Wi-Fi和4G信号都是2.4G频段，为什么Wi-Fi 的覆盖面和穿透力很差？

crusking

答案本身很简单，主要原因就是WiFi的发射功率远小于LTE。这就导致在衰减系数相同的情况下，LTE的信号能量仍然大于WiFi。

但为了更加深入细致的说明两种协议工作下的发射功率不同的原因，就需要先了解LTE和WiFi在工作协议上的不同。这两者最本质的区别就是LTE是基站进行中心控制，而WiFi是分布式控制，没有中心节点。

名词先容：

1）信道也称作通道(Channel)或频段，是以无线信号（电磁波）作为传输载体的数据信号传送通道。在无线信号覆盖范围内的各种无线网络设备应该尽量使用不同的信道，以避免信号之间的干扰。

2）MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。如图1所示，TX和RX分别代表发送端和接收端。

图1.a)SISO：单输入单输出；b)单输入多输出；c)单输入多输出；d)多输入多输出

可见MIMO情况下有4条链路，而单天线系统下的SISO仅仅只有1条链路，通过空时编码和空时解码，MIMO技术相比SISO可以有更好的信号质量和更大的覆盖范围。

1.LTE工作机理概况

LTE（Long Term Evolution, 长期演进）最初是第三代移动通信向第四代移动通信过度升级过程中的演进标准，包括LTE FDD（频分双工）和LTE TDD（时分双工）两种模式。中国于2013年年底开始运营的4G系统就是基于LTE TDD(简称为TD-LTE标准）的移动通信系统。

在设计之初，就对LTE的覆盖性能提出了比较高的要求：

1）针对覆盖半径小于5公里的场景优化设计

2）针对覆盖半径在5公里至30公里之间的场景，允许性能略有下降

3）在覆盖半径30公里至100公里之间的场景，应该仍能工作。

为了实现上述三个不同覆盖场景下的要求，在OFDM中采用了长短两种CP长度，以适应不同的覆盖范围。

同时下行运用2*2MIMO（多输入多输出，物理实现方式为多根发送天线和多根接收天线），并进行高阶QAM调制，使得在20MHz带宽下，下行峰值速率为100Mb/s（注：实际中，要达到这样的理论速率，要求整个小区里就你一个用户，且信号质量极好）。

然后大家来先容LTE中的多用户调度技术，即根据每个用户的信道状况，给用户分配合适的资源块，对其使用合适的编码调制方式进行调制。其中最核心的问题表示调度准则问题，目前有以下算法：

1）最大吞吐量：MAX C/I算法，其原理是在每一个资源块（信道）上，选择信道条件最好的用户。

2）最公平：轮训算法（Round Robin,RR），不管用户的信道条件好花哦，统一按照固定顺序分配资源块。

3）比例公平（Proportional Fair）,兼顾吞吐量和公平性，并在两者之间进行折中。

通过以上的简单先容和科普，大家可以得知，LTE再设计之初就对覆盖半径有着比较高的要求。同时在LTE协议中，资源块（信道）为基站按照一定的调度准则分配给用户。这样使得不同用户使用不同的信道，避免同频干扰。

2.WiFi工作机理概况

WiFi（WIreless-FIdelity）为分布式控制，同时民用的WiFi由于不需要牌照，使用的是公用的ISM频段（2.4GHz），所受到的干扰相比LTE更为复杂。WiFi在工作中为了避免不同用户之间的冲突，采用了CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)协议。在此仅对CSMA/CA做进一步先容和阐述。

首先先先容CSMA（注意，此处没有CA）

图2 两种CSMA机制先容

CSMA机制简单实用，但实际中会产生两个问题：1）隐藏终端和2）暴露终端。

图3 隐藏终端示意图

当节点A向节点B发送数据时，由于阻挡等原因，节点C无法监听到A发出的数据信号，因此节点C认为信道空闲并向节点B发出数据，来自A和C的数据信号在节点B处冲突，造成接收失败。

图4 暴露终端
当节点C向节点D发送数据时，节点B同时可以监听到C发出的数据，从而认为信道忙、处于“避让”状态，进而B无法向A发出数据，造成信道浪费。如果节点C的发送功率越大，则对B的影响越大，会降低系统性能。

CSMA/CA－载波侦听多址接入/碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance）协议，是IEEE802.11 DCF的工作 模式，采用RTS/CTS机制解决了隐藏终端问题。

图5 隐发送节点藏终端问题解决示意图
a)A发出RTS (Request-to-Send)，A的所有邻居节点监听到RTS后认为“信道忙”。

b)接收节点B发出CTS (Clear-to-Send)，B的所有邻居节点监听到CTS后认为“信道忙”。

c)RTS/CTS中包含本次数据传输所需要的信道占用时间NAV，在这段时间内，与A和B相邻的所有节点均保持静默，以避免对A和B之间的数据传输的干扰。

图6 RTS/CTS协议图
在数据传输开始前，发送节点A和接收节点B通过RTS/CTS接入信道，A的邻居节点C接收到RTS获知本次传输所需时间NAV，B的邻居节点D接收到CTS获知NAV信息，因此C和D均在NAV时间内保持静默，直到传输完毕。

节点A和节点B接入信道后，开始传输数据，当节点A将数据包发送完毕后，节点B回应ACK包，对数据传输进行确认，以确保传输有效性。

CSMA/CA的吞吐量公式如下：

图7 吞吐量随包规模和节点数量的变化

如图所示，节点数量（M）越多，竞争冲突概率越大，信道利用率下降。所以如果两台AP（例：路由器）及其用户都在同一覆盖区域，那么这两个WLAN网络之间必定存在信道竞争。由于WiFi采用CSMA/CA机制，所以同一区域内，WiFi同信道设备越多，竞争就越激烈，竞争开销就越大，实际可享用带宽就越小。所以在AP部署时，要注意将同一信道AP的位置错开，且同信道的AP不要距离过近。

通过以上的简单先容和科普，大家可以得知，WiFi为无中心控制，依靠载波监听技术消除干扰。也就是说，任何一台接入WiFi的设备，都会对其覆盖范围内的其他设备，直接或间接地产生干扰。因此得到以下结论：WiFi设备的发射功率和覆盖范围越大，对其他用户的干扰越大。

最后再重复一下问题的答案：Wi-Fi 和 4G 信号都是 2.4G 频段，为什么 Wi-Fi 的覆盖面和穿透力很差？

1）在设计之初，LTE使用场景的覆盖半径就要比WiFi大。

2）WiFi覆盖范围越大，由于隐藏终端问题，会产生更多干扰，降低用户体验。

3）为了降低覆盖范围，人们刻意限制了WiFi的发送功率和天线结构。

4）如果WiFi和LTE工作功率相同且使用相同天线技术时，穿透力不会存在明显差别。

5）无论何种无线通信协议和机制，其传输媒介都是电磁波；一般区分电磁波的参数只有波长，相同波长的电磁波物理性质完全一样。打个比方，就如同胡萝卜和苹果里提取出的维生素C的分子是完全相同的。