社群自由盒子/點對點無線鏈路

並非所有社群都能在所在地區獲得 ISP 提供的網際網路連線。在這種情況下，透過無線連線到附近有網際網路連線的點，是獲取網際網路連線的一種方式。這種連線可以跨越超過 10 公里的長距離。它可以共享現有網際網路連線的頻寬，或者從 ISP 獲取新連線到他們能夠提供連線的點。其他選擇包括在有可用時使用 4G 網際網路連線，或者鋪設一條社群擁有的光纖電纜到可以提供網際網路連線的點。本節介紹如何評估和設定長距離點對點無線連線。讀者應該能夠進行自己的評估，如果可行，請按照此處提供的說明設定自己的無線鏈路。

設定的技術知識來自各種來源，鼓勵讀者閱讀這些來源。主要來源是書籍發展中國家的無線網路。其他來源在每個子部分中提供參考。整個部分以作者在印度特倫甘納州的 Geesukonda 和 Gangadevipally 村莊之間建立的 2.6 公里長的無線連線為例進行描述。此連線為 Gangadevipally 提供來自鄰近 Geesukonda 村莊的網際網路連線。

需求

要建立無線鏈路，必須滿足以下條件

不需要無線電許可證。這裡描述的鏈路使用典型家庭 Wi-Fi 接入點的技術和無線電頻率。幾乎所有國家/地區都不需要為此獲得許可證。以防萬一，請諮詢當地法規。
通常，對 Wi-Fi 接入點允許發射的最大功率有限制。查詢當地法規，並注意允許發射的最大功率。例如，在印度，對於 2.400 GHz 到 2.483.5 GHz 和 5.825 GHz 到 5.875 GHz 的 Wi-Fi 頻率，允許發射 4 瓦特的傳輸功率。這對應於最大功率為 36 dBm。通常，在 Wi-Fi 接入點配置介面中會有一些保護措施，以防止超過特定區域的功率輸出，假設該區域已正確配置。
連線的每一端都需要訪問兩個高點，以安裝 Wi-Fi 接入點。這些可以是現有的結構，如無線電塔、水箱或高層建築。或者，可以在兩端建立所需高度的塔架。
只有在兩個連線點之間有直線視線的情況下才能建立連線。
您需要購買兩個帶有定向天線的 Wi-Fi 接入點，如碟形天線。這可能只需花費 150 美元。
您需要額外的裝置來設定 Wi-Fi 接入點，例如從塔架向下執行的乙太網電纜、將接入點固定到塔架的硬體等。

評估

評估兩個連線點之間的鏈路是否可行。以下每個步驟將在後面更詳細地描述。

確定兩個連線點之間的距離。
根據它們之間的障礙物高度和地球曲率計算塔架高度。
假設兩個點之間只有真空，計算在這兩個點之間傳輸的 Wi-Fi 訊號的訊號強度損失。
決定使用 2.4 GHz 頻率還是 5 GHz 頻率。
選擇要使用的商用 Wi-Fi 接入點。
計算此鏈路可以容忍的雜散損耗。如果此值足夠高，例如 20 dBi，則可以認為該鏈路是可行的。否則，選擇更好的裝置並重復計算。

距離測量

使用地圖軟體測量兩個點之間的空中距離。使用 OpenStreetMap。有幾種基於網路的工具使用 OpenStreetMap，您可以使用它們來測量兩個點之間的空中距離。如果不夠有用，請使用谷歌地圖。

在示例情況下，Gangadevipally 和 Geesukonda 村莊中所選點之間的空中距離約為 2.6 公里。

菲涅耳區計算

點對點無線傳輸不僅需要直線視線。根據所用頻率的不同，它還需要在兩個連線點之間有一個橢圓形體積，該體積必須完全空置（理想情況下）或至少 60% 空置。這個橢圓形體積被稱為菲涅耳區。有多個菲涅耳區，它們的重要性各不相同，但為了我們無線連線的目的，只需要考慮第一個菲涅耳區。執行這些計算可以讓我們瞭解無線鏈路兩端 Wi-Fi 塔架的高度。

橢圓體的半徑 $r$ 在離第一個塔架 $d_{1}$ 距離和離第二個塔架 $d_{2}$ 距離的點由下式給出

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

其中

$n$ 是正在計算的菲涅耳區的數量。對於第一個菲涅耳區， $n=1$ 。

$L$ 是波長 $={\frac {c}{f}}$

$c$ 是光速

$f$ 是波的頻率

對於 2.4 GHz

以下示例展示了在 Gangadevipally 和 Geesukonda 之間進行 2.4 Ghz 無線電頻率的菲涅耳區計算。

只考慮第一個菲涅耳區， $n=1$ 。
兩點之間的距離 = 2.6 公里
由於地球曲率，中點處地球的高度：0.13 米（可忽略不計）。
頻率 = 2.44 GHz
在中點： $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$ $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$
- 菲涅耳半徑 $r$ = 9 米（30 英尺）的 100% 範圍內無障礙物。
- 菲涅耳半徑 $r_{60\%}$ = 7 米（23 英尺）的 60% 範圍內無障礙物。
靠近兩側的房屋： $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$ $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$
- 菲涅耳半徑 $r$ = 5 米（16 英尺）的 100% 範圍內無障礙物。
- 菲涅耳半徑 $r_{60\%}$ = 4 米（13 英尺）的 60% 範圍內無障礙物。
塔的高度最小值
- 為了使菲涅耳半徑 $h$ = 10 米的 100% 範圍內無障礙物。
- 為了使菲涅耳半徑 $h$ = 9 米的 60% 範圍內無障礙物。

對於 5GHz

以下示例展示了在 Gangadevipally 和 Geesukonda 之間進行 5 Ghz 無線電頻率的菲涅耳區計算。

只考慮第一個菲涅耳區， $n=1$ 。
兩點之間的距離 = 2.6 公里
由於地球曲率，中點處地球的高度：0.13 米（可忽略不計）。
頻率 = 5 GHz
在中點： $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$ $d_{1}=1.3km,d_{2}=1.3km$
- 菲涅耳半徑 $r$ = 6 米（20 英尺）的 100% 範圍內無障礙物。
- 菲涅耳半徑 $r_{60\%}$ = 5 米（16 英尺）的 60% 範圍內無障礙物。
靠近兩側的房屋： $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$ $d_{1}=200m,d_{2}=2.4km$
- 在 100% 的菲涅耳半徑 $r$ = 3m (10ft) 內無障礙物。
- 在 60% 的菲涅耳半徑 $r_{60\%}$ = 3m (10ft) 內無障礙物。
塔的高度最小值
- 為了在 100% 的菲涅耳半徑 $h$ = 8 m 內無障礙物。
- 為了在 60% 的菲涅耳半徑 $h$ = 8 m 內無障礙物。

參考資料

菲涅耳區：http://www.wirelessconnections.net/calcs/FresnelZone.asp
菲涅耳區計算器：https://www.everythingrf.com/rf-calculators/fresnel-zone-calculator

自由空間路徑損耗

當訊號從一個點發送到另一個點時，即使在完美的真空中，訊號強度也會隨著距離的增加而減弱。這就是所謂的自由空間路徑損耗。我們需要根據兩點之間的距離計算這個值。

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

其中

$d$ 是接收器到發射器的距離，單位為公里。

$f$ 是訊號頻率，單位為兆赫。

以例項為例：

距離 $d$ 為 2.6 公里。
對於 Wi-Fi 頻率 $f=2.44GHz$ ， $FSPL(dB)=48.48726dB$
對於 Wi-Fi 頻率 $f=5.8GHz$ ， $FSPL(dB)=56.00803\ dB$

參考資料

自由空間路徑損耗公式：http://www.radio-electronics.com/info/propagation/path-loss/free-space-formula-equation.php
維基百科：自由空間路徑損耗：https://en.wikipedia.org/wiki/Free-space_path_loss

Wi-Fi 無線接入點硬體

必須選擇商用 Wi-Fi 無線接入點來建立點對點 Wi-Fi 連線。這些無線接入點與家庭中常用的無線接入點非常相似。它們使用相同的 Wi-Fi 技術和頻率來傳輸和接收資料。但是，它們在以下方面有所不同。

這些無線接入點可以承受戶外天氣，無需額外的防風雨措施即可安裝。
它們可以使用乙太網供電技術供電，因此無需在安裝它們的建築物或塔頂提供電源。相反，從無線接入點傳輸資料的乙太網線還為無線接入點提供電源。
用於點對點鏈路的無線接入點配備了定向碟形天線，而不是典型的全向天線。這樣可以將無線電訊號集中在一個方向，而不是像家庭那樣將其散佈到整個區域。

選擇無線接入點時，以下因素可能會有所幫助。

傳輸功率越高越好。在印度，2.400 兆赫至 2.483.5 兆赫和 5.825 兆赫至 5.875 兆赫的傳輸功率允許為 4 瓦。這相當於最大功率為 36 dBm。
天線增益越高越好。典型的增益範圍為 23 dBi 至 30 dBi。
碟形天線比扇形、全向、貼片等天線好。
碟形天線具有可選的防風雨罩。
帶格柵的碟形天線比完全覆蓋的平板天線更能抵抗風力。
與無線電一起出售的天線可能比單獨購買天線和無線電更便宜。

以下是作者在撰寫本文時評估的一些適用於點對點鏈路的商用產品。

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

購買地點

以下可能是購買點對點無線電和天線的場所

參考資料

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

鏈路預算計算

必須進行鏈路預算計算，以確定鏈路是否可行。當無線電訊號從發射無線電發出時，它會在到達接收無線電之前經歷各種損耗和增益。如果接收無線電的靈敏度大於接收到的訊號強度，則接收器可以理解資料。否則，鏈路將無法正常工作，並且不可行。發射無線電以功率 $P_{TX}$ 發射無線電訊號後，它由於電纜 $L_{TX}$ 而在發射時會受到損耗，由於發射天線 $G_{TX}$ 而獲得增益，會受到自由空間路徑損耗 $L_{FS}$ 的損耗，會受到衰落 $L_{FD}$ 的損耗，會受到其他雜項損耗 $L_{M}$ 的損耗，由於接收天線 $G_{RX}$ 而獲得增益，最後在接收電纜 $L_{RX}$ 中損失一些，最後導致接收功率 $P_{RX}$ 。在我們的計算中，我們將假設接入點的接收靈敏度是它可以接收的最小功率。然後將計算雜項 $L_{M}$ 足夠小。如果是，那麼我們可以假設該鏈路是可行的。

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

Ubiquiti Litebeam LBE-M5-23

針對示例情況的 Ubiquiti Litebeam LBE-M5-23 的鏈路預算計算

發射功率 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{TX}$ = 19 dBm
接收器靈敏度 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{RX}$ = -75 dBm
發射天線增益 $G_{TX}$ = 23 dBi
接收天線增益 $G_{RX}$ = 23 dBi
傳輸損耗（< .5m 電纜） $L_{TX}$ = < 2 dB（LMR 200 電纜，低質量同軸電纜在 100 米電纜長度下具有 85 dB 的特性）
接收損耗（< .5m 電纜） $L_{RX}$ = < 2 dB（與傳輸損耗相同）
2.6 公里距離下 5.8 GHz 訊號的自由空間損耗 $L_{FS}$ = 56 dB
衰落損耗裕量 $L_{FD}$ = 15 dB
雜項損耗 $L_{M}$ = ?

鏈路預算方程

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

$L_{M}=65dB$

該值很高，鏈路執行良好且可行。我們已經將距離擴大了一個數量級，鏈路仍然可以正常運作。

Ubiquiti AirGrid AG-HP-5G27

針對示例案例的 Ubiquiti AirGrid AG-HP-5G27 鏈路預算計算

發射功率 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{TX}$ = 19 dBm
接收器靈敏度 (802.11n, MCS7, 150 Mbps) $P_{RX}$ = -75 dBm
發射天線增益 $G_{TX}$ = 27 dBi
接收天線增益 $G_{RX}$ = 27 dBi
傳輸損耗（< .5m 電纜） $L_{TX}$ = < 2 dB（LMR 200 電纜，低質量同軸電纜在 100 米電纜長度下具有 85 dB 的特性）
接收損耗（< .5m 電纜） $L_{RX}$ = < 2 dB（與傳輸損耗相同）
2.6 公里距離下 5.8 GHz 訊號的自由空間損耗 $L_{FS}$ = 56 dB
衰落損耗裕量 $L_{FD}$ = 15 dB
雜項損耗 $L_{M}$ = ?

鏈路預算方程

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

$L_{M}=73dB$

該值很高，鏈路執行良好且可行。我們已經將距離擴大了一個數量級，鏈路仍然可以正常運作。

參考資料

選擇 5 GHz 與 2.4 GHz

大多數 Wi-Fi 接入點裝置都支援 5 GHz 頻率範圍和 2.4 GHz 頻率範圍。一般來說，較低頻率更適合穿透牆壁、建築物和植被。較高頻率更適合點對點鏈路等方向性波束。

5 GHz 不會干擾已用於提供 Wi-Fi 熱點的 2.4 GHz。
5 GHz 的菲涅耳區更小，需要更短的塔架。
5 GHz 更容易受到電纜和聯結器的損耗影響。
5 GHz 天線在相同靈敏度下尺寸更小。
5 GHz 無線電波束更集中，需要更精確的對準。
5 GHz 無法像 2.4 GHz 那樣穿透障礙物（樹木、建築物、霧、雨、煙霧等）。
Wi-Fi 中的 5 GHz 頻段支援更高的吞吐量。

以示例為例，考慮到視線良好，2.4 GHz 用於熱點並且安裝在高塔上，5 GHz 是更好的選擇。

設定

設定兩點之間的連線

安裝並固定兩端兩個 Wi-Fi 接入點，使天線彼此大致相對。固定所需的夾具通常與接入點一起提供。在使用安全裝置進行高空作業時，請採取預防措施，並聘請經過培訓和經驗豐富的專業人員。
將其中一個接入點配置為 Wi-Fi 接入點模式，並設定帶有密碼的 SSID。該接入點應配置為中繼器模式，以避免干擾網路中的 IP 地址分配。此任務由 FreedomBox 完成。該接入點應在與網路中其他主機相同的範圍內分配一個靜態 IP 地址。
將另一個接入點配置為客戶端模式，並使用密碼連線到先前配置的 SSID。該接入點應在與網路中其他主機相同的範圍內分配一個靜態 IP 地址。
調整天線以提供最大的訊號強度。使用 Wi-Fi 接入點 Web 管理介面中提供的“天線對準工具”。在觀察“天線對準工具”中顯示的訊號強度時，首先沿水平軸移動天線，找到訊號強度最佳的點。然後，固定水平位置，沿垂直軸移動天線，找到訊號強度最佳的點。用第二個天線重複此過程。
測試設定，以確保兩端的接入點能夠使用 Wi-Fi 接入點 Web 管理介面中提供的“ping 工具”相互 ping 通。
將其中一個接入點的 WAN 埠連線到 ISP 提供的網際網路連線。這意味著在塔頂的接入點與 ISP 的乙太網交換機或 ADSL 調變解調器之間連線一條長乙太網線（如果 ISP 提供 ADSL 連線）。
在另一個接入點上，將 WAN 埠連線到 FreedomBox 伺服器的 Internet 埠。
測試設定，確保 FreedomBox 伺服器能夠 ping 通兩個接入點、ISP 伺服器和網際網路上的伺服器。如果出現問題，請相應地進行除錯。
執行頻寬測試，以確定 FreedomBox 伺服器接收到的網際網路連線速度。將其與無線鏈路未設定時的另一端的速度進行比較。另外，將其與 ISP 為訂閱廣告的速度進行比較。