最近把家里主臥整成了個小影院，由于之前房子裝修時網線端口與電源插口布置太少，導致家庭網絡架設變得麻煩起來，最后終于通過「無線中繼」技術達到了全屋滿格 Wi-Fi 的效果。
在 Wi-Fi 架設過程中，我遇到了不少信號優化的問題，同時也理清了 2.4GHz 與 5GHz 的區別，接下來就和大家分享一下。
一、為什么 Wi-Fi 容易被干擾
Wi-Fi 是由 Wi-Fi 聯盟組織持有的商標名，現在通常用來指代 IEEE 802.11x 網絡標準中的無線局域網技術。常見的 Wi-Fi 工作頻率為 2.4GHz，非常容易與周圍其他設備發生信號干擾的問題。
微波爐與 ISM 頻段
2.4GHz 這個數值最早來源于「微波爐」的工作頻率（參考這里）。
1945 年，美國雷神公司一位工程師在研究微波雷達的時候，無意中發現 2.4GHz 頻段的電磁波會使得口袋中的巧克力融化，從而發現了微波的熱效應，發明了微波爐。
大量實驗測量表明，2.450GHz 頻率電磁波能很好的使得水分子等極性分子跟隨電磁波發生振蕩，從而在宏觀上表現為食物被加熱。
之后 2.4GHz 逐漸成為了各國通用的「ISM頻段」之一，大量的工業、科研、醫學、家用無線設備的工作頻率都在這一頻段，包括我們常見的藍牙設備（2.402GHz - 2.480GHz）。
由此可見：
- 在雨天等潮濕環境下，Wi-Fi 信號會因為被水分子吸收而變差；
- 很多無線設備在 2.4GHz 頻段下工作，導致 Wi-Fi 信號很容易被干擾。
信道阻塞
IEEE 802.11b/g/n 標準規定 2.4GHz Wi-Fi 的工作頻率為 2.412 至 2.484GHz 之間，共 14 個不同中心頻率的信道。大部分國家（包括中國）允許 1 至 13 號信道的使用，從下圖可以看到除了 1、6、11 號信道以外，其他信道的工作頻率都可能會與相鄰信道頻率發生沖突。
不同無線路由器之間通過「載波偵聽多路訪問／碰撞避免」（CSMA/CA）策略來解決信道沖突的問題，當發生信道沖突時，隨機一段等待時間再進行重試。
大部分路由器都會提供「自動選擇信道」功能，我們也可以通過軟件分析周圍 Wi-Fi 環境，再手動選擇一個最合適的信道。如下圖，可通過 WiFi Explorer 分析周圍 Wi-Fi 信號強度與信道選擇情況。
二、Wi-Fi 如何傳播
Wi-Fi 信號本質上和電臺廣播、可見光、x 射線一樣，是一種電磁波。
波長計算
科學家們通過光速公式 c = λf 測量出了光速 c，約為 3 乘 10 的 8 次方米每秒，計為 c = 3e8 m/s。
光速公式從實驗的角度證明了「光速不變原理」，在此原理基礎上，愛因斯坦推導出了廣義相對論，推翻了「絕對時間」的概念，從而使時空旅行和時光機器在理論上成為可能。
c = λf
已知公式中，Wi-Fi 信號在空氣中的傳播速度約等于光速 c ，2.4GHz Wi-Fi 的頻率 f = 2.4 x 1000 x 1000 x 1000 Hz，計為 2.4e9 Hz，代入以上公式解得， λ = c/f = 3e8 / 2.4e9 = 0.125m，即 12.5 厘米。
Wi-Fi 的波長介于 1毫米至 1米之間，屬于「微波」類型，日常生活中的大部分物品大小也屬于這個范圍。
波的衍射與穿透
衍射現象，是指波在傳播時，如果被一個大小接近于或小于波長的物體阻擋，就繞過這個物體，繼續進行。如果通過一個大小近于或小于波長的孔，則以孔為中心，形成環形波向前傳播。
由此可見，衍射也是 Wi-Fi 的一個主要傳播方式。
由于 Wi-Fi 信號的主要傳播方向垂直于路由器天線的方向，所以雖然衍射能夠改變波的傳播方向，但一般來說，將路由器的多根天線垂直90度放置，能取得更多方向上的信號覆蓋效果，如下圖所示。
Wi-Fi 和光波一樣，也會以反射、直射穿透的形式進行傳播，在傳播過程中，介質的吸收會造成信號能量的損失。
盡量減少 Wi-Fi 的（墻體）阻擋次數，能有效降低 Wi-Fi 信號的損失量，這也是影響 Wi-Fi 信號強弱最主要的因素。
上圖模擬了 Wi-Fi 信號在房屋中的反射與衍射路徑，圖片來源于此處。
三、5GHz Wi-Fi 的優劣勢
為了減少信道沖突的發生，也為了提升 Wi-Fi 傳輸率和穩定性，IEEE 802.11 先后制定補充了 5GHz Wi-Fi 相關技術標準。
國內的現狀是，一方面大部分的智能手機都能支持 5GHz Wi-Fi 頻段（只要網卡參數項中有支持 802.11a/n/ac 標準）；另一方面，大部分的無線路由器卻只支持 2.4GHz 頻段。
從維基百科的「WLAN信道列表」上來看，在中國至少可以使用 13 個互不干擾的傳輸信道。因此，使用 5GHz Wi-Fi 能有效減少 Wi-Fi 信號干擾的情況。
5GHz Wi-Fi 穿墻能力更弱
這條有點難理解，因為物理課上有學到「電磁波頻率越高，穿透性越強」，但從實際觀測數據來看，我們日常生活中的木質家具和鋼筋混凝土墻，更容易吸收 5GHz 的 Wi-Fi。
這主要是因為：不同頻率的電磁波在穿過不同的介質時，其吸收率各有不同。
一般來說，x 射線、γ 射線等頻率高于可見光的射線，粒子能量較高（參考光子能量計算公式 E=hv），在穿過物體時，會使得其原子分子發生「電離輻射」現象，表現為較強的穿透性。
所以醫院拍 x 光的地方通常要做特殊隔離，避免高頻射線穿透人體，引起體內細胞電離，從而危害健康。同樣的原因，如果不是因為地球大氣層阻擋了來自宇宙的高頻射線，我們人類也不可能出現。
而微波由于頻率相對較低，粒子能量無法引起「電離輻射」和「電子能級躍遷」，在穿過物體時被吸收能量的多少取決于物體中導電介質的分布情況和主要介質的分子結構。
除此之外，我個人猜測可能還有個更普遍的規律：
頻段越靠近可見光的電磁波，越容易被自然界中的生命體和物體所吸收。
所以人類眼睛中感光細胞的直徑范圍剛好和可見光波長范圍（0.39～0.70μm）一致，所以我們的世界是彩色的。這多少有點像霍金在《時間簡史》中提到的「人存原理」：
我們之所以看到的宇宙是這個樣子， 是因為如果它不是這樣的話，我們就不會在這里去觀察它。
介紹完影響 Wi-Fi 信號強弱的各種因素之后，接下來我會介紹如何通過配置路由器來提升網絡質量，歡迎各位繼續關注。
