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IM 开发者的零基础通信技术入门 (十一):为什么 WiFi 信号差?一文即懂!

作者:JackJiang
  • 2023-03-23
    江苏
  • 本文字数:6693 字

    阅读完需:约 22 分钟

IM开发者的零基础通信技术入门(十一):为什么WiFi信号差?一文即懂!

一、本文内容概述

WiFi 对于现在的家庭来说,属于司空见惯的上网方式,但很多情况下,家里房间多、空间大、杂物乱的情况下,WiFi 的信号就受影响。为什么 WiFi 信号会受影响?什么情况下该使用何种方式组网?如何改善 WiFi 信号差的问题?等等,本文将通俗易懂地为你找到这些问题的答案。


学习交流:

- 移动端 IM 开发入门文章:《新手入门一篇就够:从零开发移动端 IM》

- 开源 IM 框架源码:https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK(备用地址点此)

(本文已同步发布于:http://www.52im.net/thread-2402-1-1.html

二、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?!

把 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”,这相象力相丰富了吧!

▲ 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。

三、WiFi 的协议和频谱

3.1 简介

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,如下图所示。

▲ WiFi 各协议版本

从上表可以看出,WiFi 有两个工作频段:2.4G 和 5G。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

3.2 什么是 2.4G 频段?

2.4G 频谱的范围是 2.4GHz~2.4835GHz,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 1,6,11,或者 2,7,12,或者 3,8,13 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

3.3 什么是 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 4.910GHz~5.875GHz,有 900 多 M 的带宽,是 2.4G 的 10 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 20M、40M、80M 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。

四、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 1.3Gbps,4 天线 1.7Gbps,8 天线 3.4Gbps!

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

五、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 5Ghz 和 802.11ac 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 2.4G 和 5G 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。

六、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:

  • 1)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;

  • 2)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;

  • 3)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;

  • 4)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;

  • 5)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:

  • 1)降低 3dB,是指信号强度降低到原先的 1/2(二分之一);

  • 2)降低 10dB,是指信号强度降低到原先的 1/10(十分之一);

  • 3)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:

  • 1)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;

  • 2)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;

  • 3)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。

七、我该怎么提升 WiFi 信号?

这也不行那些不行,那该到底咋样才能提升 WiFi 信号呢?

7.1 场景 1:“我就一台路由器,既想让 WiFi 信号变好,又一分钱都不想花,该怎么办?”

【方法一:路由器摆放位置优化】

既然所谓的“穿墙王”,“单台穿三墙”这种神器统统不存在,单台路由器不可避免的无法完全覆盖任意角落。

如果想要最低成本地解决问题,请记住下面这几条法则:

  • 1)传播距离越短信号越好,所以尽量把路由器放在房子的中央!

  • 2)木门,玻璃门等对信号的衰减小,尽量让路由器多走门,少穿墙!

  • 3)弱电箱的位置一般都在门口,四周面板也会屏蔽无线信号,所以尽量不要把无线路由器放在弱电箱里!

  • 4)把路由器摆在高一些,开阔一下的地方,避开冰箱、洗衣机、各种家具等障碍物!

下面是作业:请看这张图,位置一和位置二哪个好?

▲ 路由器摆放位置差异对信号的影响

再请看这张图,位置一和位置二哪个好?

▲ 路由器摆放高度对信号的影响

相信这两道题的答案是不言而喻的。

【方法二:调整合理的天线角度】

一般的家用路由器都使用全向天线,全向天线的无线信号分布类似被水平压扁的轮胎。所以,无线信号在与天线垂直的方向上覆盖效果最好。

如下图所示:

▲ 全向天线辐射方向图

所以,还乖乖把无线路由器的天线调整到与地面垂直,直戳戳地对着房顶就好,别掰成各种乱七八糟的角度了,直戳戳地对着你的方向恰好信号最弱!

▲ 路由器的天线角度调节建议

【方法三:避免环境干扰】

1)尽量使用双频路由器,能使用 5G 频段尽量使用 5G!如前文所示,2.4G 频段是非常拥堵的,自然受到的干扰也更多。而 5G 频段相对来说就要干净地多。虽然有时候看起来 5G 的信号比 2.4G 少上一两格,但说不定速度更快!

2)把路由器尽量放得离微波炉、蓝牙设备、无线鼠标键盘等设备远一些!这些玩意都在 2.4G 上工作,造成干扰指数增加!

3)更改路由器的信道配置!前面已经说过,2.4G 频段上只有 3 个独立不交叠的信道,一般来说就是 1,6 和 11。试着改改看,哪个信道好就用哪个。

▲ 修改 2.4G 信道设置

7.2 场景 2:“为了上网爽快,我还是愿意点花钱的,怎么办?”

这就必须要上升到家庭组网方案了!

【方案一:使用无线扩展器扩展放大无线信号】

这是目前中小户型 WiFi 信号扩展的主流方案。哪里信号比较弱,就在这个位置就近的电源插座上插一个扩展器,不需要连接网线。这个功能就叫做信号中继,顾名思义,就是指信号放大器接收主路由器的信号,放大之后再发射出来,因此家里的信号还是同一个,手机、Pad 会连接质量较好的信号。

▲ 无线扩展器

适用环境:任意环境都适用。

【方案二:使用无线路由器桥接扩大信号】

这个方案使用路由器的无线桥接功能,把多台无线路由器通过无线方式连起来,路由器之间也不需要网线连接。通过无线桥接后,WiFi 信合实现了接力,起到放大作用。当然,副路由器一般来说四个网络口,可以用来接有线电脑,这也是这个方案的优势之一。

▲ 两个路由器桥接

那么方案二和方案一还有什么不同呢?那就是桥接的这两个路由器实际上还是独立工作的,可以设置不同的 WiFi 名称和密码。

适用环境:手头已有多台无线路由器、想要在副路由器接有线设备。

【方案三:使用网线把两台(或者多台)路由器连接起来】

使用网线将多个路由器连接起来,其中连接宽带的路由器作为主路由器,其他的作为副路由器。主副路由器之间通过各自的 LAN 口连接起来,此时副路由器相当于无线交换机。

通过配置,可以实现整个网络只有一个无线信号,实现自动漫游。

▲ 有线连接多个路由器

这个方案要求各个路由器之间通过网线连接起来,最大的优势就是稳定性好,路由器之间没有无线损耗,各个路由器的速率都很高,但也有一个明显的限制条件,就是所有路由器之间必须通过网线连接。

适用环境:已经布好网线的环境。

【方案四:使用 HyFi 套装(子母路由器)组建全覆盖无线网络】

HyFi(全称:Hybrid Wi-Fi)也叫电力猫,是指同一产品同时采用“有线”和“无线”两种技术,以房间内无处不在的“电线”为主干,“无线”作为接入,使产品兼具有线的稳定可靠性和无线的移动便捷性。

TP-Link 的 HyFi 套装是由 HyFi 路由器和 HyFi 扩展器两部分组成,两者是通过家里的电线传输数据的。配置好路由器后会将无线设置自动推送到扩展器,这样就组成了只有一个信号的无线网络。

▲ HyFi 套装通过电线传输信号

HyFi 无线解决方案是具有方便快捷的特点,通过电线传输无需布线,传输速度快、稳定性好。并且无线配置简单,只需要配置好路由器,扩展器的信号就会随之同步改变。

因此这个方案扩展性很好,可以根据实际需要配置多个扩展器,外观也非常的大气,美观、简洁。

华为的这个方案也叫子母路由器,和 HyFi 这个名称相比来说更接地气,本质都是路由器和电力猫的结合,可通过家里的已布好的电线传送信号。

相比较前几种,这个方案方案成本相对较大,需要替换之前的路由器。

适用环境:任意家庭环境。

【方案五:使用 AP/AC 扩展无线信号】

如果你偏爱整洁的环境,不想看到插座上的线缆,更不想看到突兀的路由器天线,还要所有房间都覆盖良好,那么就使用 AC 加无线 AP 的方式组网吧,绝对如你所愿。

AP:无线访问接入点(Access Point),说白了就是一个 WiFi 信号收发器,相当于去掉了路由和管理功能的无线路由器;

AC:无线控制器(Access Controller),就是用来集中化管理多个无线 AP 的,负责下发配置、修改相关配置参数、射频智能管理、接入安全控制等。

▲ AC/AP 管理网络

方案要求所有的 AP(接入点)和 AC(接入控制器)通过有线方式连接起来,由 AC 统一配置所有的无线 AP,整个无线网络有统一的信号,可以实现无线漫游。

该方案选用的 AP 是可以嵌入到墙里面的网线面板,由 AC 通过网线来供电,不需要外接电源,美观大方,不占空间。这一切的代价就是贵。

适用环境:大户型,对覆盖要求高,希望整洁,所有网络设备都隐形。

【小结】

至此,以上几种常见方案介绍完毕,我们对各个方案进行对比:

▲ 各种组网方案对比

好了,絮叨了这么多,关于 WiFi 穿墙的“道”和“术”都已经介绍完毕,希望各位在任意角落都能够信号满满。

▲ 技术男的难处

八、本系列文章目录

IM开发者的零基础通信技术入门(一):通信交换技术的百年发展史(上)

IM开发者的零基础通信技术入门(二):通信交换技术的百年发展史(下)

IM开发者的零基础通信技术入门(三):国人通信方式的百年变迁

IM开发者的零基础通信技术入门(四):手机的演进,史上最全移动终端发展史

IM开发者的零基础通信技术入门(五):1G到5G,30年移动通信技术演进史

IM开发者的零基础通信技术入门(六):移动终端的接头人——“基站”技术

IM开发者的零基础通信技术入门(七):移动终端的千里马——“电磁波”

IM开发者的零基础通信技术入门(八):零基础,史上最强“天线”原理扫盲

IM开发者的零基础通信技术入门(九):无线通信网络的中枢——“核心网”

IM开发者的零基础通信技术入门(十):零基础,史上最强5G技术扫盲

IM开发者的零基础通信技术入门(十一):为什么WiFi信号差?一文即懂!》(* 本文)

IM开发者的零基础通信技术入门(十二):上网卡顿?网络掉线?一文即懂!

IM开发者的零基础通信技术入门(十三):手机信号差?一文即懂!

IM开发者的零基础通信技术入门(十四):高铁上无线上网有多难?一文即懂!

IM开发者的零基础通信技术入门(十五):理解定位技术,一篇就够

 

(本文已同步发布于:http://www.52im.net/thread-2402-1-1.html

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