Wi-Fi дальнего действия - Long-range Wi-Fi

Wi-Fi дальнего действия используется для недорогих, нерегулируемых компьютерных сетевых подключений точка-точка в качестве альтернативы другим фиксированным беспроводным , сотовым сетям или спутниковому доступу в Интернет .

Сети Wi-Fi имеют диапазон, который ограничен частотой, мощностью передачи, типом антенны, местоположением, в котором они используются, и окружающей средой. Типичный беспроводной маршрутизатор в системе многоточечной связи внутри помещений с использованием 802.11n и стандартной антенны может иметь радиус действия 50 метров (160 футов) или меньше. Наружные двухточечные схемы за счет использования направленных антенн могут быть увеличены на многие километры (мили) между станциями.

Вступление

С момента разработки стандарта радиосвязи IEEE 802.11 (продаваемого под торговой маркой Wi-Fi ) эта технология стала заметно дешевле и достигла более высоких скоростей передачи данных . Wi-Fi большого радиуса действия, особенно в диапазоне 2,4 ГГц (поскольку более короткие диапазоны с более высокой скоростью передачи данных 5,8 ГГц становятся популярной альтернативой проводным соединениям LAN), быстро распространился со специальными устройствами. В то время как точки доступа Wi-Fi повсеместно распространены в городских районах, в некоторых сельских районах используются более мощные трансиверы с большим радиусом действия в качестве альтернативы сотовым ( GSM , CDMA ) или фиксированным беспроводным ( Motorola Canopy и другие 900 МГц) приложениям. Основные недостатки 2,4 ГГц по сравнению с этими низкочастотными вариантами:

плохое проникновение сигнала - соединения 2,4 ГГц эффективно ограничены прямой видимостью или мягкими препятствиями;
гораздо меньший радиус действия - сотовые телефоны GSM или CDMA могут надежно подключаться на расстоянии> 16 км (10 миль); дальность действия GSM, налагаемая параметрами множественного доступа с временным разделением , установлена на уровне 35 км (22 мили);
лишь немногие поставщики услуг поддерживают на коммерческой основе соединения Wi-Fi на большие расстояния.

Несмотря на отсутствие коммерческих поставщиков услуг, приложения для Wi-Fi на большом расстоянии появились по всему миру. Он также использовался в экспериментальных испытаниях в развивающихся странах, чтобы связать сообщества, разделенные сложной географией, с небольшим количеством других вариантов подключения или без них. Некоторые преимущества использования Wi-Fi дальнего действия для этих приложений включают в себя:

нелицензированный спектр - избегание переговоров с действующими операторами связи, правительствами или другими лицами;
меньшие, более простые и дешевые антенны - антенны 2,4 ГГц имеют размер вдвое меньше, чем антенны сопоставимой мощности 900 МГц, и требуют меньшей молниезащиты;
наличие проверенного бесплатного программного обеспечения, такого как OpenWrt , DD-WRT , Tomato, которое работает даже на старых маршрутизаторах (например, WRT54G ) и делает такие режимы, как WDS , OLSR и т. д., доступными для всех, включая модели распределения доходов для точек доступа.

Некоммерческие организации, эксплуатирующие широко распространенные установки, такие как службы лесного хозяйства, также широко используют Wi-Fi дальнего действия для расширения или замены старых коммуникационных технологий, таких как коротковолновые или микроволновые приемопередатчики в лицензированных диапазонах.

Приложения

Бизнес

Обеспечьте покрытие большого офиса или бизнес-комплекса или кампуса.
Установите прямую связь между большими небоскребами или другими офисными зданиями или аэропортами.
Подключите Интернет к удаленным строительным площадкам или исследовательским лабораториям.
Упростите сетевые технологии, объединив небольшое количество связанных с Интернетом широко используемых технологий, ограничив или исключив устаревшие технологии, такие как коротковолновое радио, чтобы их можно было использовать там, где они действительно необходимы.
Подключите Интернет к дому, если обычный кабель / DSL не может быть подключен в этом месте.
Подключите Интернет в загородный дом или коттедж на удаленных горах или на озере.
Подключите Интернет к яхте или большому морскому судну.
Поделитесь соседней сетью Wi-Fi .

Некоммерческие и государственные

Подключите широко распространенные физические посты охраны, например, для лесников, которые охраняют физическую территорию, без какой-либо новой проводки
В туристических регионах заполните мертвые зоны сотовой связи покрытием Wi-Fi и обеспечьте подключение для местных операторов туристической торговли.
Сократите затраты на выделенную сетевую инфраструктуру и повысьте безопасность за счет применения современного шифрования и аутентификации.

Военный

Подключите критически настроенных лидеров мнений, инфраструктуру, такую как школы и полицейские участки, в сеть, которую местные власти могут поддерживать.
Построить устойчивую инфраструктуру с более дешевым оборудованием, которое может себе позволить обедневший, раздираемый войной регион, т. Е. Используя сетевые технологии коммерческого уровня, а не военного класса, которые затем могут быть оставлены вооруженным силам развитых стран.
Снижение затрат и упрощение / защита цепочек поставок за счет использования более дешевого и простого оборудования, потребляющего меньше топлива и энергии аккумуляторных батарей; В целом это высокие приоритеты для коммерческих технологий, таких как Wi-Fi, особенно когда они используются в мобильных устройствах.

Научное исследование

Сеть сейсмических датчиков дальнего действия использовалась во время Андского сейсмического проекта в Перу. Участок с множеством пролетов общей протяженностью 320 километров (200 миль) пересекался с некоторыми сегментами от 30 до 50 километров (от 19 до 31 мили). Цель состояла в том, чтобы подключиться к удаленным станциям Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе , чтобы получать сейсмические данные в реальном времени.

Крупномасштабные развертывания

Проект «Технологии и инфраструктура для развивающихся регионов» (TIER) Калифорнийского университета в Беркли в сотрудничестве с Intel использует модифицированную настройку Wi-Fi для создания двухточечных соединений на большие расстояния для нескольких своих проектов в развивающихся странах. Этот метод, получивший название Wi-Fi на большом расстоянии (WiLD), используется для соединения офтальмологической больницы Аравинд с несколькими отдаленными клиниками в штате Тамил Наду , Индия . Расстояния варьируются от пяти до пятнадцати километров (3–10 миль) со станциями, расположенными на прямой видимости друг друга. Эти ссылки позволяют специалистам больницы общаться с медсестрами и пациентами клиники с помощью видеоконференцсвязи. Если пациенту требуется дальнейшее обследование или уход, можно записаться на прием в больницу. Другая сеть в Гане связывает университет Ганы , кампус Легона с его удаленными кампусами в Медицинской школе Корле бу и городском кампусе; Дальнейшее расширение будет иметь связи на расстоянии до 80 км (50 миль) друг от друга.

В рамках проекта Tegola Эдинбургского университета разрабатываются новые технологии для обеспечения высокоскоростной и доступной широкополосной связи в сельских районах, недоступных для оптоволокна. Кольцо из 5 звеньев соединяет Нойдарт, северный берег озера Лох-Хурн и удаленное поселение в Килбеге с транспортным рейсом от гэльского колледжа на острове Скай. Все звенья проходят над приливными водами; они имеют длину от 1+1 / 2 до 12 миль (2,4 до 19,3 км).

Увеличение дальности другими способами

Специализированные каналы Wi-Fi

В большинстве стандартных маршрутизаторов Wi-Fi трех стандартов a, b и g достаточно. Но в Wi-Fi дальнего действия используются специальные технологии, чтобы получить максимальную отдачу от подключения Wi-Fi. Стандарт 802.11-2007 добавляет режимы OFDM 10 МГц и 5 МГц к стандарту 802.11a и увеличивает время защиты циклического префикса с 0,8 мкс до 3,2 мкс, что в четыре раза увеличивает защиту от многолучевых искажений. Некоторые общедоступные наборы микросхем 802.11a / g поддерживают «половинную частоту» и «четверть тактовой частоты» OFDM, которые предусмотрены стандартом 2007 года, а продукты с частотами 4,9 и 5,0 ГГц доступны с полосой пропускания канала 10 МГц и 5 МГц. Вероятно, что некоторые наборы микросхем 802.11n D.20 также будут поддерживать «половинную синхронизацию» для использования в полосе пропускания канала 10 МГц, что вдвое превышает диапазон стандарта 802.11n.

802.11n и MIMO

Предварительная работа 802.11n стала доступна во многих маршрутизаторах в 2008 году. Эта технология может использовать несколько антенн для нацеливания на один или несколько источников для увеличения скорости. Это известно как MIMO , несколько входов и выходов. В ходе испытаний было заявлено, что увеличение скорости происходит только на коротких расстояниях, а не на больших расстояниях, необходимых для большинства соединений точка-точка. С другой стороны, использование двойных антенн с ортогональной полярностью вместе с набором микросхем 2x2 MIMO эффективно позволяет отправлять и принимать два независимых сигнала несущей по одному и тому же дальнему пути.

Увеличение мощности или повышение чувствительности приемника

Крышный усилитель Wi-Fi мощностью 1 Вт, питающий простую вертикальную антенну слева.

Другой способ увеличения дальности - использование усилителя мощности. Эти небольшие устройства, обычно известные как «усилители-расширители диапазона», обычно подают на антенну около 1 ⁄ 2 Вт мощности. Такие усилители могут увеличить дальность действия существующей сети более чем в пять раз. Каждые 3 дБ удваивают эффективную выходную мощность. Антенна, получающая мощность 1 Вт и усиление 6 дБ, будет иметь эффективную мощность 4 Вт.

Антенны с большим усилением и размещение адаптера

Направленные антенны специальной формы могут увеличить дальность передачи Wi-Fi без значительного увеличения мощности передачи. Антенна с высоким коэффициентом усиления может иметь множество конструкций, но все они позволяют передавать узкий луч сигнала на большее расстояние, чем ненаправленная антенна, часто сводя на нет близлежащие источники помех. Такие методы " WokFi " обычно дают выигрыш более чем на 10 дБ по сравнению с голой системой; Достаточно для дальности прямой видимости (LOS) в несколько километров (миль) и улучшения краевых участков.

Взлом протокола

Стандартные реализации протокола IEEE 802.11 могут быть изменены, чтобы сделать их более подходящими для использования на больших расстояниях, точка-точка, с риском нарушения взаимодействия с другими устройствами Wi-Fi и возникновения помех от передатчиков, расположенных рядом с антенной. Эти подходы используются в проекте TIER.

Помимо уровней мощности, также важно знать, как протокол 802.11 подтверждает каждый полученный кадр . Если подтверждение не получено, кадр передается повторно. По умолчанию максимальное расстояние между передатчиком и приемником составляет 1,6 км (1 милю). На больших расстояниях задержка приведет к повторной передаче. В стандартной прошивке для некоторого профессионального оборудования, такого как Cisco Aironet 1200, этот параметр можно настроить для оптимальной пропускной способности . OpenWrt , DD-WRT и все его производные также позволяют такую настройку. В целом программное обеспечение с открытым исходным кодом значительно превосходит коммерческое встроенное ПО для всех целей, связанных со взломом протокола, поскольку философия состоит в том, чтобы раскрыть все возможности радиочипсета и позволить пользователю изменять их. Эта стратегия была особенно эффективна с маршрутизаторами начального уровня, такими как WRT54G, которые обладали отличными аппаратными функциями, которые коммерческое микропрограммное обеспечение не поддерживало. По состоянию на 2011 год многие поставщики по-прежнему поддерживали только часть функций набора микросхем, которые разблокировали микропрограммы с открытым исходным кодом, и большинство поставщиков активно поощряют использование микропрограмм с открытым исходным кодом для взлома протоколов, отчасти для того, чтобы избежать трудностей, связанных с попытками поддержки пользователей коммерческих микропрограмм, пытающихся это сделать. .

Фрагментация пакетов также может использоваться для повышения пропускной способности в условиях шума / перегрузки. Хотя фрагментация пакетов часто считается чем-то плохим и действительно увеличивает накладные расходы, снижая пропускную способность, иногда она необходима. Например, в ситуации перегрузки время эхо-запроса 30-байтовых пакетов может быть отличным, в то время как время пинга 1450-байтовых пакетов может быть очень низким с большой потерей пакетов. Разделение пакета пополам путем установки порога фрагментации на 750 может значительно улучшить пропускную способность. Порог фрагментации должен быть делением MTU , обычно 1500, поэтому должно быть 750, 500, 375 и т. Д. Однако чрезмерная фрагментация может усугубить проблему, поскольку увеличенные накладные расходы увеличат перегрузку.

Препятствия на пути к Wi-Fi на больших расстояниях

Методы, увеличивающие радиус действия Wi-Fi-соединения, также могут сделать его хрупким и нестабильным из-за различных факторов, в том числе:

Вмешательство ландшафта

Препятствия - одна из самых больших проблем при настройке Wi-Fi дальнего действия. Деревья и леса ослабляют микроволновый сигнал, а холмы затрудняют установление распространения в прямой видимости . Дождь и мокрая листва могут еще больше уменьшить дальность действия при сильном дожде.

В городе здания будут влиять на целостность, скорость и возможность подключения. Стальные рамы и листовой металл в стенах или крышах могут частично или полностью отражать радиосигналы, вызывая потерю сигнала или проблемы с многолучевым распространением. Бетонные или оштукатуренные стены значительно поглощают микроволновые сигналы, уменьшая общий сигнал. Больницам с их чрезмерным экранированием может потребоваться тщательное планирование для создания жизнеспособной сети.

Приливное замирание

Когда беспроводные соединения точка-точка пересекают приливные устья или архипелаги, многолучевые помехи от отражений над приливной водой могут быть значительно разрушительными. В проекте Тегола используется метод медленной скачкообразной перестройки частоты для смягчения приливных замираний.

Помехи 2,4 ГГц

Микроволновые печи в жилых домах преобладают в диапазоне 2,4 ГГц и вызывают "нарушения времени приема пищи" минимального уровня шума . Есть много других источников помех, которые создают серьезное препятствие для использования на больших расстояниях в населенных пунктах. Домашние беспроводные телефоны, концентраторы USB 3.0, радионяни, беспроводные камеры, устройства дистанционного управления автомобилем и устройства Bluetooth могут передавать данные в диапазоне 2,4 ГГц.

Из-за предполагаемого характера диапазона 2,4 ГГц, есть много пользователей этого диапазона, потенциально с десятками устройств в каждой семье. По самой своей природе «дальний» означает антенную систему, которая может видеть многие из этих устройств, которые при сложении создают очень высокий минимальный уровень шума, в результате чего ни один сигнал не может быть использован, но, тем не менее, все еще принимается. Целью системы дальнего действия является создание системы, которая обеспечивает избыточное усиление этих сигналов и / или использует направленные антенны, чтобы приемник не «видел» эти устройства, тем самым снижая минимальный уровень шума.

Известные ссылки

Италия

Самая длинная линия Wi-Fi без усиления - это 304 км, достигнутая CISAR (Итальянский центр радиодеятельности). Новый мировой рекорд в области беспроводного широкополосного доступа на большие расстояния.

ссылка впервые установлена 7 мая 2016 г. и 8 мая 2016 г.
кажется постоянным от Монте-Амиата (Тоскана) до Монте-Лимбара (Сардиния)
частота: 5765 МГц
IEEE 802.11a (Wi-Fi), полоса пропускания 50 МГц
скорость передачи данных: до 356,33 Мбит / с
Радио: радиостанции Ubiquiti Networks AF-5X
Беспроводные маршрутизаторы: Ubiquiti airFiber
Протяженность: 304 км.
Антенна 120 см (4 фута) с волноводом ручной работы. Приблизительно 35 дБи

Венесуэла

Еще одно примечательное соединение Wi-Fi без усиления - это канал длиной 279 км (173 мили), достигнутый Фондом латиноамериканской сетевой школы.

Пико-дель-Агила - Эль-Бауль Линк.
частота: 2412 МГц
ссылка установлена в 2006 году
IEEE 802.11 (Wi-Fi), канал 1, полоса пропускания 22 МГц
Беспроводные маршрутизаторы: Linksys WRT54G , прошивка OpenWrt в Эль-Агила и прошивка DD-WRT в Эль-Бауле.
Длина: 279 км.
На обоих концах использовались параболические тарелочные антенны, переработанные со спутниковой связи.
На площадке Эль-Агила алюминиевый сетчатый отражатель диаметром 2,74 м (9 футов) с центральной подачей, на Эль-Бауле - сплошной отражатель из стекловолокна со смещенной подачей, 2,44 на 2,74 м (8 на 9 футов). На обоих концах сигналы были 12 дБи Яги .
Маршрутизаторы серии Linksys WRT54G снабжали антенны короткими кабелями LMR400, поэтому эффективное усиление всей антенны оценивается в 30 дБи .
Это самая большая известная дальность, достигнутая с помощью этой технологии, улучшая предыдущий рекорд США в 201 км (125 миль), достигнутый в прошлом году в США. Шведское космическое агентство достигло 315 км (196 миль), но с использованием 6-ваттных усилителей для достижения накладных расходов. стратосферный шар .

Перу

Установка антенны в Напо, Лорето (март 2007 г.)

В Лорето , в районе джунглей Перу, находится самая длинная в мире многозвенная сеть на основе Wi-Fi. Эта сеть была реализована Исследовательской группой сельских телекоммуникаций Папского католического университета Перу (GTR PUCP). Сеть Wi-Fi проходит через множество небольших деревень и занимает семнадцать переходов, чтобы преодолеть все расстояние. Он начинается в медпункте Кабо-Пантоха и заканчивается в центре города Икитос . Его длина составляет около 445 км (277 миль). Зона вмешательства была создана в низменных джунглях на высоте менее 500 метров (1600 футов) над уровнем моря. Это ровная зона, поэтому GTR PUCP установила башни средней высотой 80 метров (260 футов).

Связь была установлена в 2007 году. GTR PUCP, региональное правительство Лорето и Vicariate San José de Amazonas совместно работают над обслуживанием сети.
Используемые частотные каналы: 1, 6 и 11, каналы 802.11g без помех
Использовались беспроводные маршрутизаторы Doodle Labs .
Использовались антенны L-com.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

Фликенгер, Роб; Фонда, Карло; Форстер, Джим; Ховард, Ян; Краг, Томас (февраль 2008 г.). Беспроводные сети в развивающихся странах (PDF) (2-е изд.). Hacker Friendly LLC. ISBN 978-0-9778093-6-3. Архивировано (PDF) из оригинала 27.10.2011.

Languages

In other projects