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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：2.4G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
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
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。
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： 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： 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！ 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。
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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发表于 2018-12-18 10:48:08
