家庭Wi-Fi信號的測量與評估

馬 堃

（山東省成武第一中學(xué)，菏澤 274200）

1 Wi-Fi簡介

1.1 Wi-Fi信道

Wi-Fi的信道是有IEEE制定的，受法律保護，一般劃分為兩個頻段，2.4GHz和4.9/5.8GHz，每個頻段又分為若干個信道，各個國家根據(jù)自己情況來制定這些頻段和信道的使用政策。

圖1 2.4GHz上信道示意圖

我國在2.4GHz的頻道上，可用信道是1-13信道，2.412-2.472GHz，帶寬為5MHz；在4.9/5.8GHz頻道上，可用信道為149 153 157 161 165信道，頻率為5.745-5.825GHz，帶寬為20MHz。

1.2 幾種主要協(xié)議

（1）1997年IEEE組織制訂了第一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準802.11，主要用于數(shù)據(jù)存取，但是速度和使用范圍太小，不能滿足人們的需要。

（2）1999年，IEEE制定了802.11b，工作頻率與802.11相同為2.4GHz，在速度和帶寬方面提升了很多，成本也小很多，但是由于使用的是沒有規(guī)范的2.4GHz擴頻，信號容易受其他的電器設(shè)備干擾。

（3）在802.11b制定的同時，802.11a也被制定。該標(biāo)準的傳輸速率可達54Mb/s，工作頻率為5GHz。與802.11b不在一個頻段上，受干擾較小，但是成本過高，且由于頻率過高，容易受到障礙物的影響。

（4）802.11g是在2003年由 IEEE制定。是一種融合了802.11a和802.11b標(biāo)準的新標(biāo)準，結(jié)合了兩者的優(yōu)點，工作頻率和802.11b一樣是2.4GHz，但是傳輸速率可達54Mb/s，核心技術(shù)是OFDM（正交頻分復(fù)用）。

（5）802.11n標(biāo)準是IEEE推出的最新標(biāo)準，工作在2.4GHz和5GHz兩個頻段。802.11n通過采用智能天線技術(shù)，使速率達到了極大的提升，理論上最高可達到600Mb/s。主要是用了MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復(fù)用）結(jié)合在一起的MIMO OFDM技術(shù)，極大的提高了無線傳輸質(zhì)量，也使傳輸速率得到極大提升。

（6）802.11ac，是在802.11n的基礎(chǔ)上建立起來的，工作在5GHz頻段，極大的增加了數(shù)據(jù)傳輸速率的帶寬，帶寬可達到40MHz甚至80MHz.最高可以達到160MHz，傳輸速率最高可以達到1Gpbs，比起802.11n，傳輸速率得到了極大的提高。

1.3 Wi-Fi的核心技術(shù)

（1）直接序列擴頻技術(shù)。這是802.11b所采用的主要技術(shù)，就是在發(fā)端直接用具有高碼率的擴頻碼序列對信息比特流進行調(diào)制，從而擴展信號的頻譜，在接收端，用與發(fā)送端相同的擴頻碼序列進行相關(guān)解擴，把展寬的擴頻信號恢復(fù)成原始信息。這種技術(shù)的主要優(yōu)點是抗干擾能力特別強。

（2）正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM），是802.11a/g/n/ac中都采用的技術(shù)，主要就是將信源的信號分為若干個子信號，用這若干個子信號分別調(diào)制若干個相互正交的載波，主要優(yōu)點是頻譜的效率非常高。

（3）多入多出技術(shù)（MIMO），是802.1n的核心技術(shù)，主要就是在信號的發(fā)送端和接收端布置多個發(fā)射天線和接收天線，用多個天線代替一個天線進行信號的傳輸?shù)慕邮?，主要?yōu)點是不用加大天線功率和頻率資源就可以實現(xiàn)通信容量的增加。

（4）智能天線技術(shù)也是802.11n的重要技術(shù)，通過好幾組獨立天線形成的天線陣，來調(diào)整天線的方向和波束，可以讓信號穩(wěn)定的發(fā)送和接收，使得干擾變得極小。

2 試驗測試

2.1 家庭無線網(wǎng)絡(luò)的主要信息

經(jīng)過Wi-Fi infoview軟件測量，家庭的Wi-Fi名稱為ChinaMobile-7120，在第11信道，帶寬為20MHz，所用協(xié)議為802.11g/n，在路由器旁測得的最大信號強度通常在-30dbm左右。

2.2 距離對Wi-Fi信號強度的影響

2.2.1 實驗內(nèi)容

在無障礙物的情況下，3選取若干個點與路由器距離不等，測量該點的Wi-Fi信號的平均強度，比較Wi-Fi信號強度與距離的關(guān)系。

2.2.2 實驗步驟

家庭Wi-Fi的覆蓋范圍大概為30-50米左右，以5米為單位，測量與路由器距離分別為5米、10米、15米、20米、25米、30米這6個點的Wi-Fi信號的平均強度，并記錄。

2.2.3 實驗結(jié)果

隨著與路由器距離的增大，信號強度呈現(xiàn)衰減。數(shù)據(jù)如下：

表1

圖2

測量時間：2017年11月19日15：35。測量地點：家門口院內(nèi)。

2.2.4 實驗結(jié)論

通過實驗可以看出，隨著與路由器距離的增大，信號強度呈現(xiàn)類似對數(shù)式衰減（以dbm為單位）。

2.3 墻壁對Wi-Fi信號強度的影響

2.3.1 實驗內(nèi)容

選取兩個點距離無線路由距離相同，只是隔了一堵墻，在同一時間段，測量接收到的信號的信號強度，做對比。

2.3.2 實驗步驟

在同一時間段，選取客廳中一點，與無線路由器距離約為5米，測得信號強度，隨后在隔墻與路由器相距5米，測得信號強度。

2.3.3 實驗結(jié)果

在無墻阻礙的情況下，測得的信號強度約為-50dbm，在有墻阻隔的情況下，測得的信號強度約為-60dbm。

測量時間：2017年11月20日19：49。

測量地點：家中。

實驗數(shù)據(jù)截圖如下：（紅色曲線為待測的Wi-Fi信號）。

圖3a 無墻壁阻礙的信號強度

圖3b 有墻壁阻礙的信號強度

2.3.4 實驗結(jié)論

通過實驗可以看出，墻壁對于信號還是有明顯的衰減作用的，無墻壁阻礙約為-50dbm，有墻壁阻礙約為-60dbm，衰減了10dbm，強度相差10倍。實驗結(jié)論為墻壁對信號有十分明顯的衰減作用，衰減了約10倍左右。

2.3.5 衰減原理

從物理本質(zhì)上看，Wi-Fi信號就是電磁波，頻率在2.4GHz左右或者4.9GHz左右的電磁波，如此高頻的電磁波屬于微波范疇，電磁波的波長很短，微波的最大特點就是直線傳播，繞射能力較弱，介質(zhì)對電磁波都有阻撓效應(yīng)，在穿過介質(zhì)后，電磁波的振幅會下降，能量會衰減，在穿透導(dǎo)體時，電磁波的穿透深度很小，衰減的很快，僅集中在良導(dǎo)體表面附近，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)，頻率越高，穿透深度越小。因此，高頻電磁波在良導(dǎo)體中的集膚厚度很小，電場和電流僅集中在導(dǎo)體表面附近的薄層里，導(dǎo)致電磁波的能量大為衰減。而墻壁屬于混凝土多種物質(zhì)混合的材質(zhì)，也具有一定導(dǎo)電性，因此，墻壁對電磁波也具有衰減的效果。

2.4 改變天線方向?qū)π盘枏姸鹊挠绊?/h3>

2.4.1 實驗內(nèi)容

在同一時間段，改變發(fā)射天線的方向，在距發(fā)射天線相同距離處，測得改變方向前后的接收到的信號強度的變化。

2.4.2 實驗步驟

在同一時間段，選取客廳中一點，與無線路由器距離約為5米，第一次將兩根天線水平放置，測得接收到的信號強度；第二次將其中一根天線水平放置，測得接收到的信號強度。

2.4.3 實驗結(jié)果

第一次兩根天線垂直放置時，測得接收到的信號強度約為-50dbm，第二次將一根天線水平放置時，測得接收到的信號強度約為-45dbm。

測量時間：2017年11月20日20：05。

測量地點：家中。

實驗數(shù)據(jù)截圖如下：（紅色曲線為待測的Wi-Fi信號）。

圖4a 兩根天線豎直放置

圖4b 其中一根天線水平，一根天線豎直放置

2.4.4 實驗結(jié)論

通過實驗可以看出，兩根天線在豎直放置的情況下，在距離5米遠處接收到的信號強度約為-50dbm，在其中一根天線豎直放置，一根水平放置的情況下，在距離5米遠處接收到的信號強度約為-45dbm，在兩根天線均水平放置的條件下，在距離5米遠處接收到的信號強度約為-43dbm。實驗結(jié)論為在發(fā)射天線水平放置的情況下，可以有效的改善接收到的信號強度。

2.4.5 增強原理

經(jīng)過查閱資料，了解到路由器的天線通常為全向天線，方向圖見圖5。

圖5 方向圖

這種天線產(chǎn)生的電磁波往往如同立體的環(huán)狀覆蓋，隨著發(fā)射天線功率的增大，會在水平方向上延伸，在數(shù)值方向上壓縮，所以豎直放置會使水平方向的信號強度和覆蓋距離會增強，而在豎直方向上的覆蓋距離和強度就差強人意了。隨著一根天線水平放置，有效的改善了在豎直方向上的信號覆蓋范圍和信號強度了。

2.5 改變信道對信號強度的影響

2.5.1 實驗內(nèi)容

通過對比改變信道前后的信號強度，來檢測信號強度與信道使用情況的關(guān)系。

2.5.2 實驗步驟

在同一時間段，先檢測周圍的無線信號的信道情況，檢測結(jié)果見圖6。

圖6 先測量在11信道下的信號強度，之后再將信道變?yōu)榈?信道，檢測信號強度

2.5.3 實驗結(jié)果

隨著將信道從擁擠的11信道變?yōu)槭褂萌藬?shù)較少的第7信道，接收到的信號強度得到顯著提升。

測量時間：2017年11月20日19：49測量地點：家中。

實驗數(shù)據(jù)截圖見圖7：

圖7

2.5.4 實驗結(jié)論

通過實驗可以看出，將Wi-Fi信道從較為擁堵的11信道改為使用人數(shù)較少的第7信道，信號強度和速度得到明顯提升。

2.5.5 信號增強原理

2.4GHz頻段的工作頻率為2.4-2.4835GHz，劃分為13個信道，在我國，使用的是1-13信道，相近的無線路由器采用那個相同或重疊的信道會形成信道競爭的關(guān)系，使無線路由間相互干擾，進而影響無線傳輸?shù)摹?/p>

[1] 段水福.無線局域網(wǎng)（WLAN）設(shè)計與實現(xiàn)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2007.

[2] David K.cheng.電磁場與電磁波[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[3] 劉乃安.無線局域網(wǎng)（WLAN）ü原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社.