ワイヤレスルーターのアンテナが 1 本、2 本、3 本の場合の違いは何ですか?

最初の誤解は、アンテナの数が多いほどカバー範囲が広くなり、アンテナの数が多いほど信号が強くなるというものです。 MIMO (Multiple Input Multiple Output) またはマルチアンテナ技術は、802.11n プロトコルの後に導入された技術です。以前の 802.11a/b/g にはそれがありませんでした。つまり、古い世代のルーター (802.11n 以前) には、複数のアンテナが搭載されることはありません。 802.11ac (最新のプロトコル) をサポートする 3 つのアンテナを備えた新しいルーターを購入しても、デバイスが 802.11a/b/g のみをサポートする iPhone 3 などの古い製品である場合、残念ながら追加のアンテナは意味がありません。複数のアンテナで同時に送信しようとすると、良い効果は得られません。なぜそう言うのでしょうか?まず、Wi-Fiが適用される環境は屋内です。私たちが一般的に使用する 802.11 シリーズのプロトコルも、この条件に合わせて確立されています。つまり、建物や障害物が多く、送信機と受信機の間に直接信号がほとんど存在しないということです。これをマルチパス伝送と呼びます。マルチパスなので伝送距離が長くなったり短くなったりすることがあります。一部はテーブルから反射され、一部は壁を通過する可能性があります。これらの信号は同じ情報を運ぶが位相が異なるため、受信機で結合されます。現代の通信ではパケット交換とコード（シンボル）の送信が使用されていることはご存じのとおりです。上記の異なる時間遅延により、符号間干渉 (ISI) が発生します。 ISI を回避するには、通信帯域幅を許容遅延の逆数よりも小さくする必要があります。 802.11a/b/g 20MHz 帯域幅の場合、最大遅延は 50ns で、マルチパス条件下での ISI なしの伝送半径は 15m です。 IEEE802.11 プロトコルでは、最大範囲は 35 m であることがわかります。これは、プロトコルにも、通信を確実に行うためのエラー再送などのさまざまな手段が備わっているためです。少量の ISI で完全に機能しなくなるわけではありません。つまり、ルーターの送信範囲は実際にはプロトコルによって決まります。 802.11a、b、g の場合、アンテナを追加しても意味がありません。これらのアンテナが同時に動作できると仮定すると、マルチパス効果はさらに悪化します。 MIMO: 先ほどの Wikipedia のリンク (IEEE802.11) を見ると、802.11n 以降、データが大幅に改善されていることがわかります。まず、802.11n には 40MHz モードがあります。これまでの理論によれば、伝送範囲は半分に減少するはずだったが、データは倍増した（70メートル）。なぜ？これは主にマルチアンテナ技術によるものです。これまで説明した方法はすべて、厳しいマルチパス環境に対抗することを目的としていますが、マルチパスには良い面もあるのでしょうか?実際、マルチアンテナ技術もマルチパスに基づいており、これを空間ダイバーシティと呼びます。複数のアンテナを適用する技術的な手段は数多くあります。ここでは、ビームフォーミングと時空間ブロックコーディングの 2 つについて簡単に紹介します (主に Alamouti のコードについて紹介します)。どちらの技術にも利点は、複数の受信アンテナが必要ないことです。特に、Alamouti コードは、チャネル情報さえ必要とせず、数学的計算のみを使用して 2 つのアンテナで 3dB のゲインを実現します。先生たちもみんな褒めてくれました！複数の受信アンテナを必要としないことの利点は、すべてのデバイスに複数のアンテナを装備できるわけではないことです。サイドローブ放射を回避し、空間サンプリング定理を満たすために、送信信号の波長の半分が物理的なアンテナ間隔として一般的に使用されます。 GSM信号1.8GHz、1.9GHz、またはWi-Fi信号2.4GHzのいずれの場合でも、計算の便宜上、一時的に2GHzを採用し、半波長は7.5cmになります。これが、私たちが目にするほとんどのルーターのアンテナ間の距離です。このため、携帯電話に複数のアンテナを取り付けるのは困難です (Samsung の 7 インチ携帯電話については言及すらしません)。 1. ビームフォーミング: 複数のアンテナを使用して指向性ビームを生成します。これにより、目的の送信方向にエネルギーが集中し、信号品質が向上し、他のユーザーとの干渉が減少します。アンテナの指向性は、次のように簡単に大まかに理解できます。全方向性アンテナの電力が 1 であると仮定すると、範囲が 180 度しかない指向性アンテナの電力は 2 に達します。したがって、90 度アンテナを 4 つ使用すると、理論的には電力を 4 倍に増やすことができます。ビームフォーミングの別のモードは、チャネル推定を通じて受信機の方向を決定し、そのポイントに方向性を持って送信して送信電力を増加させることです。 (焦点を絞った懐中電灯と同様に、範囲が狭いほど光は明るくなります)。ただし、このモードがどのプロトコルに適用されるかはわかりません。 2. 時空間ブロック符号 (STBC) は、複数のアンテナで異なる情報を異なる時間に送信することでデータの信頼性を向上させます。 Alamouti コードは、最も単純なタイプの時空間ブロックコードです。 2 つのコード d1d2 を送信するには、d1,-d2* と d2,d1* がそれぞれ 2 つのアンテナ 1 と 2 で送信されます。マルチパスのため、2 つのアンテナのチャネルはそれぞれ h1h2 であると想定します。したがって、受信機が最初に受信する情報は r1=d1h1+d2h2 であり、その後に受信する情報は r2=-d2*h1+d1*h2 です。受信した2D行列をチャネルに掛け算すればd1d2の情報が得られる…ということなのですが、まあ、明確に説明されていないようです。メモがなければ説明できません。いろいろ探しましたが、適当な材料が見つかりませんでした。つまり、Alamouti は 2×2 行列として直交コードレートのセットを発見しました。この方法では、2 つのアンテナの送信が互いに影響を及ぼしません。 1 つのアンテナで受信でき、送信された情報は数学的な計算によって取得できます。他のMIMOに関しては、概念的に理解したほうが簡単かもしれません。たとえば、2 つの送信アンテナ t1t2 はそれぞれ 2 つの受信アンテナ r1r2 に送信します。これは、2 つのグループの人々が同時に作業することと同等であり、速度が 2 倍になるなどです。ただし、実際の実装では、一方ではハードウェアで複数の受信アンテナが必要になり、他方ではチャネル推定などの通信アルゴリズムが必要になり、これらは非常に複雑で時間がかかり、ハードウェアを集中的に使用する計算になります。上記の 2 つの方法が実際には MISO であると言う理由は、アンテナの数が増えてもそれらが連携して動作できるわけではないことを別の観点から証明するためです。 100 年前の人々は、アンテナが多ければ多いほど良い、大きければ大きいほど良いということを知っていましたが、天才的な Alamouti コードは 1998 年まで提案されず、マルチアンテナ技術を備えた 802.11n プロトコルは 2009 年まで適用されませんでした。20 年前、人々は都市間や屋内の障害物が多すぎることによって引き起こされるマルチパスフェージングに対処するために OFDM 技術を使用していました。現在、通信品質の向上のためにマルチパスの使用を開始しています。これは技術の飛躍的進歩であり、単に「当然のこと」として受け止めるだけでは達成できません。授業のノートを持っていないので、いつも何か不安を感じてしまいます。また、「3 アンテナルーターが 802.11a、b、g SISO モードで動作していると仮定した場合、3 つのアンテナの方がゲインが大きいと考えられますか?」という質問もあります。「2 台のブリッジモードルーター間のデバイスは、2 台のルーターから同時にデータをダウンロードできますか。また、それらを同期させるにはどうすればよいですか。」やはり、本の知識から実践まではまだまだ距離がありますので、間違いなどありましたら遠慮なくご指摘ください。

今日頭条の青雲計画と百家曼の百+計画の受賞者、2019年百度デジタル著者オブザイヤー、百家曼テクノロジー分野最人気著者、2019年捜狗テクノロジー文化著者、2021年百家曼季刊影響力のあるクリエイターとして、2013年捜狐最優秀業界メディア人、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト北京3位、2015年光芒体験賞、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト決勝3位、2018年百度ダイナミック年間有力セレブなど、多数の賞を受賞しています。

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