无论是在产品开发还是在日常生活中,在使用无线网络的时候,都会经常遇到一些信号不好的问题,也会产生不少疑问:
要比较深入地去回答上面的这些问题,我们需要先回顾一下中学的物理知识,然后再对这些问题做解答。
人类对自然光的认识历史是一个循序渐进的过程,涉及哲学、物理学和人类科学技术的发展。
从上面人类对光的认识历史过程中我们可以知道:光是一种电磁波,它具有波粒二象性、直射、反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散等特性
对电磁波的认识,可以拆开成电、磁、电磁波三个方面来看
电磁波是由变化的电场和磁场相互垂直并相互作用而产生的波动现象。它具有以下几个重要的特性:
这些特性使得电磁波在自然界和技术应用中具有广泛的作用,从无线通信到医疗成像,从照明到能量传输,电磁波无处不在。
波长(Wavelength):波长是电磁波中相邻两个波峰(或波谷)之间的距离,通常用符号表示。波长通常以米(m)为单位。波长决定了电磁波的空间尺度,波长越长,波的传播范围越大。
WiFi频率与波长的关系:波长=光速/频率
按照上面公式计算2.4Ghz与5GHz无线电波的波长分别为12.5厘米和6厘米。
在信号处理中,功率分为绝对功率和相对功率,绝对功率用dBm表示,相对功率用dB表示
绝对功率单位(dBm)
dBm是一个绝对单位,用于表示功率相对于1毫瓦(mW)的水平,当功率是1mW时,功率为0dBm。它们之间的关系式:
常用的一些关系值如下表:
WiFi信号强度的dBm(分贝毫瓦)范围可以用来评估信号的质量。一般情况下,信号强度的分类如下:
一般来说,-50dBm到-60dBm之间的信号强度被认为是良好的,能够提供稳定和高效的网络连接。
相对功率单位(dB)
dB(分贝)是一个相对单位,用于表示两个功率或电压的比值。它基于对数的计算,使得不同量级的比率更容易处理。
dB用于表示信号增益或衰减、滤波器的衰减、天线的增益等。
dB它提供了一种方便的方式来表示大范围的比率。在音频和无线通信中,有些信号值变化非常大。
比如一个信号从1mW衰减到0.00000001mW,因为0.00000001mW与0.0000001mW和0.000000001mW很难用人眼难区分开来,相应的,如果使用-70dB、-80dB、-90dB来区分就清晰很多了。
2.4G无线电波的波长约为12.5厘米,5G的波长约为6厘米。在同等信号强度下,为何波长越长,穿透能力越强呢?这里主要是与波的衍射和波与物质的相作用有关系。
衍射效应:当电磁波遇到障碍物时,波长较长的电磁波更容易绕过障碍物。这是因为长波长的电磁波具有更强的衍射能力,可以绕过障碍物继续传播,因此在复杂环境中,它们的穿透能力更强。
与物质的相互作用:物质内部的原子和分子在特定的频率范围内会对电磁波产生吸收或反射效应。短波长(高频率)的电磁波更容易被原子和分子吸收或散射,因为它们的能量更高,与物质的微观结构发生共振的概率更大。相比之下,长波长的电磁波(如无线电波)较少受到这种吸收和散射的影响,因此更容易穿透物质。
我们看下面路由器AP典型穿透的一个衰减值(经验值)
2.4GWiFi典型穿透损耗经验值
5GWiFi典型穿透损耗经验值
从上表可以看出,WiFi信号在穿过一堵混泥土墙后信号至少衰减10dB,参考功率倍数比,信号至少衰减了10倍。
同样的原理,在有些体育馆,它的无线信号AP是布置在座位周边,当人多的时候,因为人体主要由水和有机物组成,这些物质对电磁波有较强的吸收和散射作用,所以能搜索到的无线信号会变弱。
高频率的无线电波,如在2.4GHz和5GHz频段工作的WiFi信号,穿过人体时会有显著的衰减,典型的衰减情况是:
电磁波可以在真空中传播,传播的速度是光速,但是在空气中传播无线电波的信号强度会逐渐地衰减,这种叫做电磁波在自由空间中的路径衰减。
电磁波在自由空间中的路径衰减
电磁波在自由空间中的路径衰减(FreeSpacePathLoss,FSPL)是指电磁波在传播过程中,由于距离的增加而导致信号强度的自然衰减。
自由空间衰减不考虑任何障碍物、反射、折射或散射等因素的影响,仅仅是由于波前的扩散而导致的信号强度减弱。
它的计算公式是:
2.4GHz信号,在距离射频源50米位置的衰减值约为74dB2.4GHz信号,在距离射频源100米位置的衰减值约为80dB2.4GHz信号,在距离射频源200米位置的衰减值约为86dB
这里有个6dB法则:传输距离加倍将导致信号衰减6dB
之所以在户外iperf拉距测试中,每次测试数据都不一样,这与每次测试环境中的障碍物、无线干扰、气温、气压的差异都是有关系的。
蓝牙、WiFi和微波炉之间相互干扰的主要原因是它们都工作在相同的无线电频段,即2.4GHz频段
WiFi:大多数WiFi网络使用2.4GHz频段,虽然也有5GHz频段的WiFi,但一般5GHzWIFI都向下兼容2.4Ghz,支持802.11b/g/n协议
蓝牙:蓝牙设备也在2.4GHz频段工作,使用一种称为跳频扩频(Frequency-HoppingSpreadSpectrum,FHSS)的技术,以减少与其他无线设备的干扰。尽管蓝牙在频段内频繁切换频道,仍可能与其他在同一频段工作的设备产生干扰。
微波炉:微波炉加热食物时,会在2.4GHz频段产生强烈的电磁辐射。这种辐射可能会干扰在同一频段工作的无线通信设备,导致信号的衰减或中断。
为什么工作在同一个频段的无线信号就相互干扰呢?
这是因为无线电波相互干涉的原因
上图中两个波f(x)与g(x)它们相互干涉形成了紫色的波f(x)+g(x),改变g(x)的相位,可以看到相干波峰值被加倍或者被抵消为0。在无线电信号中表示信号增强和衰减
相长干涉(建设性干涉):当两束电磁波的波峰和波谷对齐时,它们的相位相同或相差0度,叠加后波幅会增加,形成相长干涉。这种干涉使信号增强,在无线通信中可能导致信号变强。
相消干涉(破坏性干涉):当两束电磁波的波峰与另一束的波谷对齐时,它们的相位相反或相差180度,叠加后波幅会减小甚至完全抵消,形成相消干涉。这种干涉会导致信号衰减或丢失,在无线通信中表现为信号弱化或断开。
信道重叠:在2.4GHz频段,WiFi信道的数量有限(通常只有11或13个信道),而每个信道的带宽较宽,通常会覆盖相邻信道的一部分。如果多个路由器在相邻或相同的信道上工作,它们的信号会互相干扰,导致数据传输变慢。