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！

Posted on 2023-03-23 14:53 Jack Jiang 阅读(88) 评论(0) 编辑收藏

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

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