本文转载自微信公众号：无线深海，作者：蜉蝣采采
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WiFi穿墙之“天问”
自从WiFi成为继水和电之外的第三大基础需求以来，蜉蝣君经常被问到一个经典问题：
我的路由器有这么多根天线，号称大功率穿墙王，看起来牛逼闪闪，咋才走了几步就没信号了呢？
WiFi穿墙之“天问”▲
更有甚者，如上图这位MM，更是问出了如此让人瞠目结舌的问题：号称450米的路由器，咋才过了不到10米，穿了两堵墙就没信号了？
蜉蝣君把该MM发来的盒子图片放大一看，上面赫然写着450M！！！能把“M”想象成“米”，这得对良好的WiFi信号覆盖有多渴望？
450M无线路由器
其实这里的M并不是米的意思，而是指Mbps，又称兆比特每秒，说的是这款路由器的最大下载速率可以达到450Mbps，跟覆盖的距离和穿墙能力一毛钱关系都没有。
下面我们就来聊聊WiFi版本和速率，如何穿墙以及怎样设计自家的无线网络这一系列的问题。希望看完之后，你会对WiFi穿墙这个问题能够了然于胸，并能对家庭WiFi组网方案能略知一二。
02
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WiFi的协议和频谱
首先来说WiFi的协议及频谱的问题。
自从WiFi标准被IEEE（电气和电子工程师协会）在提出以来，经过了20年的蓬勃发展，一步一个脚印，出了一个又一个协议版本，从802.11n开始，下载速率有了质的飞越。
WiFi各协议版本▲
WiFi的工作频段和信道：
从上表可以看出，WiFi有两个工作频段：2.4G和5G。这两个频段都是非授权频段，只要符合国家法规，不经授权就可使用。也就是说在家里装个无线路由器是不需要任何人批准的。
频谱之问▲
关于频段零基础介绍，可以参考我之前的文章《无线频谱的故事：零基础，包看懂！》。
2.4G频段：
2.4G频谱的范围是2.4GHz～2.4835GHz，共有83.5M带宽，划分为13个信道，每个信道宽20M。
可是，20M乘以13等于260M啊，这13个信道共需要260M带宽，而2.4G频谱只有83.5M，这怎么放得下？
答案就跟上公交车一样：“挤一挤，往后挪一挪，赶紧再上一个！”人多车小，为了共同的出行需求，个人空间就别想了，被踩到脚更是在所难免。
从下图可以看出，2.4G频谱的这13个信道紧密地交叠在一起，干扰是不可避免的。注意，图中的第14信道在国内是不允许使用的。
2.4G频谱及信道▲
信道交叠到什么程度呢？由下图可以比较直观地看出，在这些信道里面，只有1，6，11或者2，7，12，或者3，8，13这三组是完全没有交叠的，可见2.4GHz频段的拥堵程度。就好比一条很窄的路，上面同行的车却很多，堵车频频，势必造成通行速度的下降。
2.4G不交叠的信道分布▲
到了802.11n，用户可以使用40M的信道，但2.4GHz频段依然只有83.5M的总带宽，就只能容纳两个信道了。因此只有在夜深人静网络空闲的时候，单个用户才有可能使用40M信道，加之来自隔壁老王家的干扰，802.11n的高速率很大程度上难以达到。
2.4G 40M带宽信道▲
5G频段：
既然2.4G频段如此地拥挤不堪，IEEE那些制定WiFi标准的专家们早就在另一个非授权频段：5G上另觅康庄大道了。
802.11n虽说是可以工作在5GHz上的，但这个协议版本毕竟老旧，还有一大票不支持5G的手机电视电脑需要被伺候，因此实际产品还都用于2.4GHz，5GHz的优势由更年轻的802.11ac来体现。
5G频谱的范围是4.910GHz～5.875GHz，有900多M的带宽，是2.4G的10倍还多！正是因为这段频谱很宽，内部还会划分成几个子频段，有的还没分配，有的作为其他用途，连4G LTE都要过来咬上一口，详见我之前的文章《LAA—4G和WiFi之间的爱恨情仇》。
这段频谱不同国家之间的使用情况差别也很大，中国可以使用的部分如下图所示。
中国可用的5G频谱▲
下图是蜉蝣君根据这张表绘制的中国的5GHz可用信道的分布情况，支持802.11ac的路由器和手机可以在把这些可用的信道自由组合，使用20M、40M、80M甚至160M带宽的信道，信道多，带宽大，干扰小，让峰值下载速度快得飞起。
中国5G信道分布图▲
03
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WiFi的速率估算
WiFi工作在2.4G和5G分别能达到多大的峰值下载速率？
2.4G频段我们采用802.11n来估算，这个版本也是支持2.4G的最新的协议版本；5G频段我们采用最新的802.11ac来估算，这个协议版本只支持5G。
802.11n引入了几个特点：
- 支持MIMO，也就是可以使用最多4个天线来收发送数据，下载速率成倍提升。因此看到现在市场有上多个天线的路由器，至少支持802.11n无疑。关于MIMO的介绍，详见我之前的文章《什么是MIMO？》。
- 在支持标准的20M带宽信道的基础之上，新增了双倍带宽，也就是40M。单用户理论峰值下载速率又得到了成倍提升！
因此，要估算802.11n最大下载速率，很简单，数天线的个数！一个天线加上40M信道最大能达到150Mbps的速率，两个天线自然就是300Mbps，以此类推，4个天线可达600Mbps！
而802.11ac又在下面几点上进行了增强：
- MIMO增强：最多可以使用8个天线来收发送数据，速率倍增！
- 信道扩宽：支持80MHz带宽信道，最大可支持160M带宽信道，速率倍倍增！
- 高阶调制：支持256QAM，速率再增30%！
在这3点的加成之下，802.11ac单天线可达433Mbps，两天线可达867Mbps，三天线可达1.3Gbps，4天线可达1.7Gbps！以此类推，8天线3.4Gbps！
这只是理论上的推算，实际上支持802.11ac的路由器的天线个数都在4根以内。
04
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双频路由器的诞生
“双频路由器”的横空出世又是为何？
既然5G加802.11ac这么好，那是不是以后的路由器和手机就都可以不支持2.4GHz了呢？单靠5Ghz和802.11ac能否打下一片全新的天地呢？
显而易见的一个原因是因为兼容性。几年前大量的手机、电脑、电视只支持2.4GHz，为了让这些老设备不至于没法上网，对于2.4GHz的支持的必须的。
另一个原因是覆盖。2.4G的频率低波长大，信号损耗小，穿透能力强，在覆盖上和5G相比具有一定优势。这个问题我们后面再详谈。
2.4G的穿透能力强于5G▲
尺有所短，寸有所长。既如此，何不2.4G和5G双频合璧？平地一声雷，双频路由器横空出世。
双频路由器▲
因为2.4G和5G的信号指标差别较大，一般情况下2.4G和5G的天线是独立的，如上图一样错开分布，让相同频段的天线之间相隔地尽可能远，保障性能最优。
要估算双频路由器支持的最大下载速率，方法依旧是数天线，不同之处是2.4G和5G的速率要分开计算，然后再加起来就可以了。其实，高速率这样的核心卖点，路由器厂家肯定是要赫然印在包装盒上并大肆宣传的，商家早都替我们算好了。
双频路由器的速率▲
频段和速率铺垫完毕，终于到和穿墙有关的部分：WiFi的信号强度和损耗了。
05
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为啥WiFi信号的总是这么差？
首先我们来看看WiFi信号在传播中遇到障碍物之后的反应：
- 折射：WiFi信号经过玻璃或水的时候，信号路径发生偏折，我们和路由器都在空气中，因此折射的影响可以忽略。
- 反射：WiFi信号经过光滑的物体表面时，信号会发生反射，和光的反射类似。
- 绕射：WiFi信号经过水泥墙体，因难以穿越，部分信号会向旁边散开，等遇到一个可以穿过的区域再继续向本来的方向继续直线传播。
- 漫射：WiFi信号遇到水泥墙，因为直线线路受阻，部分信号会散开，沿着墙壁上下左右继续延伸出去。
- 穿透：WiFi信号的能量一部分被障碍物吸收，剩余能量的透过障碍物继续传播。
室内WiFi信号传播模型▲
一般情况下，在室内环境下，我们手机接收到的WiFi信号主要是反射、绕射、漫射和穿透这四种效应的叠加。后三种效应都和信号的频率关系很大，频率越高绕射和穿透的能力越差。
不管是2.4G还是5G频段，在无线通信里都属于较高的频段了，虽说2.4G绕射和穿透能力要比5G强一些，但毕竟是矮子里挑高个——也高不到那里去。
我们来看看2.4G信号穿墙之后损耗的经验值：
2.4G频段穿透损耗▲
在射频世界里，一般用dB这个单位来表示信号变化的情况。我们只需要了解以下几个关系，就能对这些数据有一个直观的了解：
- 降低3dB是指信号强度降低到原先的1/2（二分之一）。
- 降低10dB是指信号强度降低到原先的1/10（十分之一）。
- 降低30dB是指信号强度降低到原先的1/1000（千分之一）。
结合上表可以得出下面的结论：
- 木头，玻璃这些障碍物对于WiFi信号的阻挡作用不强，只会带来一半左右的信号衰减；
- 砖墙，水泥墙这些障碍物堪称WiFi信号杀手，穿透的信号动辄衰减为原先的千分之一；
- 电梯这类金属障碍物简直就是WiFi信号的噩梦，轻轻松松衰减到原先的万分之一！
WiFi信号差▲
真是让人绝望啊，这可咋办呢？
有没有所谓“大功率路由器？”
机智的你肯定很快就想到了，想要信号好穿墙能力强，增大发射功率啊！没有什么不是增大功率不能解决的，如果有，那就再增大一倍！
但是在WiFi信号这里，增大发射功率还真不行。
因为无线路由器的发射功率是有国家规定的：最大100mW，也就是0.1W。不符合这个要求的产品是不能上市的，工信部也是为了我们的身体健康着想啊。所以，想通过增强发射功率来提升WiFi信号这条路是走不通的。
“高增益天线”是否可行？
既然发射功率有限制，那如果路由器用的高增益天线到话，不是能量发射会更集中，从而覆盖地更远吗？如想详细了解天线和增益，请看我之前的文章《通俗易懂！看完你就是半个天线专家了》。
理论上来说是这样。但增益高能量集中的代价就是波束变窄，WiFi信号的覆盖会不均匀，有的方向信号强，有的方向信号弱。如果有多个人在不同位置同时使用的话，对覆盖的评价会褒贬不一。
天线增益及辐射方向图▲
而且，一般的路由器天线增益也就9dBi，面对动辄就几十dB的穿透损耗来说也是杯水车薪。
06
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我该怎么提升WiFi信号？
这也不行那也不行，那该到底咋样才能提升WiFi信号呢？
场景1
“我就一台路由器，既想让WiFi信号变好，又一分钱都不想花，该怎么办？”
方法一：路由器摆放位置优化
既然所谓的“穿墙王”，“单台穿三墙”这种神器统统不存在，单台路由器不可避免的无法完全覆盖任意角落。
如果想要最低成本地解决问题，请记住下面这几条法则：
- 传播距离越短信号越好，所以尽量把路由器放在房子的中央！
- 木门，玻璃门等对信号的衰减小，尽量让路由器多走门，少穿墙！
- 弱电箱的位置一般都在门口，四周面板也会屏蔽无线信号，所以尽量不要把无线路由器放在弱电箱里！
- 把路由器摆在高一些，开阔一下的地方，避开冰箱、洗衣机、各种家具等障碍物！
下面是作业：请看这张图，位置一和位置二哪个好？
路由器摆放位置差异对信号的影响▲
再请看这张图，位置一和位置二哪个好？
路由器摆放高度对信号的影响▲
相信这两道题的答案是不言而喻的。
方法二：调整合理的天线角度
一般的家用路由器都使用全向天线，全向天线的无线信号分布类似被水平压扁的轮胎，所以无线信号在与天线垂直的方向上覆盖效果最好。如下图所示：
全向天线辐射方向图▲
所以，还乖乖把无线路由器的天线调整到与地面垂直，直戳戳地对着房顶就好，别掰成各种乱七八糟的角度了，直戳戳地对着你的方向恰好信号最弱！
路由器的天线角度调节建议
方法三：避免环境干扰
1、尽量使用双频路由器，能使用5G频段尽量使用5G！如前文所示，2.4G频段是非常拥堵的，自然受到的干扰也更多。而5G频段相对来说就要干净地多。虽然有时候看起来5G的信号比2.4G少上一两格，但说不定速度更快！
2、把路由器尽量放得离微波炉、蓝牙设备、无线鼠标键盘等设备远一些！这些玩意都在2.4G上工作，造成干扰指数增加！
3、更改路由器的信道配置！前面已经说过，2.4G频段上只有3个独立不交叠的信道，一般来说就是1，6和11。试着改改看，哪个信道好就用哪个。
修改2.4G信道设置
场景2
“为了上网爽快，我还是愿意点花钱的，怎么办？”
这就必须要上升到家庭组网方案了！
方案一：使用无线扩展器扩展放大无线信号
这是目前中小户型WiFi信号扩展的主流方案。哪里信号比较弱，就在这个位置就近的电源插座上插一个扩展器，不需要连接网线。这个功能就叫做信号中继，顾名思义，就是指信号放大器接收主路由器的信号，放大之后再发射出来，因此家里的信号还是同一个，手机、Pad会连接质量较好的信号。
无线扩展器▲
适用环境：任意环境都适用。
方案二：使用无线路由器桥接扩大信号
这个方案使用路由器的无线桥接功能，把多台无线路由器通过无线方式连起来，路由器之间也不需要网线连接。
通过无线桥接后，WiFi信合实现了接力，起到放大作用。当然，副路由器一般来说四个网络口，可以用来接有线电脑，这也是这个方案的优势之一。
两个路由器桥接▲
那么方案二和方案一还有什么不同呢？那就是桥接的这两个路由器实际上还是独立工作的，可以设置不同的WiFi名称和密码。
适用环境：手头已有多台无线路由器、想要在副路由器接有线设备。
方案三：使用网线把两台（或者多台）路由器连接起来
使用网线将多个路由器连接起来，其中连接宽带的路由器作为主路由器，其他的作为副路由器。主副路由器之间通过各自的LAN口连接起来，此时副路由器相当于无线交换机。
通过配置，可以实现整个网络只有一个无线信号，实现自动漫游。
有线连接多个路由器▲
这个方案要求各个路由器之间通过网线连接起来，最大的优势就是稳定性好，路由器之间没有无线损耗，各个路由器的速率都很高，但也有一个明显的限制条件，就是所有路由器之间必须通过网线连接。
适用环境：已经布好网线的环境。
方案四：使用HyFi套装（子母路由器）组建全覆盖无线网络
HyFi（全称：Hybrid Wi-Fi）也叫电力猫，是指同一产品同时采用“有线”和“无线”两种技术，以房间内无处不在的“电线”为主干，“无线”作为接入，使产品兼具有线的稳定可靠性和无线的移动便捷性。
TP-Link的HyFi套装是由HyFi路由器和HyFi扩展器两部分组成，两者是通过家里的电线传输数据的。配置好路由器后会将无线设置自动推送到扩展器，这样就组成了只有一个信号的无线网络。
HyFi套装通过电线传输信号▲
HyFi无线解决方案是具有方便快捷的特点，通过电线传输无需布线，传输速度快、稳定性好。并且无线配置简单，只需要配置好路由器，扩展器的信号就会随之同步改变。因此这个方案扩展性很好，可以根据实际需要配置多个扩展器，外观也非常的大气，美观、简洁。
华为的这个方案也叫子母路由器，和HyFi这个名称相比来说更接地气，本质都是路由器和电力猫的结合，可通过家里的已布好的电线传送信号。
相比较前几种，这个方案方案成本相对较大，需要替换之前的路由器。
适用环境：任意家庭环境。
方案五：使用AP/AC扩展无线信号
如果你偏爱整洁的环境，不想看到插座上的线缆，更不想看到突兀的路由器天线，还要所有房间都覆盖良好，那么就使用AC加无线AP的方式组网吧，绝对如你所愿。
AP：无线访问接入点（Access Point）说白了就是一个WiFi信号收发器，相当于去掉了路由和管理功能的无线路由器。
AC：无线控制器（Access Controller）就是用来集中化管理多个无线AP的，负责下发配置、修改相关配置参数、射频智能管理、接入安全控制等。
AC/AP管理网络▲
方案要求所有的AP（接入点）和AC（接入控制器）通过有线方式连接起来，由AC统一配置所有的无线AP，整个无线网络有统一的信号，可以实现无线漫游。
该方案选用的AP是可以嵌入到墙里面的网线面板，由AC通过网线来供电，不需要外接电源，美观大方，不占空间。这一切的代价就是贵。
适用环境：大户型，对覆盖要求高，希望整洁，所有网络设备都隐形。
至此，以上几种常见方案介绍完毕，我们对各个方案进行对比：
各种组网方案对比▲
好了，絮叨了这么多，关于WiFi穿墙的“道”和“术”都已经介绍完毕，希望各位在任意角落都能够信号满满。
技术男的难处▲