特別說明：本文來自無線深海。基於對WiFi理論深入淺出的介紹讓大家明白了很多技術原理，所以特轉發以供大家瞭解。如果侵犯了原作者的版權，請私信聯繫筆者直接刪除。
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WiFi穿牆之迷
自從WiFi成為人類生存基本需求以來，蜉蝣君經常被問到一個問題：
“我的路由器有這麼多根天線，看起來牛逼閃閃，號稱大功率穿牆王，咋才走了幾步就沒信號了呢？”
更有甚者，如上圖這位MM，更是問出瞭如此讓人瞠目結舌的問題：“號稱450米的路由器，咋才過了不到10米，穿了兩堵牆就沒信號了？”
納尼？450米的路由器？！什麼鬼？！
蜉蝣君把該MM發來的盒子圖片放大一看，上面赫然寫著450M！！！能把“M”想象成“米”，這也太難為WiFi君了吧！
450M無線路由器
其實這裡的450M並不是450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到450Mbps，跟覆蓋的距離和穿牆能力一毛錢關係都沒有。
下面我們就來聊聊WiFi的信號問題，包括覆蓋距離和穿牆能力。希望看完之後，能讓你對WiFi有一個全新的認識。
02
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WiFi的協議和頻譜
首先來說WiFi的協議及頻譜的問題。
自從WiFi標準被IEEE（電氣和電子工程師協會）提出以來，經過了20年的蓬勃發展，一步一個腳印，出了一個又一個協議版本：
WiFi各協議版本
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頻段（或者叫免授權頻段）——只要符合國家法規，不經授權就可使用。也就是說，在家裡裝個無線路由器，收發WiFi信號，是不需要任何人批准的（而使用除此之外的“授權頻段”，是需要國家正式授權的）。
頻譜之問
2.4G頻譜的範圍是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等於260M啊，這13個信道共需要260M帶寬，而2.4G頻譜只有83.5M，這怎麼放得下？
答案就跟上公交車一樣：“擠一擠，往後挪一挪，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。
2.4G頻譜及信道
注意，第14信道在國內是不允許使用的。
信道交疊到什麼程度呢？
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。
就好比一條很窄的路，上面同行的車卻很多，勢必造成通行速度的下降。
2.4G不交疊的信道分佈
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絡空閒的時候，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到。
2.4G 40M帶寬信道
既然2.4G頻段如此擁擠不堪，IEEE那些制定WiFi標準的專家們，就打起了另一個免授權頻段的主意——那就是5G頻段。（再次注意，這裡的5G和我們現在常說的5G通信標準是完全兩回事。）
802.11n雖說是可以工作在5GHz上的，但這個協議版本非常老舊。所以，5GHz的優勢由更年輕的802.11ac來體現。
5G頻譜的範圍是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，都想用它（也就是LTE-U，LTE-Unlicensed）。
對於這段頻譜，不同國家之間的使用情況差別很大，中國可以使用的部分如下圖所示。
中國可用的5G頻譜
下圖是中國的5GHz可用信道的分佈情況。
中國5G信道分佈圖
支持802.11ac的路由器和手機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，峰值下載速度有效提升。
03
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WiFi的速率估算
WiFi工作在2.4G和5G分別能達到多大的峰值下載速率？
2.4G頻段我們採用802.11n來估算，這個版本也是支持2.4G的最新的協議版本。5G頻段我們採用最新的802.11ac來估算，這個協議版本只支持5G。
802.11n引入了幾個特點：
- 支持MIMO，也就是可以使用最多4個天線來收發送數據，下載速率成倍提升。因此看到現在市場有上多個天線的路由器，至少支持802.11n無疑。
- 在支持標準的20M帶寬信道的基礎之上，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，數天線的個數！一個天線加上40M信道最大能達到150Mbps的速率，兩個天線自然就是300Mbps，以此類推，4個天線可達600Mbps！
而802.11ac又在下面幾點上進行了增強：
- MIMO增強：最多可以使用8個天線來收發送數據，速率倍增！
- 信道擴寬：支持80MHz帶寬信道，最大可支持160M帶寬信道，速率倍倍增！
- 高階調製：支持256QAM，速率再增30%！
在這3點的加成之下，802.11ac單天線可達433Mbps，兩天線867Mbps，三天線1.3Gbps，4天線1.7Gbps，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，天線個數都在4根以內。
04
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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這麼好，那是不是以後的路由器和手機就都可以不支持2.4GHz了呢？單靠5Ghz和802.11ac能否打下一片全新的天地呢？
答案是不行。
顯而易見的一個原因是因為兼容性。
幾年前大量的手機、電腦、電視只支持2.4GHz，為了讓這些老設備不至於沒法上網，對於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相比具有一定優勢。這個問題我們後面再詳談。
2.4G的穿透能力強於5G
尺有所短，寸有所長。既然如此，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，如上圖一樣錯開分佈，讓相同頻段的天線之間相隔地儘可能遠，保障性能最優。
要估算雙頻路由器支持的最大下載速率，方法依舊是數天線，不同之處是2.4G和5G的速率要分開計算，然後再加起來就可以了。
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並大肆宣傳的，商家早都替我們算好了。
1200M≈300M+867M
雙頻路由器的速率
頻段和速率鋪墊完畢，終於到和穿牆有關的部分了,也就是WiFi的信號強度和損耗。
05
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為啥WiFi信號的總是這麼差？
首先我們來看看WiFi信號在傳播中遇到障礙物之後的反應：
折射：WiFi信號經過玻璃或水的時候，信號路徑發生偏折，我們和路由器都在空氣中，因此折射的影響可以忽略。
反射：WiFi信號經過光滑的物體表面時，信號會發生反射，和光的反射類似。
繞射：WiFi信號經過水泥牆體，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域再繼續向本來的方向繼續直線傳播。
漫射：WiFi信號遇到水泥牆，因為直線線路受阻，部分信號會散開，沿著牆壁上下左右繼續延伸出去。
穿透：WiFi信號的能量一部分被障礙物吸收，剩餘能量的透過障礙物繼續傳播。
室內WiFi信號傳播模型
一般情況下，在室內環境下，我們手機接收到的WiFi信號主要是反射、繞射、漫射和穿透這四種效應的疊加。後三種效應都和信號的頻率關係很大，頻率越高繞射和穿透的能力越差。
不管是2.4G還是5G頻段，在無線通信裡都屬於較高的頻段了，雖說2.4G繞射和穿透能力要比5G強一些，但也高不到哪裡去。
我們來看看2.4G信號穿牆之後的損耗（經驗值）：
2.4G頻段穿透損耗
在射頻世界裡，一般用dB這個單位來表示信號變化的情況。怎麼理解呢？很簡單——
降低3dB，是指信號強度降低到原先的1/2（二分之一）。
降低10dB，是指信號強度降低到原先的1/10（十分之一）。
降低30dB，是指信號強度降低到原先的1/1000（千分之一）。
結合上表可以得出下面的結論：
木頭，玻璃這些障礙物，對於WiFi信號的阻擋作用不強，只會帶來一半左右的信號衰減；
磚牆，水泥牆這些障礙物，堪稱WiFi信號殺手，穿透的信號動輒衰減為原先的千分之一；
電梯這類金屬障礙物，簡直就是WiFi信號的噩夢，輕輕鬆鬆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？”
機智的你肯定很快就想到了，想要信號好穿牆能力強，增大發射功率啊！沒有什麼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這裡，增大發射功率還真不行。
因為無線路由器的發射功率是有國家規定的——最大100mW，也就是0.1W。我國對無線設備發射功率一向要求嚴格，不符合這個要求的產品是不能上市的。
所以，想通過增強發射功率來提升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，不是能量發射會更集中，從而覆蓋地更遠嗎？
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。
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