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路由器穿墙能力的技术真相

(2017-06-02 16:54:20)
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在移动互联网时代,每个家庭都少不了路由器,路由器已经成为家庭互联网的中心,为手机电视等提供网络接入,其性能好坏直接影响到了我们的生活质量。

 

现在市场上的路由器的基本功能都没问题,但信号的穿墙能力却有较大差异。无论把路由器放在哪个房间,都会存在隔墙房间信号不好的问题,信号的断续卡顿会严重影响使用体验。

 

有些路由器厂家瞄准了这个痛点,打出了多天线和穿墙王的宣传口号,天线从一根到两根,现在已经增加到了八根,好像一只躺着的螃蟹,给人以信号很强的感觉。

 

路由器穿墙能力的技术真相

其实,天线的多少跟信号强弱并没有直接关系,跟穿墙能力也没有直接关系,这更多地是一种宣传的噱头,这个说法可能会令您吃惊,不妨听我慢慢道来。

 

1、路由器的功率限制

 

高剂量的电磁辐射有可能会影响到人体健康,因此全球各个国家都有电磁辐射限值的标准,我国遵循的是《电磁辐射控制限值》(GB8702-2014)。

 

路由器穿墙能力的技术真相
路由器的频段属于30MHz-3000MHz,根据国标要求,对人体辐射限制的等效平面波功率密度为0.4瓦/平方米。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

考察电磁辐射对人体的作用,不能使用设备本身的功率指标,因为即使再高功率的设备,只要人体距离它足够远就会安全,而即使功率不高的设备,如果紧贴人体也可能不安全,所以用单位面积的功率密度单位是科学的,这也是国际通用的指标方法。

 

但是,使用功率密度标准也给了路由器厂家一个借口,当政府监察部门核查设备的辐射强度时,厂家可以借口说用户距离路由器很远呢,虽然设备的辐射功率很大,但作用到人体的功率密度并没有超过0.4瓦/平方米。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

 

路由器的电磁波基本是全向辐射的,可以理解其能量散布在一定半径的球面上,球表面积与半径的平方成正比,所以单位面积的功率密度值会随着半径的平方率而快速衰减。如果政府部门不对人体与路由器的距离做出官方解读,那厂家的借口还真说的通。

 

于是工信部对路由器等设备的辐射功率值作出了明确限定,因为路由器基本是全向辐射的,天线增益比较小,所以适用于第一种情况,即辐射功率不得超过100毫瓦。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

按照100毫瓦和0.4瓦/平方米这两个限值倒推,可以算出政府认定人体与路由器的距离是0.2米之内,这说明政府制定的安全标准是非常保守谨慎的。

 

有些路由器具有“穿墙模式”,其真相就是平时工作在50毫瓦,当用户启动穿墙模式时,就将功率提升到100毫瓦,其效果并不比其它工作在100毫瓦的路由器更强。

 

政府限定了路由器的辐射功率,因此设置再多的天线也没有意义,好比是水管的总流量已经被限定了,即使你装了8个水龙头,总出水量也不会有丝毫的增加。

 

有人会质疑,即使多天线的辐射并没有明显优势,那多根天线同时接收信号,那接收效果不是成倍提高吗?这其实也是误解。

 

真相是接收信号的关键在于“信噪比”,即信号功率与噪声功率的比值越大越好,而由于多根天线的距离很近,每根接收的信号和噪声基本都一样,累加起来并不会有效提高信噪比。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

2、穿墙能力取决于“接收”

 

上节说到的“穿墙模式”是把辐射功率提高到顶格的100毫瓦,但加大辐射功率就能提高穿墙能力吗?答案依然是否定的。

 

工信部对路由器与人体距离的设定是0.2米之内,而手机却是紧贴人体的,在手机在与路由器通信过程中,手机的辐射功率通常会小于路由器。

 

假设路由器工作在100毫瓦,其辐射信号穿透两堵混凝土墙到达了手机,但手机的信号相对较弱,并没有传回给路由器,因此同样会出现卡顿的情况。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相
        所以说,路由器穿墙能力并不取决于其辐射功率,更多地取决于路由器对低信噪比弱信号的接收能力,这才是信号穿墙能力的真相。

 

3、检错重发与前向纠错

 

这个小标题的两个术语可能令您发懵,但其含义非常简单,几句话就能让您明白,而且这两个术语的区别是路由器解决卡顿问题的关键。

 

路由器与手机之间的通信,由于墙体对信号的衰减和杂波的干扰,不可避免地会出现接收错误的情况。当接收方检查出错误后怎么办?通常的办法是把这一大段再重发一遍,这就是“检错重发”,一般路由器就是这样工作的,这也是信号不好导致网络卡顿的原因。

 

如果您只是玩微博微信,检错重发导致的卡顿没啥关系,但看视频卡顿就会影响体验了,影响最大的是网络游戏,微小的卡顿都可能葬送大好局面,从而成为朋友眼中的猪队友。

 

既然接收错误的不可避免的,那网络卡顿就没办法了吗?其实是有办法的,那就是“前向纠错”。


 

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

请看上图的红色监督码元,它们与信息码元有什么规律?如果您仔细观察,就会发现由于红色码元的出现,使得每一行和每一列的"1"的个数都是偶数。

 

那这又有什么用呢?当信息码元在传输中出现了一位错误,接收方在逐行逐列检查“1”个数时,会发现第二行和第五列的“1”个数变成奇数了,这就说明是第二行和第五列的交叉点码元错了。然后把“1”“0”互换,这就实现了前向纠错。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

这种前向纠错模式是奇偶校验,当遇到个别错误时,不需要停下来重新发送,而是在接收端通过算法进行快速的纠错,这就可以避免了因接收错码而产生的网络卡顿现象。

 

路由器的技术和形态不断进步,像螃蟹腿那样的多天线已经落伍了,最近发布的荣耀路由X1系列引领了技术潮流,它摒弃了过时的多天线设计,采用了强调弱信号接收能力的内置天线,并使用LDPC码实现了前向纠错。

 

内行人都知道,设计像螃蟹腿那样的外置天线很容易,而设计内置天线则比较困难,内置天线代替外置天线是技术发展趋势,例如当年的手机天线就是外置的,现在已经绝迹了。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

特别是技术人员在设计射频部分时使用了干扰仿真技术,对射频干扰进行了预先主动抑制,从而成倍地提高了接收信号的信噪比,使用这种技术的企业在全球范围内不超过两家。

 

前面分析了奇偶校验码可以有效避免了卡顿,而LDPC就是低密度奇偶校验码,而且是公认的接近香农限的好码。香农限又是个什么东西呢?香农是信息论之父,他用数学构建了众多通信原理的极限,如果实际工程能接近这些极限,就说明工程已经做到了极致。

 

路由器穿墙能力的技术真相

您可能要问,既然通信界都知道LDPC码是顶级好码,为什么别的厂家不用呢?这是个好问题,也是我从事通信专业20多年来感触最深的问题。

 

以我的经验为例,我可以在课堂上分析LDPC码的原理,计算其优越的性能,而且保证讲的都对,但这终归是纸上谈兵,若让我搞具体工程的话就不行了,甚至起步都很艰难。

 

LDPC码的原理很清楚,但工程实现非常艰难,而且它还有个特点,要想发挥其优势则必须有卓越的工程设计能力,如果工程设计能力不足,那效果就会不如普通码。好比是82斤的青龙偃月刀是个顶级武器,但如果你的力量和武艺不够,那反而会被其所害,不如使用一柄匕首更合适。

 

荣耀的背后是华为技术团队,华为是全球通信技术领军者,去年底华为主推的Polar码入选5G标准,得到了短码控制信道,他们这次率先将LDPC码用在了路由器,在很大程度上解决了路由器卡顿现象,鉴于他们全球领先的通信工程能力,这并不令人奇怪。值得说下,荣耀将这些技术普及到百元路由器档位,无疑将引领路由器行业的革新。

 

 

路由器穿墙能力的技术真相

路由器的价格很便宜,但在家庭互联网中的作用却很重要,它涉及到的技术也不简单,荣耀路由X1所采用的内置天线和LDPC码,引领了路由器设计的新趋势。

 

 

 

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