Akagi201
1/29/2015 - 3:58 AM
wifi-cross-the-wall.md
WiFi穿墙手册: 解读天线, dbi, 发射功率和无线信号的关系
一直想跟大家探讨无线路由穿墙这个话题. 怎么选购一个适合自身空间环境的路由器, 确保各角落都能用得到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"
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. 路由器的天线就好比射灯的灯罩, 把WiFi信号集中方向发射. 下面的这幅图解释了天线dbi的作用:
可以看出: 高dbi的天线不是把WiFi信号增强了, 而是把它定向集中发射/接收, 如果你站在发射方向上, 自然感觉信号强了. 这就是Effective Isotropic Radiated Power(EIRP)的意思. Techbang的这篇换天线测试文章证明了用高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. 透天厝(主要用在台湾,这栋楼如果有三层楼那一楼二楼三楼都是同一户的人所有)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.(信号方向与天线方向垂直)
这么凶悍的n12hp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. MIMO(多天线多点收发技术)能增加速度和覆盖范围. 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.
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10几分钟(这个时段的辐射量最大), 而WiFi很多时候一用就是几个小时, 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?!
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BUFFALO WZR-300HP在OpenWrt的功率调节图, 最高是20dBm, 如果用16dBi的天线"聚焦", 刚好能达到36dBm的辐射限度.
一般设置到10dBm就够用了
在这篇FCC辐射限度值的PDF里, 列出了发射功率和天线增益的最大搭配值. 建议凡事不要去到极端, 但如果你一定要信号好, 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因斯坦提出, 后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.
先说说我们的手机信号, 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. 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, 由此可有以下计算:
WCDMA(联通3G制式)使用的是2100MHz的载频, λ=3×10^8/2100×10^6=140(mm), 得出WCDMA波长是140mm. GSM(2G)使用的是900/1800MHz的载频, 同理, 得出波长是333/160mm.
手机微波的波长有140~330毫米, WiFi在2.4G频段波长约120毫米, 5G频段下只有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.
如果要估计你家的WiFi穿墙难度, 可以平面图简单画出来, 把每堵墙当成镜子, 看看要反射多少次, WiFi信号走多远才能射到接受端.
这个思路也是如何选择路由器摆放位置的依据: 未必是放得越近越好, 最主要的要有好的WiFi通道.
WiFi电波高频, 表现更像粒子
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, 如果房间的WiFi信号还是不好, 有可能是接收端网卡的性能跟不上. SmallNetBuider有一篇文章阐述了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: 路由器发出一个信号包, 接收网卡收到后发回一个确认, 路由器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, 如果他听不到接收网卡的回应, 传输速度都会慢.
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. 结论是不要一味专注于路由器的性能, 接收端的性能也很重要.
软穿墙
极路由的控制界面有个穿墙模式, 实现的是软穿墙, 靠的是调低数据传输的容错率(详细原理可参考此文). 这是一种另类的穿墙思路，这类的作法属于只看信号不看品质的作法，达到的效果是确实可以传输的远，但有丢包，延迟比较大。
穿不了墙怎么办?
1. 电力猫
电力猫是Upsangel很喜欢的产品, 优点是没有辐射, 价钱不断走低, 弱点是传输速度不会太快, 200M产品的实际速率在40-50M左右, 500M的产品实际速率在70-80M左右. 感兴趣的朋友可以翻阅之前的一篇电力猫评测: <取代WiFi避免辐射 平价电力猫实测>.
2. 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路由附近的辐射太强, 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.