【導讀】越來越多的智能設備使得我們對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行包裝，宣稱天線越多，信號越好，穿墻能力也越強。事實真的是這樣嗎？讓我們一起來認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，也是從那時開始天線不再只有孤零零的一根（1t1r的150M是個例外），那到底是怎么一回事？這里我們就要提到一項11n協(xié)議之后才得到具體應用的多天線技術，也是無線通信領域一項非常重要的技術——MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）。
圖1，802.11 PHY標準一覽
先來看個例子，有人說，為什么我買了一個最新款的3天線支持802.11ac協(xié)議的無線路由器，結果信號強度、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應用的環(huán)境是室內，我們常用的802.11系列協(xié)議也是針對這種條件來建立的。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)時幾乎不存在直射信號的可能。那怎么辦？我們管這個辦法叫做多徑傳輸，也叫多徑效應。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輾轉最終一起匯集到接收端上。現(xiàn)代通信用的是存儲轉發(fā)的分組交換，也叫包交換，傳輸?shù)氖谴a（Symbol）。由于障礙產生不同的傳輸時延，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延的倒數(shù)。
圖3，信號間干擾
對于802.11a/b/g 20MHz的帶寬，最大時延為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ISI就完全不能工作。這樣的話你會發(fā)現(xiàn)，對于802.11a/b/g協(xié)議，即使加裝再多的天線也沒有任何意義。假設這些天線可以同時工作，反而會使多徑效應更加惡劣。
后面的大家看不進去也沒有關系，總之，無線路由器的發(fā)射范圍是這個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，但對于實際使用過程中的影響并不大，這包括信號覆蓋、信號強度，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”都只是實現(xiàn)MIMO技術的“介質”或者說是“工具”，區(qū)別在于使用的架構不同而已：常見的雙天線產品主要用1T2R或2T2R，三天線產品則用到的是2T3R或3T3R。
理論上，增加天線數(shù)量會減少信號覆蓋盲點，但我們通過大量的評測證實，這種差異在普通家庭環(huán)境中完全可以忽略不計。而且，就像內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例，說到底產品質量也是一個重要因素。至于信號強度和“穿墻”則取決于發(fā)射功率，這個東西工信部作過規(guī)定，不得高于20dBm（即100mW），“天線越多信號越強”也就不攻自破了。最后的結論就是，只要路由采用了有效的MIMO技術，無須在意天線數(shù)量。
相關閱讀：MIMO技術
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)射范圍應該因此降低一半才對，但事實上數(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技術了，剛才我們討論的種種手段都是為了對抗惡劣的多徑環(huán)境，但是多徑有沒有好的一面呢？事實上，MIMO也是基于多徑的，我們稱之為空間多樣性。多天線的應用有很多種技術手段，這里簡單介紹兩種：波束成型（Beamforming）和時空分組碼（主要介紹Alamouti''scode）。這兩種技術的優(yōu)點是不需要多個接收天線。尤其是Alamouti碼，連信道信息都不用，只用數(shù)學運算就可以利用兩根天線實現(xiàn)3dB的增益，很贊對吧。
而不需要多個接收天線的優(yōu)點在于并不是所有設備都能裝上多天線。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)送信號之一半波長作為實體的天線間距。無論是GSM信號1.8GHz，1.9GHz還是Wi-Fi信號的2.4GHz，我們暫取2GHz便于計算，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，我們很難在手機上安裝多個天線。
波束成型（Beamforming）：借由多根天線產生一個具有指向性的波束，將能量集中在想要傳輸?shù)姆较颍黾有盘杺鬏斊焚|，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該點發(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）。智能天線技術的前身就是波束成型。
空時分組碼（Space-Time Block Code，即STBC）：在多天線上的不同時刻發(fā)送不同信息來提高數(shù)據(jù)可靠性。Alamouti碼是空時分組碼里最簡單的一種。為了傳輸d1d2兩個碼，在兩根天線1,2上分別發(fā)送d1,-d2*和d2,d1*。由于多徑，我們假設兩根天線的信道分別為h1h2，于是第一時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2維方陣只要乘以信道，就可得到d1d2的信息了。看不懂沒關系，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)學運算以后得到發(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個發(fā)射天線t1t2分別對兩個接收天線r1r2發(fā)射，那么相當于兩撥人同時干活，速度提升2倍等等。但是實際實現(xiàn)起來一方面在硬件上需要多個接收天線，另一方面需要信道估計等通信算法，那都是非常復雜，并且耗時耗硬件的計算了。[page]
講上面兩種技術實際上是MISO（Multiple-Input Single-Output）的方法，也是想從另外一個方面證明，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的802.11n協(xié)議2009年才開始應用。
20年前，人們用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交頻分復用，多載波調制的一種技術）對抗由于城市間或室內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量。這是技術上突飛猛進的發(fā)展，而不是簡單的“想當然”就可以實現(xiàn)的。
MIMO本身就是一個時變的、不平穩(wěn)的多入多出系統(tǒng)。關于MIMO的研究，是一個世界性課題，留下的疑問還有很多，同樣的問題學術上甚至也會出現(xiàn)不同的說法。不過，對于一般消費者大可不必深究，認清了開頭第一頁我們講的“誤區(qū)”，知道路由天線是個“工具”，普通家庭雙天線足以，選購時看清產品規(guī)格，不要被商家誤導。
