无线路由单天线与多天线的区别

• 对于最高支持11g协议的老式无线路由器，一根天线最高支持54Mbps；
• 对于最高支持11n协议的半老不新无线路由器，一根天线最高支持150Mbps；
• 对于最高支持11ac协议的新式无线路由器，一根天线最高支持433Mbps；

如果听到一个路由器“号称”能达到多高的速率，就可以很快的知道它大致有几根天线。目前市场上的无线路由器主要有以下几种：

• “号称”54Mbps、150M绝对是一根天线；
• “号称”300Mbps是两根天线（两路11n）
• “号称”450Mbps是三根天线（三路11n）
• “号称”900Mbps是四根天线（三路11n+一路11ac）
• “号称”1300Mbps是五根天线（三路11n+两路11ac）
• “号称”1750Mbps是六根天线（三路11n+三路11ac）

如果不是这个规律，那么只能说明那个路由器使用了“内置天线”或者“假天线”。

相反，如果仅仅看到路由器有几根天线，不看规格的话就很难知道这货到底最大支持多高的速率。不过，双天线至少300M，三天线至少450M，四天线至少900M……

三天线路由器：

五天线路由器：

六天线路由器：

我知道你们会问：“为毛天线越多速率越高啊？”
那就不得不引出MIMO的概念。MIMO(multiple input multiple output)技术的思想是在发送端和接收端同时安装多个天线。发送端利用多个天线同时发送信号，同时接收端也有多个天线在接收信号 ，从而在同一频域和时域中能够传送更多的信息。它可以在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍的提高系统信道容量。

具体是如何做到的？是时候祭出万能的王尼玛了。。。
以下图片引用自hr_opt：
在一间狭小而非常安静的房间里，有两对情侣在交谈。当王尼玛说“俺稀罕你”的时候，王尼玛的女朋友和丁尼玛的女朋友都能听得很清楚。也就是说，在这种环境下，相对于SISO（一对一讲悄悄话），听者同时接收到的信息量是SISO的2倍。

现在我们换一个环境。假设这两对情侣（也有可能是男-男，如图）在一个非常吵闹的小酒吧里聊天（或者谈话双方距离很远），尽管王尼玛提高了嗓门喊“俺稀罕你”，可是，他的“女”朋友（或者丁尼玛的）都无法听清楚。

那么，如果王尼玛和丁尼玛同时喊“俺稀罕你”呢？尽管信息的数量没有增加，但由于两路信号传送相同的信息，听者能听清楚的机会就大了很多。王尼玛的女朋友即使听不到王尼玛的“俺稀罕你”，也能听到丁尼玛的“俺稀罕你”。管它是谁说的呢？关键是信息传达到了，通信就成功了！从通信的角度讲，这叫提高了通信的可靠性。

那么，如果王尼玛和丁尼玛同时喊“俺稀罕你”呢？尽管信息的数量没有增加，但由于两路信号传送相同的信息，听者能听清楚的机会就大了很多。王尼玛的女朋友即使听不到王尼玛的“俺稀罕你”，也能听到丁尼玛的“俺稀罕你”。管它是谁说的呢？关键是信息传达到了，通信就成功了！从通信的角度讲，这叫提高了通信的可靠性。

这就是MIMO的工作原理。MIMO有两种模式：空间复用和发射/接收分集。
空间复用是将要传送的数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。
可以把王尼玛、丁尼玛以及其他的众多尼玛看作是路由器的天线，把王尼玛女朋友、丁尼玛女朋友以及其他尼玛的女朋友看做是接收设备（例如说笔记本、手机、PAD等）的天线。就很容易搞清楚多天线和速率的关系了。
我知道有人又会问：“三路11n+一路11ac这样的描述又是几个意思？为毛要搞两种天线啊？”
这就不得不扯出另外一个话题：“2.4GHz天线和5GHz天线的区别”
2.4GHz就像公路一样，车道窄而少（四车道），车速低。既能跑老牛破车（蓝牙等）也能跑手扶拖拉机（11b）既能跑货运客车（11g）又能跑敞篷超跑（11n）来来往往的各种车巨多，指不定啥时候来个磕碰、追尾什么的（干扰）
5GHz就像铁路一样，车道多，要是并起来的话就会很宽，车速超高。既能跑快淘汰的老式绿皮车（11a）又能跑改装跑车（11n）还能跑高铁动车（11ac）但目前能在上面运行的列车不会很多，因而很少会出现磕碰、追尾之类的事故（干扰）；
2.4GHz就如同屌丝一样，虽然器大活好，但渐渐难以迎合人民群众日益增长的高速率需求，因此大有被5GHz取代的意思。
但是2.4GHz有一个好处就是波长相对较长，穿墙打洞能力高（市面上所谓的穿墙王一般是在2.4GHz链路上做文章）5GHz波长则相对较短，穿墙能力让人拙计。
2.4GHz和5GHz都有各自的长处，并且短时间无法找到一套兼顾二者之长的方案。
那该如何是好呢？对了，你没猜错，答案便是将它们糅合在一起，就像下图一样。为了降低同频干扰，也为了降低天线的相关度，最好采取犬牙交错的布局方法。当然这又是一个比较复杂的问题，不展开讲。

顺便给大家讲一个喜闻乐见的故事，普及一下IEEE 802.11协议。

《速度与激情8–老A的逆袭》
话说老幺家有四个儿子，大儿子幺幺艾，二儿子幺幺毕，三儿子幺幺基，四儿子幺幺恩；绰号分别是：老a，2b，3g，小n。
大龄屌丝老a是一个火车司机，常年开着绿皮车，最大时速54码；
2b虽然开了辆小破车，可整天还挺乐呵。常年混迹于乡村小路，最大时速11码。
3g中规中矩，在新式国道上跑客运，最大时速54码。
新锐青年小n早年跟着几位大哥混，火车汽车都玩的溜；既能在公路上也能在铁路上飙车。最大时速150码。
邻居们都认为小n的潜力最大，前途不可估量。
刚开始小n也是不负众望，慢慢开拓了一片新天地。可后来渐渐变得骄奢慵懒，不思进取，守着那点老本开始坐吃山空了。

十年磨一剑，当年常常被众人讥讽的屌丝老A终于逆袭了。
老A先是遇到了小穗，生了个女儿，取名幺幺爱穗（11ac）
从小在铁路边长大，加上老爸的言传身教，爱穗自幼便能轻松驾驭高铁，单车道433码（后来升级到867码），最多支持8车道。
闷骚的老A后来又遇到了小娣，享尽齐人之福。偷偷生了个私生子，取名幺幺艾迪（11ad）
虎姐无犬弟，这货更是屌炸天；
欲知后事如何，且听下回分解。

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公路：2.4GHz；铁路：5GHz；
老幺家：IEEE802.11家族
幺幺艾：IEEE802.11a；幺幺毕：IEEE802.11b；
幺幺基：IEEE802.11g；幺幺恩：IEEE802.11n；
幺幺爱穗：IEEE802.11ac；
幺幺艾迪：IEEE802.11ad.
码：Mbps.

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大家在选购无线路由器的时候都会有一个疑问，究竟无线路由器1根，2根，还是3根天线的无线信号比较好呢？大部分朋友在选购无线路由器都只会根据无线路由器天线的数量和价格来判断该款无线路由器的信号强弱，究竟无线路由器是否天线数量越多信号就越好呢？无线路由器一、二、三根天线有什么区别？

MIMO（多入多出）也就是多天线的技术是从802.11n协议之后才有的，之前的802.11a,b,g都没有。也就是说首先老一代的路由器（802.11n之前）绝对不会有超过一个以上的天线。而你买了一个最新的3天线支持802.11ac（最新协议）的路由器，如果你的设备是老产品，比如只支持802.11a,b,g的iphone3G，那么很遗憾，那么多天线对你没任何意义。如果硬要多天线同时发射，反而不会有好效果。
为什么这样说呢？首先wifi应用的环境是室内。我们常用的802.11系列协议也是针对这种条件来建立的。那就是由于有很多建筑物或者障碍，发射机到接收机之间几乎不存在直射信号。我们管这个叫做多径传输。既然是多径，那么传输的路程就有长有短，有的可能是从桌子反射过来的，有的可能是穿墙的。于是这些携带相同信息但是拥有不同相位的信号一起汇集在接收机上。我们知道现代通信用的是分组交换，传输的是码（symbol）。由于上面所述不同的时延，造成了码间干扰ISI（inter symbol interference）。为了避免ISI，通信的带宽必须小于可容忍时延的倒数。
对于802.11 a,b,g 20MHz的带宽，最大时延为50ns，多径条件下无ISI的传输半径为15m。在IEEE 802.11协议中我们可以看到其最大范围是35m，这是协议中还有误码重传等各种手段保证通信，并不是说有一点ISI就完全不能工作。

也就是说，路由器的发射范围其实是协议决定的。对于802.11a,b,g，增多天线没有任何意义。假设这些天线可以同时工作，反而会使多径效应更加恶劣。
MIMO：
在维基百科的链接中（IEEE 802.11）我们可以发现从802.11n开始，数据有了很大的提升，首先802.11n有了40MHz模式，按照之前的理论，他的发射范围应该因此降低一半才对，而数据反而提升了一倍（70m），为什么呢。
这主要得益于多天线技术，刚才我们讨论的种种手段都是为了对抗恶劣的多径环境，但是多径有没有好的一面呢？事实上多天线技术也是基于多径的，我们称之为空间多样性。多天线的应用有很多种技术手段，这里简单介绍2种：波束成型（Beamforming）和时空分组码（主要介绍Alamouti’s code）。这两种技术的优点是不需要多个接收天线。尤其是alamouti码，连信道信息都不用，只用数学运算就用两根天线实现了3dB的增益，所有老师都对此赞不绝口！
不需要多个接收天线的优点是，并不是所有设备都能装上多天线的。为了避免旁瓣辐射，满足空间上的采样定理，一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距。无论是GSM信号1.8GHz，1.9GHz还是wifi信号2.4GHz，我们暂取2GHz便于计算，半波长为7.5cm。所以我们看到的路由器上天线的距离大多如此。也应为这个原因，我们很难在手机上安装多个天线（别提三星那个7寸的手机谢谢）。

1波束成型（Beamforming）：
借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，增加信号品质，并减少与其他用户间的干扰。我们可以简单笼统地这样理解天线的指向性：假设全指向性天线功率为1，范围只有180度的指向性天线功率可以达到2。于是我们可以用4根90度的天线在理论上提高4倍的功率。波束成型的另外一种模式是通过信道估计判断接收机的方位，然后有指向性的针对该点发射，提高发射功率。（类似于聚光的手电筒，范围越小，光越亮）。不过这种模式在哪个协议里应用我还不清楚。

2空时分组码STBC(Space—Time Block Code)
是在多天线上的不同时刻发送不同信息来提高数据可靠性的。Alamouti码是空时分组码里最简单的一种。为了传输d1d2两个码，在两根天线1,2上分别发送d1,-d2*和d2,d1*。由于多径，我们假设两根天线的信道分别为h1 h2，于是第一时刻接收机收到的信息r1=d1h1+d2h2,之后接受的信息r2=-d2*h1+d1*h2。接收到的这个2维方阵只要乘以信道，就可得到d1 d2的信息了……呃，似乎没解释清楚，没办法笔记不在身边，搜了一圈也没找到合适的材料。总之呢就是Alamouti找到一组正交的码率为一2×2矩阵，用这种方式在两根天线上发射可以互不影响；可以用一根天线接收，经过数学运算以后得到发射信息的方法。
其他的MIMO呢，在概念上可能比较好理解，比如2个发射天线t1 t2分别对两个接收天线r1 r2发射，那么相当于两拨人同时干活，速度提升2倍等等。但是实际实现起来一方面在硬件上需要多个接收天线，另一方面需要信道估计等通信算法，那都是非常复杂，并且耗时耗硬件的计算。
讲上面两种实际上是MISO的方法也是想从另外一个方面证明，天线多了不代表他们能一起干活。100年前人们就知道天线越多越好越大越好了，但是天才的Alamouti码1998年才被提出来多天线技术的802.11n协议2009年才开始应用。
20年前人们用OFDM技术对抗由于城市间或室内障碍太多造成的多径衰落，现在我们已经开始利用多径来提高通信质量。这是技术上突飞猛进的发展，而不是简单的“想当然”就可以实现的。由于上课时的笔记不在身边，总感觉有些没太大把握的地方。对于“假设工作在802.11 a,b,g SISO模式的三天线路由器，可否认为3根天线有较大的增益？”以及“处于两桥接模式路由器间的设备是否同时从两路由器下载数据，怎么进行同步？”亦心存疑惑。毕竟从书本的知识到实际应用还有一段距离，所以如有不对之处，欢迎指正。

总结：
天线数量越多无线路由器的信号就越好，但是，信号好的意思并不是说无线路由器天线数量越多，它的无线信号的发射能力就成倍增长，穿透力就越好，事实上，多天线无线路由器信号只是比单天线无线路由器的信号强10%到15%左右而已，简单的表现就是单天线无线路由器在经过一堵墙相隔后，它的信号剩下一格，而多天线无线路由器的无线信号则徘徊在单格与两格之间，一般不敏感的人群几乎感觉不到它们的差异，除非使用WIFI信号测试软件才能很直观的看见无线信号的差异，而且双天线与四天线的无线路由器相比，无线信号强度几乎是一样的。根据实验测试结果我们总结了一下意见，无线路由器天线数量对于信号增强帮助不大，只是厂家利用大家的心理作用来提升产品价格的营销手段而已。