wi-fi龜速 耶誕裝飾燈恐為始作俑者

生活科學趣談

wi-fi龜速 耶誕裝飾燈恐為始作俑者 – 中央社發布於2015年12月1日

這個有關wiFi測試的遊戲蠻好玩,首先請在手機或平版安裝”wifi分析儀”這個APP(Android版iOS版)。以Android版為例,下圖是分析的結果

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其中訊號最強的是”種花的小烏龜”,它的wi-Fi通道是”1″,對應頻率為2412MHz;訊號第三強的HITRON則是”開播”寬頻上網,它的wi-Fi通(信)道是”6″,對應頻率為2437MHz。由於微波爐使用的頻率是2450 MHz,這與2437MHz比較接近,所以先連上這台HITRON來實際測試。下圖是以 Speedtest這個APP(Android版iOS版)在廚房測HITRON連線的結果

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接著開啟微波爐來煮杯咖啡喝,Oops! 連線速率低到難以想像,特別是下載速率↓

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難道是微波有洩漏嗎?再測一次,這次在微波爐前面蓋上據稱能吸收洩漏微波的防護罩

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喔?竟然沒差!這樣的結果倒是出乎我意料之外,因為先前曾以微波爐洩漏偵測器測過這塊防護罩確實有抗微波洩漏的效果(在蓋上防護罩前後的變化約是0.1mW/cm2→0.01mW/cm2),這有點奇怪。不過算了一下還是有點道理,因為HITRON訊號強度-75dbm相當於3×10-8 mW,那麼縱使蓋上防護罩,將洩漏的微波強度乘以這個平板天線的面積,其所吸收的微波功率還是遠遠大於其在廚房所接收到的HITRON訊號功率。看到這裡,或許有人就會好奇說:「那不就完全被蓋台了,怎麼還能測得到下載與上載的連線速率呢?」關於下載的部分,由於微波爐啟動後,磁控管是以斷斷續續的方式來發射微波(類似方波模式,若微波設定加熱功率越低,則在一個循環週期中,ON的時間越短,OFF的時間越長),於是手機或平版就能在OFF的空檔中接收到HITRON所傳來的訊號。至於上載的連線速率變化差距沒那麼大的原因,這是因為這台HITRON-66F0是屬於802.11n規格的無線基地台,它是一種可以走2.4GHz與5GHz頻率的通信協議。基於上載速率大約只剩一半,我認為這個”開播”寬頻上網可能是採用”時分雙工”技術(TDD, Time-Division Duplexing)來處理手機或平版送過來的5GHz訊號。註:這台HITRON AP支援2.4GHz與5GHz WiFi

接下來測這台DSL-6740C的WiFi AP,微波爐未使用時的連線數據是:

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微波爐開啟後則是↓

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喔喔,再度跌破眼鏡!竟然連距離2450 MHz最遠的這個2412MHz通道”1″都被蓋台了,看來微波爐的威力真是不容小覷。至於上載速率反而升高倒是在意料之中,因為小烏龜可能是採用”頻分雙工”技術(FDD,Frequency-Division Duplexing),它會自動將空出來的一部份下載頻寬撥出來給上載使用。註:802.11n 使用MIMO 多進多出技術,這台光世代DSL-6740C的AP是兩路發射兩路接收(2 Transmit 2 Receive, 2T2R)的MIMO;上網的Samsung Note則支援WiFi 802.11 a/b/g/n (2.4 & 5GHz)與WiFi Direct

再來玩個吹風機好了,聽說它的電磁輻射也蠻強的,這是在浴室未使用吹風機之前的連線速率:

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吹風機開啟後則是↓

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這個結果也很有意思,雖然變化沒有微波爐那麼明顯,但是無論下載或上載都會變慢一些。這是因為馬達轉動時,電刷與集電環會有接觸與分開的斷續動作,這種電氣小火花會產生電磁波的雜訊訊號。由於波形很雜亂,所以裡面什麼頻率都有,當然也包含了微弱的2.4GHz與5GHz頻率,因此在某種程度上也能干擾下載與上載的訊號。這樣就能解釋「耶誕裝飾燈」或許會降低WiFi連線速率的原因了,因為耶誕裝飾燈之所以會閃爍,就是它的線路中包含一顆flasher,它的功用與汽車方向燈閃爍的原理相同,二者都是運用一根複合雙金屬片,在通電後由於雙金屬片的熱脹效應不同而造成彎曲,進而形成斷路,然後冷卻後又會再度接通電路,持續這樣的過程就會造成聖誕燈或方向燈的閃爍。正因為這種斷續的動作會在flasher內部造成電氣小火花,因此會發射出電磁波的雜訊而稍微干擾到WiFi的連線速率。至於聖誕燈泡這種鎢絲燈所發出的紅外光譜可不可能也包含了微波波段?答案是不可能,因為紅外線是微米的數量級,微波爐波長則是12.24cm,二者相距太遠了。

測試結果分析:
1. 無論是連上哪一台WiFi AP,在微波爐開啟的廚房內使用手機或平版時,其下載速率都會嚴重下降,有時甚至會低於1Mbps。這是因為微波洩漏所造成的雜訊嚴重干擾了基地台傳來的訊號,因而造成能正確解碼封包的比率嚴重下降。
2. 使用微波爐時,由於此時的訊號/雜訊比降低,這就如同收訊不良的狀況,因此手機可能會自動調高發射功率。以這台上網測試的Samsung Note而言,其WiFi Module的最大發射功率可達17dbm,這比微波爐所洩漏的總功率還大的多。在這種情況下,在基地台處收到來自平版上載的訊號強度會比微波爐傳過來的雜訊強度高很多。加上此時平版的發射功率提高,因此基地台所收到來自平版的上載速率是有可能提高的。這似乎能解釋為何開啟微波爐時,DSL-6740C卻反而能收到較高的上載速率之理由。不過既然使用同一台平版上網,所有的實驗條件也幾乎相同(二台AP都放在電視機旁),那麼為何使用不同的AP卻在上載速率上有著天壤之別,一個是上升,另一個則是下降?畢竟同一台平版在微波爐前應該都會面臨相同的狀況而做相同的反應(自動調高發射功率),這一點實在令人費解。或許可能的原因是:一個AP是拉同軸電纜進來的寬頻上網,另一個AP是光纖上網;二者所設定的雜訊預算值不同;二者接收雜訊時的感度惡化程度不同(還要考慮內部的載台雜訊);二者接收端將信號解調變的方式不同;DSL-6740C是 2T2R的MIMO…

結論:
若不想讓耶誕燈造成干擾(雖然其造成的影響應該不大),理論上只要在燈泡串的最後那顆flasher包上鋁箔紙,如此即可吸收其輻射出來的電磁雜訊。最重要的是在使用微波爐的時候,不要站在它前面上網看YouTube影片^^

最後,特別感謝義守大學資工系廖冠雄教授的不吝指正!