SOHO路由器多天線覆蓋能力的差異研究

摘 ? 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，家庭和中小辦公場(chǎng)所對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的要求也越來越高，市面上的SOHO路由器五花八門，尤其是天線數(shù)量變得越來越多。文章從天線基本原理、MIMO技術(shù)、信號(hào)覆蓋、發(fā)射功率、帶寬等多方面進(jìn)行綜合分析，并對(duì)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行了多方位測(cè)試，闡述和驗(yàn)證了天線數(shù)量與信號(hào)強(qiáng)度及覆蓋范圍的關(guān)系。為今后學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)備選型提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：家居辦公;信號(hào)強(qiáng)度;功率;天線

1 ? ?無線路由器天線研究背景

作為當(dāng)前最流行，也是成本最低的無線通信系統(tǒng)，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS），WLAN占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)。隨著語音、視頻及數(shù)據(jù)的大量應(yīng)用，對(duì)傳輸速率及可靠性要求也變得越來越高。特別是對(duì)小型企業(yè)、家居等小環(huán)境而言，經(jīng)濟(jì)性和可靠性尤其顯得重要。因而，各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家也是絞盡腦汁，在迎合市場(chǎng)需求的同時(shí)也要保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。方法之一就是增加無線路由器天線的數(shù)量，由5年前的一根迅速增加到現(xiàn)在的8根，甚至有“穿墻王”的名詞出現(xiàn)。從實(shí)現(xiàn)原理上來看，可以采用提高信源發(fā)射功率、中繼信道的使用、橋接、增加天線數(shù)量等方法達(dá)到提升傳輸速率的目的，但會(huì)造成電磁波的環(huán)境污染、可持續(xù)性差等一系列問題。因此，目前主要使用的方法是高階調(diào)制技術(shù)和多天線技術(shù)，在保障傳輸可靠性的同時(shí)也大大提高了信道容量。

2 ? ?天線與增益

天線是無線信號(hào)傳輸?shù)钠鹬裹c(diǎn)，是有線與無線信號(hào)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。通過饋線鏈接至信源發(fā)射機(jī)。數(shù)據(jù)經(jīng)由天線以電磁波形式輻射到空中，電磁波傳輸?shù)浇邮斩撕?，由接收端天線接收，再通過饋線傳送到接收機(jī)。

天線可以把電流波轉(zhuǎn)換成電磁波，并且在轉(zhuǎn)換過程中可以對(duì)發(fā)射和接收的信號(hào)進(jìn)行“變化”，這種能量的變化稱為“增益”，單位用“ dbi ”表示。由于電磁波的能量是由發(fā)射機(jī)和天線共同產(chǎn)生，因而度量通常采用增益（dbi）來表示。例如，發(fā)射設(shè)備的功率為100 MW或20 dBm，天線增益為5 dbi，則發(fā)射總能量=20 dBm+5 dbi=25 dBm。

3 ? ?多輸入多輸出技術(shù)

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是利用在發(fā)射端和接收端均采用多根天線進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收。采用分離式多天線，能夠有效地在發(fā)送接收端形成多個(gè)并行子信道，從而給上下行通信提升了容量。且MIMO技術(shù)使得容量增加和天線使用數(shù)量呈線性關(guān)系。

目前，MIMO技術(shù)主要應(yīng)用在3GPP UMTS系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)，WLAN，WIMAX等主流網(wǎng)絡(luò)中。

4 ? ?SOHO路由器信號(hào)的覆蓋

覆蓋范圍，即從天線發(fā)射出來的電磁波能夠傳輸?shù)姆秶?，或無線終端可以接收到電磁波的區(qū)域。在覆蓋范圍內(nèi)正常使用網(wǎng)絡(luò)，同樣需要保證信號(hào)處于一定的強(qiáng)度范圍。以正常通信要求的最低信號(hào)強(qiáng)度-65 dBm為例，以我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求，小型辦公室或家庭式辦公室（Small Office or Home Office，SOHO）路由器的最高發(fā)射功率為100 MW，那么，發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度為：Pt=10lg100=20 dBm。

信號(hào)衰減為：A=32.45+20lgf+20lgd=32.45+20lg2 400+ 20lgd=100.05+20lgd（f為信號(hào)頻率，d為視距距離）。

要達(dá)到可靠通信，且保障速率達(dá)到36 M以上，因此接收端的信號(hào)強(qiáng)度就要求大于-65 dBm，即可獲得傳輸視距d為： -65 dBm=20 dBm—A=20 dBm—（100.05+20lgd）得出d=178 m，由于環(huán)境干擾及設(shè)備自身?yè)p耗約5 dBm，那么真正覆蓋視距就約等于100 m，即為各大SOHO路由器廠家標(biāo)稱的覆蓋范圍[1]。

5 ? ?SOHO路由器覆蓋范圍測(cè)試

5.1 ?SOHO路由器無障礙覆蓋

為了檢測(cè)在無障礙的自由空間中SOHO路由器的覆蓋能力，本次測(cè)試采用了在空曠的平地上且干擾相同、功率相同、天線數(shù)量不同的各廠家路由器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試信號(hào)SSID統(tǒng)一設(shè)定為GC_P，為了保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別對(duì)10個(gè)不同距離點(diǎn)分別測(cè)試10組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如圖1—4所示。

從測(cè)試環(huán)境及測(cè)試結(jié)果可知，在自由空間信號(hào)覆蓋中，相同距離處的信號(hào)強(qiáng)度隨天線數(shù)量的增加而有所增強(qiáng)。但是均達(dá)到可靠通信的范圍。

5.2 ?SOHO路由器有障礙覆蓋

無論是小型辦公環(huán)境還是家庭環(huán)境，都面臨多個(gè)障礙物的遮擋而使得覆蓋距離大大縮短，而本次測(cè)試環(huán)境主要為墻壁和門窗的遮擋，根據(jù)惠更斯菲涅爾原理及遮擋損耗計(jì)算，與本次測(cè)試結(jié)果基本相同，具體數(shù)據(jù)如圖5—6所示。

測(cè)試環(huán)境的干擾源與圖1一致，每房間面積為20 m2，均為前門后窗戶布局。從測(cè)試結(jié)果來看，不論是多少根天線，信號(hào)的衰減程度基本一致，且通過第二面墻壁后信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)很弱，只能勉強(qiáng)接入網(wǎng)絡(luò)。

5.3 ?SOHO路由器高低功率覆蓋

由于世界各國(guó)對(duì)電池輻射要求不同。因而，在不同國(guó)家信號(hào)發(fā)射的功率有所不同，以我國(guó)為例，短距離無線通信的最高功率要求為100 MW，而不同廠家生產(chǎn)的無線路由器功率也有所不同，因此，本次測(cè)試同樣在干擾源相同，如圖3所示的空曠環(huán)境下，分別對(duì)高低功率（100 MW，25 MW）進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

從理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，信源發(fā)射功率越高，相同距離處的信號(hào)強(qiáng)度也就越高，傳輸帶寬越大，數(shù)據(jù)傳輸速率就越高，覆蓋范圍也相對(duì)較大。

6 ? ?結(jié)語

在小型家居、小型辦公環(huán)境下，無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性取決于調(diào)制及編碼技術(shù)的改進(jìn)，信源的發(fā)射功率，MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以及周圍環(huán)境因素等，而單純的增加天線數(shù)量是無法實(shí)現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的。因此，設(shè)計(jì)和部署無線網(wǎng)絡(luò)需要綜合考慮各方面因素，才能發(fā)揮無線網(wǎng)絡(luò)的最大價(jià)值，也是經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的體現(xiàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王佳堯.綜述抗衰落技術(shù)在TD-LTE移動(dòng)通信中的應(yīng)用[J].電腦迷，2018（5）：30-32.