несущий несколько битов.
Эволюция:
- Wi-Fi 2/3/4: до 64-QAM (6 бит/символ).
- Wi-Fi 5: 256-QAM (8 бит/символ).
- Wi-Fi 6: 1024-QAM (10 бит/символ).
- Wi-Fi 7: 4096-QAM (12 бит/символ).
Компромисс: Чем выше порядок QAM, тем выше скорость, но тем хуже работает связь при слабом сигнале или помехах.

Channel Bonding (Объединение каналов)

Применяется в: Wi-Fi 4 и новее.
Принцип: Объединение нескольких базовых 20 МГц каналов в один более широкий для увеличения пропускной способности.
Ширины каналов:
- Wi-Fi 4: до 40 МГц.
- Wi-Fi 5: до 80/160 МГц.
- Wi-Fi 7: до 320 МГц.
Недостаток: Требует большого свободного участка спектра, что сложно в загруженных диапазонах, например, 2.4 ГГц.

2. Работа с множеством устройств

OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)

Применяется в: Wi-Fi 6/7.
Принцип: Делит OFDM-канал на мелкие блоки ресурсов — Resource Units (RUs).
Как работает: Точка доступа (AP) может выделить один RU одному устройству, другой RU — другому, и все они передают данные одновременно в одном временном слоте.
Для чего: Эффективно для IoT-устройств, которые отправляют небольшие пакеты данных (например, показания датчиков).

MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output)

Применяется в: Wi-Fi 5 (Downlink), Wi-Fi 6/7 (Up/Downlink).
Принцип: Позволяет AP с несколькими антеннами одновременно передавать разные потоки данных разным устройствам в одном частотном канале, используя пространственное разделение.
Как работает: AP формирует направленные лучи сигнала (beamforming) к каждому клиенту.
Для чего: Эффективно для устройств с высокой пропускной способностью (стриминг видео, онлайн-игры).

Multi-Link Operation (MLO) — Многоканальная работа

Применяется в: Wi-Fi 7.
Принцип: Позволяет одному устройству одновременно использовать несколько радиоканалов в разных диапазонах (например, 5 ГГц и 6 ГГц).
Преимущества:
- Увеличение скорости: Пропускная способность суммируется.
- Снижение задержки: Трафик можно мгновенно перенаправить с занятого канала на свободный.
- Повышение надежности: Соединение остается стабильным даже при проблемах на одном из каналов.

3. Сводная таблица версий Wi-Fi

Название	Стандарт IEEE	Год	Диапазон	Макс. скорость*	Ключевые технологии физического уровня
Wi-Fi 1	802.11b	1999	2.4 ГГц	11 Мбит/с	DSSS
Wi-Fi 2	802.11a	1999	5 ГГц	54 Мбит/с	OFDM, 64-QAM
Wi-Fi 3	802.11g	2003	2.4 ГГц	54 Мбит/с	OFDM, 64-QAM
Wi-Fi 4	802.11n	2009	2.4 / 5 ГГц	600 Мбит/с	MIMO, Channel Bonding (40 МГц), 64-QAM
Wi-Fi 5	802.11ac	2013	5 ГГц	3.5 Гбит/с	MU-MIMO (DL), Channel Bonding (80/160 МГц), 256-QAM
Wi-Fi 6	802.11ax	2019	2.4 / 5 / 6 ГГц	9.6 Гбит/с	OFDMA, MU-MIMO (UL/DL), 1024-QAM, BSS Coloring
Wi-Fi 7	802.11be	2024	2.4 / 5 / 6 ГГц	46 Гбит/с	320 МГц каналы, 4096-QAM, Multi-Link Operation (MLO)

*Максимальная теоретическая скорость при идеальных условиях.