wifi基础(一)：无线电波与WIFI信号干扰、衰减
liwen01 2024.08.18
前言
无论是在产品开发还是在日常生活中，在使用无线网络的时候，都会经常遇到一些信号不好的问题，也会产生不少疑问：
- 为什么我们在高速移动的高铁上网络会变慢？
- 为什么 5G WiFi 的穿墙能力没有 2.4G 的好？
- 为什么在对 WiFi 进行 iperf 拉距测试的时候，每次测试数据都会有差异？
- 为什么在路由器很多的环境，WiFi网络会变慢？
- 为什么在有些大型体育馆，人少的时候网络信号好，人多的时候网络信号很差？
- 为什么路由器放置在客厅上，远离客厅的房间会信号不好？
- 为什么蓝牙，WiFi，微波炉之间会相互干扰？
要比较深入地去回答上面的这些问题，我们需要先回顾一下中学的物理知识，然后再对这些问题做解答。
(一)光的认识历史
人类对自然光的认识历史是一个循序渐进的过程，涉及哲学、物理学和人类科学技术的发展。
(1) 公元前后
- 毕达哥拉斯学派 (约公元前500年) 认为光是从眼睛中发射出来的，照亮了周围的物体。
- 柏拉图和亚里士多德 (公元前4世纪) 提出了不同的光学理论，亚里士多德认为光是由物体发出的影响，通过某种媒介传播到眼睛。
- 伊本·海赛姆(Alhazen, 公元965-1040年) 在他的《光学书》中提出光是以直线传播的，并首次用实验方法研究了光的反射和折射现象，奠定了光学的科学基础。
(2) 光的本质争论
- 笛卡尔 (René Descartes, 1637年) 在《屈光学》中提出光的波动理论，认为光是通过“以太”这一假想介质传播的。
- 惠更斯 (Christiaan Huygens, 1678年) 提出了著名的波动理论，认为光是波动，并提出了惠更斯原理，用来解释光的反射、折射和衍射现象。
- 牛顿 (Isaac Newton, 1704年) 提出了粒子理论，认为光是由微小的粒子组成的，光速在密度大的介质中更快。他的理论成功解释了直线传播、反射和折射等现象，并通过棱镜实验发现了白光的色散现象。
(3) 波动理论与粒子理论的争论
- 托马斯·杨 (Thomas Young, 1801年) 通过双缝干涉实验证明了光的波动性，解释了光的干涉现象，为波动理论提供了有力支持。
- 菲涅尔 (Augustin-Jean Fresnel, 1818年) 进一步发展了光的波动理论，提出了光的衍射和偏振理论。
- 麦克斯韦 (James Clerk Maxwell, 1864年) 通过麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，并证明光是一种电磁波，具有波动性质。这一理论统一了光学和电磁学，彻底确认了光的波动本质。
(4) 光的双重性
- 爱因斯坦 (Albert Einstein, 1905年) 通过研究光电效应，提出光子理论，认为光既具有波动性，又具有粒子性(光子)，并成功解释了光电效应。这为光的量子理论奠定了基础，并帮助他获得了诺贝尔奖。
- 德布罗意 (Louis de Broglie, 1924年) 提出了波粒二象性，认为不仅光，所有的粒子都具有波动性和粒子性。这一理论进一步深化了对光的认识。
(5) 现代光学
- 量子电动力学(QED): 20世纪中期，量子电动力学理论的发展(由理查德·费曼、朱利安·施温格、朝永振一郎等人推动)成功解释了光与物质的相互作用，彻底统一了光的波粒二象性。
- 激光的发明: 1960年，西奥多·梅曼(Theodore Maiman)成功发明了第一台激光器，激光器利用了光的相干性，是光学史上的一个重要里程碑。
- 光学技术的发展: 现代光学广泛应用于通信(如光纤)、医疗(如激光手术)、工业(如精密切割)、科学研究(如天文观测)等各个领域。
从上面人类对光的认识历史过程中我们可以知道：光是一种电磁波，它具有波粒二象性、直射、反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散等特性
(二)电磁波的认识历史
对电磁波的认识，可以拆开成 电 、 磁 、电磁波 三个方面来看
(1) 磁
- 公元前1000年的中国人知道了天然磁石的吸铁特性，并将它用于指南针的制造，这应该是最早对磁性的认识和使用。
(2) 电
- 18世纪本杰明·富兰克林对电的本质进行了实验和研究，提出了“正电”和“负电”的概念。
- 1831年迈克尔·法拉第通过实验发现了电磁感应现象，即变化的磁场可以产生电流。这一发现进一步统一了电和磁的概念。
(3) 电磁波
- 1864年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)提出了麦克斯韦方程组，从理论上系统地描述了电磁场的性质，预言了电磁波的存在。
- 1887年德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)通过实验首次产生并检测到了无线电波，验证了麦克斯韦的理论，并证实了电磁波的存在。
(三)电磁波的特性
电磁波是由变化的电场和磁场相互垂直并相互作用而产生的波动现象。它具有以下几个重要的特性：
(1) 波动性
- 电磁波是横波: 电磁波的传播方向与电场和磁场的振动方向相互垂直。在自由空间中，电场和磁场彼此垂直，且都垂直于传播方向。
(2) 光速
- 在真空中的传播速度: 电磁波在真空中的传播速度是恒定的，即光速
(3) 能量携带
- 波的能量与频率相关: 电磁波携带能量，且能量与频率成正比。高频电磁波(如X射线、γ射线)携带的能量更高，低频电磁波(如无线电波、微波)携带的能量较低。
- 波的强度: 电磁波的强度与电场和磁场振幅的平方成正比。
(4) 不需要介质
- 真空中传播: 电磁波不需要介质即可传播，这与声波等机械波不同。因此，电磁波可以在真空中传播，像光、无线电波等都能够穿越太空。
(5) 偏振性
- 线偏振、圆偏振和椭圆偏振: 电磁波可以表现出不同的偏振形式，意味着电场的振动方向可以固定在某一方向(线偏振)，或在传播过程中旋转(圆偏振或椭圆偏振)。
(6) 反射、折射和衍射
- 反射: 当电磁波遇到不同介质的界面时，部分电磁波会反射回去。反射角等于入射角。
- 折射: 电磁波从一种介质进入另一种介质时会发生速度变化，导致传播方向发生改变，这种现象称为折射。
- 衍射: 当电磁波遇到障碍物或通过狭缝时，波会发生弯曲，这就是衍射现象。
(7) 干涉
- 电磁波的叠加效应: 两个或多个电磁波可以相互叠加，形成干涉图样。根据波的相位不同，干涉可以是相长干涉(增强)或相消干涉(减弱)。
(8) 谱的广泛性
- 电磁波谱: 电磁波涵盖了从低频到高频的一系列波长和频率，形成电磁波谱。包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
(9).量子特性
- 光子: 在微观层面，电磁波表现出粒子性，可以被看作是光子流。每个光子的能量
这些特性使得电磁波在自然界和技术应用中具有广泛的作用，从无线通信到医疗成像，从照明到能量传输，电磁波无处不在。
(四)电磁波的表示
1.电磁波的数学表示
周期 (Period): 周期是指电磁波中一个完整波动循环所需的时间，通常用符号 𝑇 表示。周期通常以秒 (s) 为单位。周期反映了电磁波的频率，周期越短，频率越高。
波长 (Wavelength): 波长是电磁波中相邻两个波峰(或波谷)之间的距离，通常用符号 𝜆 表示。波长通常以米 (m) 为单位。波长决定了电磁波的空间尺度，波长越长，波的传播范围越大。
振幅 (Amplitude): 振幅是电磁波中电场或磁场的最大偏离值，即波动的最大值。振幅与电磁波的能量相关，振幅越大，波的能量越高。振幅通常反映了信号的强度或亮度。
WiFi频率与波长的关系:波长 = 光速 / 频率
按照上面公式计算 2.4Ghz 与 5GHz 无线电波的波长分别为 12.5 厘米和 6 厘米。
2.电磁波的功率单位
在信号处理中， 功率分为绝对功率和相对功率，绝对功率用 dBm 表示，相对功率用 dB 表示
绝对功率单位 (dBm)
dBm 是一个绝对单位，用于表示功率相对于 1 毫瓦 (mW) 的水平,当功率是 1 mW 时，功率为 0 dBm。它们之间的关系式：
常用的一些关系值如下表：
| 功率 (mW) | 功率 (dBm) |
|---|---|
| 0.001 mW | -30 dBm |
| 0.01 mW | -20 dBm |
| 0.05 mW | -13 dBm |
| 0.1 mW | -10 dBm |
| 0.5 mW | -3 dBm |
| 1 mW | 0 dBm |
| 2 mW | 3 dBm |
| 5 mW | 7 dBm |
| 10 mW | 10 dBm |
| 50 mW | 17 dBm |
| 100 mW | 20 dBm |
| 500 mW | 27 dBm |
| 1000 mW (1 W) | 30 dBm |
WiFi信号强度的 dBm (分贝毫瓦) 范围可以用来评估信号的质量。一般情况下，信号强度的分类如下：
- -30 dBm 到 -50 dBm: 极好，几乎没有干扰，信号非常强。
- -50 dBm 到 -60 dBm: 良好，信号强度适中，适合所有网络应用。
- -60 dBm 到 -70 dBm: 一般，信号强度可能会对性能产生一些影响，适用于基本的网络使用。
- -70 dBm 到 -80 dBm: 较弱，信号强度低，可能会出现连接问题和较慢的网络速度。
- 低于 -80 dBm: 很差，信号非常弱，连接可能不稳定或无法连接。
一般来说，-50 dBm 到 -60 dBm 之间的信号强度被认为是良好的，能够提供稳定和高效的网络连接。
相对功率单位 (dB)
dB(分贝)是一个相对单位，用于表示两个功率或电压的比值。它基于对数的计算，使得不同量级的比率更容易处理。
dB 用于表示信号增益或衰减、滤波器的衰减、天线的增益等。
| 功率变化倍数 | dB 变化值 |
|---|---|
| 0.0001倍 | -40 dB |
| 0.001倍 | -30 dB |
| 0.01倍 | -20 dB |
| 0.1倍 | -10 dB |
| 0.5倍 | -3 dB |
| 1倍 | 0 dB |
| 2倍 | 3 dB |
| 10倍 | 10 dB |
| 100倍 | 20 dB |
| 1000倍 | 30 dB |
| 10000倍 | 40 dB |
dB 它提供了一种方便的方式来表示大范围的比率。在音频和无线通信中，有些信号值变化非常大。
比如一个信号从 1mW 衰减到 0.00000001mW ， 因为 0.00000001mW 与 0.0000001mW 和 0.000000001mW 很难用人眼难区分开来，相应的，如果使用 -70dB、-80dB、-90dB 来区分就清晰很多了。
(五) 问题解答
1.为什么 5G WiFi 的穿墙能力没有 2.4G 的好？
2.4G 无线电波的波长约为 12.5 厘米， 5G 的波长约为 6 厘米。在同等信号强度下，为何波长越长，穿透能力越强呢？这里主要是与波的衍射和波与物质的相作用有关系。
衍射效应：当电磁波遇到障碍物时，波长较长的电磁波更容易绕过障碍物。这是因为长波长的电磁波具有更强的衍射能力，可以绕过障碍物继续传播，因此在复杂环境中，它们的穿透能力更强。
与物质的相互作用：物质内部的原子和分子在特定的频率范围内会对电磁波产生吸收或反射效应。短波长(高频率)的电磁波更容易被原子和分子吸收或散射，因为它们的能量更高，与物质的微观结构发生共振的概率更大。相比之下，长波长的电磁波(如无线电波)较少受到这种吸收和散射的影响，因此更容易穿透物质。
我们看下面路由器 AP 典型穿透的一个衰减值(经验值)
2.4G WiFi典型穿透损耗经验值
5G WiFi典型穿透损耗经验值
从上表可以看出，WiFi信号在穿过一堵混泥土墙后信号至少衰减 10 dB ，参考功率倍数比，信号至少衰减了10倍。
同样的原理，在有些体育馆，它的无线信号AP是布置在座位周边，当人多的时候，因为人体主要由水和有机物组成，这些物质对电磁波有较强的吸收和散射作用，所以能搜索到的无线信号会变弱。
高频率的无线电波，如在 2.4 GHz 和 5GHz 频段工作的 WiFi 信号，穿过人体时会有显著的衰减，典型的衰减情况是：
- 2.4G WiFi：通常会有10-15dB的衰减。
- 5G WiFi ：衰减量通常更高，可能达到20-30 dB。
2.为什么在对 WiFi 进行 iperf 拉距测试的时候，每次测试数据都会有差异？
电磁波可以在真空中传播，传播的速度是光速，但是在空气中传播无线电波的信号强度会逐渐地衰减，这种叫做电磁波在自由空间中的路径衰减。
电磁波在自由空间中的路径衰减
电磁波在自由空间中的路径衰减 (Free Space Path Loss, FSPL) 是指电磁波在传播过程中，由于距离的增加而导致信号强度的自然衰减。
自由空间衰减不考虑任何障碍物、反射、折射或散射等因素的影响，仅仅是由于波前的扩散而导致的信号强度减弱。
它的计算公式是：
2.4GHz 信号，在距离射频源 50 米位置的衰减值约为 74 dB 2.4GHz 信号，在距离射频源 100 米位置的衰减值约为 80 dB 2.4GHz 信号，在距离射频源 200 米位置的衰减值约为 86 dB
这里有个 6dB 法则：传输距离加倍将导致信号衰减6dB
之所以在户外 iperf 拉距测试中，每次测试数据都不一样，这与每次测试环境中的障碍物、无线干扰、气温、气压的差异都是有关系的。
3.为什么蓝牙，WiFi，微波炉之间会相互干扰？
蓝牙、WiFi 和微波炉之间相互干扰的主要原因是它们都工作在相同的无线电频段，即 2.4 GHz 频段
WiFi： 大多数 WiFi 网络使用 2.4 GHz 频段，虽然也有 5 GHz 频段的 WiFi，但一般 5GHz WIFI都向下兼容 2.4Ghz ，支持802.11b/g/n协议
蓝牙： 蓝牙设备也在 2.4 GHz 频段工作，使用一种称为跳频扩频（Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS）的技术，以减少与其他无线设备的干扰。尽管蓝牙在频段内频繁切换频道，仍可能与其他在同一频段工作的设备产生干扰。
微波炉： 微波炉加热食物时，会在 2.4 GHz 频段产生强烈的电磁辐射。这种辐射可能会干扰在同一频段工作的无线通信设备，导致信号的衰减或中断。
为什么工作在同一个频段的无线信号就相互干扰呢？
这是因为无线电波相互干涉的原因
上图中两个波 f(x) 与 g(x) 它们相互干涉形成了紫色的波 f(x)+g(x),改变 g(x) 的相位，可以看到相干波峰值被加倍或者被抵消为 0。在无线电信号中表示信号增强和衰减
相长干涉（建设性干涉）：当两束电磁波的波峰和波谷对齐时，它们的相位相同或相差 0 度，叠加后波幅会增加，形成相长干涉。这种干涉使信号增强，在无线通信中可能导致信号变强。
相消干涉（破坏性干涉）：当两束电磁波的波峰与另一束的波谷对齐时，它们的相位相反或相差 180 度，叠加后波幅会减小甚至完全抵消，形成相消干涉。这种干涉会导致信号衰减或丢失，在无线通信中表现为信号弱化或断开。
4.为什么在路由器很多的环境，WiFi网络会变慢？
信道重叠：在 2.4 GHz 频段，WiFi 信道的数量有限（通常只有 11 或 13 个信道），而每个信道的带宽较宽，通常会覆盖相邻信道的一部分。如果多个路由器在相邻或相同的信道上工作，它们的信号会互相干扰，导致数据传输变慢。
信道拥塞：即使不同路由器使用不同的信道，如果某个信道上的设备过多，信道也会变得拥塞，导致数据传输速率降低。因为设备在发送无线信号的时候，会去检测当前是否有设备在发送，如果有设备在发送，则会进入一个时间片的等待。
WiFi 标准的限制：在拥挤环境中，如果某些设备或路由器使用较旧的 WiFi 标准（如 802.11b/g），它们的速度会限制整个网络的性能。因为较旧的设备往往需要更多的时间来传输数据，影响了其他设备的使用效率。
结尾
上面是对于无线网络使用过程中信号衰减、干扰的介绍以及相关问题的一些简单解答。实际问题原因更加复杂，需要考虑更多的影响因素。对于非通讯专业的嵌入式应用软件开发工程师，有了这些基础差不多也够用了。
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