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        家庭Wi-Fi信號(hào)的測(cè)量與評(píng)估

        2018-04-18 11:05:27
        數(shù)字通信世界 2018年1期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)強(qiáng)度電磁波路由器

        馬 堃

        (山東省成武第一中學(xué),菏澤 274200)

        1 Wi-Fi簡(jiǎn)介

        1.1 Wi-Fi信道

        Wi-Fi的信道是有IEEE制定的,受法律保護(hù),一般劃分為兩個(gè)頻段,2.4GHz和4.9/5.8GHz,每個(gè)頻段又分為若干個(gè)信道,各個(gè)國(guó)家根據(jù)自己情況來(lái)制定這些頻段和信道的使用政策。

        圖1 2.4GHz上信道示意圖

        我國(guó)在2.4GHz的頻道上,可用信道是1-13信道,2.412-2.472GHz,帶寬為5MHz;在4.9/5.8GHz頻道上,可用信道為149 153 157 161 165信道,頻率為5.745-5.825GHz,帶寬為20MHz。

        1.2 幾種主要協(xié)議

        (1)1997年IEEE組織制訂了第一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11,主要用于數(shù)據(jù)存取,但是速度和使用范圍太小,不能滿足人們的需要。

        (2)1999年,IEEE制定了802.11b,工作頻率與802.11相同為2.4GHz,在速度和帶寬方面提升了很多,成本也小很多,但是由于使用的是沒(méi)有規(guī)范的2.4GHz擴(kuò)頻,信號(hào)容易受其他的電器設(shè)備干擾。

        (3)在802.11b制定的同時(shí),802.11a也被制定。該標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率可達(dá)54Mb/s,工作頻率為5GHz。與802.11b不在一個(gè)頻段上,受干擾較小,但是成本過(guò)高,且由于頻率過(guò)高,容易受到障礙物的影響。

        (4)802.11g是在2003年由 IEEE制定。是一種融合了802.11a和802.11b標(biāo)準(zhǔn)的新標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn),工作頻率和802.11b一樣是2.4GHz,但是傳輸速率可達(dá)54Mb/s,核心技術(shù)是OFDM(正交頻分復(fù)用)。

        (5)802.11n標(biāo)準(zhǔn)是IEEE推出的最新標(biāo)準(zhǔn),工作在2.4GHz和5GHz兩個(gè)頻段。802.11n通過(guò)采用智能天線技術(shù),使速率達(dá)到了極大的提升,理論上最高可達(dá)到600Mb/s。主要是用了MIMO(多入多出)與OFDM(正交頻分復(fù)用)結(jié)合在一起的MIMO OFDM技術(shù),極大的提高了無(wú)線傳輸質(zhì)量,也使傳輸速率得到極大提升。

        (6)802.11ac,是在802.11n的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,工作在5GHz頻段,極大的增加了數(shù)據(jù)傳輸速率的帶寬,帶寬可達(dá)到40MHz甚至80MHz.最高可以達(dá)到160MHz,傳輸速率最高可以達(dá)到1Gpbs,比起802.11n,傳輸速率得到了極大的提高。

        1.3 Wi-Fi的核心技術(shù)

        (1)直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。這是802.11b所采用的主要技術(shù),就是在發(fā)端直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列對(duì)信息比特流進(jìn)行調(diào)制,從而擴(kuò)展信號(hào)的頻譜,在接收端,用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò),把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成原始信息。這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力特別強(qiáng)。

        (2)正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM),是802.11a/g/n/ac中都采用的技術(shù),主要就是將信源的信號(hào)分為若干個(gè)子信號(hào),用這若干個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制若干個(gè)相互正交的載波,主要優(yōu)點(diǎn)是頻譜的效率非常高。

        (3)多入多出技術(shù)(MIMO),是802.1n的核心技術(shù),主要就是在信號(hào)的發(fā)送端和接收端布置多個(gè)發(fā)射天線和接收天線,用多個(gè)天線代替一個(gè)天線進(jìn)行信號(hào)的傳輸?shù)慕邮?,主要?yōu)點(diǎn)是不用加大天線功率和頻率資源就可以實(shí)現(xiàn)通信容量的增加。

        (4)智能天線技術(shù)也是802.11n的重要技術(shù),通過(guò)好幾組獨(dú)立天線形成的天線陣,來(lái)調(diào)整天線的方向和波束,可以讓信號(hào)穩(wěn)定的發(fā)送和接收,使得干擾變得極小。

        2 試驗(yàn)測(cè)試

        2.1 家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要信息

        經(jīng)過(guò)Wi-Fi infoview軟件測(cè)量,家庭的Wi-Fi名稱(chēng)為ChinaMobile-7120,在第11信道,帶寬為20MHz,所用協(xié)議為802.11g/n,在路由器旁測(cè)得的最大信號(hào)強(qiáng)度通常在-30dbm左右。

        2.2 距離對(duì)Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度的影響

        2.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        在無(wú)障礙物的情況下,3選取若干個(gè)點(diǎn)與路由器距離不等,測(cè)量該點(diǎn)的Wi-Fi信號(hào)的平均強(qiáng)度,比較Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系。

        2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        家庭Wi-Fi的覆蓋范圍大概為30-50米左右,以5米為單位,測(cè)量與路由器距離分別為5米、10米、15米、20米、25米、30米這6個(gè)點(diǎn)的Wi-Fi信號(hào)的平均強(qiáng)度,并記錄。

        2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        隨著與路由器距離的增大,信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)衰減。數(shù)據(jù)如下:

        表1

        圖2

        測(cè)量時(shí)間:2017年11月19日15:35。測(cè)量地點(diǎn):家門(mén)口院內(nèi)。

        2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,隨著與路由器距離的增大,信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)類(lèi)似對(duì)數(shù)式衰減(以dbm為單位)。

        2.3 墻壁對(duì)Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度的影響

        2.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        選取兩個(gè)點(diǎn)距離無(wú)線路由距離相同,只是隔了一堵墻,在同一時(shí)間段,測(cè)量接收到的信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度,做對(duì)比。

        2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        在同一時(shí)間段,選取客廳中一點(diǎn),與無(wú)線路由器距離約為5米,測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度,隨后在隔墻與路由器相距5米,測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度。

        2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        在無(wú)墻阻礙的情況下,測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度約為-50dbm,在有墻阻隔的情況下,測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度約為-60dbm。

        測(cè)量時(shí)間:2017年11月20日19:49。

        測(cè)量地點(diǎn):家中。

        實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖如下:(紅色曲線為待測(cè)的Wi-Fi信號(hào))。

        圖3a 無(wú)墻壁阻礙的信號(hào)強(qiáng)度

        圖3b 有墻壁阻礙的信號(hào)強(qiáng)度

        2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,墻壁對(duì)于信號(hào)還是有明顯的衰減作用的,無(wú)墻壁阻礙約為-50dbm,有墻壁阻礙約為-60dbm,衰減了10dbm,強(qiáng)度相差10倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為墻壁對(duì)信號(hào)有十分明顯的衰減作用,衰減了約10倍左右。

        2.3.5 衰減原理

        從物理本質(zhì)上看,Wi-Fi信號(hào)就是電磁波,頻率在2.4GHz左右或者4.9GHz左右的電磁波,如此高頻的電磁波屬于微波范疇,電磁波的波長(zhǎng)很短,微波的最大特點(diǎn)就是直線傳播,繞射能力較弱,介質(zhì)對(duì)電磁波都有阻撓效應(yīng),在穿過(guò)介質(zhì)后,電磁波的振幅會(huì)下降,能量會(huì)衰減,在穿透導(dǎo)體時(shí),電磁波的穿透深度很小,衰減的很快,僅集中在良導(dǎo)體表面附近,這種現(xiàn)象稱(chēng)為集膚效應(yīng),頻率越高,穿透深度越小。因此,高頻電磁波在良導(dǎo)體中的集膚厚度很小,電場(chǎng)和電流僅集中在導(dǎo)體表面附近的薄層里,導(dǎo)致電磁波的能量大為衰減。而墻壁屬于混凝土多種物質(zhì)混合的材質(zhì),也具有一定導(dǎo)電性,因此,墻壁對(duì)電磁波也具有衰減的效果。

        2.4 改變天線方向?qū)π盘?hào)強(qiáng)度的影響

        2.4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        在同一時(shí)間段,改變發(fā)射天線的方向,在距發(fā)射天線相同距離處,測(cè)得改變方向前后的接收到的信號(hào)強(qiáng)度的變化。

        2.4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        在同一時(shí)間段,選取客廳中一點(diǎn),與無(wú)線路由器距離約為5米,第一次將兩根天線水平放置,測(cè)得接收到的信號(hào)強(qiáng)度;第二次將其中一根天線水平放置,測(cè)得接收到的信號(hào)強(qiáng)度。

        2.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        第一次兩根天線垂直放置時(shí),測(cè)得接收到的信號(hào)強(qiáng)度約為-50dbm,第二次將一根天線水平放置時(shí),測(cè)得接收到的信號(hào)強(qiáng)度約為-45dbm。

        測(cè)量時(shí)間:2017年11月20日20:05。

        測(cè)量地點(diǎn):家中。

        實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖如下:(紅色曲線為待測(cè)的Wi-Fi信號(hào))。

        圖4a 兩根天線豎直放置

        圖4b 其中一根天線水平,一根天線豎直放置

        2.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,兩根天線在豎直放置的情況下,在距離5米遠(yuǎn)處接收到的信號(hào)強(qiáng)度約為-50dbm,在其中一根天線豎直放置,一根水平放置的情況下,在距離5米遠(yuǎn)處接收到的信號(hào)強(qiáng)度約為-45dbm,在兩根天線均水平放置的條件下,在距離5米遠(yuǎn)處接收到的信號(hào)強(qiáng)度約為-43dbm。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為在發(fā)射天線水平放置的情況下,可以有效的改善接收到的信號(hào)強(qiáng)度。

        2.4.5 增強(qiáng)原理

        經(jīng)過(guò)查閱資料,了解到路由器的天線通常為全向天線,方向圖見(jiàn)圖5。

        圖5 方向圖

        這種天線產(chǎn)生的電磁波往往如同立體的環(huán)狀覆蓋,隨著發(fā)射天線功率的增大,會(huì)在水平方向上延伸,在數(shù)值方向上壓縮,所以豎直放置會(huì)使水平方向的信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋距離會(huì)增強(qiáng),而在豎直方向上的覆蓋距離和強(qiáng)度就差強(qiáng)人意了。隨著一根天線水平放置,有效的改善了在豎直方向上的信號(hào)覆蓋范圍和信號(hào)強(qiáng)度了。

        2.5 改變信道對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響

        2.5.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        通過(guò)對(duì)比改變信道前后的信號(hào)強(qiáng)度,來(lái)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度與信道使用情況的關(guān)系。

        2.5.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        在同一時(shí)間段,先檢測(cè)周?chē)臒o(wú)線信號(hào)的信道情況,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

        圖6 先測(cè)量在11信道下的信號(hào)強(qiáng)度,之后再將信道變?yōu)榈?信道,檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度

        2.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        隨著將信道從擁擠的11信道變?yōu)槭褂萌藬?shù)較少的第7信道,接收到的信號(hào)強(qiáng)度得到顯著提升。

        測(cè)量時(shí)間:2017年11月20日19:49測(cè)量地點(diǎn):家中。

        實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖見(jiàn)圖7:

        圖7

        2.5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,將Wi-Fi信道從較為擁堵的11信道改為使用人數(shù)較少的第7信道,信號(hào)強(qiáng)度和速度得到明顯提升。

        2.5.5 信號(hào)增強(qiáng)原理

        2.4GHz頻段的工作頻率為2.4-2.4835GHz,劃分為13個(gè)信道,在我國(guó),使用的是1-13信道,相近的無(wú)線路由器采用那個(gè)相同或重疊的信道會(huì)形成信道競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系,使無(wú)線路由間相互干擾,進(jìn)而影響無(wú)線傳輸?shù)摹?/p>

        [1] 段水福.無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2007.

        [2] David K.cheng.電磁場(chǎng)與電磁波[M].北京:清華大學(xué)出版社.

        [3] 劉乃安.無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)ü原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社.

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