无线知识误区！解释天线数量和信号强度之间的关系

天线越多路线越好？

“天线越多，覆盖范围越广。天线越多，信号越强。简而言之，天线越多，路线越好。”——有“常识”的朋友可以继续看课文。给你解释一下天线数量和信号强度的关系！

首先我们也要注意，老一代无线路由器肯定不会有一根以上的天线。这里的“老一代”指的是802.11n协议之前的802.11a/b/g路由，老的54M产品只有一根天线。在这种情况下，802.11n显然成了分水岭，从此不再只有一根天线(1t1r的150M是个例外)。这是怎么回事？这里我们要提到的是11n协议之后才应用的多天线技术，也是无线通信领域非常重要的技术，—— MIMO(multi-Input multi-Output)。

先举个例子。有人说，为什么我买了最新的3根天线支持802.11ac协议的无线路由器，信号强度、覆盖甚至速度都没有起来？天线不够？我告诉你，300没用。检查您使用的接收终端是否支持交流协议。比如你用的iPhone 3，这款手机只能支持11a/b/g，连11n都支持不了，所以就算去掉再加几个天线也没用。怎么解决？加交流网卡或者换终端都没用，总之加天线没用。

为什么这么说？首先Wi-Fi应用的环境是室内，我们常用的802.11系列协议也是针对这种情况建立的。由于发射端和接收端之间存在各种障碍，在发送和接收时几乎没有直接信号的可能。然后呢？这种方法称为多径传输，也称为多径效应。多径，字面上也很容易理解，就是增加传输通道。

那么问题就来了，由于是多径，传输距离有长有短，有的可能从表中反射，有的可能穿墙，这些携带相同信息但相位不同的信号最终会汇聚到接收机。现代通信使用存储转发分组交换，也称为分组交换，它传输符号。由于障碍物造成的传输时延不同，造成符号间干扰(ISI)。为了避免码间干扰，通信带宽必须小于可容忍延迟的倒数。

对于802.11a/b/g 20MHz的带宽，最大时延为50ns，多径条件下无ISI的传输半径为15m。在IEEE802.11协议中，我们可以看到这个值的最大范围是35m，这意味着协议中有错误重传等各种手段来保证通信，并不意味着稍微有一点ISI就完全不能工作。这样你会发现，对于802.11a/b/g协议来说，安装更多的天线没有任何意义。假设这些天线可以同时工作，会使多径效应更差。

总之，无线路由器的传输范围是由这个IEEE802.11协议决定的，而不是单纯看天线。

总结

话虽如此，单天线走线、双天线走线、三线四线走线甚至更多有什么区别吗？可以，但对实际使用过程影响不大，包括信号覆盖和信号强度。天线越来越快更是无稽之谈。除了罕见的单天线，剩下的“多天线”只是实现MIMO技术的“媒介”或“工具”。区别在于使用的架构不同：常见的双天线产品主要使用1T2R或2T2R，而三天线产品使用2T3R或3T3R。

理论上，增加天线的数量会减少信号覆盖的盲点，但我们通过大量的评估已经证实，这种差异在普通的家庭环境中是完全可以忽略的。而且，就像内置天线不比外置天线差一样，三个天线覆盖不如两个天线覆盖的情况绝不是个案。归根结底，产品质量也是一个重要因素。至于信号强度和“穿墙”，就看发射功率了。工信部已经规定不高于20dBm(即100mW)，“天线越多信号越强”。最后的结论是，只要路由采用有效的MIMO技术，就不需要关心天线的数量。

在下一页，我们将了解更多关于MIMO技术的神奇之处。

MIMO技术

在各种百科全书中搜索IEEE802.11条目，我们可以看到，自802.11n以来，数据传输速率或承载的数据量都有了很大的提高。首先，802.11n有40MHz模式。但是，按照之前的理论，它的传输范围应该缩小一半，但实际上，数据已经翻了一番(70m)。发生了什么事？

这将受益于多输入多输出技术。我们刚才讨论的所有手段都是为了对抗恶劣的多径环境，但是多径有什么好的一面吗？实际上，MIMO也是基于多径的，我们称之为空间分集。多天线的应用有很多技术手段。这里简单介绍两种：波束形成和空时分组码(主要是Alamouti的scode)。这两种技术的优点是不需要多个接收天线。尤其是Alamouti码，在没有偶数信道信息的情况下，只用数学运算就可以实现双天线3dB增益。

　　而不需要多个接收天线的优点在于并不是所有设备都能装上多天线。为了避免旁瓣辐射(天线方向图上，最大辐射波束叫做主瓣，主瓣旁边的小波束叫做旁瓣)，满足空间上的采样定理，一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距。无论是GSM信号1.8GHz，1.9GHz还是Wi-Fi信号的2.4GHz，我们暂取2GHz便于计算，半波长为7.5cm。所以，我们看到的路由器上天线的距离大多如此，也正是因此，我们很难在手机上安装多个天线。

　　波束成型(Beamforming)：借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在想要传输的方向，增加信号传输品质，并减少与其他用户间的干扰。我们可以简单笼统地这样理解天线的指向性：假设全指向性天线功率为1，范围只有180度的指向性天线功率可以达到2。于是我们可以用4根90度的天线在理论上提高4倍的功率。波束成型的另外一种模式是通过信道估算接收端的方位，然后有指向性的针对该点发射，提高发射功率(类似于聚光的手电筒，范围越小，光越亮)。智能天线技术的前身就是波束成型。

　　空时分组码(Space-Time Block Code，即STBC)：在多天线上的不同时刻发送不同信息来提高数据可靠性。Alamouti码是空时分组码里最简单的一种。为了传输d1d2两个码，在两根天线1,2上分别发送d1,-d2*和d2,d1*。由于多径，我们假设两根天线的信道分别为h1h2，于是第一时刻接收端收到的信息r1=d1h1+d2h2，之后接收的信息r2=-d2*h1+d1*h2。接收到的这个2维方阵只要乘以信道，就可得到d1d2的信息了。看不懂没关系，总之呢就是Alamouti找到一组正交的码率为2×2矩阵，用这种方式在两根天线上发射可以互不影响;可以用一根天线接收，经过数学运算以后得到发射信息的方法。

　　其他的MIMO呢，在概念上可能比较好理解，比如2个发射天线t1t2分别对两个接收天线r1r2发射，那么相当于两拨人同时干活，速度提升2倍等等。但是实际实现起来一方面在硬件上需要多个接收天线，另一方面需要信道估计等通信算法，那都是非常复杂，并且耗时耗硬件的计算了。

　　讲上面两种技术实际上是MISO(Multiple-Input Single-Output)的方法，也是想从另外一个方面证明，天线多了不代表他们能一起干活。100年前人们就知道天线越多越好越大越好了，但是天才的Alamouti码1998年才被提出来多天线技术的802.11n协议2009年才开始应用。

　　20年前，人们用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交频分复用，多载波调制的一种技术)对抗由于城市间或室内障碍太多造成的多径衰落，而如今我们已经开始利用多径来提高通信质量。这是技术上突飞猛进的发展，而不是简单的“想当然”就可以实现的。

写在最后

　　MIMO本身就是一个时变的、不平稳的多入多出系统。关于MIMO的研究，是一个世界性课题，留下的疑问还有很多，同样的问题学术上甚至也会出现不同的说法。不过，对于一般消费者大可不必深究，认清了开头我们讲的“误区”，知道路由天线是个“工具”，普通家庭双天线足以，选购时看清产品规格，不要被商家误导。