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想开发IM:买成品怕坑?租第3方怕贵?找开源自已撸?尽量别走弯路了... 找站长给点建议
IM开发者的零基础通信技术入门(十一):为什么WiFi信号差?一文即懂!

【来源申明】本文引用了微信公众号“无线深海”的《WiFi穿墙完全指南》文章内容。为了更好的内容呈现,即时通讯网在引用和收录时内容有改动,转载时请注明原文来源信息,尊重原作者的劳动。


1、系列文章引言


1.1适合谁来阅读?


本系列文章尽量使用最浅显易懂的文字、图片来组织内容,力求通信技术零基础的人群也能看懂。但个人建议,至少稍微了解过网络通信方面的知识后再看,会更有收获。如果您大学学习过《计算机网络》这门课,那么一定不要错过本系列文章。

特别推荐即时通讯开发者来阅读,因为针对移动弱网的问题,确实可以找到很多有价值的答案

友情提示:本系列文章可能涉及以下通信技术范畴,如您有兴趣,也可自行系统地学习:
1.gif

1.2本系列文章的初衷


作为即时通讯(IM、消息推送等应用场景)相关技术的开发者人员来说,似乎了解跨专业的通信技术(这是大学通信工程专业类学生的学习内容),有点过于深入和底层了,因为一般来说熟练掌握逻辑层的TCP\IP相关协议、网络编程相关的应用技术就差不多能胜任这方面的本职工作了。

没错,确实是这样。但在开发IM、推送这类应用系统时,尤其在移动网络下,各种弱网问题,让人非常痛苦。

典型的弱网问题,比如:

  • 1)频繁掉线;
  • 2)丢包严重;
  • 3)网络抖动;
  • 4)网络延迟;
  • ........

那么,针对以上现象,怎么才能有底气的跟老板、客户、产品经理地解释以下问题?

  • 1)导致这些现象的根本原因到底是什么?
  • 2)怎么跟老板解释,要搞定在高铁上用好音视频聊天功能很困难?
  • 3)怎么跟客户解释P2P在3G、4G甚至5G网络下的成功率问题?
  • 4)怎么向客户说明,商场或人多场合下,明明信号很好,但你的APP确用不了?
  • .......

你说这些都是网络问题,APP代码无能为力。那么,你倒是讲讲到底是什么样的网络问题?能把人讲信服了,就可以甩锅给网络,不然只能是APP代码背锅了。现实吧!

所以,我们还是老老实实花点功夫来研究研究通信技术吧(通信技术直面的是网络通信物理层),至少遇到问题,不说给别人,至少给自已找到一个说的过去的解释。这才是一个优秀程序员的修养!

1.3本系列文章的价值


网上能找到的通信技术资料都太过专业或太不专业,要么都是搞网络工程方面的内行人编写的(内容专业但很枯燥难懂),要么就是外行的IT开发人员写的(很少见,且价值不大,因为不够专业,所以内容并不准确,参考价值很有限)。

既能让外行的普通程序员看懂,还能准确地讲明白通信技术知识,这样的资料简直比找金矿还难。因为普通程序员能接触到的网络编程、网络通信方面的资料多针对数据通信的逻辑层(比如:tcpip、socket等知识范畴),而通信技术涉及的是数据通信的物理层(交换机、路由器、天线、网络制式等),某种意义上来说,这是完全不同的技术方向。

好消息是,经过长时间的资料搜集,终于有了本系列文章,希望能给你带来帮助。

1.4拓展阅读


即时通讯网之前已经整理过《移动端IM开发者必读(一):通俗易懂,理解移动网络的“弱”和“慢”》、《移动端IM开发者必读(二):史上最全移动弱网络优化方法总结》、《现代移动端网络短连接的优化手段总结:请求速度、弱网适应、安全保障》这几篇初涉通信层的文章,但都因技术广度和深度有限,能带给读者的帮助比较局限。如果您看过这几篇文章,那么一定不要错过本次的《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章

另外,如果您对最基本的程序员本该掌握的网络编程知识都还不怎么了解的话,建议首先阅读网络编程懒人入门系列文章》、《脑残式网络编程入门系列》,以及更高深一点的《不为人知的网络编程系列文章》。

1.5番外:通信技术女神镇楼


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▲ 史上最高颜值科学杂志封面,人物为 “CDMA之母”——海蒂·拉玛(一个被演艺事业耽误的科学女神)

2、本系列文章目录


IM开发者的零基础通信技术入门(一):通信交换技术的百年发展史(上)
IM开发者的零基础通信技术入门(二):通信交换技术的百年发展史(下)
IM开发者的零基础通信技术入门(三):国人通信方式的百年变迁
IM开发者的零基础通信技术入门(四):手机的演进,史上最全移动终端发展史
IM开发者的零基础通信技术入门(五):1G到5G,30年移动通信技术演进史
IM开发者的零基础通信技术入门(六):移动终端的接头人——“基站”技术
IM开发者的零基础通信技术入门(七):移动终端的千里马——“电磁波”
IM开发者的零基础通信技术入门(八):零基础,史上最强“天线”原理扫盲
IM开发者的零基础通信技术入门(九):无线通信网络的中枢——“核心网”
IM开发者的零基础通信技术入门(十):零基础,史上最强5G技术扫盲
IM开发者的零基础通信技术入门(十一):为什么WiFi信号差?一文即懂!》(* 本文
IM开发者的零基础通信技术入门(十二):上网卡顿?网络掉线?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十三):手机信号差?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十四):高铁上无线上网有多难?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十五):理解定位技术,一篇就够

3、本文内容概述


WiFi对于现在的家庭来说,属于司空见惯的上网方式,但很多情况下,家里房间多、空间大、杂物乱的情况下,WiFi的信号就受影响。为什么WiFi信号会受影响?什么情况下该使用何种方式组网?如何改善WiFi信号差的问题?等等,本文将通俗易懂地为你找到这些问题的答案。

4、WiFi穿墙之迷


自从WiFi成为人类生存基本需求以来,蜉蝣君经常被问到一个问题:“我的路由器有这么多根天线,看起来牛逼闪闪,号称大功率穿墙王,咋才走了几步就没信号了呢?”

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更有甚者,如上图这位MM,更是问出了如此让人瞠目结舌的问题:“号称450米的路由器,咋才过了不到10米,穿了两堵墙就没信号了?”

纳尼?450米的路由器?!什么鬼?!

把MM发来的盒子图片放大一看,上面赫然写着450M!!!能把“M”想象成“米”,这相象力相丰富了吧!

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▲ 450M无线路由器

其实这里的450M并不是450米的意思,而是指Mbps,又称兆比特每秒,说的是这款路由器的最大下载速率可以达到450Mbps,跟覆盖的距离和穿墙能力一毛钱关系都没有。

下面我们就来聊聊WiFi的信号问题,包括覆盖距离和穿墙能力。希望看完之后,能让你对WiFi有一个全新的认识。

5、WiFi的协议和频谱


5.1简介


首先来说WiFi的协议及频谱的问题。

自从WiFi标准被IEEE(电气和电子工程师协会)提出以来,经过了20年的蓬勃发展,一步一个脚印,出了一个又一个协议版本,如下图所示。

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▲ WiFi各协议版本

从上表可以看出,WiFi有两个工作频段:2.4G和5G。这两个频段都是非授权频段(或者叫免授权频段)——只要符合国家法规,不经授权就可使用。也就是说,在家里装个无线路由器,收发WiFi信号,是不需要任何人批准的(而使用除此之外的“授权频段”,是需要国家正式授权的)。

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▲ 频谱之问

5.2什么是2.4G频段?


2.4G频谱的范围是2.4GHz~2.4835GHz,共有83.5M带宽,划分为13个信道,每个信道宽20M。

可是,20M乘以13等于260M啊,这13个信道共需要260M带宽,而2.4G频谱只有83.5M,这怎么放得下?

答案就跟上公交车一样:“挤一挤,往后挪一挪,赶紧再上一个!”人多车小,为了共同的出行需求,个人空间就别想了,被踩到脚更是难免。

从下图可以看出,2.4G频谱的这13个信道紧密地交叠在一起,干扰是不可避免的。

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▲ 2.4G频谱及信道

注意:第14信道在国内是不允许使用的。

信道交叠到什么程度呢?由下图可以比较直观地看出,在这些信道里面,只有1,6,11,或者2,7,12,或者3,8,13这三组是完全没有交叠的。

就好比一条很窄的路,上面同行的车却很多,势必造成通行速度的下降。

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▲ 2.4G不交叠的信道分布

到了802.11n,用户可以使用40M的信道,但2.4GHz频段依然只有83.5M的总带宽,就只能容纳两个信道了。因此只有在夜深人静网络空闲的时候,单个用户才有可能使用40M信道,加之来自隔壁老王家的干扰,802.11n的高速率很大程度上难以达到。

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▲ 2.4G 40M带宽信道

5.3什么是5G频段?


既然2.4G频段如此拥挤不堪,IEEE那些制定WiFi标准的专家们,就打起了另一个免授权频段的主意——那就是5G频段。(再次注意,这里的5G和我们现在常说的5G通信标准是完全两回事。

802.11n虽说是可以工作在5GHz上的,但这个协议版本非常老旧。所以,5GHz的优势由更年轻的802.11ac来体现。

5G频谱的范围是4.910GHz~5.875GHz,有900多M的带宽,是2.4G的10倍还多!

正是因为这段频谱很宽,内部还会划分成几个子频段,有的还没分配,有的作为其他用途。连4G LTE,都想用它(也就是LTE-U,LTE-Unlicensed)。

对于这段频谱,不同国家之间的使用情况差别很大,中国可以使用的部分如下图所示。

8.gif
▲ 中国可用的5G频谱

下图是中国的5GHz可用信道的分布情况。

9.jpg
▲ 中国5G信道分布图

支持802.11ac的路由器和手机可以在把这些可用的信道自由组合,使用20M、40M、80M甚至160M带宽的信道。

信道多,带宽大,干扰小,峰值下载速度有效提升。

6、WiFi的速率估算


WiFi工作在2.4G和5G分别能达到多大的峰值下载速率?

2.4G频段我们采用802.11n来估算,这个版本也是支持2.4G的最新的协议版本。5G频段我们采用最新的802.11ac来估算,这个协议版本只支持5G。

802.11n引入了几个特点:

  • 1)支持MIMO,也就是可以使用最多4个天线来收发送数据,下载速率成倍提升。因此看到现在市场有上多个天线的路由器,至少支持802.11n无疑。
  • 2)在支持标准的20M带宽信道的基础之上,新增了双倍带宽,也就是40M。单用户理论峰值下载速率又得到了成倍提升!

因此,要估算802.11n最大下载速率,很简单,数天线的个数!一个天线加上40M信道最大能达到150Mbps的速率,两个天线自然就是300Mbps,以此类推,4个天线可达600Mbps!

而802.11ac又在下面几点上进行了增强:

  • 1)MIMO增强:最多可以使用8个天线来收发送数据,速率倍增!
  • 2)信道扩宽:支持80MHz带宽信道,最大可支持160M带宽信道,速率倍倍增!
  • 3)高阶调制:支持256QAM,速率再增30%!

在这3点的加成之下,802.11ac单天线可达433Mbps,两天线867Mbps,三天线1.3Gbps,4天线1.7Gbps,8天线3.4Gbps!

以上只是理论上的推算,实际上支持802.11ac的路由器,天线个数都在4根以内。

7、双频路由器的诞生


“双频路由器”的横空出世又是为何?

既然5G加802.11ac这么好,那是不是以后的路由器和手机就都可以不支持2.4GHz了呢?单靠5Ghz和802.11ac能否打下一片全新的天地呢?

答案是不行。

显而易见的一个原因是因为兼容性

几年前大量的手机、电脑、电视只支持2.4GHz,为了让这些老设备不至于没法上网,对于2.4GHz的支持的必须的。

另一个原因是覆盖

2.4G的频率低波长大,信号损耗小,穿透能力强,在覆盖上和5G相比具有一定优势。这个问题我们后面再详谈。

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▲ 2.4G的穿透能力强于5G

尺有所短,寸有所长。既然如此,何不2.4G和5G双频合璧?

平地一声雷,双频路由器横空出世。

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▲ 双频路由器

因为2.4G和5G的信号指标差别较大,一般情况下2.4G和5G的天线是独立的,如上图一样错开分布,让相同频段的天线之间相隔地尽可能远,保障性能最优。

要估算双频路由器支持的最大下载速率,方法依旧是数天线,不同之处是2.4G和5G的速率要分开计算,然后再加起来就可以了。

其实,高速率这样的核心卖点,路由器厂家肯定是要赫然印在包装盒上并大肆宣传的,商家早都替我们算好了。

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▲ 1200M≈300M+867M

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▲ 双频路由器的速率

频段和速率铺垫完毕,终于到和穿墙有关的部分了,也就是WiFi的信号强度和损耗。

8、为啥WiFi信号的总是这么差?


首先我们来看看WiFi信号在传播中遇到障碍物之后的反应:

  • 1)折射:WiFi信号经过玻璃或水的时候,信号路径发生偏折,我们和路由器都在空气中,因此折射的影响可以忽略;
  • 2)反射:WiFi信号经过光滑的物体表面时,信号会发生反射,和光的反射类似;
  • 3)绕射:WiFi信号经过水泥墙体,因难以穿越,部分信号会向旁边散开,等遇到一个可以穿过的区域再继续向本来的方向继续直线传播;
  • 4)漫射:WiFi信号遇到水泥墙,因为直线线路受阻,部分信号会散开,沿着墙壁上下左右继续延伸出去;
  • 5)穿透:WiFi信号的能量一部分被障碍物吸收,剩余能量的透过障碍物继续传播。

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▲ 室内WiFi信号传播模型

一般情况下,在室内环境下,我们手机接收到的WiFi信号主要是反射、绕射、漫射和穿透这四种效应的叠加。后三种效应都和信号的频率关系很大,频率越高绕射和穿透的能力越差。

不管是2.4G还是5G频段,在无线通信里都属于较高的频段了,虽说2.4G绕射和穿透能力要比5G强一些,但也高不到哪里去。

我们来看看2.4G信号穿墙之后的损耗(经验值):
15.gif
▲ 2.4G频段穿透损耗

在射频世界里,一般用dB这个单位来表示信号变化的情况。

怎么理解呢?很简单:

  • 1)降低3dB,是指信号强度降低到原先的1/2(二分之一);
  • 2)降低10dB,是指信号强度降低到原先的1/10(十分之一);
  • 3)降低30dB,是指信号强度降低到原先的1/1000(千分之一)。

结合上表可以得出下面的结论:

  • 1)木头,玻璃这些障碍物,对于WiFi信号的阻挡作用不强,只会带来一半左右的信号衰减;
  • 2)砖墙,水泥墙这些障碍物,堪称WiFi信号杀手,穿透的信号动辄衰减为原先的千分之一;
  • 3)电梯这类金属障碍物,简直就是WiFi信号的噩梦,轻轻松松衰减到原先的万分之一!

16.jpg
▲ WiFi信号差

真是让人绝望啊,这可咋办呢?

有没有所谓“大功率路由器?”

机智的你肯定很快就想到了,想要信号好穿墙能力强,增大发射功率啊!没有什么不是增大功率不能解决的,如果有,那就再增大一倍!

但是在WiFi这里,增大发射功率还真不行。

因为无线路由器的发射功率是有国家规定的——最大100mW,也就是0.1W。我国对无线设备发射功率一向要求严格,不符合这个要求的产品是不能上市的。

所以,想通过增强发射功率来提升WiFi信号这条路是走不通的。

“高增益天线”是否可行?

既然发射功率有限制,那如果路由器用的高增益天线到话,不是能量发射会更集中,从而覆盖地更远吗?

理论上来说是这样。但增益高能量集中的代价就是波束变窄,WiFi信号的覆盖会不均匀,有的方向信号强,有的方向信号弱。如果有多个人在不同位置同时使用的话,对覆盖的评价会褒贬不一。

17.jpg
▲ 天线增益及辐射方向图

而且,一般的路由器天线增益也就9dBi,面对动辄就几十dB的穿透损耗来说也是杯水车薪。

9、我该怎么提升WiFi信号?


这也不行那些不行,那该到底咋样才能提升WiFi信号呢?

9.1场景1:“我就一台路由器,既想让WiFi信号变好,又一分钱都不想花,该怎么办?”


【方法一:路由器摆放位置优化】

既然所谓的“穿墙王”,“单台穿三墙”这种神器统统不存在,单台路由器不可避免的无法完全覆盖任意角落。

如果想要最低成本地解决问题,请记住下面这几条法则:

  • 1)传播距离越短信号越好,所以尽量把路由器放在房子的中央!
  • 2)木门,玻璃门等对信号的衰减小,尽量让路由器多走门,少穿墙!
  • 3)弱电箱的位置一般都在门口,四周面板也会屏蔽无线信号,所以尽量不要把无线路由器放在弱电箱里!
  • 4)把路由器摆在高一些,开阔一下的地方,避开冰箱、洗衣机、各种家具等障碍物!

下面是作业:请看这张图,位置一和位置二哪个好?
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▲ 路由器摆放位置差异对信号的影响

再请看这张图,位置一和位置二哪个好?
19.jpg
▲ 路由器摆放高度对信号的影响

相信这两道题的答案是不言而喻的。

【方法二:调整合理的天线角度】

一般的家用路由器都使用全向天线,全向天线的无线信号分布类似被水平压扁的轮胎。所以,无线信号在与天线垂直的方向上覆盖效果最好。

如下图所示:
20.jpg
▲ 全向天线辐射方向图

所以,还乖乖把无线路由器的天线调整到与地面垂直,直戳戳地对着房顶就好,别掰成各种乱七八糟的角度了,直戳戳地对着你的方向恰好信号最弱!

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▲ 路由器的天线角度调节建议

【方法三:避免环境干扰】

  • 1)尽量使用双频路由器,能使用5G频段尽量使用5G!如前文所示,2.4G频段是非常拥堵的,自然受到的干扰也更多。而5G频段相对来说就要干净地多。虽然有时候看起来5G的信号比2.4G少上一两格,但说不定速度更快!
  • 2)把路由器尽量放得离微波炉、蓝牙设备、无线鼠标键盘等设备远一些!这些玩意都在2.4G上工作,造成干扰指数增加!
  • 3)更改路由器的信道配置!前面已经说过,2.4G频段上只有3个独立不交叠的信道,一般来说就是1,6和11。试着改改看,哪个信道好就用哪个。

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▲ 修改2.4G信道设置

9.2场景2:“为了上网爽快,我还是愿意点花钱的,怎么办?”


这就必须要上升到家庭组网方案了!

【方案一:使用无线扩展器扩展放大无线信号】

这是目前中小户型WiFi信号扩展的主流方案。哪里信号比较弱,就在这个位置就近的电源插座上插一个扩展器,不需要连接网线。这个功能就叫做信号中继,顾名思义,就是指信号放大器接收主路由器的信号,放大之后再发射出来,因此家里的信号还是同一个,手机、Pad会连接质量较好的信号。

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▲ 无线扩展器

适用环境:任意环境都适用。

【方案二:使用无线路由器桥接扩大信号】

这个方案使用路由器的无线桥接功能,把多台无线路由器通过无线方式连起来,路由器之间也不需要网线连接。通过无线桥接后,WiFi信合实现了接力,起到放大作用。当然,副路由器一般来说四个网络口,可以用来接有线电脑,这也是这个方案的优势之一。

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▲ 两个路由器桥接

那么方案二和方案一还有什么不同呢?那就是桥接的这两个路由器实际上还是独立工作的,可以设置不同的WiFi名称和密码。

适用环境:手头已有多台无线路由器、想要在副路由器接有线设备。

【方案三:使用网线把两台(或者多台)路由器连接起来】

使用网线将多个路由器连接起来,其中连接宽带的路由器作为主路由器,其他的作为副路由器。主副路由器之间通过各自的LAN口连接起来,此时副路由器相当于无线交换机。

通过配置,可以实现整个网络只有一个无线信号,实现自动漫游。

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▲ 有线连接多个路由器

这个方案要求各个路由器之间通过网线连接起来,最大的优势就是稳定性好,路由器之间没有无线损耗,各个路由器的速率都很高,但也有一个明显的限制条件,就是所有路由器之间必须通过网线连接。

适用环境:已经布好网线的环境。

【方案四:使用HyFi套装(子母路由器)组建全覆盖无线网络】

HyFi(全称:Hybrid Wi-Fi)也叫电力猫,是指同一产品同时采用“有线”和“无线”两种技术,以房间内无处不在的“电线”为主干,“无线”作为接入,使产品兼具有线的稳定可靠性和无线的移动便捷性。

TP-Link的HyFi套装是由HyFi路由器和HyFi扩展器两部分组成,两者是通过家里的电线传输数据的。配置好路由器后会将无线设置自动推送到扩展器,这样就组成了只有一个信号的无线网络。

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▲ HyFi套装通过电线传输信号

HyFi无线解决方案是具有方便快捷的特点,通过电线传输无需布线,传输速度快、稳定性好。并且无线配置简单,只需要配置好路由器,扩展器的信号就会随之同步改变。

因此这个方案扩展性很好,可以根据实际需要配置多个扩展器,外观也非常的大气,美观、简洁。

华为的这个方案也叫子母路由器,和HyFi这个名称相比来说更接地气,本质都是路由器和电力猫的结合,可通过家里的已布好的电线传送信号。

相比较前几种,这个方案方案成本相对较大,需要替换之前的路由器。

适用环境:任意家庭环境。

【方案五:使用AP/AC扩展无线信号】

如果你偏爱整洁的环境,不想看到插座上的线缆,更不想看到突兀的路由器天线,还要所有房间都覆盖良好,那么就使用AC加无线AP的方式组网吧,绝对如你所愿。

  • AP:无线访问接入点(Access Point),说白了就是一个WiFi信号收发器,相当于去掉了路由和管理功能的无线路由器;
  • AC:无线控制器(Access Controller),就是用来集中化管理多个无线AP的,负责下发配置、修改相关配置参数、射频智能管理、接入安全控制等。

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▲ AC/AP管理网络

方案要求所有的AP(接入点)和AC(接入控制器)通过有线方式连接起来,由AC统一配置所有的无线AP,整个无线网络有统一的信号,可以实现无线漫游。

该方案选用的AP是可以嵌入到墙里面的网线面板,由AC通过网线来供电,不需要外接电源,美观大方,不占空间。这一切的代价就是贵。

适用环境:大户型,对覆盖要求高,希望整洁,所有网络设备都隐形。

【小结】

至此,以上几种常见方案介绍完毕,我们对各个方案进行对比:
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▲ 各种组网方案对比

好了,絮叨了这么多,关于WiFi穿墙的“道”和“术”都已经介绍完毕,希望各位在任意角落都能够信号满满。

29.jpg
▲ 技术男的难处

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评论 4
技术男凭实力单身
引用:登至必极 发表于 2019-04-01 22:23
技术男凭实力单身

哈哈
签名: 阳光灿烂的日子
这种文章正好是我需要的,要是早几年看到就更好了,那时候也不会两眼一抹黑了
引用:不浪费一个字节 发表于 2019-04-22 11:57
这种文章正好是我需要的,要是早几年看到就更好了,那时候也不会两眼一抹黑了

哈哈
签名: 阳光灿烂的日子
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