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WIFI穿墙手机:解读天线、dbi、发射功率和无线信号的关系

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我们一直想跟大家探讨无线路由(ap分享器)穿墙这个话题。怎么选购一个适合自身空间环境的路由器、确保角落都能用得wifi确实是大家常常遇到的问题。不时都看到帖子:
“我想买一个路由器,穿墙能力好的。”
“换router,800尺,要穿3幅墙,厕所都要上得到wifi”
“求推荐穿墙能力好的AP无线分享器,透天历3层。”

小编争取马年春节的空档时间写此WIFI穿墙手册,希望[马]上解决wifi穿墙的常见难题。




功率和天线,到底谁重要?
用白炽灯灯泡和射灯来描绘比喻功率和天线的关系最容易理解不过了。路由器Router的发射功率好比灯泡的瓦数,60W的灯泡比20W的要亮,大功率的无线路由器自然信号源强度会大些。但20W的射灯可以比60W的灯泡更亮,因为射灯灯罩把光都集中在一点,而灯泡往四面八方平均发射光。Router的天线就好比射灯灯罩,把wifi信号集中方向发射。下面的这幅图解释天线dbi的作用:




可以看出高dbi的天线不是把wifi信号增强了,而是把其定向集中发射/接收,如果你站在发射方向,自然感觉上信号强了。这就是Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) 的意思。实验证明用高dbi的指向天线确实能“聚焦”wifi信号,增强在聚焦区域的wifi接收强度。透天历的朋友注意了,如果你买高dbi的天线,可能穿透上下楼层的信号会很弱,除非你把天线平放,但平放天线自身楼层的平面信号又会弱。。。




这么凶悍的RT-N1HP都只是9dbi而已,平时我们用的短天线就3-5个dbi。

天线数目和穿墙的关系
我们直觉会觉得3天线的产品比单天线的穿墙要强,事实上确实如此。因为3天线的产品的功率通常比单天线的高(参考reference我一时间找不回来)。MIMO(多天线多点收发技术)能增加速度和覆盖范围:
>MIMO

但注意接收端也要匹配同样数目的天线,例如说我们的手机都是单天线的。。。

天线长度和DBI的关系
通常的感觉是长度越长的天线dbi越高,这是为什么呢?我们常见的天线形式是Dipole耦极式天线,其长度决定了其共振频率,通常取波长的1/4 , 1/2,等倍,两倍等等。例如常见的WIFI 2.4G,其波长大约是135mm,取1/4波长设计就是3cm左右,1/2波长就约6cm,所以这正是我们常见天线长度。天线长度越长指向性越强,dbi就越大:




聪明的你可能会发现,2.4G和5G (准确来说是5.3~5.8G) WIFI 的天线设计长度并不兼容!




这是典型的2.4g WIFI天线的共振频谱,可以想象5G基本不能有效辐射

超高功率+指向天线,你吃得消吗?




把信号电波辐射都集中起来,对人体有多大危害?
一直都有讨论说到底WIFI电波辐射对人体有多大危害,我觉得这个问题就和手机辐射当年的情况一样,一开始大家都没意识到有问题,手机厂家更加粉饰太平,后来慢慢接受辐射有害,但是也避无可避。WIFI和手机不同,手机最多通话十多而是分钟(这个时段的辐射量最大),而WIFI很多时候一用就用上几个小时,甚至WIFI晚上不关的话可以说24小时都沉浸在WIFI信号中。危害到底有多少不好说,但是还是能避免就避免,总没有人在枕头低下放个“高功率穿墙王”吧?!




我设置到10dBm就够用了。。。
美国的FCC就有规定电磁波的发射功率限度,规定路由器的输出功率最大值是1个瓦特(等效30dBm),而加上天线的“聚焦”作用后,等效强度不能超过36dBm。下图是我的BUFFALO WZR-300HP(也就是G300-NH2)在OpenWRT的功率调节图,最高是20 dBm,如果用16 dBi的天线“聚焦”,刚好能达到36 dBm的辐射限度。
在这篇FCC辐射限度值的PDF里面,列出了发射功率和天线增益的最大搭配值。我们的建议凡事不要去到极端,但如果你一定要信号好,如果你命子够硬,那么突破辐射值的方法是买一个高功率配全向天线(全指向天线=低dbi)的路由,再自己换上一格高dbi的定向天线,让辐射飞吧~

绕射还是反射?WIFI穿墙的基本原理
为什么wifi信号能穿墙?wifi信号也是一种电波,电波的波粒二象性由爱恩斯坦提出,后来被多位物理学家证明:低频率的光波显示出强的波动性,可以像水波一样绕开障碍物;而高频率的光波显示出强的粒子性,像子弹、皮球一样,高频激光、珈玛射线就是这类型的光波。先说说我们手机信号,我们在大楼里面都能收到信号,是因为手机信号的载波频率比wifi的低,波长长,绕墙性强:

W-CDMA(3G)使用的是2100MHz的载频。
波长公式:λ=v/t,这里的λ就是波长,速度v是光速约3×10^8m/s,而t则是周期5×10^6HZ,
λ=3×10^8/2100×10^6=140(mm)。
wcdma 波长是140mm。
GSM(2G)使用的是900/1800MHz的载频,波长是333/160mm。

手机微波的波长有140~330毫米,wifi的2.4G波长约120毫米,5G只有60毫米。所以wifi信号多数是靠重复反射来“穿墙”, 这也是为什么关上房门后房间里面的wifi信号会锐减的原因:关门把主要的wifi信道挡住了。所以要估计你家的穿墙难度,可以简单把平面图拿出来,把每堵墙当成镜子,看看要反射多少次、走多远才能射到接受端。这个思路也是如何选择路由器ap摆放位置的依据:未必是放得越近越好,最主要的要有好的wifi通道。




2.4G信道与频点对应关系
>信道        频率(MHz)        波长(mm)
1        2412        124.38
2        2417        124.12
3        2422        123.86
4        2427        123.61
5        2432        123.36
6        2437        123.10
7        2442        122.85
8        2447        122.60
9        2452        122.35
10        2457        122.10
11        2462        121.85
12        2467        121.61
13        2472        121.36
14        2484        120.77
中心频率 122.60




Shout Back Theory:网卡的性能你有留意吗?
即使有一个穿墙能力很好的路由器,但是房间的wifi还是不好,有可能是接收端网卡的性能跟不上。SmallNetBuider有一篇文章阐述Shout Back Theory(回喊理论),因为wifi每个信号包package的传输都是一问一答的:Router发出一个信号包,接收网卡收到后发回一个确认,Router才会发出下个信号包,不然就会重复再发一次上一个数据包。所以无论路由器喊得多么大声,他听不到接收网卡的响应,传输速度都是慢。 SmallNetBuider做了一个测试,测试接收网卡的发射功率对传输速度的影响,结果发现接收端的性能确实影响速度。这篇技术文档更加阐述了接收端的天线dbi对传输距离的影响:当发射和接收端的天线dbi都是14dbi的时候,传输距离是2.5km,而接收端网卡的天线减弱到5dbi的时候,传输距离只剩下0.6km。(请下载参考附件中的“天线的基本概念”)结论是不要一味专注于路由器ap分享器的性能,接收端的性能也很重要。下面一张图片也说明了接收端的天线性能影响传输距离十分明显。




穿不了墙怎么办?
>“走出去”和“引进来”的思路

多数情况我们遇到WIFI信号接收差的时候第一个反应就是换路由器,也就是把信号引进来的思路。如果你原来的Router真的是差的话,换一个好的肯定有改善。最能肯定的例子是单天线的便携路由器换成双天线的合规格产品。




我之前用过的BUFFALO WCR-GN,信号差得要命
当然把路由器的天线改厉害能加强定向传播的能力。
但是如果你原来的路由器已经不错了,再换Router只会浪费金钱,这个时候你要考虑“走出去”:让接收网卡接收更多的信号。基本上你有两个选择:
  • 换一个接收好的网卡,例如Netgear WNDA4100
  • 加长接收天线,前提是你的网卡能换天线
电力猫
电力猫是我们很喜欢的产品,没有辐射,价钱不断走低,弱点是传输速度不会太快,200m产品的速度在40-50m左右,500m在70-80m左右。

Wifi Repeater、Extender
在家里的转角加上中继器来转发信号可以避免在主ROUTER附近的辐射太强,让信号平均散播。

总结
每个家庭的结构布置都不同,很难以偏概全的说多少堵墙、多大的房间用什么路由器,很多时候都要try and error,希望这篇文章能让大家往正确的方向try,对“wifi穿墙”这个问题有更深入的了解。

天线的基本概念antenna_basic.pdf

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