SOHO路由器多天线覆盖能力的差异研究

时间：2024-05-04

摘要：随着网络技术的发展，家庭和中小办公场所对无线网络的要求也越来越高，市面上的SOHO路由器五花八门，尤其是天线数量变得越来越多。文章从天线基本原理、MIMO技术、信号覆盖、发射功率、带宽等多方面进行综合分析，并对实际环境进行了多方位测试，阐述和验证了天线数量与信号强度及覆盖范围的关系。为今后学习和实际应用中的设备选型提供一定的参考价值。

关键词：家居办公;信号强度;功率;天线

1 无线路由器天线研究背景

作为当前最流行，也是成本最低的无线通信系统，通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS），WLAN占据了绝大部分市场。随着语音、视频及数据的大量应用，对传输速率及可靠性要求也变得越来越高。特别是对小型企业、家居等小环境而言，经济性和可靠性尤其显得重要。因而，各大网络设备厂家也是绞尽脑汁，在迎合市场需求的同时也要保障网络的稳定性。方法之一就是增加无线路由器天线的数量，由5年前的一根迅速增加到现在的8根，甚至有“穿墙王”的名词出现。从实现原理上来看，可以采用提高信源发射功率、中继信道的使用、桥接、增加天线数量等方法达到提升传输速率的目的，但会造成电磁波的环境污染、可持续性差等一系列问题。因此，目前主要使用的方法是高阶调制技术和多天线技术，在保障传输可靠性的同时也大大提高了信道容量。

2 天线与增益

天线是无线信号传输的起止点，是有线与无线信号的转换点。通过馈线链接至信源发射机。数据经由天线以电磁波形式辐射到空中，电磁波传输到接收端后，由接收端天线接收，再通过馈线传送到接收机。

天线可以把电流波转换成电磁波，并且在转换过程中可以对发射和接收的信号进行“变化”，这种能量的变化称为“增益”，单位用“ dbi ”表示。由于电磁波的能量是由发射机和天线共同产生，因而度量通常采用增益（dbi）来表示。例如，发射设备的功率为100 MW或20 dBm，天线增益为5 dbi，则发射总能量=20 dBm+5 dbi=25 dBm。

3 多输入多输出技术

多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是利用在发射端和接收端均采用多根天线进行信号的发送和接收。采用分离式多天线，能够有效地在发送接收端形成多个并行子信道，从而给上下行通信提升了容量。且MIMO技术使得容量增加和天線使用数量呈线性关系。

目前，MIMO技术主要应用在3GPP UMTS系统，LTE系统，WLAN，WIMAX等主流网络中。

4 SOHO路由器信号的覆盖

覆盖范围，即从天线发射出来的电磁波能够传输的范围，或无线终端可以接收到电磁波的区域。在覆盖范围内正常使用网络，同样需要保证信号处于一定的强度范围。以正常通信要求的最低信号强度-65 dBm为例，以我国标准要求，小型办公室或家庭式办公室（Small Office or Home Office，SOHO）路由器的最高发射功率为100 MW，那么，发射信号强度为：Pt=10lg100=20 dBm。

信号衰减为：A=32.45+20lgf+20lgd=32.45+20lg2 400+ 20lgd=100.05+20lgd（f为信号频率，d为视距距离）。

要达到可靠通信，且保障速率达到36 M以上，因此接收端的信号强度就要求大于-65 dBm，即可获得传输视距d为： -65 dBm=20 dBm—A=20 dBm—（100.05+20lgd）得出d=178 m，由于环境干扰及设备自身损耗约5 dBm，那么真正覆盖视距就约等于100 m，即为各大SOHO路由器厂家标称的覆盖范围[1]。

5 SOHO路由器覆盖范围测试

5.1 SOHO路由器无障碍覆盖

为了检测在无障碍的自由空间中SOHO路由器的覆盖能力，本次测试采用了在空旷的平地上且干扰相同、功率相同、天线数量不同的各厂家路由器进行测试，测试信号SSID统一设定为GC_P，为了保障数据的准确性，分别对10个不同距离点分别测试10组数据进行对比，具体数据如图1—4所示。

从测试环境及测试结果可知，在自由空间信号覆盖中，相同距离处的信号强度随天线数量的增加而有所增强。但是均达到可靠通信的范围。

5.2 SOHO路由器有障碍覆盖

无论是小型办公环境还是家庭环境，都面临多个障碍物的遮挡而使得覆盖距离大大缩短，而本次测试环境主要为墙壁和门窗的遮挡，根据惠更斯菲涅尔原理及遮挡损耗计算，与本次测试结果基本相同，具体数据如图5—6所示。

测试环境的干扰源与图1一致，每房间面积为20 m2，均为前门后窗户布局。从测试结果来看，不论是多少根天线，信号的衰减程度基本一致，且通过第二面墙壁后信号强度已经很弱，只能勉强接入网络。

5.3 SOHO路由器高低功率覆盖

由于世界各国对电池辐射要求不同。因而，在不同国家信号发射的功率有所不同，以我国为例，短距离无线通信的最高功率要求为100 MW，而不同厂家生产的无线路由器功率也有所不同，因此，本次测试同样在干扰源相同，如图3所示的空旷环境下，分别对高低功率（100 MW，25 MW）进行对比测试，结果如图7所示。

从理论计算及现场测试数据可以看出，信源发射功率越高，相同距离处的信号强度也就越高，传输带宽越大，数据传输速率就越高，覆盖范围也相对较大。

6 结语

在小型家居、小型办公环境下，无线网络信号的强度及网络的稳定性取决于调制及编码技术的改进，信源的发射功率，MIMO技术的实现以及周围环境因素等，而单纯的增加天线数量是无法实现提高网络可靠性的。因此，设计和部署无线网络需要综合考虑各方面因素，才能发挥无线网络的最大价值，也是经济性与实用性的体现。