路由知识小课堂：无线覆盖范围和穿墙能力

jhddxb · 发表于 2016-11-22 08:08

市面上的路由种类繁多，普通用户在挑选时往往会被各种宣传弄得晕头转向，尤其是在看到一些很高大上的专业术语时，各家经常把自家产品说得天花乱坠，贬得别家一分不值（其实都差不多一个鸟样），甚至有很多混淆视听故意误导消费者的虚假宣传。更有甚者，一些厂家公然卖假天线路由或者“旧酒换新瓶”换个马甲包装接着卖。

无线覆盖范围和穿墙能力
无线路由器的无线覆盖范围和穿墙能力还真不好分开说，都与无线发射功率和天线等有直接关系，加大发射功率和换装高dBi天线无疑可以增加覆盖和穿墙能力，移动基站就是很好例子。增大发射功率也意味着对人体辐射值的增加，因此国标对家用无线路由的无线发射功率有着严格的限制，也就是100毫瓦mW（20分贝毫瓦dBm），这还是算上增益天线和PA放大等各种叠加后的硬性界限，所以带国家3C强制认证的大厂产品，一般很少有超标的（早些年监管没这么严，存在部分产品超标的情况，直观感受就是信号比新路由要好咯）；而企业级路由的无线发射功率工信部明文规定是不超过500mW即可，大着好几倍呢，因此不要拿企业级和家用级来对比。
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无线信号覆盖范围一般是以天线为圆心，呈360度向外发射的“圆圈”，形状类似于一个扁苹果，与天线垂直的水平方向信号传播距离较远（天线增益越大更是如此），而与天线方向相同或有一定夹角的范围容易形成“盲区”。所以那些是穿楼板楼上/楼下用的话，天线水平放置或者自己调整角度吧~
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全向天线图。左侧为水平方向，右侧为垂直方向。家用路由天线的材质虽有区别，但普遍属于全向天线，定向天线的情况就不说了。
360，无论是P1/P0（Mini版）还是P2（5G版），均使用了PCB+铜管天线设计，这种天线要比传统铜管天线信号质量要好很多，尤其是在国标100mW功率的严格限定下穿墙实测，有效范围内测试设备距离越大，这个差异就越明显，这在诸多第三方测试和用户测评中都可以得到证实，就LZ已知，在此价位内即使联想新路由newifi mini（3dBi铜管天线+4PA放大）也无法与P1一战，只有乐视这些同样采用PCB天线的路由才能一比，不过不比不知道，乐视（更新到2016-01-19最新版本5.0.013S）也是LZ目前见过功能最简陋的路由，没有之一。
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现在越来越多中低端路由（前提是采用多多进多出MIMO架构设计，后续贴会详细介绍）也开始使用Beamforming（波束成形）技术（网件称之为睿动天线，其实都是这货）。
前世今生：该技术最早在上世纪60年代军用雷达中使用，采用数字波束形成（DBF）的自适应阵列干扰置零技术，能够提高雷达系统的抗干扰能力，为当今军用雷达提供了关键性技术。定位通信系统通过传声器阵列获取声场信息，使用波束成形和功率谱估计原理，对信号进行处理，确定信号来波方向，从而可对信源进行精确定向。只不过，由于早年半导体技术还处在微米级，所以它没有在民用通信中发挥到理想的状态。
而发展到WLAN阶段，特别是应用在个人通信中，信号传输距离和信道质量以及无线通信的抗干扰问题便成为瓶颈。支持高吞吐是WLAN技术发展历程的关键。802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化，来充分提高WLAN技术的吞吐。此时，波束成形又有了用武之地。
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前面说了这么多，那这货与信号覆盖又有什么关系呢？其实说白了就是使用这货的路由，不在是前面提到的均匀地向四周发射信号，而是通过其算法利用多路天线，加强对某一位置信号源方向的信号覆盖，以达到增加覆盖范围的作用（这也是一些路由已经超出信号半径很多，但信号缺依旧稳定的原因之一），类似手电的效果。
Beamforming通常有两大类实现方式：MIMO Beamforming和DOA Beamforming。
MIMO Beamforming（简称MIMO-BF）技术是利用信道信息对发射数据进行加权，形成波束的一种波束赋形方法。MIMO-BF技术又可分为开环和闭环两种模式。
开环Beamforming技术利用上行信道信息，对发射信号进行加权，不需要接收端反馈信道信息给发射端，发射端通过上行信道自行估计得到。开环Beamforming技术对覆盖和吞吐量的提升都有比较明显的效果。但是，由于需要利用上行信号估计下行发送权值，处理时延大，因此适用于低速场景。另外，开环Beamforming技术利用了上下行信道的互易特性，故系统实现时需要对各个收发通路进行校正。
闭环Beamforming技术需要终端反馈信道信息如码本（Codebook）给发射端，利用反馈信息对发射信号进行加权。同样由于受反馈时延的影响，闭环Beamforming技术也只在低速场景有较好的性能。另外，由于受反馈精度的影响，闭环Beamforming技术总体上比开环的性能要略差，但系统实现相对简单，不需要对天线收发通道进行校正。根据业界情况，目前TDD系统只使用开环Beamforming技术，而闭环Beamforming技术则应用于FDD系统（注：TDD和FDD均是移动通信系统中使用的全双工通信技术的一种）。
DOA Beamforming（简称DOA-BF）技术是通过估计信号的到达角（DOA：Direction of Arrival），利用DOA信息生成发射权值，使发射波束主瓣对准最佳路径方向的一种波束赋形方法。
如想了解更多细节，可以自行度娘关键词：Beamforming和波束成形。
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无线信号本质是电磁波，传播过程中必定会因传输距离和障碍物而造成信号强度不断减弱，尤其在穿透障碍物时会损失大量的能量。路由知识小课堂：无线覆盖范围和穿墙能力

而P1/P0（P1mini）在宣传中用到了“覆盖200平米”/“覆盖140平米”“穿墙模式”、独立LNA等，这些又是什么鬼呢？“孕妇、均衡、穿墙”三种模式无疑是无线发射功率的调整；覆盖面积就是已知圆的面积求半径了，前者半径≈7.981米，后者≈6.677米，因此这个值这样看的话就不是很大了，所以路由要尽量放在房子的正中间，以增大覆盖实际使用空间。还有就是大家的户型和周围电磁环境差异，这个值也会存在差异，如果是复式建筑、别墅、自建房等墙或者墙内钢筋数量比较多的建筑，这个偏差值会更大。附上部分材质障碍物对无线信号衰减影响表。
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在20dB+5dBi（增益天线）主流配置同质化竞争的今天，如果只是纯硬件的对比，各家间的产品其实难分伯仲，当然也不能忽视其硬件体质优劣的区别（路由天线有黄铜天线、铜箔PCB天线、陶瓷天线等，像PCB天线要略优于其他@）。厂家采用新技术、对天线的优化水平、驱动调试的技术实力对产品差异化显得更加关键，所以要优先选大厂的产品不是没依据的。那些带PA(Power Amplifier，功率放大器，侧重输出功率)和LNA(Low Noise Amplifier，低噪声放大器，侧重接收微弱信号)的路由，在信号比较弱时，也确实能提高一些无线终端设备的接入的稳定性，但是实际效果可能就没有宣传的那么大了，但有总比没有好吧，像P2（5G版）相比P1和P1（mini）只有LNA的基础上加了独立PA芯片，明显是有进步的。
——顺便在这里说下5GHz信号极少用来做中继的原因：主要是速率虽然比2.4G有本质上的提升，但实际应用时的传输距离问题至今没有较好的解决方案。
无线信号本质是电磁波，而电磁波传播速率=频率x波长，这个乘积是一个固定值——就是光速，电磁波的频率越高，波长就越短，而波长越短的电磁波穿透力就越强，5GHz信号的波长要比2.4GHz信号短，所以穿透能力当然更强。等等，我读书少LZ你又骗我，我用过AC双频路由，那为什么2.4GHz比5GHz信号覆盖范围更大，穿墙后面信号更好呢？
这是因为2.4GHz和5GHz频段的电磁波，其主要传播方式是直线传播，在碰到障碍物时会产生穿透、反射、衍射等多种现象，其中穿透是主要现象，只有小部分的信号会发生反射和衍射。然而电磁波信号在穿透障碍物时会损失大量的能量，前面也说了，有时候尚未穿透障碍物，能量就已经消耗殆尽，结果接收端收到的是通过反射和衍射而来信号，简单来说就是绕过了障碍物的信号。
5GHz与2.4GHz频段电磁波相比，波长更短，有更强的穿透力，但也因此反射和衍射能力更弱。当两种频段的电磁波在碰到障碍物的时候，5GHz信号几乎全部能量都会用在穿透上，而2.4GHz信号则有部分会产生反射和衍射，绕过了障碍物继续传播。因此5GHz信号然选择了路程最短的传输路径，但是在传输过程中的会有很大的能量损失，这一特性注定了它不适合应用到无线中继上；虽然2.4GHz信号走得路径会更长一些，但是保留下来的能量却更多，在我们看来就是信号更强了。

人见百态 · 发表于 2016-11-22 09:03

这个厉害正需要这个呢！感谢楼主的分享！

nylyb · 发表于 2016-11-22 09:23

强烈支持楼主ing……

asukazzz · 发表于 2016-11-22 09:26

强烈支持楼主ing……

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