为什么房间的 Wi-Fi 信号这么差

最近把家里主卧整成了个小影院,由于之前房子装修时网线端口与电源插口布置太少,导致家庭网络架设变得麻烦起来,最后终于通过「无线中继」技术达到了全屋满格 Wi-Fi 的效果。

在 Wi-Fi 架设过程中,我遇到了不少信号优化的问题,同时也理清了 2.4GHz 与 5GHz 的区别,接下来就和大家分享一下。

一、为什么 Wi-Fi 容易被干扰

Wi-Fi 是由 Wi-Fi 联盟组织持有的商标名,现在通常用来指代 IEEE 802.11x 网络标准中的无线局域网技术。常见的 Wi-Fi 工作频率为 2.4GHz,非常容易与周围其他设备发生信号干扰的问题。

微波炉与 ISM 频段

2.4GHz 这个数值最早来源于「微波炉」的工作频率(参考此处)。

1945 年,美国雷神公司一位工程师在研究微波雷达的时候,无意中发现 2.4GHz 频段的电磁波会使得口袋中的巧克力融化,从而发现了微波的热效应,发明了微波炉。

大量实验测量表明,2.450GHz 频率电磁波能很好的使得水分子等极性分子跟随电磁波发生振荡,从而在宏观上表现为食物被加热。

之后 2.4GHz 逐渐成为了各国通用的「ISM频段」之一,大量的工业、科研、医学、家用无线设备的工作频率都在这一频段,包括我们常见的蓝牙设备(2.402GHz - 2.480GHz)。

由此可见:

  1. 在雨天等潮湿环境下,Wi-Fi 信号会因为被水分子吸收而变差;
  2. 很多无线设备在 2.4GHz 频段下工作,导致 Wi-Fi 信号很容易被干扰。

信道阻塞

IEEE 802.11b/g/n 标准规定 2.4GHz Wi-Fi 的工作频率为 2.412 至 2.484GHz 之间,共 14 个不同中心频率的信道。大部分国家(包括中国)允许 1 至 13 号信道的使用,从下图可以看到除了 1、6、11 号信道以外,其他信道的工作频率都可能会与相邻信道频率发生冲突。

不同无线路由器之间通过「载波侦听多路访问/碰撞避免」(CSMA/CA)策略来解决信道冲突的问题,当发生信道冲突时,随机一段等待时间再进行重试。

大部分路由器都会提供「自动选择信道」功能,我们也可以通过软件分析周围 Wi-Fi 环境,再手动选择一个最合适的信道。如下图,可通过 WiFi Explorer 分析周围 Wi-Fi 信号强度与信道选择情况。

二、Wi-Fi 如何传播

Wi-Fi 信号本质上和电台广播、可见光、x 射线一样,是一种电磁波。

波长计算

科学家们通过光速公式 c = λf 测量出了光速 c,约为 3 乘 10 的 8 次方米每秒,计为 c = 3e8 m/s。

光速公式从实验的角度证明了「光速不变原理」,在此原理基础上,爱因斯坦推导出了广义相对论,推翻了「绝对时间」的概念,从而使时空旅行和时光机器在理论上成为可能。

c = λf

已知公式中,Wi-Fi 信号在空气中的传播速度约等于光速 c ,2.4GHz Wi-Fi 的频率 f = 2.4 x 1000 x 1000 x 1000 Hz,计为 2.4e9 Hz,代入以上公式解得, λ = c/f = 3e8 / 2.4e9 = 0.125m,即 12.5 厘米。

Wi-Fi 的波长介于 1毫米至 1米之间,属于「微波」类型,日常生活中的大部分物品大小也属于这个范围。

波的衍射与穿透

衍射现象,是指波在传播时,如果被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡,就绕过这个物体,继续进行。如果通过一个大小近于或小于波长的孔,则以孔为中心,形成环形波向前传播。

由此可见,衍射也是 Wi-Fi 的一个主要传播方式。

由于 Wi-Fi 信号的主要传播方向垂直于路由器天线的方向,所以虽然衍射能够改变波的传播方向,但一般来说,将路由器的多根天线垂直90度放置,能取得更多方向上的信号覆盖效果,如下图所示。

Wi-Fi 和光波一样,也会以反射、直射穿透的形式进行传播,在传播过程中,介质的吸收会造成信号能量的损失。

尽量减少 Wi-Fi 的(墙体)阻挡次数,能有效降低 Wi-Fi 信号的损失量,这也是影响 Wi-Fi 信号强弱最主要的因素。

上图模拟了 Wi-Fi 信号在房屋中的反射与衍射路径,图片来源于此处

三、5GHz Wi-Fi 的优劣势

为了减少信道冲突的发生,也为了提升 Wi-Fi 传输率和稳定性,IEEE 802.11 先后制定补充了 5GHz Wi-Fi 相关技术标准。

国内的现状是,一方面大部分的智能手机都能支持 5GHz Wi-Fi 频段(只要网卡参数项中有支持 802.11a/n/ac 标准);另一方面,大部分的无线路由器却只支持 2.4GHz 频段。

从维基百科的「WLAN信道列表」上来看,在中国至少可以使用 13 个互不干扰的传输信道。因此,使用 5GHz Wi-Fi 能有效减少 Wi-Fi 信号干扰的情况。

5GHz Wi-Fi 穿墙能力更弱

这条有点难理解,因为物理课上有学到「电磁波频率越高,穿透性越强」,但从实际观测数据来看,我们日常生活中的木质家具和钢筋混凝土墙,更容易吸收 5GHz 的 Wi-Fi

这主要是因为:不同频率的电磁波在穿过不同的介质时,其吸收率各有不同。

一般来说,x 射线、γ 射线等频率高于可见光的射线,粒子能量较高(参考光子能量计算公式 E=hv),在穿过物体时,会使得其原子分子发生「电离辐射」现象,表现为较强的穿透性。

所以医院拍 x 光的地方通常要做特殊隔离,避免高频射线穿透人体,引起体内细胞电离,从而危害健康。同样的原因,如果不是因为地球大气层阻挡了来自宇宙的高频射线,我们人类也不可能出现。

而微波由于频率相对较低,粒子能量无法引起「电离辐射」和「电子能级跃迁」,在穿过物体时被吸收能量的多少取决于物体中导电介质的分布情况和主要介质的分子结构。

除此之外,我个人猜测可能还有个更普遍的规律:

频段越靠近可见光的电磁波,越容易被自然界中的生命体和物体所吸收。

所以人类眼睛中感光细胞的直径范围刚好和可见光波长范围(0.39~0.70μm)一致,所以我们的世界是彩色的。这多少有点像霍金在《时间简史》中提到的「人存原理」:

我们之所以看到的宇宙是这个样子, 是因为如果它不是这样的话,我们就不会在这里去观察它。

介绍完影响 Wi-Fi 信号强弱的各种因素之后,接下来我会介绍如何通过配置路由器来提升网络质量,欢迎各位继续关注。

原文发布于微信公众号 - 猫哥学前班(imgXQB)

原文发表时间:2016-08-17

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