社区自由盒子/点对点无线链路

并非所有社区都能在所在地区获得 ISP 提供的互联网连接。在这种情况下，通过无线连接到附近有互联网连接的点，是获取互联网连接的一种方式。这种连接可以跨越超过 10 公里的长距离。它可以共享现有互联网连接的带宽，或者从 ISP 获取新连接到他们能够提供连接的点。其他选择包括在有可用时使用 4G 互联网连接，或者铺设一条社区拥有的光纤电缆到可以提供互联网连接的点。本节介绍如何评估和设置长距离点对点无线连接。读者应该能够进行自己的评估，如果可行，请按照此处提供的说明设置自己的无线链路。

设置的技术知识来自各种来源，鼓励读者阅读这些来源。主要来源是书籍发展中国家的无线网络。其他来源在每个子部分中提供参考。整个部分以作者在印度特伦甘纳州的 Geesukonda 和 Gangadevipally 村庄之间建立的 2.6 公里长的无线连接为例进行描述。此连接为 Gangadevipally 提供来自邻近 Geesukonda 村庄的互联网连接。

需求

要建立无线链路，必须满足以下条件

不需要无线电许可证。这里描述的链路使用典型家庭 Wi-Fi 接入点的技术和无线电频率。几乎所有国家/地区都不需要为此获得许可证。以防万一，请咨询当地法规。
通常，对 Wi-Fi 接入点允许发射的最大功率有限制。查找当地法规，并注意允许发射的最大功率。例如，在印度，对于 2.400 GHz 到 2.483.5 GHz 和 5.825 GHz 到 5.875 GHz 的 Wi-Fi 频率，允许发射 4 瓦特的传输功率。这对应于最大功率为 36 dBm。通常，在 Wi-Fi 接入点配置界面中会有一些保护措施，以防止超过特定区域的功率输出，假设该区域已正确配置。
连接的每一端都需要访问两个高点，以安装 Wi-Fi 接入点。这些可以是现有的结构，如无线电塔、水箱或高层建筑。或者，可以在两端建立所需高度的塔架。
只有在两个连接点之间有直线视线的情况下才能建立连接。
您需要购买两个带有定向天线的 Wi-Fi 接入点，如碟形天线。这可能只需花费 150 美元。
您需要额外的设备来设置 Wi-Fi 接入点，例如从塔架向下运行的以太网电缆、将接入点固定到塔架的硬件等。

评估

评估两个连接点之间的链路是否可行。以下每个步骤将在后面更详细地描述。

确定两个连接点之间的距离。
根据它们之间的障碍物高度和地球曲率计算塔架高度。
假设两个点之间只有真空，计算在这两个点之间传输的 Wi-Fi 信号的信号强度损失。
决定使用 2.4 GHz 频率还是 5 GHz 频率。
选择要使用的商用 Wi-Fi 接入点。
计算此链路可以容忍的杂散损耗。如果此值足够高，例如 20 dBi，则可以认为该链路是可行的。否则，选择更好的设备并重复计算。

距离测量

使用地图软件测量两个点之间的空中距离。使用 OpenStreetMap。有几种基于网络的工具使用 OpenStreetMap，您可以使用它们来测量两个点之间的空中距离。如果不够有用，请使用谷歌地图。

在示例情况下，Gangadevipally 和 Geesukonda 村庄中所选点之间的空中距离约为 2.6 公里。

菲涅耳区计算

点对点无线传输不仅需要直线视线。根据所用频率的不同，它还需要在两个连接点之间有一个椭圆形体积，该体积必须完全空置（理想情况下）或至少 60% 空置。这个椭圆形体积被称为菲涅耳区。有多个菲涅耳区，它们的重要性各不相同，但为了我们无线连接的目的，只需要考虑第一个菲涅耳区。执行这些计算可以让我们了解无线链路两端 Wi-Fi 塔架的高度。

椭圆体的半径 $r$ 在离第一个塔架 $d_{1}$ 距离和离第二个塔架 $d_{2}$ 距离的点由下式给出

$r={\sqrt {\frac {n*L*d_{1}*d_{2}}{d_{1}*d_{2}}}}$

其中

$n$ 是正在计算的菲涅耳区的数量。对于第一个菲涅耳区， $n=1$ 。

$L$ 是波长 $={\frac {c}{f}}$

$c$ 是光速

$f$ 是波的频率

对于 2.4 GHz

以下示例展示了在 Gangadevipally 和 Geesukonda 之间进行 2.4 Ghz 无线电频率的菲涅耳区计算。

只考虑第一个菲涅耳区， $n=1$ 。
两点之间的距离 = 2.6 公里
由于地球曲率，中点处地球的高度：0.13 米（可忽略不计）。
频率 = 2.44 GHz
在中点： $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$ $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$
- 菲涅耳半径 $r$ = 9 米（30 英尺）的 100% 范围内无障碍物。
- 菲涅耳半径 $r_{60\%}$ = 7 米（23 英尺）的 60% 范围内无障碍物。
靠近两侧的房屋： $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$ $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$
- 菲涅耳半径 $r$ = 5 米（16 英尺）的 100% 范围内无障碍物。
- 菲涅耳半径 $r_{60\%}$ = 4 米（13 英尺）的 60% 范围内无障碍物。
塔的高度最小值
- 为了使菲涅耳半径 $h$ = 10 米的 100% 范围内无障碍物。
- 为了使菲涅耳半径 $h$ = 9 米的 60% 范围内无障碍物。

对于 5GHz

以下示例展示了在 Gangadevipally 和 Geesukonda 之间进行 5 Ghz 无线电频率的菲涅耳区计算。

只考虑第一个菲涅耳区， $n=1$ 。
两点之间的距离 = 2.6 公里
由于地球曲率，中点处地球的高度：0.13 米（可忽略不计）。
频率 = 5 GHz
在中点： $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$ $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$
- 菲涅耳半径 $r$ = 6 米（20 英尺）的 100% 范围内无障碍物。
- 菲涅耳半径 $r_{60\%}$ = 5 米（16 英尺）的 60% 范围内无障碍物。
靠近两侧的房屋： $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$ $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$
- 在 100% 的菲涅耳半径 $r$ = 3m (10ft) 内无障碍物。
- 在 60% 的菲涅耳半径 $r_{60\%}$ = 3m (10ft) 内无障碍物。
塔的高度最小值
- 为了在 100% 的菲涅耳半径 $h$ = 8 m 内无障碍物。
- 为了在 60% 的菲涅耳半径 $h$ = 8 m 内无障碍物。

参考资料

菲涅耳区：http://www.wirelessconnections.net/calcs/FresnelZone.asp
菲涅耳区计算器：https://www.everythingrf.com/rf-calculators/fresnel-zone-calculator

自由空间路径损耗

当信号从一个点发送到另一个点时，即使在完美的真空中，信号强度也会随着距离的增加而减弱。这就是所谓的自由空间路径损耗。我们需要根据两点之间的距离计算这个值。

$FSPL(dB)=20\log _{10}(d)+20\log _{10}(f)+32.45$

其中

$d$ 是接收器到发射器的距离，单位为公里。

$f$ 是信号频率，单位为兆赫。

以实例为例：

距离 $d$ 为 2.6 公里。
对于 Wi-Fi 频率 $f=2.44GHz$ ， $FSPL(dB)=48.48726dB$
对于 Wi-Fi 频率 $f=5.8GHz$ ， $FSPL(dB)=56.00803\ dB$

参考资料

自由空间路径损耗公式：http://www.radio-electronics.com/info/propagation/path-loss/free-space-formula-equation.php
维基百科：自由空间路径损耗：https://en.wikipedia.org/wiki/Free-space_path_loss

Wi-Fi 无线接入点硬件

必须选择商用 Wi-Fi 无线接入点来建立点对点 Wi-Fi 连接。这些无线接入点与家庭中常用的无线接入点非常相似。它们使用相同的 Wi-Fi 技术和频率来传输和接收数据。但是，它们在以下方面有所不同。

这些无线接入点可以承受户外天气，无需额外的防风雨措施即可安装。
它们可以使用以太网供电技术供电，因此无需在安装它们的建筑物或塔顶提供电源。相反，从无线接入点传输数据的以太网线还为无线接入点提供电源。
用于点对点链路的无线接入点配备了定向碟形天线，而不是典型的全向天线。这样可以将无线电信号集中在一个方向，而不是像家庭那样将其散布到整个区域。

选择无线接入点时，以下因素可能会有所帮助。

传输功率越高越好。在印度，2.400 兆赫至 2.483.5 兆赫和 5.825 兆赫至 5.875 兆赫的传输功率允许为 4 瓦。这相当于最大功率为 36 dBm。
天线增益越高越好。典型的增益范围为 23 dBi 至 30 dBi。
碟形天线比扇形、全向、贴片等天线好。
碟形天线具有可选的防风雨罩。
带格栅的碟形天线比完全覆盖的平板天线更能抵抗风力。
与无线电一起出售的天线可能比单独购买天线和无线电更便宜。

以下是作者在撰写本文时评估的一些适用于点对点链路的商用产品。

Ubiquiti AirGridM
Ubiquiti LitebeanM5
Ubiquiti NanobeamM
Ubiquiti Powerbeam
Ubiquiti Nanobridge
TP-Link TL-ANT2424B
TP-Link TL-ANT2424MD
TP-Link TL-ANT5830B
TP-Link TL-ANT5830MD
TP-Link WBS510
TP-Link WBS210

购买地点

以下可能是购买点对点无线电和天线的场所

参考资料

瓦特到 dBm 转换器: http://www.rapidtables.com/convert/power/dbm-converter.htm

链路预算计算

必须进行链路预算计算，以确定链路是否可行。当无线电信号从发射无线电发出时，它会在到达接收无线电之前经历各种损耗和增益。如果接收无线电的灵敏度大于接收到的信号强度，则接收器可以理解数据。否则，链路将无法正常工作，并且不可行。发射无线电以功率 $P_{TX}$ 发射无线电信号后，它由于电缆 $L_{TX}$ 而在发射时会受到损耗，由于发射天线 $G_{TX}$ 而获得增益，会受到自由空间路径损耗 $L_{FS}$ 的损耗，会受到衰落 $L_{FD}$ 的损耗，会受到其他杂项损耗 $L_{M}$ 的损耗，由于接收天线 $G_{RX}$ 而获得增益，最后在接收电缆 $L_{RX}$ 中损失一些，最后导致接收功率 $P_{RX}$ 。在我们的计算中，我们将假设接入点的接收灵敏度是它可以接收的最小功率。然后将计算杂项 $L_{M}$ 足够小。如果是，那么我们可以假设该链路是可行的。

$P_{RX}=P_{TX}+G_{TX}-L_{TX}-L_{FS}-L_{FD}-L_{M}+G_{RX}-L_{RX}$

Ubiquiti Litebeam LBE-M5-23

针对示例情况的 Ubiquiti Litebeam LBE-M5-23 的链路预算计算

发射功率 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{TX}$ = 19 dBm
接收器灵敏度 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{RX}$ = -75 dBm
发射天线增益 $G_{TX}$ = 23 dBi
接收天线增益 $G_{RX}$ = 23 dBi
传输损耗（< .5m 电缆） $L_{TX}$ = < 2 dB（LMR 200 电缆，低质量同轴电缆在 100 米电缆长度下具有 85 dB 的特性）
接收损耗（< .5m 电缆） $L_{RX}$ = < 2 dB（与传输损耗相同）
2.6 公里距离下 5.8 GHz 信号的自由空间损耗 $L_{FS}$ = 56 dB
衰落损耗裕量 $L_{FD}$ = 15 dB
杂项损耗 $L_{M}$ = ?

链路预算方程

${\begin{array}{lcl}P_{RX}&=&P_{TX}&+G_{TX}&-L_{TX}&-L_{FS}&-L_{FD}&-L_{M}&+G_{RX}&-L_{RX}\\-75&=&19&+23&-2&-56&-15&-L_{M}&-2&+23\end{array}}$

$L_{M}=65dB$

该值很高，链路运行良好且可行。我们已经将距离扩大了一个数量级，链路仍然可以正常运作。

Ubiquiti AirGrid AG-HP-5G27

针对示例案例的 Ubiquiti AirGrid AG-HP-5G27 链路预算计算

发射功率 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{TX}$ = 19 dBm
接收器灵敏度 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{RX}$ = -75 dBm
发射天线增益 $G_{TX}$ = 27 dBi
接收天线增益 $G_{RX}$ = 27 dBi
传输损耗（< .5m 电缆） $L_{TX}$ = < 2 dB（LMR 200 电缆，低质量同轴电缆在 100 米电缆长度下具有 85 dB 的特性）
接收损耗（< .5m 电缆） $L_{RX}$ = < 2 dB（与传输损耗相同）
2.6 公里距离下 5.8 GHz 信号的自由空间损耗 $L_{FS}$ = 56 dB
衰落损耗裕量 $L_{FD}$ = 15 dB
杂项损耗 $L_{M}$ = ?

链路预算方程

${\begin{array}{lcl}P_{RX}&=&P_{TX}&+G_{TX}&-L_{TX}&-L_{FS}&-L_{FD}&-L_{M}&+G_{RX}&-L_{RX}\\-75&=&19&+27&-2&-56&-15&-Lm&-2&+27\end{array}}$

$L_{M}=73dB$

该值很高，链路运行良好且可行。我们已经将距离扩大了一个数量级，链路仍然可以正常运作。

参考资料

选择 5 GHz 与 2.4 GHz

大多数 Wi-Fi 接入点设备都支持 5 GHz 频率范围和 2.4 GHz 频率范围。一般来说，较低频率更适合穿透墙壁、建筑物和植被。较高频率更适合点对点链路等方向性波束。

5 GHz 不会干扰已用于提供 Wi-Fi 热点的 2.4 GHz。
5 GHz 的菲涅耳区更小，需要更短的塔架。
5 GHz 更容易受到电缆和连接器的损耗影响。
5 GHz 天线在相同灵敏度下尺寸更小。
5 GHz 无线电波束更集中，需要更精确的对准。
5 GHz 无法像 2.4 GHz 那样穿透障碍物（树木、建筑物、雾、雨、烟雾等）。
Wi-Fi 中的 5 GHz 频段支持更高的吞吐量。

以示例为例，考虑到视线良好，2.4 GHz 用于热点并且安装在高塔上，5 GHz 是更好的选择。

设置

设置两点之间的连接

安装并固定两端两个 Wi-Fi 接入点，使天线彼此大致相对。固定所需的夹具通常与接入点一起提供。在使用安全设备进行高空作业时，请采取预防措施，并聘请经过培训和经验丰富的专业人员。
将其中一个接入点配置为 Wi-Fi 接入点模式，并设置带有密码的 SSID。该接入点应配置为中继器模式，以避免干扰网络中的 IP 地址分配。此任务由 FreedomBox 完成。该接入点应在与网络中其他主机相同的范围内分配一个静态 IP 地址。
将另一个接入点配置为客户端模式，并使用密码连接到先前配置的 SSID。该接入点应在与网络中其他主机相同的范围内分配一个静态 IP 地址。
调整天线以提供最大的信号强度。使用 Wi-Fi 接入点 Web 管理界面中提供的“天线对准工具”。在观察“天线对准工具”中显示的信号强度时，首先沿水平轴移动天线，找到信号强度最佳的点。然后，固定水平位置，沿垂直轴移动天线，找到信号强度最佳的点。用第二个天线重复此过程。
测试设置，以确保两端的接入点能够使用 Wi-Fi 接入点 Web 管理界面中提供的“ping 工具”相互 ping 通。
将其中一个接入点的 WAN 端口连接到 ISP 提供的互联网连接。这意味着在塔顶的接入点与 ISP 的以太网交换机或 ADSL 调制解调器之间连接一条长以太网线（如果 ISP 提供 ADSL 连接）。
在另一个接入点上，将 WAN 端口连接到 FreedomBox 服务器的 Internet 端口。
测试设置，确保 FreedomBox 服务器能够 ping 通两个接入点、ISP 服务器和互联网上的服务器。如果出现问题，请相应地进行调试。
运行带宽测试，以确定 FreedomBox 服务器接收到的互联网连接速度。将其与无线链路未设置时的另一端的速度进行比较。另外，将其与 ISP 为订阅广告的速度进行比较。