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还在抱怨WiFi信号差?看完你就明白了!
鲜枣课堂

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发表于 2018-12-18 10:48:42  只看楼主 

本文来源:无线深海

01


WiFi穿墙之迷


自从WiFi成为人类生存基本需求以来,蜉蝣君经常被问到一个问题:


我的路由器有这么多根天线,看起来牛逼闪闪,号称大功率穿墙王,咋才走了几步就没信号了呢?



更有甚者,如上图这位MM,更是问出了如此让人瞠目结舌的问题:“号称450米的路由器,咋才过了不到10米,穿了两堵墙就没信号了?


纳尼?450米的路由器?!什么鬼?!


蜉蝣君把该MM发来的盒子图片放大一看,上面赫然写着450M!!!能把“M”想象成“米”,这也太难为WiFi君了吧!


450M无线路由器


其实这里的450M并不是450米的意思,而是指Mbps,又称兆比特每秒,说的是这款路由器的最大下载速率可以达到450Mbps,跟覆盖的距离和穿墙能力一毛钱关系都没有。


下面我们就来聊聊WiFi的信号问题,包括覆盖距离和穿墙能力。希望看完之后,能让你对WiFi有一个全新的认识。



02


WiFi的协议和频谱


首先来说WiFi的协议及频谱的问题。


自从WiFi标准被IEEE(电气和电子工程师协会)提出以来,经过了20年的蓬勃发展,一步一个脚印,出了一个又一个协议版本:


WiFi各协议版本


从上表可以看出,WiFi有两个工作频段:2.4G5G。这两个频段都是非授权频段(或者叫免授权频段)——只要符合国家法规,不经授权就可使用。也就是说,在家里装个无线路由器,收发WiFi信号,是不需要任何人批准的(而使用除此之外的“授权频段”,是需要国家正式授权的)。


频谱之问


2.4G频段:


2.4G频谱的范围是2.4GHz2.4835GHz,共有83.5M带宽,划分为13个信道,每个信道宽20M


可是,20M乘以13等于260M啊,这13个信道共需要260M带宽,而2.4G频谱只有83.5M,这怎么放得下?


答案就跟上公交车一样:“挤一挤,往后挪一挪,赶紧再上一个!”人多车小,为了共同的出行需求,个人空间就别想了,被踩到脚更是难免。


从下图可以看出,2.4G频谱的这13个信道紧密地交叠在一起,干扰是不可避免的。


2.4G频谱及信道

注意,第14信道在国内是不允许使用的。


信道交叠到什么程度呢?


由下图可以比较直观地看出,在这些信道里面,只有1,611,或者2712,或者3813这三组是完全没有交叠的。


就好比一条很窄的路,上面同行的车却很多,势必造成通行速度的下降。


 

2.4G不交叠的信道分布


到了802.11n,用户可以使用40M的信道,但2.4GHz频段依然只有83.5M的总带宽,就只能容纳两个信道了。因此只有在夜深人静网络空闲的时候,单个用户才有可能使用40M信道,加之来自隔壁老王家的干扰,802.11n的高速率很大程度上难以达到。


2.4G 40M带宽信道


5G频段:


既然2.4G频段如此拥挤不堪,IEEE那些制定WiFi标准的专家们,就打起了另一个免授权频段的主意——那就是5G频段。(再次注意,这里的5G和我们现在常说的5G通信标准是完全两回事。)


802.11n虽说是可以工作在5GHz上的,但这个协议版本非常老旧。所以,5GHz的优势由更年轻的802.11ac来体现。


5G频谱的范围是4.910GHz5.875GHz,有900M的带宽,是2.4G10倍还多!


正是因为这段频谱很宽,内部还会划分成几个子频段,有的还没分配,有的作为其他用途。连4G LTE,都想用它(也就是LTE-U,LTE-Unlicensed)。


对于这段频谱,不同国家之间的使用情况差别很大,中国可以使用的部分如下图所示。


中国可用的5G频谱


下图是中国的5GHz可用信道的分布情况。


中国5G信道分布图


支持802.11ac的路由器和手机可以在把这些可用的信道自由组合,使用20M40M80M甚至160M带宽的信道。


信道多,带宽大,干扰小,峰值下载速度有效提升。




03


WiFi的速率估算


WiFi工作在2.4G和5G分别能达到多大的峰值下载速率?


2.4G频段我们采用802.11n来估算,这个版本也是支持2.4G的最新的协议版本。5G频段我们采用最新的802.11ac来估算,这个协议版本只支持5G


802.11n引入了几个特点:

  1. 支持MIMO,也就是可以使用最多4个天线来收发送数据,下载速率成倍提升。因此看到现在市场有上多个天线的路由器,至少支持802.11n无疑。

  2. 在支持标准的20M带宽信道的基础之上,新增了双倍带宽,也就是40M。单用户理论峰值下载速率又得到了成倍提升!


因此,要估算802.11n最大下载速率,很简单,数天线的个数!一个天线加上40M信道最大能达到150Mbps的速率,两个天线自然就是300Mbps,以此类推,4个天线可达600Mbps


而802.11ac又在下面几点上进行了增强:

  1. MIMO增强:最多可以使用8个天线来收发送数据,速率倍增!

  2. 信道扩宽:支持80MHz带宽信道,最大可支持160M带宽信道,速率倍倍增!

  3. 高阶调制:支持256QAM,速率再增30%


在这3点的加成之下,802.11ac单天线可达433Mbps,两天线867Mbps,三天线1.3Gbps4天线1.7Gbps8天线3.4Gbps


这只是理论上的推算,实际上支持802.11ac的路由器,天线个数都在4根以内



04


双频路由器的诞生


“双频路由器”的横空出世又是为何?


既然5G加802.11ac这么好,那是不是以后的路由器和手机就都可以不支持2.4GHz了呢?单靠5Ghz802.11ac能否打下一片全新的天地呢?


答案是不行。


显而易见的一个原因是因为兼容性


几年前大量的手机、电脑、电视只支持2.4GHz,为了让这些老设备不至于没法上网,对于2.4GHz的支持的必须的。


另一个原因是覆盖


2.4G的频率低波长大,信号损耗小,穿透能力强,在覆盖上和5G相比具有一定优势。这个问题我们后面再详谈。

2.4G的穿透能力强于5G


尺有所短,寸有所长。既然如此,何不2.4G和5G双频合璧?


平地一声雷,双频路由器横空出世。


双频路由器


因为2.4G和5G的信号指标差别较大,一般情况下2.4G5G的天线是独立的,如上图一样错开分布,让相同频段的天线之间相隔地尽可能远,保障性能最优。


要估算双频路由器支持的最大下载速率,方法依旧是数天线,不同之处是2.4G和5G的速率要分开计算,然后再加起来就可以了。


其实,高速率这样的核心卖点,路由器厂家肯定是要赫然印在包装盒上并大肆宣传的,商家早都替我们算好了。


1200M≈300M+867M


双频路由器的速率


频段和速率铺垫完毕,终于到和穿墙有关的部分了,也就是WiFi的信号强度和损耗



05


为啥WiFi信号的总是这么差?


首先我们来看看WiFi信号在传播中遇到障碍物之后的反应:

折射:WiFi信号经过玻璃或水的时候,信号路径发生偏折,我们和路由器都在空气中,因此折射的影响可以忽略。

反射:WiFi信号经过光滑的物体表面时,信号会发生反射,和光的反射类似。

绕射:WiFi信号经过水泥墙体,因难以穿越,部分信号会向旁边散开,等遇到一个可以穿过的区域再继续向本来的方向继续直线传播。

漫射:WiFi信号遇到水泥墙,因为直线线路受阻,部分信号会散开,沿着墙壁上下左右继续延伸出去。

穿透:WiFi信号的能量一部分被障碍物吸收,剩余能量的透过障碍物继续传播。


室内WiFi信号传播模型


一般情况下,在室内环境下,我们手机接收到的WiFi信号主要是反射、绕射、漫射和穿透这四种效应的叠加。后三种效应都和信号的频率关系很大,频率越高绕射和穿透的能力越差。


不管是2.4G还是5G频段,在无线通信里都属于较高的频段了,虽说2.4G绕射和穿透能力要比5G强一些,但也高不到哪里去。


我们来看看2.4G信号穿墙之后的损耗(经验值):


2.4G频段穿透损耗


在射频世界里,一般用dB这个单位来表示信号变化的情况。怎么理解呢?很简单——

降低3dB,是指信号强度降低到原先的1/2(二分之一)。

降低10dB,是指信号强度降低到原先的1/10(十分之一)。

降低30dB,是指信号强度降低到原先的1/1000(千分之一)。


结合上表可以得出下面的结论:

木头,玻璃这些障碍物,对于WiFi信号的阻挡作用不强,只会带来一半左右的信号衰减;

砖墙,水泥墙这些障碍物,堪称WiFi信号杀手,穿透的信号动辄衰减为原先的千分之一;

电梯这类金属障碍物,简直就是WiFi信号的噩梦,轻轻松松衰减到原先的万分之一!

WiFi信号差


真是让人绝望啊,这可咋办呢?


有没有所谓“大功率路由器?”


机智的你肯定很快就想到了,想要信号好穿墙能力强,增大发射功率啊!没有什么不是增大功率不能解决的,如果有,那就再增大一倍!


但是在WiFi这里,增大发射功率还真不行。


因为无线路由器的发射功率是有国家规定的——最大100mW,也就是0.1W我国对无线设备发射功率一向要求严格,不符合这个要求的产品是不能上市的。


所以,想通过增强发射功率来提升WiFi信号这条路是走不通的。


“高增益天线”是否可行?


既然发射功率有限制,那如果路由器用的高增益天线到话,不是能量发射会更集中,从而覆盖地更远吗?


理论上来说是这样。但增益高能量集中的代价就是波束变窄,WiFi信号的覆盖会不均匀,有的方向信号强,有的方向信号弱。如果有多个人在不同位置同时使用的话,对覆盖的评价会褒贬不一。


天线增益及辐射方向图


而且,一般的路由器天线增益也就9dBi,面对动辄就几十dB的穿透损耗来说也是杯水车薪。



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