一、頻段和信道

Wi-Fi通過發射無線電進行傳輸，而無線電的一個重要特性是頻率。

• 頻段：一個大的頻率范圍，如Wi-Fi工作在2.4GHz、5GHz、6GHz，其并不是一個值，而是一個范圍
• 信道：在每個頻段中劃分小的頻率范圍，規定無線設備在某個頻段內進行通信的具體頻率范圍

1、2.4GHz 頻段

2.4GHz頻段穿透力強，覆蓋范圍廣，但容易受到其他設備的干擾，支持802.11b/g/n/ax/be Wi-Fi協議。

• 中心頻率范圍為2.412GHz-2.454GHz，共83.5M帶寬，通常劃分出14個相互交疊的信道。
• 每個子信道的帶寬為20MHz（802.11b使用的信道頻寬是 22MHz），相鄰信道的中心點的頻率間隔5MHz （除了14信道）
• 相鄰的多個信道會存在頻率重疊
  • 帶寬為22MHz的情況下，1信道與2、3、4、5信道都有頻率重疊，存在三個信道之間互不重疊（1、6、11）、（2、7、12）、（3、8、13）
  • 帶寬為20MHz的情況下，則可以認為（1、5、9、13）為不重疊信道
• 不同國家可以使用的信道不同，中國使用1-13信道，美國可用11個信道（1-11），各個國家出于安全等等各方面考慮，開放的信道并不一致。要參考國家碼和信道協商表

業內一般都使用（1、6、11）這個子信道組合，因為考慮到不同國家所使用的信道不同，而1-11信道被大多數國家所支持，因此把設備的自動信道設為1-6-11這三個信道，是即安全、又普遍且皆大歡喜的作法。

2、5GHz 頻段

5GHz頻段提供更快的數據傳輸速度和更少的干擾，但覆蓋范圍較小，支持802.11a/n/ac/ax/be Wi-Fi協議

• 中心頻率為5150MHz - 5825MHz，并劃分了4 個 UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) 子頻段
• 劃分了201個信道，但能夠被Wi-Fi協議所用的信道卻很少
  • 5G的頻率很特殊，有關國家安全，與軍用雷達頻段重合，很多國家基于國家安全考慮，對5G頻段持保留態度
• 4個子頻段的帶寬分別為20MHz、40MHz、80MHz和160MHz，更大帶寬的子頻道由小帶寬合成而來
  • 20 MHz 信道：是最常用的信道帶寬，適合在設備較多的環境中使用，以避免干擾
  • 40 MHz 信道：通過聚合兩個相鄰的 20 MHz 信道，提供更高的吞吐量，但更容易受到干擾
  • 80 MHz 和 160 MHz 信道：適用于對吞吐量要求極高的應用(如 4K 流媒體、高清視頻會議)，但在實際使用中較少，因為它們占用了更多的頻譜資源
• 在中國，只有36, 40, 44, 48, 52, 56, 60, 64, 149, 153, 157, 161, 165這13個信道可以供5G的wifi網絡使用
  • 13個頻段是非重疊的
  • UNII-2 Extended(5470-5725 MHz) 的所有信道在中國都不能使用
  • UNII-3 的 5 個信道可以在所有場景使用
  • UNII-1 和 UNII-2 僅限室內使用

3、6GHz 頻段

WiFi6 和 WiFi7 中會使用到一些 6GHz 的信道，但是目前我國還沒有開放 6GHz 信道的使用

• 頻段范圍從 5925MHz 擴展到 7125MHz，共計 1200MHz 帶寬
  • 可以通過信道綁定成 3 個 320MHz 信道、7 個 160MHz 信道、14 個 80MHz 信道或者是 29 個40MHz 信道
  • 不綁定直接使用，則提供了 59 個 20MHz 信道

二、傳播與損耗

1、信號強度

• 發射功率：發射端發送的電磁波的能量，通常有兩種衡量單位，功率（W）和分貝毫瓦（dBm）。發射功率越大，傳輸距離越遠
• 接收靈敏度：接收端能識別到的最低的電磁波能量，衡量單位是分貝毫瓦（dBm）。靈敏度值越小，靈敏度越高，傳輸距離越遠
• 信號強度：RSSI(Received Signal Strength Indication)，信號強度的指示值，通常有兩種衡量單位，功率（W）和分貝毫瓦（dBm）
  • WIFi信號的能量通常為毫瓦（mW）級，因此業界將WiFi信號大小表示為1mW的強度比，用dBm表示
  • mW與dBm轉換關系是x=10*log(y/1mW)，其中x的單位是dBm，y的單位是mW
    • 0dBm = 1mW，30dBm = 1000mW
  • RSSI值我們通常看到的都是負值，是使用dBm做的單位，此時越接近0越強
  • 通常我們認為-70dBm以上為理想的信號強度，-70dBm~-80dBm為中等信號強度，小于-80dBm為弱信號
• 信噪比：SNR（Signal to noise Ratio）指的是系統中信號與噪聲的比值
  • 計算公式：SNR = 10log(Ps/Pn)
    • Ps指信號的有效功率
    • Pn指噪聲的有效功率
  • SNR越大，通信質量越高，說明信號中攜帶的噪聲信號越小，從而對信號傳輸的影響越小
  • 在無線局域網中，信噪比應高于30dB，用戶的上網體驗才能不受影響。
  • 可通過增大設備能量來提高信噪比，如提高天線增益和降低接收機等效噪聲溫度
• 信干噪比：SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）指的是系統中信號與干擾和噪聲之和的比。
  • 計算公式：SINR=10log[Ps/(Pi+Pn)]
    • SINR指信干噪比，單位是dB；
    • Ps指信號的有效功率；
    • Pi指干擾信號的有效功率；
    • Pn指噪聲的有效功率
  • SINR越大，通信質量越高，說明信號中攜帶的噪聲和干擾信號越小，從而對信號傳輸影響越小。
  • 可通過減少干擾和增大設備能力來提供信干噪比，如可以選擇干擾較少的信道以減小其他信號的干擾，提高天線增加和降低接收機等效噪聲溫度。

2、信號衰減

信號衰減損耗包含自由空間的損耗和穿透障礙物的損耗。

2.1 自由空間損耗

電磁波在自由空間中傳播時固有的能量擴散

• 基本模型：信號以球形向四周擴散，隨著傳播距離的增加，能量分布的面積越來越大，導致單位面積上的信號強度自然下降。
• 特點：距離是最大的影響因素。信號強度與距離的平方成反比（≈距離2）。距離增加一倍，信號強度減弱到原來的四分之一。
• 高頻信號（如5GHz）比低頻信號（如2.4GHz）的路徑損耗更大。

自由空間路徑損耗(FSPL)公式表示為：

其中L0為自由空間的損耗，F為無線電波的頻率（以MHz為單位），D為發射器與接收器之間的距離（以KM為單位）

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

2.2 穿透障礙物損耗

當信號遇到障礙物時，會發生穿透、反射、衍射和散射，這些過程都會導致信號能量損失

• 墻體與建筑材料：
  • 承重墻/鋼筋混凝土墻：損耗極大。容易形成法拉第籠效應，極大地屏蔽信號。一堵承重墻可能使信號衰減高達20-30dB
  • 磚墻/石膏板墻：損耗中等，是家庭中常見的隔斷
  • 玻璃：普通玻璃有一定損耗，但較小。而金屬鍍膜的隔熱玻璃（Low-E玻璃）對信號屏蔽非常嚴重
  • 門窗：木門損耗較小，金屬門則會嚴重阻擋信號
  • 地板/天花板：信號需要穿透樓層時損耗巨大，是復式或別墅戶型信號覆蓋的主要挑戰
• 金屬物體：文件柜、冰箱、鏡子（有金屬鍍層）、防盜網等大型金屬物體
• 水：人體、魚缸、水管等，大型水體會顯著減弱信號

2.3 傳播干擾

WLAN的信號干擾有WLAN干擾和非WLAN干擾源，而Wi-Fi干擾有同頻干擾和鄰頻干擾。

• 同頻干擾指工作在相同信道的WLAN設備間的相互干擾，空口是所有WLAN設備的公共傳輸媒介，兩個AP之間將根據CSMA/CA原則，進行互相退避，導致性能大大降低
• WLAN鄰頻干擾指工作在不同信道的WLAN設備間的干擾，中心頻率不同的WLAN設備之間的發射頻寬如果有重疊部分，也會產生相互影響。

參考

• 3. WiFi基本原理
• WiFi基礎(二)：最新WiFi信道、無線OSI模型與802.11b/g/n
• WiFi基礎知識