Đứng cạnh router, điện thoại bắt 5 GHz và tải phim nhanh hết mức gói cước cho phép. Cầm nó qua hai bức tường vào phòng ngủ, nó lặng lẽ tụt về 2,4 GHz — chậm hơn hẳn, nhưng còn sống. Không ai đổi cài đặt gì:
Sáu mươi decibel bốc hơi trong mười mét
Router phát 100 mW. Cách đó 10 m, ăng-ten điện thoại nhận được 0,1 µW — 9,9·10⁻⁷ phần công suất phát, tức một phần triệu. Không có gì “hấp thụ” chỗ thất thoát khổng lồ ấy cả: sóng toả đều ra mặt cầu diện tích 4πd², ăng-ten chỉ chắn một mẩu tí hon của mặt cầu, phần còn lại bay đi trúng tường, trúng trần, trúng bầu trời. Đi xa gấp đôi, mặt cầu rộng gấp bốn, phần bạn hứng chia bốn — 6,02 dB. Ngay ở 1 m đã mất 40 dB.
Kỹ thuật vô tuyến gói cả câu chuyện vào ba số hạng cộng lại:
L(dB) = 20·log₁₀(d_km) + 20·log₁₀(f_MHz) + 32,44
P_nhận(dBm) = P_phát(dBm) − LỞ 10 m, băng 2,4 GHz nộp đúng 60,0 dB. Máy thu trong điện thoại giải mã được tín hiệu yếu tới −90 dBm, nên bạn vẫn dư 50 dB — đó là lý do WiFi chạy được dù con số thất thoát nghe vô vọng.
Vế tần số: ăng-ten của bạn nhỏ đi, không phải không khí dày lên
Số hạng 20·log₁₀(f) là chỗ bị hiểu sai nhiều nhất. Không gian trống
không hề cản 5 GHz mạnh hơn 2,4 GHz — chân không chẳng phân biệt tần số,
còn không khí phải lên tới cỡ 20 GHz mới bắt đầu hấp thụ đáng kể. Tần số
lẻn vào công thức từ phía máy thu: diện tích hứng sóng hiệu dụng của
một ăng-ten bằng G·λ²/4π, tỉ lệ với bình phương bước sóng. Ở 2,4 GHz,
λ = 12,5 cm; ở 5 GHz, λ = 6,0 cm. Cái “miệng” hứng sóng thu nhỏ đúng
(5/2,4)² = 4,34 lần, và 4,34 lần chính là 6,4 dB. Cùng một phép chia
c/f khiến ăng-ten điện thoại co lại
cũng khiến nó hứng được ít hơn. Nên đây không phải luật trời: cái chảo
parabol giữ nguyên kích thước vật lý thì tần số càng cao càng lợi.
Một bức tường đắt hơn mười mét không khí
Trong nhà, một vách ngăn nhẹ lấy khoảng 5 dB — bằng đúng việc dời router ra xa thêm 1,78 lần; tường bê tông cốt thép lấy 10–15 dB. Ba vách ngăn cộng lại là 15 dB, tương đương đẩy router ra xa 5,62 lần mà không ai động vào nó.
Các hướng dẫn lắp mạng không dây đòi tín hiệu mạnh hơn −67 dBm nếu muốn thoại và video mượt. Trong không gian trống, 2,4 GHz giữ được mức ấy tới 223 m, 5 GHz tới 107 m. Cho ba bức tường xen vào: 39,6 m và 19,0 m. Băng 5 GHz không hề yếu — nó chỉ hết ngân sách sớm hơn đúng một bậc thang căn hộ.
Cái bạn mua bằng 6,4 dB
Thiệt mọi mặt về đường truyền như thế, sao ai cũng chuộng 5 GHz? Vì băng 2,4 GHz chỉ rộng 83,5 MHz, nhét vừa ba kênh 20 MHz không chồng nhau cho cả toà chung cư, lại phải chia sóng với Bluetooth và với lò vi sóng rò ra ở 2,45 GHz. Băng 5 GHz đủ chỗ cho kênh 160 MHz — rộng gấp 8 lần.
Cuộc mặc cả vì thế đọc được bằng một phép cộng: mở kênh rộng gấp 8 thì nhiễu nhiệt cũng vào gấp 8, tức 9,0 dB; cộng 6,4 dB suy hao, 5 GHz đánh đổi tổng cộng 15,4 dB tỉ số tín hiệu trên nhiễu để lấy 8 lần bề rộng kênh. Ở gần, nơi bạn còn dư 50 dB, đó là món hời. Ở xa, khi ngân sách chỉ còn vài dB, đó là tự sát — và đúng phép tính ấy điện thoại làm lại mỗi lần bạn bước qua một ngưỡng cửa.
Trường hợp biên: hành lang thắng cả không gian trống
Công thức trên giả định không gian tự do, và trong đời thật nó sai theo cả hai chiều. Trong hành lang hẹp, tường và trần dội sóng tới lui thay vì thả nó ra mặt cầu — hành lang hành xử như một ống dẫn sóng, và tín hiệu tụt chậm hơn cả trong không gian trống. Ngoài trời thì ngược lại: qua điểm gãy, tia phản xạ từ mặt đất về gần ngược pha với tia thẳng và triệt tiêu bớt nó, suy hao chuyển từ d² sang d⁴ — mỗi lần đi xa gấp đôi mất 12,0 dB thay vì 6,0.
Vế tần số hiện rõ nhất ở chỗ nhà mạng đặt tiền: 4G băng 900 MHz phủ cả một xã bằng vài cột, còn WiFi 5 GHz không ra nổi khỏi cái sân. Ở cùng khoảng cách, 900 MHz lời 14,9 dB so với 5 GHz — đi xa được 5,56 lần trước khi yếu tương đương. Nhưng cả băng 900 MHz chỉ rộng vài chục MHz, và đó là toàn bộ lời nguyền: cùng một vế 20·log₁₀(f) bán tầm phủ cho tần số thấp và bán tốc độ cho tần số cao, chưa bao giờ bán cả hai cho một ai.