WiFi穿牆完全指南
1. WiFi穿牆之“天問”
自從WiFi成為繼水和電之外的第三大基礎需求以來，蜉蝣君經常被問到一個經典問題：
我的路由器有這麼多根天線，號稱大功率穿牆王，看起來牛逼閃閃，咋才走了幾步就沒訊號了呢?
WiFi穿牆之“天問”
更有甚者，如上圖這位MM，更是問出瞭如此讓人瞠目結舌的問題：號稱450米的路由器，咋才過了不到10米，穿了兩堵牆就沒訊號了?
蜉蝣君把該MM發來的盒子圖片放大一看，上面赫然寫著450M!!!能把“M”想象成“米”，這得對良好的WiFi訊號覆蓋有多渴望?
450M無線路由器
其實這裡的M並不是米的意思，而是指Mbps，又稱兆位元每秒，說的是這款路由器的最大下載速率可以達到450Mbps，跟覆蓋的距離和穿牆能力一毛錢關係都沒有。
下面我們就來聊聊WiFi版本和速率，如何穿牆以及怎樣設計自家的無線網路這一系列的問題。希望看完之後，你會對WiFi穿牆這個問題能夠了然於胸，並能對家庭WiFi組網方案能略知一二。
2. WiFi的協議和頻譜
首先來說WiFi的協議及頻譜的問題。
自從WiFi標準被IEEE(電氣和電子工程師協會)在提出以來，經過了20年的蓬勃發展，一步一個腳印，出了一個又一個協議版本，從802.11n開始，下載速率有了質的飛越。
WiFi各協議版本
WiFi的工作頻段和通道：
從上表可以看出，WiFi有兩個工作頻段：2.4G和5G。這兩個頻段都是非授權頻段，只要符合國家法規，不經授權就可使用。也就是說在家裡裝個無線路由器是不需要任何人批准的。
頻譜之問
(1) 2.4G頻段：
2.4G頻譜的範圍是2.4GHz～2.4835GHz，共有83.5M頻寬，劃分為13個通道，每個通道寬20M。
可是，20M乘以13等於260M啊，這13個通道共需要260M頻寬，而2.4G頻譜只有83.5M，這怎麼放得下?
答案就跟上公交車一樣：“擠一擠，往後挪一挪，趕緊再上一個!”人多車小，為了共同的出行需求，個人空間就別想了，被踩到腳更是在所難免。
從下圖可以看出，2.4G頻譜的這13個通道緊密地交疊在一起，干擾是不可避免的。注意，途中的第14通道在國內是不允許使用的。
2.4G頻譜及通道
通道交疊到什麼程度呢?由下圖可以比較直觀地看出，在這些信道里面，只有1，6，11或者2，7，12，或者3，8，13這三組是完全沒有交疊的，可見2.4GHz頻段的擁堵程度。就好比一條很窄的路，上面同行的車卻很多，堵車頻頻，勢必造成通行速度的下降。
2.4G不交疊的通道分佈
到了802.11n，使用者可以使用40M的通道，但2.4GHz頻段依然只有83.5M的總頻寬，就只能容納兩個通道了。因此只有在夜深人靜網路空閒的時候，單個使用者才有可能使用40M通道，加之來自隔壁老王家的干擾，802.11n的高速率很大程度上難以達到。
2.4G 40M頻寬通道
(2) 5G頻段：
既然2.4G頻段如此地擁擠不堪，IEEE那些制定WiFi標準的專家們早就在另一個非授權頻段：5G上另覓康莊大道了。
802.11n雖說是可以工作在5GHz上的，但這個協議版本畢竟老舊，還有一大票不支援5G的手機電視電腦需要被伺候，因此實際產品還都用於2.4GHz，5GHz的優勢由更年輕的802.11ac來體現。
5G頻譜的範圍是4.910GHz～5.875GHz，有900多M的頻寬，是2.4G的10倍還多!正是因為這段頻譜很寬，內部還會劃分成幾個子頻段，有的還沒分配，有的作為其他用途，連4G LTE都要過來咬上一口。
這段頻譜不同國家之間的使用情況差別也很大，中國可以使用的部分如下圖所示。
中國可用的5G頻譜
下圖是蜉蝣君根據這張表繪製的中國的5GHz可用通道的分佈情況，支援802.11ac的路由器和手機可以在把這些可用的通道自由組合，使用20M、40M、80M甚至160M頻寬的通道，通道多，頻寬大，干擾小，讓峰值下載速度快得飛起。
中國5G通道分佈圖
3. WiFi的速率估算
WiFi工作在2.4G和5G分別能達到多大的峰值下載速率?
2.4G頻段我們採用802.11n來估算，這個版本也是支援2.4G的最新的協議版本;5G頻段我們採用最新的802.11ac來估算，這個協議版本只支援5G。
802.11n引入了幾個特點：
- 支援MIMO，也就是可以使用最多4個天線來收發送資料，下載速率成倍提升。因此看到現在市場有上多個天線的路由器，至少支援802.11n無疑。
- 在支援標準的20M頻寬通道的基礎之上，新增了雙倍頻寬，也就是40M。單使用者理論峰值下載速率又得到了成倍提升!
因此，要估算802.11n最大下載速率，很簡單，數天線的個數!一個天線加上40M通道最大能達到150Mbps的速率，兩個天線自然就是300Mbps，以此類推，4個天線可達600Mbps!
而802.11ac又在下面幾點上進行了增強：
- MIMO增強：最多可以使用8個天線來收發送資料，速率倍增!
- 通道擴寬：支援80MHz頻寬通道，最大可支援160M頻寬通道，速率倍倍增!
- 高階調製：支援256QAM，速率再增30%!
在這3點的加成之下，802.11ac單天線可達433Mbps，兩天線可達867Mbps，三天線可達1.3Gbps，4天線可達1.7Gbps!以此類推，8天線3.4Gbps!
這只是理論上的推算，實際上支援802.11ac的路由器的天線個數都在4根以內。
4. 雙頻路由器的誕生
“雙頻路由器”的橫空出世又是為何?
既然5G加802.11ac這麼好，那是不是以後的路由器和手機就都可以不支援2.4GHz了呢?單靠5Ghz和802.11ac能否打下一片全新的天地呢?
顯而易見的一個原因是因為相容性。幾年前大量的手機、電腦、電視只支援2.4GHz，為了讓這些老裝置不至於沒法上網，對於2.4GHz的支援的必須的。
另一個原因是覆蓋。2.4G的頻率低波長大，訊號損耗小，穿透能力強，在覆蓋上和5G相比具有一定優勢。這個問題我們後面再詳談。
2.4G的穿透能力強於5G
尺有所短，寸有所長。既如此，何不2.4G和5G雙頻合璧?平地一聲雷，雙頻路由器橫空出世。
雙頻路由器
因為2.4G和5G的訊號指標差別較大，一般情況下2.4G和5G的天線是獨立的，如上圖一樣錯開分佈，讓相同頻段的天線之間相隔地儘可能遠，保障效能最優。
要估算雙頻路由器支援的最大下載速率，方法依舊是數天線，不同之處是2.4G和5G的速率要分開計算，然後再加起來就可以了。其實，高速率這樣的核心賣點，路由器廠家肯定是要赫然印在包裝盒上並大肆宣傳的，商家早都替我們算好了。
雙頻路由器的速率
頻段和速率鋪墊完畢，終於到和穿牆有關的部分：WiFi的訊號強度和損耗了。
5. 為啥WiFi訊號的總是這麼差?
首先我們來看看WiFi訊號在傳播中遇到障礙物之後的反應：
- 折射：WiFi訊號經過玻璃或水的時候，訊號路徑發生偏折，我們和路由器都在空氣中，因此折射的影響可以忽略。
- 反射：WiFi訊號經過光滑的物體表面時，訊號會發生反射，和光的反射類似。
- 繞射：WiFi訊號經過水泥牆體，因難以穿越，部分訊號會向旁邊散開，等遇到一個可以穿過的區域再繼續向本來的方向繼續直線傳播。
- 漫射：WiFi訊號遇到水泥牆，因為直線線路受阻，部分訊號會散開，沿著牆壁上下左右繼續延伸出去。
- 穿透：WiFi訊號的能量一部分被障礙物吸收，剩餘能量的透過障礙物繼續傳播。
室內WiFi訊號傳播模型
一般情況下，在室內環境下，我們手機接收到的WiFi訊號主要是反射、繞射、漫射和穿透這四種效應的疊加。後三種效應都和訊號的頻率關係很大，頻率越高繞射和穿透的能力越差。
不管是2.4G還是5G頻段，在無線通訊裡都屬於較高的頻段了，雖說2.4G繞射和穿透能力要比5G強一些，但畢竟是矮子裡挑高個——也高不到那裡去。
我們來看看2.4G訊號穿牆之後損耗的經驗值：
2.4G頻段穿透損耗
在射頻世界裡，一般用dB這個單位來表示訊號變化的情況。我們只需要瞭解以下幾個關係，就能對這些資料有一個直觀的瞭解：
- 降低3dB是指訊號強度降低到原先的1/2(二分之一)。
- 降低10dB是指訊號強度降低到原先的1/10(十分之一)。
- 降低30dB是指訊號強度降低到原先的1/1000(千分之一)。
結合上表可以得出下面的結論：
- 木頭，玻璃這些障礙物對於WiFi訊號的阻擋作用不強，只會帶來一半左右的訊號衰減;
- 磚牆，水泥牆這些障礙物堪稱WiFi訊號殺手，穿透的訊號動輒衰減為原先的千分之一;
- 電梯這類金屬障礙物簡直就是WiFi訊號的噩夢，輕輕鬆鬆衰減到原先的萬分之一!
WiFi訊號差
真是讓人絕望啊，這可咋辦呢?
(1) 有沒有所謂“大功率路由器?”
機智的你肯定很快就想到了，想要訊號好穿牆能力強，增大發射功率啊!沒有什麼不是增大功率不能解決的，如果有，那就再增大一倍!
但是在WiFi訊號這裡，增大發射功率還真不行。
因為無線路由器的發射功率是有國家規定的：最大100mW，也就是0.1W。不符合這個要求的產品是不能上市的，工信部也是為了我們的身體健康著想啊。所以，想通過增強發射功率來提升WiFi訊號這條路是走不通的。
(2) “高增益天線”是否可行?
既然發射功率有限制，那如果路由器用的高增益天線到話，不是能量發射會更集中，從而覆蓋地更遠嗎?
理論上來說是這樣。但增益高能量集中的代價就是波束變窄，WiFi訊號的覆蓋會不均勻，有的方向訊號強，有的方向訊號弱。如果有多個人在不同位置同時使用的話，對覆蓋的評價會褒貶不一。
天線增益及輻射方向圖
而且，一般的路由器天線增益也就9dBi，面對動輒就幾十dB的穿透損耗來說也是杯水車薪。
6. 我該怎麼提升WiFi訊號?
這也不行那些不行，那該到底咋樣才能提升WiFi訊號呢?
(1) 場景1
“我就一臺路由器，既想讓WiFi訊號變好，又一分錢都不想花，該怎麼辦?”
方法一：路由器擺放位置優化
既然所謂的“穿牆王”，“單臺穿三牆”這種神器統統不存在，單臺路由器不可避免的無法完全覆蓋任意角落。
如果想要最低成本地解決問題，請記住下面這幾條法則：
- 傳播距離越簡訊號越好，所以儘量把路由器放在房子的中央!
- 木門，玻璃門等對訊號的衰減小，儘量讓路由器多走門，少穿牆!
- 弱電箱的位置一般都在門口，四周面板也會遮蔽無線訊號，所以儘量不要把無線路由器放在弱電箱裡!
- 把路由器擺在高一些，開闊一下的地方，避開冰箱、洗衣機、各種傢俱等障礙物!
下面是作業：請看這張圖，位置一和位置二哪個好?
路由器擺放位置差異對訊號的影響
再請看這張圖，位置一和位置二哪個好?
路由器擺放高度對訊號的影響
相信這兩道題的答案是不言而喻的。
方法二：調整合理的天線角度
一般的家用路由器都使用全向天線，全向天線的無線訊號分佈類似被水平壓扁的輪胎，所以無線訊號在與天線垂直的方向上覆蓋效果最好。如下圖所示：
全向天線輻射方向圖
所以，還乖乖把無線路由器的天線調整到與地面垂直，直戳戳地對著房頂就好，別掰成各種亂七八糟的角度了，直戳戳地對著你的方向恰好訊號最弱!
路由器的天線角度調節建議
方法三：避免環境干擾
1、儘量使用雙頻路由器，能使用5G頻段儘量使用5G!如前文所示，2.4G頻段是非常擁堵的，自然受到的干擾也更多。而5G頻段相對來說就要乾淨地多。雖然有時候看起來5G的訊號比2.4G少上一兩格，但說不定速度更快!
2、把路由器儘量放得離微波爐、藍芽裝置、無線滑鼠鍵盤等裝置遠一些!這些玩意都在2.4G上工作，造成干擾指數增加!
3、更改路由器的通道配置!前面已經說過，2.4G頻段上只有3個獨立不交疊的通道，一般來說就是1，6和11。試著改改看，哪個通道好就用哪個。
修改2.4G通道設定
(2) 場景2
“為了上網爽快，我還是願意點花錢的，怎麼辦?”
這就必須要上升到家庭組網方案了!
方案一：使用無線擴充套件器擴充套件放大無線訊號
這是目前中小戶型WiFi訊號擴充套件的主流方案。哪裡訊號比較弱，就在這個位置就近的電源插座上插一個擴充套件器，不需要連線網線。這個功能就叫做訊號中繼，顧名思義，就是指訊號放大器接收主路由器的訊號，放大之後再發射出來，因此家裡的訊號還是同一個，手機、Pad會連線質量較好的訊號。
無線擴充套件器
適用環境：任意環境都適用。
方案二：使用無線路由器橋接擴大訊號
這個方案使用路由器的無線橋接功能，把多臺無線路由器通過無線方式連起來，路由器之間也不需要網線連線。
通過無線橋接後，WiFi信合實現了接力，起到放大作用。當然，副路由器一般來說四個網路口，可以用來接有線電腦，這也是這個方案的優勢之一。
兩個路由器橋接
那麼方案二和方案一還有什麼不同呢?那就是橋接的這兩個路由器實際上還是獨立工作的，可以設定不同的WiFi名稱和密碼。
適用環境：手頭已有多臺無線路由器、想要在副路由器接有線裝置。
方案三：使用網線把兩臺(或者多臺)路由器連線起來
使用網線將多個路由器連線起來，其中連線寬頻的路由器作為主路由器，其他的作為副路由器。主副路由器之間通過各自的LAN口連線起來，此時副路由器相當於無線交換機。
通過配置，可以實現整個網路只有一個無線訊號，實現自動漫遊。
有線連線多個路由器
這個方案要求各個路由器之間通過網線連線起來，最大的優勢就是穩定性好，路由器之間沒有無線損耗，各個路由器的速率都很高，但也有一個明顯的限制條件，就是所有路由器之間必須通過網線連線。
適用環境：已經布好網線的環境。
方案四：使用HyFi套裝(子母路由器)組建全覆蓋無線網路
HyFi(全稱：Hybrid Wi-Fi)也叫電力貓，是指同一產品同時採用“有線”和“無線”兩種技術，以房間內無處不在的“電線”為主幹，“無線”作為接入，使產品兼具有線的穩定可靠性和無線的移動便捷性。
TP-Link的HyFi套裝是由HyFi路由器和HyFi擴充套件器兩部分組成，兩者是通過家裡的電線傳輸資料的。配置好路由器後會將無線設定自動推送到擴充套件器，這樣就組成了只有一個訊號的無線網路。
HyFi套裝通過電線傳輸訊號
HyFi無線解決方案是具有方便快捷的特點，通過電線傳輸無需佈線，傳輸速度快、穩定性好。並且無線配置簡單，只需要配置好路由器，擴充套件器的訊號就會隨之同步改變。因此這個方案擴充套件性很好，可以根據實際需要配置多個擴充套件器，外觀也非常的大氣，美觀、簡潔。
華為的這個方案也叫子母路由器，和HyFi這個名稱相比來說更接地氣，本質都是路由器和電力貓的結合，可通過家裡的已布好的電線傳送訊號。
相比較前幾種，這個方案方案成本相對較大，需要替換之前的路由器。
適用環境：任意家庭環境。
方案五：使用AP/AC擴充套件無線訊號
如果你偏愛整潔的環境，不想看到插座上的線纜，更不想看到突兀的路由器天線，還要所有房間都覆蓋良好，那麼就使用AC加無線AP的方式組網咖，絕對如你所願。
- AP：無線訪問接入點(Access Point)說白了就是一個WiFi訊號收發器，相當於去掉了路由和管理功能的無線路由器。
- AC：無線控制器(Access Controller)就是用來集中化管理多個無線AP的，負責下發配置、修改相關配置引數、射頻智慧管理、接入安全控制等。
AC/AP管理網路
方案要求所有的AP(接入點)和AC(接入控制器)通過有線方式連線起來，由AC統一配置所有的無線AP，整個無線網路有統一的訊號，可以實現無線漫遊。
該方案選用的AP是可以嵌入到牆裡面的網線面板，由AC通過網線來供電，不需要外接電源，美觀大方，不佔空間。這一切的代價就是貴。
適用環境：大戶型，對覆蓋要求高，希望整潔，所有網路裝置都隱形。
至此，以上幾種常見方案介紹完畢，我們對各個方案進行對比：
各種組網方案對比
好了，絮叨了這麼多，關於WiFi穿牆的“道”和“術”都已經介紹完畢，希望各位在任意角落都能夠訊號滿滿。
技術男的難處