【導(dǎo)讀】越來越多的智能設(shè)備使得我們對(duì)于無線路由器的依賴越來越大。無線路由器的外形也在發(fā)生著變化 ，從最初的一個(gè)天線，發(fā)展為現(xiàn)在的多天線。有的商家也在以此為噱頭進(jìn)行包裝，宣稱天線越多，信號(hào)越好，穿墻能力也越強(qiáng)。事實(shí)真的是這樣嗎？讓我們一起來認(rèn)真了解一下無線路由器天線的作用
老一代無線路由器的天線肯定不會(huì)超過一根，這里的“老一代”指的是802.11n協(xié)議以前的802.11a/b/g路由，老的54M產(chǎn)品就只有一根天線。這樣的話，802.11n顯然成了一條分水嶺，也是從那時(shí)開始天線不再只有孤零零的一根（1t1r的150M是個(gè)例外），那到底是怎么一回事？這里我們就要提到一項(xiàng)11n協(xié)議之后才得到具體應(yīng)用的多天線技術(shù)，也是無線通信領(lǐng)域一項(xiàng)非常重要的技術(shù)——MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）。
圖1，802.11 PHY標(biāo)準(zhǔn)一覽
先來看個(gè)例子，有人說，為什么我買了一個(gè)最新款的3天線支持802.11ac協(xié)議的無線路由器，結(jié)果信號(hào)強(qiáng)度、覆蓋范圍甚至連速度都沒上去呢？天線不夠？告訴你，300根也沒用，檢查一下你用的接受終端支不支持AC協(xié)議吧。比如你用的iPhone 3，這手機(jī)可只支持11a/b/g連11n都談不上，那么即便是你給這貨拆了加幾根天線也沒用。怎么解決？加裝AC網(wǎng)卡或者換終端，總之別再跟天線上較勁。
為什么這樣說？首先，Wi-Fi應(yīng)用的環(huán)境是室內(nèi)，我們常用的802.11系列協(xié)議也是針對(duì)這種條件來建立的。由于發(fā)射端到接收端之間存在各種各樣的障礙物，收發(fā)時(shí)幾乎不存在直射信號(hào)的可能。那怎么辦？我們管這個(gè)辦法叫做多徑傳輸，也叫多徑效應(yīng)。多徑，從字面上也很好理解，就是把增加傳輸途徑。
圖2，無線多徑傳輸示意圖
那么問題來了，既然是多徑，傳輸?shù)穆烦叹陀虚L有短，有的可能是從桌子反射過來的，有的可能是穿墻的，這些攜帶相同信息但是擁有不同相位的信號(hào)輾轉(zhuǎn)最終一起匯集到接收端上。現(xiàn)代通信用的是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的分組交換，也叫包交換，傳輸?shù)氖谴a（Symbol）。由于障礙產(chǎn)生不同的傳輸時(shí)延，就造成了碼間干擾ISI（InterSymbolInterference）。為了避免ISI，通信的帶寬就必須小于可容忍時(shí)延的倒數(shù)。
圖3，信號(hào)間干擾
對(duì)于802.11a/b/g 20MHz的帶寬，最大時(shí)延為50ns，多徑條件下無ISI的傳輸半徑為15m。在IEEE802.11協(xié)議中我們可以看到，這個(gè)值最大范圍是35m，這是協(xié)議中還有誤碼重傳等各種手段保證通信，并不是說有一點(diǎn)ISI就完全不能工作。這樣的話你會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于802.11a/b/g協(xié)議，即使加裝再多的天線也沒有任何意義。假設(shè)這些天線可以同時(shí)工作，反而會(huì)使多徑效應(yīng)更加惡劣。
后面的大家看不進(jìn)去也沒有關(guān)系，總之，無線路由器的發(fā)射范圍是這個(gè)IEEE802.11協(xié)議決定的，而非單純的看天線。[page]
說了這么多，單天線路由、雙天線路由、三線四線甚至更多究竟有沒有區(qū)別？有，但對(duì)于實(shí)際使用過程中的影響并不大，這包括信號(hào)覆蓋、信號(hào)強(qiáng)度，天線多速度快就更是無稽之談了。拋開已經(jīng)很少見的單天線，剩下的“多天線”都只是實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)的“介質(zhì)”或者說是“工具”，區(qū)別在于使用的架構(gòu)不同而已：常見的雙天線產(chǎn)品主要用1T2R或2T2R，三天線產(chǎn)品則用到的是2T3R或3T3R。
理論上，增加天線數(shù)量會(huì)減少信號(hào)覆蓋盲點(diǎn)，但我們通過大量的評(píng)測(cè)證實(shí)，這種差異在普通家庭環(huán)境中完全可以忽略不計(jì)。而且，就像內(nèi)置天線不輸外置一樣，三天線覆蓋不如雙天線的情況也絕非個(gè)例，說到底產(chǎn)品質(zhì)量也是一個(gè)重要因素。至于信號(hào)強(qiáng)度和“穿墻”則取決于發(fā)射功率，這個(gè)東西工信部作過規(guī)定，不得高于20dBm（即100mW），“天線越多信號(hào)越強(qiáng)”也就不攻自破了。最后的結(jié)論就是，只要路由采用了有效的MIMO技術(shù)，無須在意天線數(shù)量。
相關(guān)閱讀：MIMO技術(shù)
搜各種百科資料IEEE802.11詞條，我們可以讀到，從802.11n開始，數(shù)據(jù)傳輸速率或者說承載的數(shù)據(jù)量有了很大的提升。首先，802.11n有了40MHz模式，然而按照之前的理論，它的發(fā)射范圍應(yīng)該因此降低一半才對(duì)，但事實(shí)上數(shù)據(jù)反而提升了一倍（70m），這又是怎么一回事？
這就要得益于MIMO技術(shù)了，剛才我們討論的種種手段都是為了對(duì)抗惡劣的多徑環(huán)境，但是多徑有沒有好的一面呢？事實(shí)上，MIMO也是基于多徑的，我們稱之為空間多樣性。多天線的應(yīng)用有很多種技術(shù)手段，這里簡單介紹兩種：波束成型（Beamforming）和時(shí)空分組碼（主要介紹Alamouti''scode）。這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要多個(gè)接收天線。尤其是Alamouti碼，連信道信息都不用，只用數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以利用兩根天線實(shí)現(xiàn)3dB的增益，很贊對(duì)吧。
而不需要多個(gè)接收天線的優(yōu)點(diǎn)在于并不是所有設(shè)備都能裝上多天線。為了避免旁瓣輻射（天線方向圖上，最大輻射波束叫做主瓣，主瓣旁邊的小波束叫做旁瓣），滿足空間上的采樣定理，一般以發(fā)送信號(hào)之一半波長作為實(shí)體的天線間距。無論是GSM信號(hào)1.8GHz，1.9GHz還是Wi-Fi信號(hào)的2.4GHz，我們暫取2GHz便于計(jì)算，半波長為7.5cm。所以，我們看到的路由器上天線的距離大多如此，也正是因此，我們很難在手機(jī)上安裝多個(gè)天線。
波束成型（Beamforming）：借由多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將能量集中在想要傳輸?shù)姆较颍黾有盘?hào)傳輸品質(zhì)，并減少與其他用戶間的干擾。我們可以簡單籠統(tǒng)地
這樣理解天線的指向性：假設(shè)全指向性天線功率為1，范圍只有180度的指向性天線功率可以達(dá)到2。于是我們可以用4根90度的天線在理論上提高4倍的功率。波束成型的另外一種模式是通過信道估算接收端的方位，然后有指向性的針對(duì)該點(diǎn)發(fā)射，提高發(fā)射功率（類似于聚光的手電筒，范圍越小，光越亮）。智能天線技術(shù)的前身就是波束成型。
空時(shí)分組碼（Space-Time Block Code，即STBC）：在多天線上的不同時(shí)刻發(fā)送不同信息來提高數(shù)據(jù)可靠性。Alamouti碼是空時(shí)分組碼里最簡單的一種。為了傳輸d1d2兩個(gè)碼，在兩根天線1,2上分別發(fā)送d1,-d2*和d2,d1*。由于多徑，我們假設(shè)兩根天線的信道分別為h1h2，于是第一時(shí)刻接收端收到的信息r1=d1h1+d2h2，之后接收的信息r2=-d2*h1+d1*h2。接收到的這個(gè)2維方陣只要乘以信道，就可得到d1d2的信息了。看不懂沒關(guān)系，總之呢就是Alamouti找到一組正交的碼率為2×2矩陣，用這種方式在兩根天線上發(fā)射可以互不影響；可以用一根天線接收，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算以后得到發(fā)射信息的方法。
其他的MIMO呢，在概念上可能比較好理解，比如2個(gè)發(fā)射天線t1t2分別對(duì)兩個(gè)接收天線r1r2發(fā)射，那么相當(dāng)于兩撥人同時(shí)干活，速度提升2倍等等。但是實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來一方面在硬件上需要多個(gè)接收天線，另一方面需要信道估計(jì)等通信算法，那都是非常復(fù)雜，并且耗時(shí)耗硬件的計(jì)算了。[page]
講上面兩種技術(shù)實(shí)際上是MISO（Multiple-Input Single-Output）的方法，也是想從另外一個(gè)方面證明，天線多了不代表他們能一起干活。100年前人們就知道天線越多越好越大越好了，但是天才的Alamouti碼1998年才被提出來多天線技術(shù)的802.11n協(xié)議2009年才開始應(yīng)用。
20年前，人們用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交頻分復(fù)用，多載波調(diào)制的一種技術(shù)）對(duì)抗由于城市間或室內(nèi)障礙太多造成的多徑衰落，而如今我們已經(jīng)開始利用多徑來提高通信質(zhì)量。這是技術(shù)上突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而不是簡單的“想當(dāng)然”就可以實(shí)現(xiàn)的。
MIMO本身就是一個(gè)時(shí)變的、不平穩(wěn)的多入多出系統(tǒng)。關(guān)于MIMO的研究，是一個(gè)世界性課題，留下的疑問還有很多，同樣的問題學(xué)術(shù)上甚至也會(huì)出現(xiàn)不同的說法。不過，對(duì)于一般消費(fèi)者大可不必深究，認(rèn)清了開頭第一頁我們講的“誤區(qū)”，知道路由天線是個(gè)“工具”，普通家庭雙天線足以，選購時(shí)看清產(chǎn)品規(guī)格，不要被商家誤導(dǎo)。
