無線路由知識誤區(qū)
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天線越多路由就越好?
“天線越多覆蓋越廣，天線越多信號越強(qiáng)，總之天線越多路由就越好”——覺得很“常識”的朋友可以繼續(xù)往下看正文了。為你解讀天線數(shù)量與信號強(qiáng)弱的關(guān)系!
首先，大家也應(yīng)該注意到了，老一代無線路由器的天線肯定不會超過一根，這里的“老一代”指的是802.11n協(xié)議以前的802.11a/b/g路由，老的54M產(chǎn)品就只有一根天線。這樣的話，802.11n顯然成了一條分水嶺，也是從那時開始天線不再只有孤零零的一根(1t1r的150M是個例外)，那到底是怎么一回事?這里我們就要提到一項11n協(xié)議之后才得到具體應(yīng)用的多天線技術(shù)，也是無線通信領(lǐng)域一項非常重要的技術(shù)——MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)
先來看個例子，有人說，為什么我買了一個最新款的3天線支持802.11ac協(xié)議的無線路由器，結(jié)果信號強(qiáng)度、覆蓋范圍甚至連速度都沒上去呢?天線不夠?告訴你，300根也沒用，檢查一下你用的接受終端支不支持AC協(xié)議吧。比如你用的iPhone 3，這手機(jī)可只支持11a/b/g連11n都談不上，那么即便是你給這它拆了加幾根天線也沒用。怎么解決?加裝AC網(wǎng)卡或者換終端，總之加天線是沒有用的。
為什么這樣說?首先，Wi-Fi應(yīng)用的環(huán)境是室內(nèi)，我們常用的802.11系列協(xié)議也是針對這種條件來建立的。由于發(fā)射端到接收端之間存在各種各樣的障礙物，收發(fā)時幾乎不存在直射信號的可能。那怎么辦?這個辦法叫做多徑傳輸，也叫多徑效應(yīng)。多徑，從字面上也很好理解，就是把增加傳輸途徑。
那么問題來了，既然是多徑，傳輸?shù)穆烦叹陀虚L有短，有的可能是從桌子反射過來的，有的可能是穿墻的，這些攜帶相同信息但是擁有不同相位的信號輾轉(zhuǎn)最終一起匯集到接收端上?，F(xiàn)代通信用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)的分組交換，也叫包交換，傳輸?shù)氖谴a(Symbol)。由于障礙產(chǎn)生不同的傳輸時延，就造成了碼間干擾ISI(InterSymbolInterference)。為了避免ISI，通信的帶寬就必須小于可容忍時延的倒數(shù)。
對于802.11a/b/g 20MHz的帶寬，最大時延為50ns，多徑條件下無ISI的傳輸半徑為15m。在IEEE802.11協(xié)議中我們可以看到，這個值最大范圍是35m，這是協(xié)議中還有誤碼重傳等各種手段保證通信，并不是說有一點ISI就完全不能工作。這樣的話你會發(fā)現(xiàn)，對于802.11a/b/g協(xié)議，即使加裝再多的天線也沒有任何意義。假設(shè)這些天線可以同時工作，反而會使多徑效應(yīng)更加惡劣。
總之，無線路由器的發(fā)射范圍是這個IEEE802.11協(xié)議決定的，而非單純的看天線。
小結(jié)
說了這么多，單天線路由、雙天線路由、三線四線甚至更多究竟有沒有區(qū)別?有，但對于實際使用過程中的影響并不大，這包括信號覆蓋、信號強(qiáng)度，天線多速度快就更是無稽之談了。拋開已經(jīng)很少見的單天線，剩下的“多天線”都只是實現(xiàn)MIMO技術(shù)的“介質(zhì)”或者說是“工具”，區(qū)別在于使用的架構(gòu)不同而已：常見的雙天線產(chǎn)品主要用1T2R或2T2R，三天線產(chǎn)品則用到的是2T3R或3T3R。
理論上，增加天線數(shù)量會減少信號覆蓋盲點，但我們通過大量的評測證實，這種差異在普通家庭環(huán)境中完全可以忽略不計。而且，就像內(nèi)置天線不輸外置一樣，三天線覆蓋不如雙天線的情況也絕非個例，說到底產(chǎn)品質(zhì)量也是一個重要因素。至于信號強(qiáng)度和“穿墻”則取決于發(fā)射功率，這個東西工信部作過規(guī)定，不得高于20dBm(即100mW)，“天線越多信號越強(qiáng)”也就不攻自破了。最后的結(jié)論就是，只要路由采用了有效的MIMO技術(shù)，無須在意天線數(shù)量。
接下來一頁我們會進(jìn)一步深入了解MIMO技術(shù)的神奇。
MIMO技術(shù)
搜各種百科資料IEEE802.11詞條，我們可以讀到，從802.11n開始，數(shù)據(jù)傳輸速率或者說承載的數(shù)據(jù)量有了很大的提升。首先，802.11n有了40MHz模式，然而按照之前的理論，它的發(fā)射范圍應(yīng)該因此降低一半才對，但事實上數(shù)據(jù)反而提升了一倍(70m)，這又是怎么一回事?
這就要得益于MIMO技術(shù)了，剛才我們討論的種種手段都是為了對抗惡劣的多徑環(huán)境，但是多徑有沒有好的一面呢?事實上，MIMO也是基于多徑的，我們稱之為空間多樣性。多天線的應(yīng)用有很多種技術(shù)手段，這里簡單介紹兩種：波束成型(Beamforming)和時空分組碼(主要介紹Alamouti'scode)。這兩種技術(shù)的優(yōu)點是不需要多個接收天線。尤其是Alamouti碼，連信道信息都不用，只用數(shù)學(xué)運算就可以利用兩根天線實現(xiàn)3dB的增益，很贊對吧。
而不需要多個接收天線的優(yōu)點在于并不是所有設(shè)備都能裝上多天線。為了避免旁瓣輻射(天線方向圖上，最大輻射波束叫做主瓣，主瓣旁邊的小波束叫做旁瓣)，滿足空間上的采樣定理，一般以發(fā)送信號之一半波長作為實體的天線間距。無論是GSM信號1.8GHz，1.9GHz還是Wi-Fi信號的2.4GHz，我們暫取2GHz便于計算，半波長為7.5cm。所以，我們看到的路由器上天線的距離大多如此，也正是因此，我們很難在手機(jī)上安裝多個天線。
波束成型(Beamforming)：借由多根天線產(chǎn)生一個具有指向性的波束，將能量集中在想要傳輸?shù)姆较颍黾有盘杺鬏斊焚|(zhì)，并減少與其他用戶間的干擾。我們可以簡單籠統(tǒng)地這樣理解天線的指向性：假設(shè)全指向性天線功率為1，范圍只有180度的指向性天線功率可以達(dá)到2。于是我們可以用4根90度的天線在理論上提高4倍的功率。波束成型的另外一種模式是通過信道估算接收端的方位，然后有指向性的針對該點發(fā)射，提高發(fā)射功率(類似于聚光的手電筒，范圍越小，光越亮)。智能天線技術(shù)的前身就是波束成型。
空時分組碼(Space-Time Block Code，即STBC)：在多天線上的不同時刻發(fā)送不同信息來提高數(shù)據(jù)可靠性。Alamouti碼是空時分組碼里最簡單的一種。為了傳輸d1d2兩個碼，在兩根天線1,2上分別發(fā)送d1,-d2*和d2,d1*。由于多徑，我們假設(shè)兩根天線的信道分別為h1h2，于是第一時刻接收端收到的信息r1=d1h1+d2h2，之后接收的信息r2=-d2*h1+d1*h2。接收到的這個2維方陣只要乘以信道，就可得到d1d2的信息了。看不懂沒關(guān)系，總之呢就是Alamouti找到一組正交的碼率為2×2矩陣，用這種方式在兩根天線上發(fā)射可以互不影響;可以用一根天線接收，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算以后得到發(fā)射信息的方法。
其他的MIMO呢，在概念上可能比較好理解，比如2個發(fā)射天線t1t2分別對兩個接收天線r1r2發(fā)射，那么相當(dāng)于兩撥人同時干活，速度提升2倍等等。但是實際實現(xiàn)起來一方面在硬件上需要多個接收天線，另一方面需要信道估計等通信算法，那都是非常復(fù)雜，并且耗時耗硬件的計算了。
講上面兩種技術(shù)實際上是MISO(Multiple-Input Single-Output)的方法，也是想從另外一個方面證明，天線多了不代表他們能一起干活。100年前人們就知道天線越多越好越大越好了，但是天才的Alamouti碼1998年才被提出來多天線技術(shù)的802.11n協(xié)議2009年才開始應(yīng)用。
20年前，人們用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交頻分復(fù)用，多載波調(diào)制的一種技術(shù))對抗由于城市間或室內(nèi)障礙太多造成的多徑衰落，而如今我們已經(jīng)開始利用多徑來提高通信質(zhì)量。這是技術(shù)上突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而不是簡單的“想當(dāng)然”就可以實現(xiàn)的。
編后語
MIMO本身就是一個時變的、不平穩(wěn)的多入多出系統(tǒng)。關(guān)于MIMO的研究，是一個世界性課題，留下的疑問還有很多，同樣的問題學(xué)術(shù)上甚至也會出現(xiàn)不同的說法。不過，對于一般消費者大可不必深究，認(rèn)清了開頭我們講的“誤區(qū)”，知道路由天線是個“工具”，普通家庭雙天線足以，選購時看清產(chǎn)品規(guī)格，不要被商家誤導(dǎo)。