WiFi信号穿墙的原理是什么?如何让你的信号变得更好?

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我们来聊聊WiFi版本和速率,如何穿墙以及怎样设计自家的无线网络这一系列的问题。希望看完之后,你会对WiFi穿墙这个问题能够了然于胸,并能对家庭WiFi组网方案能略知一二。

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WiFi穿墙

1. WiFi穿墙之“天问”

自从WiFi成为继水和电之外的第三大基础需求以来,蜉蝣君经常被问到一个经典问题:

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

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WiFi穿墙之“天问”

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?

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”,这得对良好的WiFi信号覆盖有多渴望?

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450M无线路由器

其实这里的M并不是米的意思,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版本和速率,如何穿墙以及怎样设计自家的无线网络这一系列的问题。希望看完之后,你会对WiFi穿墙这个问题能够了然于胸,并能对家庭WiFi组网方案能略知一二。

2. 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)在提出以来,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,从802.11n开始,下载速率有了质的飞越。

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WiFi各协议版本

WiFi的工作频段和信道:

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,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是不需要任何人批准的。

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频谱之问

(1) 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,被踩到脚更是在所难免。

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。注意,途中的第14信道在国内是不允许使用的。

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2.4G频谱及信道

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,可见2.4GHz频段的拥堵程度。就好比一条很窄的路,上面同行的车却很多,堵车频频,势必造成通行速度的下降。

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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。

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2.4G 40M带宽信道

(2) 5G频段:

既然2.4G频段如此地拥挤不堪,IEEE那些制定WiFi标准的专家们早就在另一个非授权频段:5G上另觅康庄大道了。

802.11n虽说是可以工作在5GHz上的,但这个协议版本毕竟老旧,还有一大票不支持5G的手机电视电脑需要被伺候,因此实际产品还都用于2.4GHz,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都要过来咬上一口。

这段频谱不同国家之间的使用情况差别也很大,中国可以使用的部分如下图所示。

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中国可用的5G频谱

下图是蜉蝣君根据这张表绘制的中国的5GHz可用信道的分布情况,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,让峰值下载速度快得飞起。

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中国5G信道分布图

3. 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:

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。

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:

MIMO增强:最多可以使用8个天线来收发送数据,速率倍增!

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!

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,两天线可达867Mbps,三天线可达1.3Gbps,4天线可达1.7Gbps!以此类推,8天线3.4Gbps!

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

4. 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?

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。

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2.4G的穿透能力强于5G

尺有所短,寸有所长。既如此,何不2.4G和5G双频合璧?平地一声雷,双频路由器横空出世。

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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。

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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:WiFi的信号强度和损耗了。

5. 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。

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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,但毕竟是矮子里挑高个——也高不到那里去。

我们来看看2.4G信号穿墙之后损耗的经验值:

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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。我们只需要了解以下几个关系,就能对这些数据有一个直观的了解:

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!

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WiFi信号差

真是让人绝望啊,这可咋办呢?

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