家庭Wi-Fi信号的测量与评估

2018-04-18马堃

数字通信世界 2018年1期

关键词：信号强度电磁波路由器

马堃

（山东省成武第一中学，菏泽 274200）

1 Wi-Fi简介

1.1 Wi-Fi信道

Wi-Fi的信道是有IEEE制定的，受法律保护，一般划分为两个频段，2.4GHz和4.9/5.8GHz，每个频段又分为若干个信道，各个国家根据自己情况来制定这些频段和信道的使用政策。

图1 2.4GHz上信道示意图

我国在2.4GHz的频道上，可用信道是1-13信道，2.412-2.472GHz，带宽为5MHz；在4.9/5.8GHz频道上，可用信道为149 153 157 161 165信道，频率为5.745-5.825GHz，带宽为20MHz。

1.2 几种主要协议

（1）1997年IEEE组织制订了第一个无线局域网标准802.11，主要用于数据存取，但是速度和使用范围太小，不能满足人们的需要。

（2）1999年，IEEE制定了802.11b，工作频率与802.11相同为2.4GHz，在速度和带宽方面提升了很多，成本也小很多，但是由于使用的是没有规范的2.4GHz扩频，信号容易受其他的电器设备干扰。

（3）在802.11b制定的同时，802.11a也被制定。该标准的传输速率可达54Mb/s，工作频率为5GHz。与802.11b不在一个频段上，受干扰较小，但是成本过高，且由于频率过高，容易受到障碍物的影响。

（4）802.11g是在2003年由 IEEE制定。是一种融合了802.11a和802.11b标准的新标准，结合了两者的优点，工作频率和802.11b一样是2.4GHz，但是传输速率可达54Mb/s，核心技术是OFDM（正交频分复用）。

（5）802.11n标准是IEEE推出的最新标准，工作在2.4GHz和5GHz两个频段。802.11n通过采用智能天线技术，使速率达到了极大的提升，理论上最高可达到600Mb/s。主要是用了MIMO（多入多出）与OFDM（正交频分复用）结合在一起的MIMO OFDM技术，极大的提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。

（6）802.11ac，是在802.11n的基础上建立起来的，工作在5GHz频段，极大的增加了数据传输速率的带宽，带宽可达到40MHz甚至80MHz.最高可以达到160MHz，传输速率最高可以达到1Gpbs，比起802.11n，传输速率得到了极大的提高。

1.3 Wi-Fi的核心技术

（1）直接序列扩频技术。这是802.11b所采用的主要技术，就是在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制，从而扩展信号的频谱，在接收端，用与发送端相同的扩频码序列进行相关解扩，把展宽的扩频信号恢复成原始信息。这种技术的主要优点是抗干扰能力特别强。

（2）正交频分复用技术（OFDM），是802.11a/g/n/ac中都采用的技术，主要就是将信源的信号分为若干个子信号，用这若干个子信号分别调制若干个相互正交的载波，主要优点是频谱的效率非常高。

（3）多入多出技术（MIMO），是802.1n的核心技术，主要就是在信号的发送端和接收端布置多个发射天线和接收天线，用多个天线代替一个天线进行信号的传输的接收，主要优点是不用加大天线功率和频率资源就可以实现通信容量的增加。

（4）智能天线技术也是802.11n的重要技术，通过好几组独立天线形成的天线阵，来调整天线的方向和波束，可以让信号稳定的发送和接收，使得干扰变得极小。

2 试验测试

2.1 家庭无线网络的主要信息

经过Wi-Fi infoview软件测量，家庭的Wi-Fi名称为ChinaMobile-7120，在第11信道，带宽为20MHz，所用协议为802.11g/n，在路由器旁测得的最大信号强度通常在-30dbm左右。

2.2 距离对Wi-Fi信号强度的影响

2.2.1 实验内容

在无障碍物的情况下，3选取若干个点与路由器距离不等，测量该点的Wi-Fi信号的平均强度，比较Wi-Fi信号强度与距离的关系。

2.2.2 实验步骤

家庭Wi-Fi的覆盖范围大概为30-50米左右，以5米为单位，测量与路由器距离分别为5米、10米、15米、20米、25米、30米这6个点的Wi-Fi信号的平均强度，并记录。

2.2.3 实验结果

随着与路由器距离的增大，信号强度呈现衰减。数据如下：

表1

图2

测量时间：2017年11月19日15：35。测量地点：家门口院内。

2.2.4 实验结论

通过实验可以看出，随着与路由器距离的增大，信号强度呈现类似对数式衰减（以dbm为单位）。

2.3 墙壁对Wi-Fi信号强度的影响

2.3.1 实验内容

选取两个点距离无线路由距离相同，只是隔了一堵墙，在同一时间段，测量接收到的信号的信号强度，做对比。

2.3.2 实验步骤

在同一时间段，选取客厅中一点，与无线路由器距离约为5米，测得信号强度，随后在隔墙与路由器相距5米，测得信号强度。

2.3.3 实验结果

在无墙阻碍的情况下，测得的信号强度约为-50dbm，在有墙阻隔的情况下，测得的信号强度约为-60dbm。

测量时间：2017年11月20日19：49。

测量地点：家中。

实验数据截图如下：（红色曲线为待测的Wi-Fi信号）。

图3a 无墙壁阻碍的信号强度

图3b 有墙壁阻碍的信号强度

2.3.4 实验结论

通过实验可以看出，墙壁对于信号还是有明显的衰减作用的，无墙壁阻碍约为-50dbm，有墙壁阻碍约为-60dbm，衰减了10dbm，强度相差10倍。实验结论为墙壁对信号有十分明显的衰减作用，衰减了约10倍左右。

2.3.5 衰减原理

从物理本质上看，Wi-Fi信号就是电磁波，频率在2.4GHz左右或者4.9GHz左右的电磁波，如此高频的电磁波属于微波范畴，电磁波的波长很短，微波的最大特点就是直线传播，绕射能力较弱，介质对电磁波都有阻挠效应，在穿过介质后，电磁波的振幅会下降，能量会衰减，在穿透导体时，电磁波的穿透深度很小，衰减的很快，仅集中在良导体表面附近，这种现象称为集肤效应，频率越高，穿透深度越小。因此，高频电磁波在良导体中的集肤厚度很小，电场和电流仅集中在导体表面附近的薄层里，导致电磁波的能量大为衰减。而墙壁属于混凝土多种物质混合的材质，也具有一定导电性，因此，墙壁对电磁波也具有衰减的效果。

2.4 改变天线方向对信号强度的影响

2.4.1 实验内容

在同一时间段，改变发射天线的方向，在距发射天线相同距离处，测得改变方向前后的接收到的信号强度的变化。

2.4.2 实验步骤

在同一时间段，选取客厅中一点，与无线路由器距离约为5米，第一次将两根天线水平放置，测得接收到的信号强度；第二次将其中一根天线水平放置，测得接收到的信号强度。

2.4.3 实验结果

第一次两根天线垂直放置时，测得接收到的信号强度约为-50dbm，第二次将一根天线水平放置时，测得接收到的信号强度约为-45dbm。

测量时间：2017年11月20日20：05。

测量地点：家中。

实验数据截图如下：（红色曲线为待测的Wi-Fi信号）。

图4a 两根天线竖直放置

图4b 其中一根天线水平，一根天线竖直放置

2.4.4 实验结论

通过实验可以看出，两根天线在竖直放置的情况下，在距离5米远处接收到的信号强度约为-50dbm，在其中一根天线竖直放置，一根水平放置的情况下，在距离5米远处接收到的信号强度约为-45dbm，在两根天线均水平放置的条件下，在距离5米远处接收到的信号强度约为-43dbm。实验结论为在发射天线水平放置的情况下，可以有效的改善接收到的信号强度。

2.4.5 增强原理

经过查阅资料，了解到路由器的天线通常为全向天线，方向图见图5。