买路由器只要看天线数量就好了,事情真的就这样么?

电子工程技术 2019-05-13 11:21 次阅读

路由器这个只要有网络就需要的东西,从最早时期的一根天线,发展到现在4根甚至更多的数量,所以就有人数说了,买路由器只要看天线数量就好了,事情真的就这样么?

在移动互联网时代,每个家庭都少不了路由器,路由器已经成为家庭互联网的中心,为手机电视等提供网络接入,其性能好坏直接影响到了我们的生活质量。

现在市场上的路由器的基本功能都没问题,但信号的穿墙能力却有较大差异。无论把路由器放在哪个房间,都会存在隔墙房间信号不好的问题,信号的断续卡顿会严重影响使用体验。

有些路由器厂家瞄准了这个痛点,打出了多天线和穿墙王的宣传口号,天线从一根到两根,现在已经增加到了八根,好像一只躺着的螃蟹,给人以信号很强的感觉。其实,天线的多少跟信号强弱并没有直接关系,跟穿墙能力也没有直接关系。

咱们选购路由器的两大关键要素就是信号覆盖范围和网络传输能力,第一个是指信号强度,第二个是指速率。虽然广义上将这两个要素都是和天线有关的,但天线的数量绝对不是唯一的考量标准,我们主要从三个方面来分析。

信号强度被限制了

路由器的功率限制

高剂量的电磁辐射有可能会影响到人体健康,因此全球各个国家都有电磁辐射限值的标准,我国遵循的是《电磁辐射控制限值》(GB8702-2014)。

路由器的频段属于30MHz-3000MHz,根据国标要求,对人体辐射限制的等效平面波功率密度为0.4瓦/平方米。

考察电磁辐射对人体的作用,不能使用设备本身的功率指标,因为即使再高功率的设备,只要人体距离它足够远就会安全,而即使功率不高的设备,如果紧贴人体也可能不安全,所以用单位面积的功率密度单位是科学的,这也是国际通用的指标方法。

路由器的电磁波基本是全向辐射的,可以理解其能量散布在一定半径的球面上,球表面积与半径的平方成正比,所以单位面积的功率密度值会随着半径的平方率而快速衰减。如果政府部门不对人体与路由器的距离做出官方解读,那厂家的借口还真说的通。

于是工信部对路由器等设备的辐射功率值作出了明确限定,因为路由器基本是全向辐射的,天线增益比较小,所以适用于第一种情况,即辐射功率不得超过100毫瓦。

按照100毫瓦和0.4瓦/平方米这两个限值倒推,可以算出政府认定人体与路由器的距离是0.2米之内,这说明政府制定的安全标准是非常保守谨慎的。

有些路由器具有“穿墙模式”,其真相就是平时工作在50毫瓦,当用户启动穿墙模式时,就将功率提升到100毫瓦,其效果并不比其它工作在100毫瓦的路由器更强。

政府限定了路由器的辐射功率,因此设置再多的天线也没有意义,好比是水管的总流量已经被限定了,即使你装了8个水龙头,总出水量也不会有丝毫的增加。

天线多不一定信号强

理论上说,在相同技术的情况下,确实是天线这种东西是越多越强,但是看似简单的天线这是这么回事吗?那你就错了,以我们现在的双频路由器为例(2.4GHz/5GHz),有些4天线的路由器采用分频天线方案,也就是2根天线负责2.4GHz频段,2根负责5GHz频段,这样来说的吧单一的一个频段肯定还没有其他3天线的强。而现在有些采用双频合一方案的路由器,一个天线里集合了2.4G和5G两个频段,相同天线的情况下,实力比普通路由器更加强大。

有人会质疑,即使多天线的辐射并没有明显优势,那多根天线同时接收信号,那接收效果不是成倍提高吗?这其实也是误解。

真相是接收信号的关键在于“信噪比”,即信号功率与噪声功率的比值越大越好,而由于多根天线的距离很近,每根接收的信号和噪声基本都一样,累加起来并不会有效提高信噪比。

2、穿墙能力取决于“接收”

上节说到的“穿墙模式”是把辐射功率提高到顶格的100毫瓦,但加大辐射功率就能提高穿墙能力吗?答案依然是否定的。

工信部对路由器与人体距离的设定是0.2米之内,而手机却是紧贴人体的,在手机在与路由器通信过程中,手机的辐射功率通常会小于路由器。

假设路由器工作在100毫瓦,其辐射信号穿透两堵混凝土墙到达了手机,但手机的信号相对较弱,并没有传回给路由器,因此同样会出现卡顿的情况。

所以说,路由器穿墙能力并不取决于其辐射功率,更多地取决于路由器对低信噪比弱信号的接收能力,这才是信号穿墙能力的真相。

二、发射技术是关键

发射技术对于路由器来说可以说是非常关键的,现在最新的MU-MIMO就是多用户多进多出技术,使路由器同时可以与多个设备进行沟通,比传统的单用户多进多出技术(SU-MIMO)大大提升了网络效率,这方面性能的提升是看得见摸得着的。

三、束波成型技术效率高

信号的传输理论上是发散形的,但是你的手机接收的信号确实定向的,所以大部分信号是被浪费的,而使用了束波成形技术后,WIFI发射的信号都集中在设备接收的一个方向上,效率更高。

由此可见,无线路由器的天线多少并不是决定路由器性能的唯一条件,大家在挑选的时候千万不要被误导了,选购的时候其实只要记住MU-MIMO技术、高速率(双频1200Mbps,单频300Mbps以上)、双频全向天线等关键词就不怎么会花冤枉钱,如果家里实在大或是墙多,建议可以选择电力猫等中继设备。

由器的频段属于30MHz-3000MHz,根据国标要求,对人体辐射限制的等效平面波功率密度为0.4瓦/平方米。

但是,使用功率密度标准也给了路由器厂家一个借口,当政府监察部门核查设备的辐射强度时,厂家可以借口说用户距离路由器很远呢,虽然设备的辐射功率很大,但作用到人体的功率密度并没有超过0.4瓦/平方米。

路由器的电磁波基本是全向辐射的,可以理解其能量散布在一定半径的球面上,球表面积与半径的平方成正比,所以单位面积的功率密度值会随着半径的平方率而快速衰减。如果政府部门不对人体与路由器的距离做出官方解读,那厂家的借口还真说的通。

于是工信部对路由器等设备的辐射功率值作出了明确限定,因为路由器基本是全向辐射的,天线增益比较小,所以适用于第一种情况,即辐射功率不得超过100毫瓦。

按照100毫瓦和0.4瓦/平方米这两个限值倒推,可以算出政府认定人体与路由器的距离是0.2米之内,这说明政府制定的安全标准是非常保守谨慎的。

有些路由器具有“穿墙模式”,其真相就是平时工作在50毫瓦,当用户启动穿墙模式时,就将功率提升到100毫瓦,其效果并不比其它工作在100毫瓦的路由器更强。

政府限定了路由器的辐射功率,因此设置再多的天线也没有意义,好比是水管的总流量已经被限定了,即使你装了8个水龙头,总出水量也不会有丝毫的增加。

有人会质疑,即使多天线的辐射并没有明显优势,那多根天线同时接收信号,那接收效果不是成倍提高吗?这其实也是误解。

真相是接收信号的关键在于“信噪比”,即信号功率与噪声功率的比值越大越好,而由于多根天线的距离很近,每根接收的信号和噪声基本都一样,累加起来并不会有效提高信噪比。

2、穿墙能力取决于“接收”

上节说到的“穿墙模式”是把辐射功率提高到顶格的100毫瓦,但加大辐射功率就能提高穿墙能力吗?答案依然是否定的。

工信部对路由器与人体距离的设定是0.2米之内,而手机却是紧贴人体的,在手机在与路由器通信过程中,手机的辐射功率通常会小于路由器。

假设路由器工作在100毫瓦,其辐射信号穿透两堵混凝土墙到达了手机,但手机的信号相对较弱,并没有传回给路由器,因此同样会出现卡顿的情况。

所以说,路由器穿墙能力并不取决于其辐射功率,更多地取决于路由器对低信噪比弱信号的接收能力,这才是信号穿墙能力的真相。

天线越多路由就越好?

“天线越多覆盖越广,天线越多信号越强,总之天线越多路由就越好”——觉得很“常识”的朋友可以继续往下看正文了。为你解读天线数量与信号强弱的关系!

首先,大家也应该注意到了,老一代无线路由器的天线肯定不会超过一根,这里的“老一代”指的是802.11n协议以前的802.11a/b/g路由,老的54M产品就只有一根天线。这样的话,802.11n显然成了一条分水岭,也是从那时开始天线不再只有孤零零的一根(1t1r的150M是个例外),那到底是怎么一回事?这里我们就要提到一项11n协议之后才得到具体应用的多天线技术,也是无线通信领域一项非常重要的技术——MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)

先来看个例子,有人说,为什么我买了一个最新款的3天线支持802.11ac协议的无线路由器,结果信号强度、覆盖范围甚至连速度都没上去呢?天线不够?告诉你,300根也没用,检查一下你用的接受终端支不支持AC协议吧。比如你用的iPhone 3,这手机可只支持11a/b/g连11n都谈不上,那么即便是你给这它拆了加几根天线也没用。怎么解决?加装AC网卡或者换终端,总之加天线是没有用的。

为什么这样说?首先,Wi-Fi应用的环境是室内,我们常用的802.11系列协议也是针对这种条件来建立的。由于发射端到接收端之间存在各种各样的障碍物,收发时几乎不存在直射信号的可能。那怎么办?这个办法叫做多径传输,也叫多径效应。多径,从字面上也很好理解,就是把增加传输途径。

那么问题来了,既然是多径,传输的路程就有长有短,有的可能是从桌子反射过来的,有的可能是穿墙的,这些携带相同信息但是拥有不同相位的信号辗转最终一起汇集到接收端上。现代通信用的是存储转发的分组交换,也叫包交换,传输的是码(Symbol)。由于障碍产生不同的传输时延,就造成了码间干扰ISI(InterSymbolInterference)。为了避免ISI,通信的带宽就必须小于可容忍时延的倒数。

对于802.11a/b/g 20MHz的带宽,最大时延为50ns,多径条件下无ISI的传输半径为15m。在IEEE802.11协议中我们可以看到,这个值最大范围是35m,这是协议中还有误码重传等各种手段保证通信,并不是说有一点ISI就完全不能工作。这样的话你会发现,对于802.11a/b/g协议,即使加装再多的天线也没有任何意义。假设这些天线可以同时工作,反而会使多径效应更加恶劣。

总之,无线路由器的发射范围是这个IEEE802.11协议决定的,而非单纯的看天线。

小结

说了这么多,单天线路由、双天线路由、三线四线甚至更多究竟有没有区别?有,但对于实际使用过程中的影响并不大,这包括信号覆盖、信号强度,天线多速度快就更是无稽之谈了。抛开已经很少见的单天线,剩下的“多天线”都只是实现MIMO技术的“介质”或者说是“工具”,区别在于使用的架构不同而已:常见的双天线产品主要用1T2R或2T2R,三天线产品则用到的是2T3R或3T3R。

理论上,增加天线数量会减少信号覆盖盲点,但我们通过大量的评测证实,这种差异在普通家庭环境中完全可以忽略不计。而且,就像内置天线不输外置一样,三天线覆盖不如双天线的情况也绝非个例,说到底产品质量也是一个重要因素。至于信号强度和“穿墙”则取决于发射功率,这个东西工信部作过规定,不得高于20dBm(即100mW),“天线越多信号越强”也就不攻自破了。最后的结论就是,只要路由采用了有效的MIMO技术,无须在意天线数量。

接下来一页我们会进一步深入了解MIMO技术的神奇。

MIMO技术

搜各种百科资料IEEE802.11词条,我们可以读到,从802.11n开始,数据传输速率或者说承载的数据量有了很大的提升。首先,802.11n有了40MHz模式,然而按照之前的理论,它的发射范围应该因此降低一半才对,但事实上数据反而提升了一倍(70m),这又是怎么一回事?

这就要得益于MIMO技术了,刚才我们讨论的种种手段都是为了对抗恶劣的多径环境,但是多径有没有好的一面呢?事实上,MIMO也是基于多径的,我们称之为空间多样性。多天线的应用有很多种技术手段,这里简单介绍两种:波束成型(Beamforming)和时空分组码(主要介绍Alamouti'scode)。这两种技术的优点是不需要多个接收天线。尤其是Alamouti码,连信道信息都不用,只用数学运算就可以利用两根天线实现3dB的增益,很赞对吧。

而不需要多个接收天线的优点在于并不是所有设备都能装上多天线。为了避免旁瓣辐射(天线方向图上,最大辐射波束叫做主瓣,主瓣旁边的小波束叫做旁瓣),满足空间上的采样定理,一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距。无论是GSM信号1.8GHz,1.9GHz还是Wi-Fi信号的2.4GHz,我们暂取2GHz便于计算,半波长为7.5cm。所以,我们看到的路由器上天线的距离大多如此,也正是因此,我们很难在手机上安装多个天线。

波束成型(Beamforming):借由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中在想要传输的方向,增加信号传输品质,并减少与其他用户间的干扰。我们可以简单笼统地这样理解天线的指向性:假设全指向性天线功率为1,范围只有180度的指向性天线功率可以达到2。于是我们可以用4根90度的天线在理论上提高4倍的功率。波束成型的另外一种模式是通过信道估算接收端的方位,然后有指向性的针对该点发射,提高发射功率(类似于聚光的手电筒,范围越小,光越亮)。智能天线技术的前身就是波束成型。

空时分组码(Space-Time Block Code,即STBC):在多天线上的不同时刻发送不同信息来提高数据可靠性。Alamouti码是空时分组码里最简单的一种。为了传输d1d2两个码,在两根天线1,2上分别发送d1,-d2*和d2,d1*。由于多径,我们假设两根天线的信道分别为h1h2,于是第一时刻接收端收到的信息r1=d1h1+d2h2,之后接收的信息r2=-d2*h1+d1*h2。接收到的这个2维方阵只要乘以信道,就可得到d1d2的信息了。看不懂没关系,总之呢就是Alamouti找到一组正交的码率为2×2矩阵,用这种方式在两根天线上发射可以互不影响;可以用一根天线接收,经过数学运算以后得到发射信息的方法。

其他的MIMO呢,在概念上可能比较好理解,比如2个发射天线t1t2分别对两个接收天线r1r2发射,那么相当于两拨人同时干活,速度提升2倍等等。但是实际实现起来一方面在硬件上需要多个接收天线,另一方面需要信道估计等通信算法,那都是非常复杂,并且耗时耗硬件的计算了。

讲上面两种技术实际上是MISO(Multiple-Input Single-Output)的方法,也是想从另外一个方面证明,天线多了不代表他们能一起干活。100年前人们就知道天线越多越好越大越好了,但是天才的Alamouti码1998年才被提出来多天线技术的802.11n协议2009年才开始应用。

20年前,人们用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,即正交频分复用,多载波调制的一种技术)对抗由于城市间或室内障碍太多造成的多径衰落,而如今我们已经开始利用多径来提高通信质量。这是技术上突飞猛进的发展,而不是简单的“想当然”就可以实现的。

写在最后

MIMO本身就是一个时变的、不平稳的多入多出系统。关于MIMO的研究,是一个世界性课题,留下的疑问还有很多,同样的问题学术上甚至也会出现不同的说法。不过,对于一般消费者大可不必深究,认清了开头我们讲的“误区”,知道路由天线是个“工具”,普通家庭双天线足以,选购时看清产品规格,不要被商家误导。

原文标题:路由器信号强弱和天线的多少无关!

文章出处:【微信号:EngicoolArabic,微信公众号:电子工程技术】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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的头像 39度创意研究所 发表于 09-29 11:03 299次 阅读
如何设置RT-AC87R路由器

大户型路由器的选择方法

大户型的路由器选择非常重要,如果只用一个路由器可能导致某些区域信号较弱,无法体验流畅的网速,如果安装....
的头像 电子魔法师 发表于 09-28 08:44 535次 阅读
大户型路由器的选择方法

不同网段的弱电系统设备互访的案例分析

企业随着员工或部门的增多,增加了一个路由器,分了两个网段,A子网和B子网处于不同网段,当网络中存在多....
发表于 09-28 02:39 176次 阅读
不同网段的弱电系统设备互访的案例分析

5G的到来正在推动短信行业走进一个黄金时代

在金山软件的历程中,段雨洛给自己交出了一份满意的答卷。他带领团队完成了国家863信息领域的重大专项课....
发表于 09-27 09:01 75次 阅读
5G的到来正在推动短信行业走进一个黄金时代

“时空智能”到底是什么?创新企业又能为此做什么?

为了更好地说明时空智能的重要性,千寻位置还在云栖大会上用“时空智能产业图谱”来直观描述。该图谱显示,....
的头像 倩倩 发表于 09-26 15:55 639次 阅读
“时空智能”到底是什么?创新企业又能为此做什么?

TP-Link新一代路由器采用Wi-Fi6标准 售价399元

9月26日消息,TP-Link新一代路由器L-XDR3020开启预售,售价399元。它最大的亮点之一....
的头像 39度创意研究所 发表于 09-26 10:28 711次 阅读
TP-Link新一代路由器采用Wi-Fi6标准 售价399元

中国移动正式公布了2019年至2020年高端路由器和高端交换机采购结果

据来自中国移动的官网信息显示,中国移动2019年至2020年高端路由器和高端交换机(扩容部分)集中采....
发表于 09-26 09:41 209次 阅读
中国移动正式公布了2019年至2020年高端路由器和高端交换机采购结果

如何制作移动天线以收听不带耳机的FM广播

现在您需要剥线耳机线距离插孔稍远。您可以用手或剪刀进行操作。
的头像 39度创意研究所 发表于 09-25 10:47 368次 阅读
如何制作移动天线以收听不带耳机的FM广播

读懂5G基站天线OTA测试方案

紧缩场测试是一种远场测试方式, 它可以利用反射镜或透镜把位于焦点处的馈源发出的球面波转换为平面波
的头像 丫丫119 发表于 09-25 07:59 1031次 阅读
读懂5G基站天线OTA测试方案

天线近场测试的机器人时代

2011年NIST(美国国家标准与技术研究院,以下简称NIST)科学家开始使用机器人在天线测试领域进....
的头像 丫丫119 发表于 09-25 05:14 819次 阅读
天线近场测试的机器人时代

全球5G终端设备数量迅速增长,已发布129款

北京时间9月24日消息,GSA近日发布的《2019年9月5G终端报告》显示,全球5G终端设备数量在今....
的头像 牵手一起梦 发表于 09-24 16:59 808次 阅读
全球5G终端设备数量迅速增长,已发布129款

如何设置AppleAirPort无线路由器

享受新的无线网络。您还可以连接任何具有WiFi功能的设备,例如电话,iPod或笔记本电脑。无线互联网....
的头像 39度创意研究所 发表于 09-23 10:26 732次 阅读
如何设置AppleAirPort无线路由器

科普无线安全和内网渗透

俗话说的好,巧妇难为无米之炊,这是需要硬件支持的,你需要买一张USB无线网卡。当然网卡也不是随便都行....
发表于 09-22 09:43 153次 阅读
科普无线安全和内网渗透

设计应用于蓝牙天线上的蛇形倒F PCB天线的资料说明

BLE的天线设计推荐使用 IFA 和 MIFA 这两种 PCB 天线。BLE 应用中的低速率和典型的....
的头像 Wildesbeast 发表于 09-21 11:48 1329次 阅读
设计应用于蓝牙天线上的蛇形倒F PCB天线的资料说明

使用PCB天线进行倒F天线设计的详细资料说明

与 MIFA 相比,IFA 是一种辐射更好的天线。给定空间可用性 IFA 天线比 MIFA 天线更好....
的头像 Wildesbeast 发表于 09-21 11:42 1352次 阅读
使用PCB天线进行倒F天线设计的详细资料说明

截获BLE数据包看蓝牙5协议流程

Ellisys的界面如下所示,可以分为三个部分, 左上为40个信道监视图,左下为某一个或者多个设备(....
的头像 丫丫119 发表于 09-20 10:45 808次 阅读
截获BLE数据包看蓝牙5协议流程

介入式心脏支架作为数据和能量传输的天线分析说明

介绍了一种新型便携式再狭窄诊断技术方案。以感知式介入心脏支架系统作为应用背景,以心脏支架作为系统天线....
发表于 09-19 11:28 164次 阅读
介入式心脏支架作为数据和能量传输的天线分析说明

华为携手中国银联发布全场景智能路由器NetEngine 8000系列

9月18日,华为全链接大会正式开幕,当天下午华为携手中国银联联合发布业界首个基于AI智能运维的Clo....
的头像 39度创意研究所 发表于 09-18 17:37 657次 阅读
华为携手中国银联发布全场景智能路由器NetEngine 8000系列

小米路由器AC2100高清图集

9月17日,小米路由器AC2100发布,双频全千兆网口,5G频段4收4发,支持海外游戏和主机游戏加速....
的头像 39度创意研究所 发表于 09-18 16:44 915次 阅读
小米路由器AC2100高清图集