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Wi-Fi技术——传播与损耗

news 2025/9/8 9:39:44

一、频段和信道

Wi-Fi通过发射无线电进行传输，而无线电的一个重要特性是频率。

频段：一个大的频率范围，如Wi-Fi工作在2.4GHz、5GHz、6GHz，其并不是一个值，而是一个范围
信道：在每个频段中划分小的频率范围，规定无线设备在某个频段内进行通信的具体频率范围

1、2.4GHz 频段

2.4GHz频段穿透力强，覆盖范围广，但容易受到其他设备的干扰，支持802.11b/g/n/ax/be Wi-Fi协议。

中心频率范围为2.412GHz-2.454GHz，共83.5M带宽，通常划分出14个相互交叠的信道。
每个子信道的带宽为20MHz（802.11b使用的信道频宽是 22MHz），相邻信道的中心点的频率间隔5MHz （除了14信道）
相邻的多个信道会存在频率重叠
- 带宽为22MHz的情况下，1信道与2、3、4、5信道都有频率重叠，存在三个信道之间互不重叠（1、6、11）、（2、7、12）、（3、8、13）
- 带宽为20MHz的情况下，则可以认为（1、5、9、13）为不重叠信道
不同国家可以使用的信道不同，中国使用1-13信道，美国可用11个信道（1-11），各个国家出于安全等等各方面考虑，开放的信道并不一致。要参考国家码和信道协商表

业内一般都使用（1、6、11）这个子信道组合，因为考虑到不同国家所使用的信道不同，而1-11信道被大多数国家所支持，因此把设备的自动信道设为1-6-11这三个信道，是即安全、又普遍且皆大欢喜的作法。
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2、5GHz 频段

5GHz频段提供更快的数据传输速度和更少的干扰，但覆盖范围较小，支持802.11a/n/ac/ax/be Wi-Fi协议

中心频率为5150MHz - 5825MHz，并划分了4 个 UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) 子频段
划分了201个信道，但能够被Wi-Fi协议所用的信道却很少
- 5G的频率很特殊，有关国家安全，与军用雷达频段重合，很多国家基于国家安全考虑，对5G频段持保留态度
4个子频段的带宽分别为20MHz、40MHz、80MHz和160MHz，更大带宽的子频道由小带宽合成而来
- 20 MHz 信道：是最常用的信道带宽，适合在设备较多的环境中使用，以避免干扰
- 40 MHz 信道：通过聚合两个相邻的 20 MHz 信道，提供更高的吞吐量，但更容易受到干扰
- 80 MHz 和 160 MHz 信道：适用于对吞吐量要求极高的应用(如 4K 流媒体、高清视频会议)，但在实际使用中较少，因为它们占用了更多的频谱资源
在中国，只有36, 40, 44, 48, 52, 56, 60, 64, 149, 153, 157, 161, 165这13个信道可以供5G的wifi网络使用
- 13个频段是非重叠的
- UNII-2 Extended(5470-5725 MHz) 的所有信道在中国都不能使用
- UNII-3 的 5 个信道可以在所有场景使用
- UNII-1 和 UNII-2 仅限室内使用

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3、6GHz 频段

WiFi6 和 WiFi7 中会使用到一些 6GHz 的信道，但是目前我国还没有开放 6GHz 信道的使用

频段范围从 5925MHz 扩展到 7125MHz，共计 1200MHz 带宽
- 可以通过信道绑定成 3 个 320MHz 信道、7 个 160MHz 信道、14 个 80MHz 信道或者是 29 个40MHz 信道
- 不绑定直接使用，则提供了 59 个 20MHz 信道

二、传播与损耗

1、信号强度

发射功率：发射端发送的电磁波的能量，通常有两种衡量单位，功率（W）和分贝毫瓦（dBm）。发射功率越大，传输距离越远
接收灵敏度：接收端能识别到的最低的电磁波能量，衡量单位是分贝毫瓦（dBm）。灵敏度值越小，灵敏度越高，传输距离越远
信号强度：RSSI(Received Signal Strength Indication)，信号强度的指示值，通常有两种衡量单位，功率（W）和分贝毫瓦（dBm）
- WIFi信号的能量通常为毫瓦（mW）级，因此业界将WiFi信号大小表示为1mW的强度比，用dBm表示
- mW与dBm转换关系是x=10*log(y/1mW)，其中x的单位是dBm，y的单位是mW
  - 0dBm = 1mW，30dBm = 1000mW
- RSSI值我们通常看到的都是负值，是使用dBm做的单位，此时越接近0越强
- 通常我们认为-70dBm以上为理想的信号强度，-70dBm~-80dBm为中等信号强度，小于-80dBm为弱信号
信噪比：SNR（Signal to noise Ratio）指的是系统中信号与噪声的比值
- 计算公式：SNR = 10log(Ps/Pn)
  - Ps指信号的有效功率
  - Pn指噪声的有效功率
- SNR越大，通信质量越高，说明信号中携带的噪声信号越小，从而对信号传输的影响越小
- 在无线局域网中，信噪比应高于30dB，用户的上网体验才能不受影响。
- 可通过增大设备能量来提高信噪比，如提高天线增益和降低接收机等效噪声温度
信干噪比：SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）指的是系统中信号与干扰和噪声之和的比。
- 计算公式：SINR=10log[Ps/(Pi+Pn)]
  - SINR指信干噪比，单位是dB；
  - Ps指信号的有效功率；
  - Pi指干扰信号的有效功率；
  - Pn指噪声的有效功率
- SINR越大，通信质量越高，说明信号中携带的噪声和干扰信号越小，从而对信号传输影响越小。
- 可通过减少干扰和增大设备能力来提供信干噪比，如可以选择干扰较少的信道以减小其他信号的干扰，提高天线增加和降低接收机等效噪声温度。

2、信号衰减

信号衰减损耗包含自由空间的损耗和穿透障碍物的损耗。

2.1 自由空间损耗

电磁波在自由空间中传播时固有的能量扩散

基本模型：信号以球形向四周扩散，随着传播距离的增加，能量分布的面积越来越大，导致单位面积上的信号强度自然下降。
特点：距离是最大的影响因素。信号强度与距离的平方成反比（≈距离²）。距离增加一倍，信号强度减弱到原来的四分之一。
高频信号（如5GHz）比低频信号（如2.4GHz）的路径损耗更大。

自由空间路径损耗(FSPL)公式表示为：

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其中L0为自由空间的损耗，F为无线电波的频率（以MHz为单位），D为发射器与接收器之间的距离（以KM为单位）

对于2.4GHz，L0 = 100 + 20lg(D)
对于5GHz，L0 = 108 + 20lg(D)

2.2 穿透障碍物损耗

当信号遇到障碍物时，会发生穿透、反射、衍射和散射，这些过程都会导致信号能量损失

墙体与建筑材料：
- 承重墙/钢筋混凝土墙：损耗极大。容易形成法拉第笼效应，极大地屏蔽信号。一堵承重墙可能使信号衰减高达20-30dB
- 砖墙/石膏板墙：损耗中等，是家庭中常见的隔断
- 玻璃：普通玻璃有一定损耗，但较小。而金属镀膜的隔热玻璃（Low-E玻璃）对信号屏蔽非常严重
- 门窗：木门损耗较小，金属门则会严重阻挡信号
- 地板/天花板：信号需要穿透楼层时损耗巨大，是复式或别墅户型信号覆盖的主要挑战
金属物体：文件柜、冰箱、镜子（有金属镀层）、防盗网等大型金属物体
水：人体、鱼缸、水管等，大型水体会显著减弱信号