WiFi穿墻之“天問”

自從WiFi成為繼水和電之外的第三大基礎(chǔ)需求以來，蜉蝣君經(jīng)常被問到一個經(jīng)典問題：

我的路由器有這么多根天線，號稱大功率穿墻王，看起來牛逼閃閃，咋才走了幾步就沒信號了呢？

WiFi穿墻之“天問”

更有甚者，如上圖這位MM，更是問出了如此讓人瞠目結(jié)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？

蜉蝣君把該MM發(fā)來的盒子圖片放大一看，上面赫然寫著450M！??！能把“M”想象成“米”，這得對良好的WiFi信號覆蓋有多渴望？

450M無線路由器

其實這里的M并不是米的意思，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(dá)到450Mbps，跟覆蓋的距離和穿墻能力一毛錢關(guān)系都沒有。

下面我們就來聊聊WiFi版本和速率，如何穿墻以及怎樣設(shè)計自家的無線網(wǎng)絡(luò)這一系列的問題。希望看完之后，你會對WiFi穿墻這個問題能夠了然于胸，并能對家庭WiFi組網(wǎng)方案能略知一二。

WiFi的協(xié)議和頻譜

首先來說WiFi的協(xié)議及頻譜的問題。

自從WiFi標(biāo)準(zhǔn)被IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）在提出以來，經(jīng)過了20年的蓬勃發(fā)展，一步一個腳印，出了一個又一個協(xié)議版本，從802.11n開始，下載速率有了質(zhì)的飛越。

WiFi各協(xié)議版本

WiFi的工作頻段和信道：

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(quán)頻段，只要符合國家法規(guī)，不經(jīng)授權(quán)就可使用。也就是說在家里裝個無線路由器是不需要任何人批準(zhǔn)的。

頻譜之問

關(guān)于頻段零基礎(chǔ)介紹，可以參考我之前的文章《無線頻譜的故事：零基礎(chǔ)，包看懂！》。

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，被踩到腳更是在所難免。

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。注意，途中的第14信道在國內(nèi)是不允許使用的。

2.4G頻譜及信道

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，可見2.4GHz頻段的擁堵程度。就好比一條很窄的路，上面同行的車卻很多，堵車頻頻，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(wǎng)絡(luò)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(dá)到。

2.4G 40M帶寬信道

5G頻段：

既然2.4G頻段如此地?fù)頂D不堪，IEEE那些制定WiFi標(biāo)準(zhǔn)的專家們早就在另一個非授權(quán)頻段：5G上另覓康莊大道了。

802.11n雖說是可以工作在5GHz上的，但這個協(xié)議版本畢竟老舊，還有一大票不支持5G的手機(jī)電視電腦需要被伺候，因此實際產(chǎn)品還都用于2.4GHz，5GHz的優(yōu)勢由更年輕的802.11ac來體現(xiàn)。

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(nèi)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都要過來咬上一口，詳見我之前的文章《LAA—4G和WiFi之間的愛恨情仇》。

這段頻譜不同國家之間的使用情況差別也很大，中國可以使用的部分如下圖所示。

中國可用的5G頻譜

下圖是蜉蝣君根據(jù)這張表繪制的中國的5GHz可用信道的分布情況，支持802.11ac的路由器和手機(jī)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，讓峰值下載速度快得飛起。

中國5G信道分布圖

WiFi的速率估算

WiFi工作在2.4G和5G分別能達(dá)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(xié)議版本；5G頻段我們采用最新的802.11ac來估算，這個協(xié)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(fā)送數(shù)據(jù)，下載速率成倍提升。因此看到現(xiàn)在市場有上多個天線的路由器，至少支持802.11n無疑。關(guān)于MIMO的介紹，詳見我之前的文章《什么是MIMO？》。

2. 在支持標(biāo)準(zhǔn)的20M帶寬信道的基礎(chǔ)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(shù)天線的個數(shù)！一個天線加上40M信道最大能達(dá)到150Mbps的速率，兩個天線自然就是300Mbps，以此類推，4個天線可達(dá)600Mbps！

而802.11ac又在下面幾點上進(jìn)行了增強：

1. MIMO增強：最多可以使用8個天線來收發(fā)送數(shù)據(jù)，速率倍增！

2. 信道擴(kuò)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(diào)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(dá)433Mbps，兩天線可達(dá)867Mbps，三天線可達(dá)1.3Gbps，4天線可達(dá)1.7Gbps！以此類推，8天線3.4Gbps！

這只是理論上的推算，實際上支持802.11ac的路由器的天線個數(shù)都在4根以內(nèi)。

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(jī)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？

顯而易見的一個原因是因為兼容性。幾年前大量的手機(jī)、電腦、電視只支持2.4GHz，為了讓這些老設(shè)備不至于沒法上網(wǎng)，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(yōu)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(biāo)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(yuǎn)，保障性能最優(yōu)。

要估算雙頻路由器支持的最大下載速率，方法依舊是數(shù)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。

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(guān)的部分：WiFi的信號強度和損耗了。

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(yīng)：

1. 折射：WiFi信號經(jīng)過玻璃或水的時候，信號路徑發(fā)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(jīng)過光滑的物體表面時，信號會發(fā)生反射，和光的反射類似。

3. 繞射：WiFi信號經(jīng)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(qū)域再繼續(xù)向本來的方向繼續(xù)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(xù)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(xù)傳播。

室內(nèi)WiFi信號傳播模型

一般情況下，在室內(nèi)環(huán)境下，我們手機(jī)接收到的WiFi信號主要是反射、繞射、漫射和穿透這四種效應(yīng)的疊加。后三種效應(yīng)都和信號的頻率關(guān)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，但畢竟是矮子里挑高個——也高不到那里去。

我們來看看2.4G信號穿墻之后損耗的經(jīng)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。我們只需要了解以下幾個關(guān)系，就能對這些數(shù)據(jù)有一個直觀的了解：

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(jié)合上表可以得出下面的結(jié)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(jī)智的你肯定很快就想到了，想要信號好穿墻能力強，增大發(fā)射功率?。]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信號這里，增大發(fā)射功率還真不行。

因為無線路由器的發(fā)射功率是有國家規(guī)定的：最大100mW，也就是0.1W。不符合這個要求的產(chǎn)品是不能上市的，工信部也是為了我們的身體健康著想啊。所以，想通過增強發(fā)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(fā)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(fā)射會更集中，從而覆蓋地更遠(yuǎn)嗎？如想詳細(xì)了解天線和增益，請看我之前的文章《通俗易懂！看完你就是半個天線專家了》。

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。

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？

場景1

“我就一臺路由器，既想讓W(xué)iFi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(yōu)化

既然所謂的“穿墻王”，“單臺穿三墻”這種神器統(tǒng)統(tǒng)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(jī)、各種家具等障礙物！

下面是作業(yè)：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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)建議

方法三：避免環(huán)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(lán)牙設(shè)備、無線鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備遠(yuǎn)一些！這些玩意都在2.4G上工作，造成干擾指數(shù)增加！

3、更改路由器的信道配置！前面已經(jīng)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(shè)置

場景2

“為了上網(wǎng)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(wǎng)方案了！

方案一：使用無線擴(kuò)展器擴(kuò)展放大無線信號

這是目前中小戶型WiFi信號擴(kuò)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(kuò)展器，不需要連接網(wǎng)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(fā)射出來，因此家里的信號還是同一個，手機(jī)、Pad會連接質(zhì)量較好的信號。

無線擴(kuò)展器

適用環(huán)境：任意環(huán)境都適用。

方案二：使用無線路由器橋接擴(kuò)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(wǎng)線連接。

通過無線橋接后，WiFi信合實現(xiàn)了接力，起到放大作用。當(dāng)然，副路由器一般來說四個網(wǎng)絡(luò)口，可以用來接有線電腦，這也是這個方案的優(yōu)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(shè)置不同的WiFi名稱和密碼。

適用環(huán)境：手頭已有多臺無線路由器、想要在副路由器接有線設(shè)備。

方案三：使用網(wǎng)線把兩臺（或者多臺）路由器連接起來

使用網(wǎng)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(dāng)于無線交換機(jī)。

通過配置，可以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)只有一個無線信號，實現(xiàn)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(wǎng)線連接起來，最大的優(yōu)勢就是穩(wěn)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(wǎng)線連接。

適用環(huán)境：已經(jīng)布好網(wǎng)線的環(huán)境。

方案四：使用HyFi套裝（子母路由器）組建全覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)

HyFi（全稱：Hybrid Wi-Fi）也叫電力貓，是指同一產(chǎn)品同時采用“有線”和“無線”兩種技術(shù)，以房間內(nèi)無處不在的“電線”為主干，“無線”作為接入，使產(chǎn)品兼具有線的穩(wěn)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(kuò)展器兩部分組成，兩者是通過家里的電線傳輸數(shù)據(jù)的。配置好路由器后會將無線設(shè)置自動推送到擴(kuò)展器，這樣就組成了只有一個信號的無線網(wǎng)絡(luò)。

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(wěn)定性好。并且無線配置簡單，只需要配置好路由器，擴(kuò)展器的信號就會隨之同步改變。因此這個方案擴(kuò)展性很好，可以根據(jù)實際需要配置多個擴(kuò)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(zhì)都是路由器和電力貓的結(jié)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(huán)境：任意家庭環(huán)境。

方案五：使用AP/AC擴(kuò)展無線信號

如果你偏愛整潔的環(huán)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(wǎng)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(fā)器，相當(dāng)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(fù)責(zé)下發(fā)配置、修改相關(guān)配置參數(shù)、射頻智能管理、接入安全控制等。

AC/AP管理網(wǎng)絡(luò)

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(tǒng)一配置所有的無線AP，整個無線網(wǎng)絡(luò)有統(tǒng)一的信號，可以實現(xiàn)無線漫游。

該方案選用的AP是可以嵌入到墻里面的網(wǎng)線面板，由AC通過網(wǎng)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(huán)境：大戶型，對覆蓋要求高，希望整潔，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都隱形。

至此，以上幾種常見方案介紹完畢，我們對各個方案進(jìn)行對比：

各種組網(wǎng)方案對比

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

技術(shù)男的難處

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