SOHO路由器多天線覆蓋能力的差異研究

摘 ? 要：隨著網絡技術的發展，家庭和中小辦公場所對無線網絡的要求也越來越高，市面上的SOHO路由器五花八門，尤其是天線數量變得越來越多。文章從天線基本原理、MIMO技術、信號覆蓋、發射功率、帶寬等多方面進行綜合分析，并對實際環境進行了多方位測試，闡述和驗證了天線數量與信號強度及覆蓋范圍的關系。為今后學習和實際應用中的設備選型提供一定的參考價值。

關鍵詞：家居辦公;信號強度;功率;天線

1 ? ?無線路由器天線研究背景

作為當前最流行，也是成本最低的無線通信系統，通用移動通信系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS），WLAN占據了絕大部分市場。隨著語音、視頻及數據的大量應用，對傳輸速率及可靠性要求也變得越來越高。特別是對小型企業、家居等小環境而言，經濟性和可靠性尤其顯得重要。因而，各大網絡設備廠家也是絞盡腦汁，在迎合市場需求的同時也要保障網絡的穩定性。方法之一就是增加無線路由器天線的數量，由5年前的一根迅速增加到現在的8根，甚至有“穿墻王”的名詞出現。從實現原理上來看，可以采用提高信源發射功率、中繼信道的使用、橋接、增加天線數量等方法達到提升傳輸速率的目的，但會造成電磁波的環境污染、可持續性差等一系列問題。因此，目前主要使用的方法是高階調制技術和多天線技術，在保障傳輸可靠性的同時也大大提高了信道容量。

2 ? ?天線與增益

天線是無線信號傳輸的起止點，是有線與無線信號的轉換點。通過饋線鏈接至信源發射機。數據經由天線以電磁波形式輻射到空中，電磁波傳輸到接收端后，由接收端天線接收，再通過饋線傳送到接收機。

天線可以把電流波轉換成電磁波，并且在轉換過程中可以對發射和接收的信號進行“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射機和天線共同產生，因而度量通常采用增益（dbi）來表示。例如，發射設備的功率為100 MW或20 dBm，天線增益為5 dbi，則發射總能量=20 dBm+5 dbi=25 dBm。

3 ? ?多輸入多輸出技術

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

目前，MIMO技術主要應用在3GPP UMTS系統，LTE系統，WLAN，WIMAX等主流網絡中。

4 ? ?SOHO路由器信號的覆蓋

覆蓋范圍，即從天線發射出來的電磁波能夠傳輸的范圍，或無線終端可以接收到電磁波的區域。在覆蓋范圍內正常使用網絡，同樣需要保證信號處于一定的強度范圍。以正常通信要求的最低信號強度-65 dBm為例，以我國標準要求，小型辦公室或家庭式辦公室（Small Office or Home Office，SOHO）路由器的最高發射功率為100 MW，那么，發射信號強度為：Pt=10lg100=20 dBm。

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

要達到可靠通信，且保障速率達到36 M以上，因此接收端的信號強度就要求大于-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，由于環境干擾及設備自身損耗約5 dBm，那么真正覆蓋視距就約等于100 m，即為各大SOHO路由器廠家標稱的覆蓋范圍[1]。

5 ? ?SOHO路由器覆蓋范圍測試

5.1 ?SOHO路由器無障礙覆蓋

為了檢測在無障礙的自由空間中SOHO路由器的覆蓋能力，本次測試采用了在空曠的平地上且干擾相同、功率相同、天線數量不同的各廠家路由器進行測試，測試信號SSID統一設定為GC_P，為了保障數據的準確性，分別對10個不同距離點分別測試10組數據進行對比，具體數據如圖1—4所示。

從測試環境及測試結果可知，在自由空間信號覆蓋中，相同距離處的信號強度隨天線數量的增加而有所增強。但是均達到可靠通信的范圍。

5.2 ?SOHO路由器有障礙覆蓋

無論是小型辦公環境還是家庭環境，都面臨多個障礙物的遮擋而使得覆蓋距離大大縮短，而本次測試環境主要為墻壁和門窗的遮擋，根據惠更斯菲涅爾原理及遮擋損耗計算，與本次測試結果基本相同，具體數據如圖5—6所示。

測試環境的干擾源與圖1一致，每房間面積為20 m2，均為前門后窗戶布局。從測試結果來看，不論是多少根天線，信號的衰減程度基本一致，且通過第二面墻壁后信號強度已經很弱，只能勉強接入網絡。

5.3 ?SOHO路由器高低功率覆蓋

由于世界各國對電池輻射要求不同。因而，在不同國家信號發射的功率有所不同，以我國為例，短距離無線通信的最高功率要求為100 MW，而不同廠家生產的無線路由器功率也有所不同，因此，本次測試同樣在干擾源相同，如圖3所示的空曠環境下，分別對高低功率（100 MW，25 MW）進行對比測試，結果如圖7所示。

從理論計算及現場測試數據可以看出，信源發射功率越高，相同距離處的信號強度也就越高，傳輸帶寬越大，數據傳輸速率就越高，覆蓋范圍也相對較大。

6 ? ?結語

在小型家居、小型辦公環境下，無線網絡信號的強度及網絡的穩定性取決于調制及編碼技術的改進，信源的發射功率，MIMO技術的實現以及周圍環境因素等，而單純的增加天線數量是無法實現提高網絡可靠性的。因此，設計和部署無線網絡需要綜合考慮各方面因素，才能發揮無線網絡的最大價值，也是經濟性與實用性的體現。

[參考文獻]

[1]王佳堯.綜述抗衰落技術在TD-LTE移動通信中的應用[J].電腦迷，2018（5）：30-32.