不同条件下WiFi路由覆盖范围研究与应用

朱 轩，谢 凡，张青原，张玉刚

合肥工业大学，安徽 合肥 230009

0 引言

最近几年，无线热点的数量呈现迅猛的增长，无线网络的方便与高效使其能够得到迅速普及。WiFi的覆盖范围在国内越来越广泛，高级宾馆、住宅区、飞机场以及咖啡厅之类的区域都有WiFi接入点。无论用户是在外出旅行、办公室办公还是在舒适的家中都可以摆脱网线的束缚使用便携式设备尽情的享受网上冲浪的乐趣。与早前手机上的蓝牙技术不同，WiFi具有更大的覆盖范围和更高的传输速率，其在掌上设备上应用越来越广泛。

不同的WiFi应用对象，对覆盖范围和受众面有着不同的要求。对于像机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，可能希望覆盖的范围尽可能的广泛；而对于办公场所所组建的无线网络则往往只希望信号存在于自己公司之内。因此对WiFi接入设备的覆盖效果与其他因素的影响进行切实的分析非常必要。

1 实验设备与过程

实验仪器 ：Linksys WAG54G Wireless-G Broadband Router、HP Compaq 6515b Notebook PC with Broadcom 802.11abg、iPad with WiFi。

为了分析了在环境因素影响较小的空旷室外的WiFi信号参数在空间范围分布状况，选择在空旷地带多次采集信号强度、速度、丢包情况随空间距离变化以及环境温度、湿度等有用的数据。

2 实验结果与讨论

2.1 室外信号传输的基本特征

测试环境：Channel 9、路由器距地面高度1m天线垂直极化、笔记本距地面高度1m原装无线网卡天线垂直极化、气温18℃、相对湿度43%。测得信号强度-距离分布曲线如图1。经MATLAB软件拟合得到其信号强度-距离分布函数，信号呈现指数函数递减。

图1 信号强度-距离分布曲线

2.2 多WiFi设备覆盖区域相互影响与频道资源合理分配

然而上述室外空间WiFi信号的传输情况并未充分考虑到实际路由器的工作环境，并不能完全客观的反映真实环境中的路由器的工作状态。室外信号的传输基本特征仅做为本次实验的基态参考，而本实验的侧重点是考虑实际因素对WiFi设备的影响。

用户常常需要在办公室环境中设置多个WiFi路由器。多路由之间的相互影响往往不可忽略，在小范围内甚至超过了设备之间的距离对信号传输的影响而成为主导因素。这部分主要分析了在狭小室内环境使用多WiFi路由器组成的网络系统的信号情况，并对频道资源的分配进行深入的探讨。

图2 802.11g 2.4G频带频道规范

如图2在2.4G频段802.11g规范中可得每个频道宽度为22MHz，然而相临频道的间隔只有5MHz。现在主流WiFi路由器的初始频道往往设置在6频道，在正常情况下（符合频谱屏蔽需求∶在中心频率±11 MHz处要衰减50dB）真正与其不交叠的最近频道则是1频道和11频道，这两个频道却已经接近2.4G频段的两端了。事实上在人流密集场所，如办公写字楼、学校或者是住宅区，往往很难找到搜索不到其他WiFi设备的环境。

在10m2的室内，对狭小环境内使用2台相同的WiFi路由设备进行了一系列的实验，并在实验中引入了其他一些2.4G频段无线设备。在实验中定量地改变两台路由器以及接入设备的空间位置、路由器的工作频道、有无加入其他2.4G频段无线设备，并对实验结果进行分析总结得出了如下结果：两WiFi路由设备堆叠放置并处于同频工作、笔记本距离其3m时，测得信号强度-35dBm，干扰噪声-56dBm，ping值在8ms左右偶尔有Time Out。在上述条件不变的情况下拉开两WiFi路由设备的空间距离至2m，ping值下降到2ms～3ms相互干扰情况得到显著改善。测试了相邻频道Channel 5～Channel 6相互干扰情况，虽然频率上存在较多的堆叠部分，但实验结果得出相邻频道上干扰情况虽然存在但并不构成使用上的冲突。尝试改变两WiFi路由设备频道，使其尽可能的减小频率上的堆叠（暨使用频道号较远的频道）、拉开两设备间的距离在实际架设WiFi设备时是至关重要的。

2.3 典型温度湿度对传输特性的影响

然而实际的工作环境并不是一成不变的，在其它因素相对稳定的室内环境中，温度和湿度的变化所带来的影响将成为需要考虑和探讨的重点。众所周知802.11B/G主要工作在2.4G频段而802.11A/N主要工作在5G频段，分别处于UHF(特高频)和SHF(超高频)频段。而空气中的水分子对UHF和SHF信号有较大的衰减作用。由于室内的空气湿度和温度呈连续变化不便于探讨实验其对wifi信号的影响，故选取了几个典型的温湿度条件进行测量分析并试图找出其中的联系。

实验中在其他实验条件不变的情况下选取了3个典型的湿度环境，分别是30%、50%、70%（±5%），并在不同季节温度相差较大的情况下采集数据，最后一并进行了对比和分析。实验发现在湿度相同的环境下，温度对WiFi信号的传输影响不大，故着重对环境湿度进行讨论，而忽略环境温度的影响。

图3 三个典型湿度下信号强度-空间分布

在空气中高频电磁波由于水蒸气和氧原子的噪音会使衰减增大。在这3个典型湿度环境下，WiFi 2.4G频段信号强度-空间分布如图3。可观察到空气湿度对其分布情况影响较大。改变实验环境空气湿度，WiFi信号在空间的衰减幅度呈现不同的变化趋势。在相对湿度70%的环境中衰减最为明显，远距离传输过程中尤为突出。因此用户在进行室外远距离WiFi覆盖站点设计时要充分考虑到降水天气环境湿度改变所带来的吸收与率减，并做好一定的冗余以确保覆盖质量。

2.4 办公室与家居环境中的其他影响因素

现实生活中的环境是各式各样的，每个人对自己的家居和工作环境的布置也是各不相同的。最后再来探讨一下办公室以及家居环境中的其它因素对WiFi无线信号的附加影响。

很多用户都喜欢在家居或者办公环境种植一些植物盆栽。植物中含有较多水分，那么在WiFi设备旁放置一些植物盆栽可能会对其信号传输产生附加影响。故在工作中的WiFi路由器旁放置仙人掌和观音莲两盆小盆栽，对传输数据进行了采集并与原先未放置植物时的数据进行比较分析。由于实验精度的影响，在误差范围内未观察到实验数据的显著区别。所以得出的结论是这类室内装饰植物对WiFi设备使用的影响较为不明显，在一般情况下可以忽略。

近年来平板电脑的普及量也逐渐提高，故选择了其中较为典型的一款产品iPad进行了一些研究。iPad支持802.11a/b/g/n协议，以轻巧灵活的操作成为了新一代便携式WiFi接入设备的代表。由于其摆脱了其他外设的束缚，很显然不同的手持姿势会带来iPad内部天线极化方向的改变。由于iPad的制造工艺，其外壳是全铝合金机械加工成的，而其内部天线的设置位置是在其背面中心APPLE商标处，而商标是使用非金属材料制造的。经分析易得iPad天线有一定的方向性，经测试在iPad处于竖直方向时信号效果明显强于水平放置。考虑到大多数WiFi路由器采用的是垂直极化，故建议iPad用户在信号不佳情况下试着改变手持姿势迎合WiFi路由器天线的极化方向以获得最佳的上网效果。

3 相关应用

图4 WiFi站点架设仿真软件

将实验中获得的不同条件下WiFi路由的传输特性数据整理出的数学模型并编写一个简单的仿真软件。可通过用户设定的参数进行数据校对和WiFi覆盖情况的模拟仿真运算，从而获得接入用户所处位置的信号强度等主要数据。并为用户提供合理的组网方案。如图4。

4 结论

本实验通过在空旷室外WiFi信号参数的采集，总结出室外信号传输的基本特征，分析了几个典型温湿度下WiFi信号的传输情况，并对多WiFi设备覆盖区域相互影响与频道资源分配问题进行实验分析，结合生活中家居环境对信号的影响进行了讨论。编写仿真软件，对用户设定的参数进行仿真运算得到有用的数据，最终为用户提供合理的组网方案。

[1]The ARRL,The Arrl Handbook For Radio Communications[M].USA:ARRL-the national association for Amateur Radio，2007：20.1-20.3.

[2]林晓.浅析WiFi联接点网络的结构[J].网络与信息，2010(9)：43.

[3]张春飞.WiFi技术的原理及未来发展趋势[J].数字社区&智能家居，2008(11)：30-32.

[4]汤徽.Wifi在校园网中的部署[J].中国现代教育装备，2005(11)：103-104.