2014年5月5日 星期一

2.4Ghz 與 5Ghz 穿透性與傳輸效果

近期有朋友買了 5Ghz 的 AP 設備後,分享了相關心得,但令他不解的是:為何 5Ghz 的網通設備,其穿透率不如 2.4Ghz 的高?在此我們不討論詳盡的物理實驗與計算,僅回歸探討「波長」與「能量」還有「繞射」等基本科普問題。


見圖 1, 首先讓我們複習「波」的基本定義。於橫軸上有一波形,以橫軸為零點,橫軸以上的波形,其峰頂點稱為「波峰」,由波峰至橫軸的距離稱為「振幅」;橫軸以下的波形,其低點稱為「波谷」兩個波峰之間的距離稱之為「波長」。


波長越長,其頻率越低,能量也較低,因此穿透率較差;相反的,波長越短,能量越高,頻越也高,其穿透率也較強。


圖 1(轉自網路)



生活中我們從無線電、3G基地台、可見光、紅外線、X光、微波爐等,這些都是以波的是形式存在我們四周,見圖 2:

圖 2(轉自 wiki 百科)



再來讓我們談談繞射問題,圖 3 為著名的楊氏雙縫實驗(繞射、干涉於雙縫實驗同時發生),相信各位高中物理課程都有實驗過,在 Wiki 上對於繞射的定義如下:

繞射(英語:diffraction)是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。


在古典物理學中,波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物後會發生不同程度的彎散傳播。假設將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間,則會有光亮區域與陰晦區域出現於觀察屏,而且這些區域的邊界並不銳利,是一種明暗相間的複雜圖樣。這現象稱為繞射,當波在其傳播路徑上遇到障礙物時,都有可能發生這種現象。


圖 3  楊氏干涉與繞射雙縫實驗(轉自 wiki 百科)




複習了波的基本物理後,我們可以開始探討:為何 2.4Ghz 於室內的傳撥能力優於 5Ghz ?


圖 4 2.4Ghz 與 5Ghz 比較表

圖 4 左側示意圖中,我將每個波的粒子以小人偶代替,藉此以簡單的方式陳述 2.4 G 為何繞射能力較優,圖 4 右側為 2.4Ghz 與 5Ghz 比較表,從表中得知 5Ghz 穿透能力較 2.4Ghz 強,但為何 5Ghz 於室內傳輸的狀況較差? 註:圖 4 中的擬人說法,於實際物理實驗與理論中其實是不大正確的,但這僅是為了概述說明波長於繞射實驗的影響所做的簡單陳述,若有任何問題,歡迎指教。

當每個小人偶依序排隊要通過狹縫時,可以看到 5Ghz 的波長短,頻率高,因此小人偶欲通過狹縫時較為擁擠,雖穿透能力較強,但其能量都耗費於「穿透」上,因此其剩餘能力用於繞射上就顯得心有餘而力不足,因此繞射的效果較差。相反的, 2.4Ghz 波長較長,頻率低,小人偶彼此之間的距離拉大,通過狹縫的程度較為容易,且經由繞射與反射,使 2.4Ghz 於是內的傳輸狀況優於 5Ghz。


因此透過上述說明與比較表,我們來歸納以下兩點 2.4Ghz 與 5Ghz 的比較:

傳輸能力

5Ghz 的能量較強,傳輸速率快,若在開闊地點,例如台北地下街、美食街等開放式地形,不需將能量耗費於穿透障礙物或建築物時,5Ghz 在此類環境中更能擔任高負載性的群眾上網需求應用;2.4Ghz 若是家居環境下,雖有牆壁、家具等障礙物,但傳輸範圍不需高達數十、數百公尺以上,因此透過繞射與反射即可達到一定程度的訊號傳撥。當然若有更穩定的頻寬需求,加裝 Router 是最基本的解決方案,並非一定要更換 5Ghz 網通設備不可。


設備普及率與價格

目前市面上的網通設備依舊是以 2.4Ghz 為大宗,無論是 802.11 a/b/g ,2.4Ghz 的產品幾乎都有滿足需求的選項可供購買,但 5Ghz 的產品為數不多,穩定性也與價格高低有關。如果你在家中只是想要用 iPad 躺在床上看看韓劇來自星星的你,對你而言,用 2.4Ghz 和 5Ghz 有差嗎?我想差異不會太大,畢竟家中成員同一時間使用 AP 的人數不會太多,因此網路速度影響有限。所以是否真的需要 5Ghz ,除了衡量使用環境外,當然還有你的荷包與使用人數作為網通設備的採購考量。


如何挑選適合的網通設備,這端看各位所要架設的範圍與地區來決定,若是位於室內,目前還是推薦以 2.4Ghz 為佳;若使用地點為開闊地形,那麼 5Ghz 將有助於良好的高速上網體驗。

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