IM開發者的零基礎通信技術入門(十一)：為什么WiFi信號差？一文即懂！

Posted on 2023-03-23 14:53 Jack Jiang 閱讀(94) 評論(0) 編輯收藏

一、本文內容概述

WiFi對于現在的家庭來說，屬于司空見慣的上網方式，但很多情況下，家里房間多、空間大、雜物亂的情況下，WiFi的信號就受影響。為什么WiFi信號會受影響？什么情況下該使用何種方式組網？如何改善WiFi信號差的問題？等等，本文將通俗易懂地為你找到這些問題的答案。

學習交流：

- 移動端IM開發入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發移動端IM》
- 開源IM框架源碼：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（備用地址點此）

（本文已同步發布于：http://www.52im.net/thread-2402-1-1.html）

二、WiFi穿墻之迷

自從WiFi成為人類生存基本需求以來，蜉蝣君經常被問到一個問題：“我的路由器有這么多根天線，看起來牛逼閃閃，號稱大功率穿墻王，咋才走了幾步就沒信號了呢？”

更有甚者，如上圖這位MM，更是問出了如此讓人瞠目結舌的問題：“號稱450米的路由器，咋才過了不到10米，穿了兩堵墻就沒信號了？”

納尼？450米的路由器？！什么鬼？！

把MM發來的盒子圖片放大一看，上面赫然寫著450M！！！能把“M”想象成“米”，這相象力相豐富了吧！

▲ 450M無線路由器

其實這里的450M并不是450米的意思，而是指Mbps，又稱兆比特每秒，說的是這款路由器的最大下載速率可以達到450Mbps，跟覆蓋的距離和穿墻能力一毛錢關系都沒有。

下面我們就來聊聊WiFi的信號問題，包括覆蓋距離和穿墻能力。希望看完之后，能讓你對WiFi有一個全新的認識。

三、WiFi的協議和頻譜

3.1簡介

首先來說WiFi的協議及頻譜的問題。

自從WiFi標準被IEEE（電氣和電子工程師協會）提出以來，經過了20年的蓬勃發展，一步一個腳印，出了一個又一個協議版本，如下圖所示。

▲ WiFi各協議版本

從上表可以看出，WiFi有兩個工作頻段：2.4G和5G。這兩個頻段都是非授權頻段（或者叫免授權頻段）——只要符合國家法規，不經授權就可使用。也就是說，在家里裝個無線路由器，收發WiFi信號，是不需要任何人批準的（而使用除此之外的“授權頻段”，是需要國家正式授權的）。

▲ 頻譜之問

3.2什么是2.4G頻段？

2.4G頻譜的范圍是2.4GHz～2.4835GHz，共有83.5M帶寬，劃分為13個信道，每個信道寬20M。

可是，20M乘以13等于260M啊，這13個信道共需要260M帶寬，而2.4G頻譜只有83.5M，這怎么放得下？

答案就跟上公交車一樣：“擠一擠，往后挪一挪，趕緊再上一個！”人多車小，為了共同的出行需求，個人空間就別想了，被踩到腳更是難免。

從下圖可以看出，2.4G頻譜的這13個信道緊密地交疊在一起，干擾是不可避免的。

▲ 2.4G頻譜及信道

注意：第14信道在國內是不允許使用的。

信道交疊到什么程度呢？由下圖可以比較直觀地看出，在這些信道里面，只有1，6，11，或者2，7，12，或者3，8，13這三組是完全沒有交疊的。

就好比一條很窄的路，上面同行的車卻很多，勢必造成通行速度的下降。

▲ 2.4G不交疊的信道分布

到了802.11n，用戶可以使用40M的信道，但2.4GHz頻段依然只有83.5M的總帶寬，就只能容納兩個信道了。因此只有在夜深人靜網絡空閑的時候，單個用戶才有可能使用40M信道，加之來自隔壁老王家的干擾，802.11n的高速率很大程度上難以達到。

▲ 2.4G 40M帶寬信道

3.3什么是5G頻段？

既然2.4G頻段如此擁擠不堪，IEEE那些制定WiFi標準的專家們，就打起了另一個免授權頻段的主意——那就是5G頻段。（再次注意，這里的5G和我們現在常說的5G通信標準是完全兩回事。）

802.11n雖說是可以工作在5GHz上的，但這個協議版本非常老舊。所以，5GHz的優勢由更年輕的802.11ac來體現。

5G頻譜的范圍是4.910GHz～5.875GHz，有900多M的帶寬，是2.4G的10倍還多！

正是因為這段頻譜很寬，內部還會劃分成幾個子頻段，有的還沒分配，有的作為其他用途。連4G LTE，都想用它（也就是LTE-U，LTE-Unlicensed）。

對于這段頻譜，不同國家之間的使用情況差別很大，中國可以使用的部分如下圖所示。

▲ 中國可用的5G頻譜

下圖是中國的5GHz可用信道的分布情況。

▲ 中國5G信道分布圖

支持802.11ac的路由器和手機可以在把這些可用的信道自由組合，使用20M、40M、80M甚至160M帶寬的信道。

信道多，帶寬大，干擾小，峰值下載速度有效提升。

四、WiFi的速率估算

WiFi工作在2.4G和5G分別能達到多大的峰值下載速率？

2.4G頻段我們采用802.11n來估算，這個版本也是支持2.4G的最新的協議版本。5G頻段我們采用最新的802.11ac來估算，這個協議版本只支持5G。

802.11n引入了幾個特點：

1）支持MIMO，也就是可以使用最多4個天線來收發送數據，下載速率成倍提升。因此看到現在市場有上多個天線的路由器，至少支持802.11n無疑。
2）在支持標準的20M帶寬信道的基礎之上，新增了雙倍帶寬，也就是40M。單用戶理論峰值下載速率又得到了成倍提升！

因此，要估算802.11n最大下載速率，很簡單，數天線的個數！一個天線加上40M信道最大能達到150Mbps的速率，兩個天線自然就是300Mbps，以此類推，4個天線可達600Mbps！

而802.11ac又在下面幾點上進行了增強：

1）MIMO增強：最多可以使用8個天線來收發送數據，速率倍增！
2）信道擴寬：支持80MHz帶寬信道，最大可支持160M帶寬信道，速率倍倍增！
3）高階調制：支持256QAM，速率再增30%！

在這3點的加成之下，802.11ac單天線可達433Mbps，兩天線867Mbps，三天線1.3Gbps，4天線1.7Gbps，8天線3.4Gbps！

以上只是理論上的推算，實際上支持802.11ac的路由器，天線個數都在4根以內。

五、雙頻路由器的誕生

“雙頻路由器”的橫空出世又是為何？

既然5G加802.11ac這么好，那是不是以后的路由器和手機就都可以不支持2.4GHz了呢？單靠5Ghz和802.11ac能否打下一片全新的天地呢？

答案是不行。

顯而易見的一個原因是因為兼容性。

幾年前大量的手機、電腦、電視只支持2.4GHz，為了讓這些老設備不至于沒法上網，對于2.4GHz的支持的必須的。

另一個原因是覆蓋。

2.4G的頻率低波長大，信號損耗小，穿透能力強，在覆蓋上和5G相比具有一定優勢。這個問題我們后面再詳談。

▲ 2.4G的穿透能力強于5G

尺有所短，寸有所長。既然如此，何不2.4G和5G雙頻合璧？

平地一聲雷，雙頻路由器橫空出世。

▲ 雙頻路由器

因為2.4G和5G的信號指標差別較大，一般情況下2.4G和5G的天線是獨立的，如上圖一樣錯開分布，讓相同頻段的天線之間相隔地盡可能遠，保障性能最優。

要估算雙頻路由器支持的最大下載速率，方法依舊是數天線，不同之處是2.4G和5G的速率要分開計算，然后再加起來就可以了。

其實，高速率這樣的核心賣點，路由器廠家肯定是要赫然印在包裝盒上并大肆宣傳的，商家早都替我們算好了。

▲ 1200M≈300M+867M

▲ 雙頻路由器的速率

頻段和速率鋪墊完畢，終于到和穿墻有關的部分了,也就是WiFi的信號強度和損耗。

六、為啥WiFi信號的總是這么差？

首先我們來看看WiFi信號在傳播中遇到障礙物之后的反應：

1）折射：WiFi信號經過玻璃或水的時候，信號路徑發生偏折，我們和路由器都在空氣中，因此折射的影響可以忽略；
2）反射：WiFi信號經過光滑的物體表面時，信號會發生反射，和光的反射類似；
3）繞射：WiFi信號經過水泥墻體，因難以穿越，部分信號會向旁邊散開，等遇到一個可以穿過的區域再繼續向本來的方向繼續直線傳播；
4）漫射：WiFi信號遇到水泥墻，因為直線線路受阻，部分信號會散開，沿著墻壁上下左右繼續延伸出去；
5）穿透：WiFi信號的能量一部分被障礙物吸收，剩余能量的透過障礙物繼續傳播。

▲ 室內WiFi信號傳播模型

一般情況下，在室內環境下，我們手機接收到的WiFi信號主要是反射、繞射、漫射和穿透這四種效應的疊加。后三種效應都和信號的頻率關系很大，頻率越高繞射和穿透的能力越差。

不管是2.4G還是5G頻段，在無線通信里都屬于較高的頻段了，雖說2.4G繞射和穿透能力要比5G強一些，但也高不到哪里去。

我們來看看2.4G信號穿墻之后的損耗（經驗值）：

▲ 2.4G頻段穿透損耗

在射頻世界里，一般用dB這個單位來表示信號變化的情況。

怎么理解呢？很簡單：

1）降低3dB，是指信號強度降低到原先的1/2（二分之一）；
2）降低10dB，是指信號強度降低到原先的1/10（十分之一）；
3）降低30dB，是指信號強度降低到原先的1/1000（千分之一）。

結合上表可以得出下面的結論：

1）木頭，玻璃這些障礙物，對于WiFi信號的阻擋作用不強，只會帶來一半左右的信號衰減；
2）磚墻，水泥墻這些障礙物，堪稱WiFi信號殺手，穿透的信號動輒衰減為原先的千分之一；
3）電梯這類金屬障礙物，簡直就是WiFi信號的噩夢，輕輕松松衰減到原先的萬分之一！

▲ WiFi信號差

真是讓人絕望啊，這可咋辦呢？

有沒有所謂“大功率路由器？”

機智的你肯定很快就想到了，想要信號好穿墻能力強，增大發射功率啊！沒有什么不是增大功率不能解決的，如果有，那就再增大一倍！

但是在WiFi這里，增大發射功率還真不行。

因為無線路由器的發射功率是有國家規定的——最大100mW，也就是0.1W。我國對無線設備發射功率一向要求嚴格，不符合這個要求的產品是不能上市的。

所以，想通過增強發射功率來提升WiFi信號這條路是走不通的。

“高增益天線”是否可行？

既然發射功率有限制，那如果路由器用的高增益天線到話，不是能量發射會更集中，從而覆蓋地更遠嗎？

理論上來說是這樣。但增益高能量集中的代價就是波束變窄，WiFi信號的覆蓋會不均勻，有的方向信號強，有的方向信號弱。如果有多個人在不同位置同時使用的話，對覆蓋的評價會褒貶不一。

▲ 天線增益及輻射方向圖

而且，一般的路由器天線增益也就9dBi，面對動輒就幾十dB的穿透損耗來說也是杯水車薪。

七、我該怎么提升WiFi信號？

這也不行那些不行，那該到底咋樣才能提升WiFi信號呢？

7.1場景1：“我就一臺路由器，既想讓WiFi信號變好，又一分錢都不想花，該怎么辦？”

【方法一：路由器擺放位置優化】

既然所謂的“穿墻王”，“單臺穿三墻”這種神器統統不存在，單臺路由器不可避免的無法完全覆蓋任意角落。

如果想要最低成本地解決問題，請記住下面這幾條法則：

1）傳播距離越短信號越好，所以盡量把路由器放在房子的中央！
2）木門，玻璃門等對信號的衰減小，盡量讓路由器多走門，少穿墻！
3）弱電箱的位置一般都在門口，四周面板也會屏蔽無線信號，所以盡量不要把無線路由器放在弱電箱里！
4）把路由器擺在高一些，開闊一下的地方，避開冰箱、洗衣機、各種家具等障礙物！

下面是作業：請看這張圖，位置一和位置二哪個好？

▲ 路由器擺放位置差異對信號的影響

再請看這張圖，位置一和位置二哪個好？

▲ 路由器擺放高度對信號的影響

相信這兩道題的答案是不言而喻的。

【方法二：調整合理的天線角度】

一般的家用路由器都使用全向天線，全向天線的無線信號分布類似被水平壓扁的輪胎。所以，無線信號在與天線垂直的方向上覆蓋效果最好。

如下圖所示：

▲ 全向天線輻射方向圖

所以，還乖乖把無線路由器的天線調整到與地面垂直，直戳戳地對著房頂就好，別掰成各種亂七八糟的角度了，直戳戳地對著你的方向恰好信號最弱！

▲ 路由器的天線角度調節建議

【方法三：避免環境干擾】

1）盡量使用雙頻路由器，能使用5G頻段盡量使用5G！如前文所示，2.4G頻段是非常擁堵的，自然受到的干擾也更多。而5G頻段相對來說就要干凈地多。雖然有時候看起來5G的信號比2.4G少上一兩格，但說不定速度更快！

2）把路由器盡量放得離微波爐、藍牙設備、無線鼠標鍵盤等設備遠一些！這些玩意都在2.4G上工作，造成干擾指數增加！

3）更改路由器的信道配置！前面已經說過，2.4G頻段上只有3個獨立不交疊的信道，一般來說就是1，6和11。試著改改看，哪個信道好就用哪個。

▲ 修改2.4G信道設置

7.2場景2：“為了上網爽快，我還是愿意點花錢的，怎么辦？”

這就必須要上升到家庭組網方案了！

【方案一：使用無線擴展器擴展放大無線信號】

這是目前中小戶型WiFi信號擴展的主流方案。哪里信號比較弱，就在這個位置就近的電源插座上插一個擴展器，不需要連接網線。這個功能就叫做信號中繼，顧名思義，就是指信號放大器接收主路由器的信號，放大之后再發射出來，因此家里的信號還是同一個，手機、Pad會連接質量較好的信號。

▲ 無線擴展器

適用環境：任意環境都適用。

【方案二：使用無線路由器橋接擴大信號】

這個方案使用路由器的無線橋接功能，把多臺無線路由器通過無線方式連起來，路由器之間也不需要網線連接。通過無線橋接后，WiFi信合實現了接力，起到放大作用。當然，副路由器一般來說四個網絡口，可以用來接有線電腦，這也是這個方案的優勢之一。

▲ 兩個路由器橋接

那么方案二和方案一還有什么不同呢？那就是橋接的這兩個路由器實際上還是獨立工作的，可以設置不同的WiFi名稱和密碼。

適用環境：手頭已有多臺無線路由器、想要在副路由器接有線設備。

【方案三：使用網線把兩臺（或者多臺）路由器連接起來】

使用網線將多個路由器連接起來，其中連接寬帶的路由器作為主路由器，其他的作為副路由器。主副路由器之間通過各自的LAN口連接起來，此時副路由器相當于無線交換機。

通過配置，可以實現整個網絡只有一個無線信號，實現自動漫游。

▲ 有線連接多個路由器

這個方案要求各個路由器之間通過網線連接起來，最大的優勢就是穩定性好，路由器之間沒有無線損耗，各個路由器的速率都很高，但也有一個明顯的限制條件，就是所有路由器之間必須通過網線連接。

適用環境：已經布好網線的環境。

【方案四：使用HyFi套裝（子母路由器）組建全覆蓋無線網絡】

HyFi（全稱：Hybrid Wi-Fi）也叫電力貓，是指同一產品同時采用“有線”和“無線”兩種技術，以房間內無處不在的“電線”為主干，“無線”作為接入，使產品兼具有線的穩定可靠性和無線的移動便捷性。

TP-Link的HyFi套裝是由HyFi路由器和HyFi擴展器兩部分組成，兩者是通過家里的電線傳輸數據的。配置好路由器后會將無線設置自動推送到擴展器，這樣就組成了只有一個信號的無線網絡。

▲ HyFi套裝通過電線傳輸信號

HyFi無線解決方案是具有方便快捷的特點，通過電線傳輸無需布線，傳輸速度快、穩定性好。并且無線配置簡單，只需要配置好路由器，擴展器的信號就會隨之同步改變。

因此這個方案擴展性很好，可以根據實際需要配置多個擴展器，外觀也非常的大氣，美觀、簡潔。

華為的這個方案也叫子母路由器，和HyFi這個名稱相比來說更接地氣，本質都是路由器和電力貓的結合，可通過家里的已布好的電線傳送信號。

相比較前幾種，這個方案方案成本相對較大，需要替換之前的路由器。

適用環境：任意家庭環境。

【方案五：使用AP/AC擴展無線信號】

如果你偏愛整潔的環境，不想看到插座上的線纜，更不想看到突兀的路由器天線，還要所有房間都覆蓋良好，那么就使用AC加無線AP的方式組網吧，絕對如你所愿。

AP：無線訪問接入點（Access Point），說白了就是一個WiFi信號收發器，相當于去掉了路由和管理功能的無線路由器；

AC：無線控制器（Access Controller），就是用來集中化管理多個無線AP的，負責下發配置、修改相關配置參數、射頻智能管理、接入安全控制等。

▲ AC/AP管理網絡

方案要求所有的AP（接入點）和AC（接入控制器）通過有線方式連接起來，由AC統一配置所有的無線AP，整個無線網絡有統一的信號，可以實現無線漫游。

該方案選用的AP是可以嵌入到墻里面的網線面板，由AC通過網線來供電，不需要外接電源，美觀大方，不占空間。這一切的代價就是貴。

適用環境：大戶型，對覆蓋要求高，希望整潔，所有網絡設備都隱形。

【小結】

至此，以上幾種常見方案介紹完畢，我們對各個方案進行對比：

▲ 各種組網方案對比

好了，絮叨了這么多，關于WiFi穿墻的“道”和“術”都已經介紹完畢，希望各位在任意角落都能夠信號滿滿。

▲ 技術男的難處

八、本系列文章目錄