長距離Wi-Fi

長距離 Wi-Fi は、他の固定無線、携帯電話ネットワーク、または衛星インターネットアクセスの代替として、低コストで規制されていないポイントツーポイントのコンピュータネットワーク接続に使用されます。

Wi-Fiネットワークの範囲は、周波数、送信電力、アンテナの種類、使用場所、環境によって制限されます。^[1]802.11nと標準アンテナを使用した屋内のポイントツーマルチポイント構成の一般的なワイヤレスルーターの範囲は 50 メートル (160 フィート) 以下です。指向性アンテナを使用した屋外のポイントツーポイント構成では、ステーション間の距離を数キロメートルに延長できます。

導入

IEEE 802.11無線規格 ( Wi-Fiブランド名で販売)の開発以来、このテクノロジは大幅に安価になり、より高いビットレートを実現しました。特に 2.4 GHz 帯域での長距離 Wi-Fi (短距離で高ビットレートの 5.8 GHz 帯域が有線 LAN 接続の一般的な代替手段になるにつれて) は、専用デバイスによって急増しています。都市部ではWi-Fi ホットスポットが至る所にありますが、一部の農村部では、携帯電話 ( GSM、CDMA ) または固定無線 ( Motorola Canopyおよびその他の 900 MHz) アプリケーションの代替として、より強力な長距離トランシーバーを使用しています。これらの低周波数オプションと比較した 2.4 GHz の主な欠点は次のとおりです。

信号の浸透性が低い – 2.4 GHz 接続は実質的に見通し線または柔らかい障害物に制限されます。
範囲がはるかに狭い - GSMまたはCDMA携帯電話は 16 km (10 マイル) を超える距離で確実に接続できます。時分割多重アクセスのパラメータによって課せられる GSM の範囲は35 km (22 マイル) に設定されています。
長距離 Wi-Fi 接続を商業的にサポートしているサービスプロバイダーはほとんどありません。

商用サービスプロバイダーが不足しているにもかかわらず、長距離 Wi-Fi のアプリケーションは世界中で登場しています。また、発展途上国では、地理的に隔てられ、他の接続オプションがほとんどまたはまったくないコミュニティを接続する実験にも使用されています。これらのアプリケーションで長距離 Wi-Fi を使用する利点には、次のようなものがあります。

免許不要のスペクトル – 既存の通信事業者、政府、その他との交渉を避ける。^{[疑わしい–議論する]}
より小型で、よりシンプルで、より安価なアンテナ - 2.4 GHz アンテナは、同等の強度の 900 MHz アンテナの半分以下のサイズであり、雷保護の必要性も少なくなります。
OpenWrt、DD-WRT、Tomatoなどの実績のある無料ソフトウェアが利用可能であり、古いルーター (たとえばWRT54G ) でも動作し、ホットスポットの収益共有モデルを含め、 WDS、OLSRなどのモードを誰でも利用できるようになります。

森林サービスなどの広範囲にわたる設備を運営する非営利団体も、認可された帯域の短波またはマイクロ波トランシーバーなどの古い通信技術を補強または置き換えるために長距離 Wi-Fi を広範に使用しています。

アプリケーション

仕事

大規模なオフィスやビジネス複合施設、キャンパスにサービスを提供します。
大規模な高層ビルやその他のオフィスビル、空港間のポイントツーポイントリンクを確立します。
遠隔地の建設現場や研究室にインターネットを導入します。
少数のインターネット関連の広く使用されている技術を統合し、短波ラジオなどの従来の技術を制限または排除することで、ネットワーク技術を簡素化し、実際に必要な用途にこれらを専用に使用できるようにします。
通常のケーブル/DSL をその場所で接続できない場合は、自宅にインターネットを導入します。
人里離れた山や湖畔にある別荘やコテージにインターネットを導入しましょう。
ヨットや大型船舶にインターネットを導入します。
近所の Wi-Fi ネットワークを共有します。

非営利団体と政府

新たな配線を必要とせずに、森林警備隊など、物理的なエリアを監視する広範囲の物理的な警備所を接続する
観光地では、携帯電話の不感地帯をWi-Fiで補い、地元の観光業者の接続性を確保する
最新の暗号化と認証を適用することで、専用ネットワークインフラストラクチャのコストを削減し、セキュリティを強化します。

軍隊

重要なオピニオンリーダー、学校や警察署などのインフラを、地方自治体が維持できるネットワークに接続します。
戦争で荒廃した貧困地域でも購入できる安価な設備、つまり軍用レベルのネットワーク技術ではなく商用レベルの設備を使って、強靭なインフラを構築する。軍用レベルのネットワーク技術は先進国の軍隊に残される可能性がある。
燃料やバッテリーの電力消費が少ない、より安価でシンプルな機器を使用することで、コストを削減し、サプライチェーンを簡素化/保護します。一般的に、これらはWi-Fiなどの商用テクノロジーにとって、特にモバイルデバイスで使用されるため、優先度の高い事項です。

科学研究

ペルーのアンデス地震プロジェクトでは、長距離地震センサーネットワークが使用されました。全長320キロメートル（200マイル）のマルチホップスパンには、約30〜50キロメートル（19〜31マイル）のセグメントが含まれています。目標は、地震データをリアルタイムで受信するために、UCLAの遠隔地のステーションに接続することでした。 ^[2]

大規模展開

カリフォルニア大学バークレー校の新興地域向け技術・インフラ（TIER）プロジェクトでは、インテルと共同で、改良されたWi-Fi設定を使用して、開発途上国での同プロジェクトのいくつかのために長距離のポイントツーポイントリンクを作成しています。^[3]この技術は長距離Wi-Fi（WiLD）と呼ばれ、インドのタミル・ナードゥ州にあるアラヴィンド眼科病院といくつかの遠隔地の診療所を接続するために使用されています。^[4]距離は5〜15キロメートル（3〜10マイル）以上で、ステーションは互いに見通し線上に配置されています。これらのリンクにより、病院の専門家はビデオ会議を通じて診療所の看護師や患者と通信できます。患者がさらに検査や治療を必要とする場合は、病院の予約を取ることができます。ガーナの別のネットワークは、ガーナ大学レゴンキャンパスと遠隔地のキャンパスであるコルレブ医科大学およびシティキャンパスを結んでいます。

エディンバラ大学のテゴラプロジェクトは、光ファイバーが届かない田舎の地域に高速で手頃なブロードバンドを提供するための新しい技術を開発している。^{[5] 5リンクリングは、ノイダート、ホーン湖の北岸、キルベグの遠隔地のコミュニティをスカイ島のゲーリックカレッジからバックホールに接続している。すべてのリンクは潮汐の影響を受ける水域を通過し、長さは}1から100メートルである。+1 ⁄ 2～12マイル（2.4～19.3 km）。

他の方法で範囲を拡大する

専用Wi-Fiチャンネル

ほとんどの標準的な Wi-Fi ルーターでは、3 つの標準 (a、b、g) で十分です。しかし、長距離 Wi-Fi では、Wi-Fi 接続を最大限に活用するために特別なテクノロジが使用されます。802.11-2007 標準では、802.11a 標準に 10 MHz および 5 MHz OFDMモードが追加され、サイクリックプレフィックス保護の時間が0.8 μs から 3.2 μs に延長され、マルチパス歪み保護が 4 倍になっています。一般に入手可能な 802.11a/g チップセットの一部は、2007 標準の OFDM の「ハーフクロック」および「クォータークロック」をサポートしており、4.9 GHz および 5.0 GHz の製品は、10 MHz および 5 MHz のチャネル帯域幅で利用できます。一部の 802.11n D.20 チップセットは、10 MHz チャネル帯域幅での使用と、802.11n 標準の 2 倍の範囲で「ハーフクロッキング」もサポートする可能性があります。

802.11n と MIMO

2008 年には、 802.11n の予備的な動作が多くのルーターで利用できるようになりました。このテクノロジでは、複数のアンテナを使用して 1 つまたは複数のソースをターゲットにすることで速度を上げることができます。これは、 MIMO (Multiple Input Multiple Output) として知られています。テストでは、速度の向上は、ほとんどのポイントツーポイント設定に必要な長距離ではなく、短距離でのみ発生すると言われました。一方、直交極性のデュアルアンテナと 2x2 MIMO チップセットを使用すると、2 つの独立したキャリア信号を同じ長距離パスで送受信できるようになります。

出力増加または受信感度の向上

範囲を広げるもう 1 つの方法は、パワーアンプを使用することです。一般に「範囲拡張アンプ」と呼ばれるこれらの小型デバイスは、通常、アンテナに約1 ⁄ 2ワットの電力を供給します。このようなアンプは、既存のネットワークの範囲を 5 倍以上に広げることがあります。3 dB のゲインごとに、有効出力電力は 2 倍になります。1 ワットの電力を受信し、6 dB のゲインを持つアンテナの有効電力は 4 ワットになります。

高利得アンテナとアダプタの配置

特殊な形状の指向性アンテナは、送信電力を大幅に増加させることなく、Wi-Fi 送信範囲を拡大することができます。高利得アンテナにはさまざまな設計がありますが、いずれも非指向性アンテナよりも狭い信号ビームを長距離送信でき、近くの干渉源を無効化することがよくあります。このような「WokFi」技術は、通常、ベアシステムよりも 10 dB 以上のゲインをもたらします。^[6]見通し (LOS) 範囲が数キロメートル (マイル) に及ぶには十分であり、限界地点での改善にも役立ちます。

プロトコルハッキング

標準のIEEE 802.11プロトコル実装は、他のWi-Fiデバイスとの相互運用性が損なわれたり、アンテナ付近の送信機からの干渉を受けるリスクはあるものの、長距離、ポイントツーポイントの使用に適したものに変更することができます。これらのアプローチはTIERプロジェクトで使用されています。^[7]

電力レベルに加えて、802.11 プロトコルが各受信フレームをどのように確認応答するかを知ることも重要です。確認応答が受信されない場合、フレームは再送信されます。デフォルトでは、送信機と受信機間の最大距離は 1.6 km (1 マイル) です。距離が長い場合は、遅延により再送信が強制されます。Cisco Aironet 1200 などの一部のプロ用機器の標準ファームウェアでは、このパラメータを調整して最適なスループットを得ることができます。OpenWrt 、 DD - WRT、およびそのすべての派生製品でも、このような調整が可能です。一般に、オープンソースソフトウェアは、プロトコルハッキングを含むあらゆる目的において、商用ファームウェアよりもはるかに優れています。これは、すべての無線チップセット機能を公開し、ユーザーが変更できるようにするという理念があるためです。この戦略は、商用ファームウェアがサポートしていない優れたハードウェア機能を備えたWRT54Gなどのローエンドルーターで特に効果的です。 2011 年時点では、多くのベンダーがまだオープンソースファームウェアによってロック解除されたチップセット機能のサブセットのみをサポートしており、ほとんどのベンダーは、プロトコルハッキングを試行する商用ファームウェアユーザーをサポートする際の困難さを回避するために、プロトコルハッキングにオープンソースファームウェアを使用することを積極的に推奨しています。

パケットの断片化は、ノイズや混雑した状況でのスループットを改善するためにも使用できます。パケットの断片化は、多くの場合、悪いものと考えられており、実際に大きなオーバーヘッドを追加してスループットを低下させますが、必要な場合もあります。たとえば、混雑した状況では、30 バイトのパケットの ping 時間は非常に優れているのに対し、1450 バイトのパケットの ping 時間は非常に悪く、パケット損失も大きくなります。断片化しきい値を 750 に設定してパケットを半分に分割すると、スループットが大幅に向上します。断片化しきい値は、 MTU (通常は 1500) の割り算である必要があるため、750、500、375 などになります。ただし、断片化が多すぎると、オーバーヘッドの増加によって混雑が増加するため、問題が悪化する可能性があります。

長距離Wi-Fiの障害

Wi-Fi 接続の範囲を広げる方法は、次のようなさまざまな要因により、接続が不安定で不安定になる可能性もあります。

景観の干渉

長距離 Wi-Fi を設定する場合、障害物は最も大きな問題の 1 つです。木や森林はマイクロ波信号を減衰させ、丘陵地帯は見通し線での伝播を確立することを困難にします。雨や濡れた葉は、大雨の場合、範囲をさらに狭める可能性があります。

都市では、建物が整合性、速度、接続性に影響を与えます。壁や屋根の鉄骨や金属板は、無線信号を部分的または完全に反射し、信号損失やマルチパスの問題を引き起こす可能性があります。コンクリートや石膏の壁はマイクロ波信号を大幅に吸収し、信号全体を減らします。シールドが非常に多い病院では、実用的なネットワークを構築するには綿密な計画が必要になる場合があります。

潮汐による減衰

ポイントツーポイントの無線接続が潮汐のある河口や群島を横断する場合、潮汐による反射からのマルチパス干渉がかなり破壊的になる可能性があります。 ^[8] Tegolaプロジェクトでは、潮汐フェージングを軽減するために低速周波数ホッピング技術を使用しています。

2.4GHz干渉

住宅内の電子レンジは 2.4 GHz 帯域を占有し、ノイズフロアの「食事時間の乱れ」を引き起こします。他にも多くの干渉源があり、それらが集まって居住エリアでの長距離使用の大きな障害となります。住宅用ワイヤレス電話、USB 3.0 ハブ、ベビーモニター、ワイヤレスカメラ、リモートカースターター、Bluetooth製品はすべて、2.4 GHz 帯域で送信できます。

2.4 GHz 帯の本来の性質上、この帯域のユーザーは多く、1 世帯あたり数十台のデバイスが存在する可能性があります。その性質上、「長距離」とは、多数のデバイスを認識できるアンテナシステムを意味します。これらのデバイスを合わせると非常に高いノイズフロアが生成され、単一の信号は使用できなくなりますが、それでも受信は可能です。長距離システムの目的は、これらの信号を過剰に増幅するシステムや、指向性アンテナを使用して受信機がこれらのデバイスを「認識」できないようにし、ノイズフロアを低減することです。

注目のリンク

イタリア

増幅されていないWi-Fiリンクの最長は、CISAR（イタリア無線活動センター）によって達成された304kmのリンクです。^[9]長距離無線ブロードバンドの新しい世界記録。

リンクは2016-05-07と2016-05-08に最初に確立されました
モンテ・アミアータ（トスカーナ）からモンテ・リンバラ（サルデーニャ）まで恒久的に続くようです。
周波数: 5765 MHz
IEEE 802.11a (Wi-Fi)、帯域幅 50 MHz
データレート: 最大 356.33 Mbit/s
無線:ユビキティネットワークAF-5X 無線
ワイヤレスルーター: Ubiquiti airFiber
長さ: 304 km (189 マイル)。
アンテナは手作りの導波管付きで長さ120cm（4フィート）。推定35dBi ^[10]

ベネズエラ

もう一つの注目すべき非増幅Wi-Fiリンクは、ラテンアメリカネットワーキングスクール財団によって達成された279km（173マイル）のリンクです。^[3]^[11]

ピコデルアギラ- エルバウルリンク。
周波数: 2412 MHz
2006年にリンクが確立されました
IEEE 802.11 (Wi-Fi)、チャネル 1、帯域幅 22 MHz
ワイヤレスルーター: Linksys WRT54G、el Águila のOpenWrtファームウェア、El Baúl のDD-WRTファームウェア。
長さ: 279 km (173 マイル)。
両端には衛星放送から再利用されたパラボラアンテナが使用されました。
El Aguila サイトには、直径 2.74 m (9 フィート) の中央給電式アルミメッシュ反射鏡があり、El Baúl サイトには、オフセット給電式で 2.44 x 2.74 m (8 x 9 フィート) のファイバーグラス製ソリッド反射鏡があります。両端の給電は 12 dBi の八木アンテナです。
Linksys WRT54Gシリーズルーターは短いLMR400ケーブルでアンテナに電力を供給したため、アンテナ全体の実効利得は30dBiと推定される。 [ ^12]
これはこの技術で達成された最大距離であり、昨年米国で達成された201km（125マイル）という以前の米国記録を上回った。スウェーデンの宇宙機関は、上空の成層圏気球に到達するために6ワットの増幅器を使用して315km（196マイル）を達成した。^[13]

ペルー

ペルーのジャングル地帯にあるロレトは、世界最長のWi-Fiベースのマルチホップネットワークがある場所です。このネットワークは、ペルーカトリック大学の農村電気通信研究グループ（GTR PUCP）によって実装されました。Wi-Fiチェーンは多くの小さな村を通過し、全距離をカバーするのに17ホップかかります。カボパントーハの保健所から始まり、イキトスのダウンタウンで終わります。その長さは約445 km（277マイル）です。^[3]介入ゾーンは、海抜500メートル（1600フィート）未満の低地ジャングルに設定されました。それは平坦なゾーンであるため、GTR PUCPは平均高さ80メートル（260フィート）の塔を設置しました。

このリンクは 2007 年に確立されました。GTR PUCP、ロレト地方政府、サンホセデアマゾナス教区が協力してネットワークの保守に取り組んでいます。
使用される周波数チャネル: 1、6、11、802.11g 非干渉チャネル
Doodle Labs ワイヤレスルーターが使用されました。
L-comアンテナを使用しました。

参照

参考文献

^ Joshua Bardwell、Devin Akin (2005)。Certified Wireless Network Administrator 公式学習ガイド (第 3 版)。McGraw -Hill。p . 418。ISBN 978-0-07-225538-6。
^ Martin Lukac、Igor Stubailo、Richard Guy、Paul Davis、Victor Aguilar Puruhuaya、Robert Clayton、Deborah Estrin (2009)。「第一級のメタデータ: ペルーにおける信頼性の高いワイヤレス地震観測ネットワークに向けた第一歩」(PDF)。カリフォルニア工科大学。 2011年10月14日閲覧。
^ abc Ioanis Nikolaidis; Kui Wu (2010-07-13). アドホック、モバイル、ワイヤレスネットワーク: 第9回国際会議、ADHOC-NOW 2010、エドモントン、アルバータ州、カナダ、2010年8月20～22日、議事録。Springer Science+Business Media。p . 202。ISBN 978-3-642-14784-5。
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^ Alex Macmillan、Mahesh K. Marina、Jhair Tocancipa Triana (2010 年 3 月)。「地方の長距離水上無線リンクにおける潮汐フェーディングを軽減するための低速周波数ホッピング」(PDF)。エディンバラ大学情報学部。2011年 10 月 14 日閲覧。
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^ フリッケンジャーら。 2008、p. 355
^ 「スウェーデン宇宙公社が世界最長のWi-Fi接続を実現」

文献

Flickenger, Rob; Fonda, Carlo; Forster, Jim; Howard, Ian; Krag, Tomas (2008 年 2 月)。発展途上国におけるワイヤレスネットワーキング( PDF ) (第 2 版)。Hacker Friendly LLC。ISBN 978-0-9778093-6-32011年10月27日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF）されました。

外部リンク

長距離 802.11b リンク: パフォーマンス測定と経験
ハウツー: BiQuad フィーダー付きパラボラディッシュ
長距離無線ネットワークアンテナの構築
SeattleWireless の長距離 WiFi リンクのリスト
Wifi シサールマップ

[1] Joshua Bardwell、Devin Akin (2005)。Certified Wireless Network Administrator 公式学習ガイド (第 3 版)。McGraw -Hill。p . 418。ISBN 978-0-07-225538-6。

[2] Martin Lukac、Igor Stubailo、Richard Guy、Paul Davis、Victor Aguilar Puruhuaya、Robert Clayton、Deborah Estrin (2009)。「第一級のメタデータ: ペルーにおける信頼性の高いワイヤレス地震観測ネットワークに向けた第一歩」(PDF)。カリフォルニア工科大学。 2011年10月14日閲覧。

[conf-3] Ioanis Nikolaidis; Kui Wu (2010-07-13). アドホック、モバイル、ワイヤレスネットワーク: 第9回国際会議、ADHOC-NOW 2010、エドモントン、アルバータ州、カナダ、2010年8月20～22日、議事録。Springer Science+Business Media。p . 202。ISBN 978-3-642-14784-5。

[tier-4] Michael Zhao (2007年4月9日). 「60マイルWi-Fi」. Forbes . 2008年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年10月7日閲覧。

[5] Rory Cellan-Jones (2008年6月3日). 「ブロードバンドを懇願する」. BBCニュース. 2011年10月7日閲覧。

[6] Sergiu Nedevschi (2008). 発展途上地域における長距離無線ネットワークのパフォーマンスの最大化。p. 28. ISBN 978-1-109-09610-1。

[7] Lakshminarayan Subramanian、Sonesh Surana、Rabin Patra、Sergiu Nedevschi、Melissa Ho、Eric Brewer、Anmol Sheth (2006 年 11 月)。「発展途上国におけるワイヤレスの再考」(PDF)。カリフォルニア大学バークレー校。2011年 10 月 8 日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です

[8] Alex Macmillan、Mahesh K. Marina、Jhair Tocancipa Triana (2010 年 3 月)。「地方の長距離水上無線リンクにおける潮汐フェーディングを軽減するための低速周波数ホッピング」(PDF)。エディンバラ大学情報学部。2011年 10 月 14 日閲覧。

[9] Matt Chapman (2007 年 8 月 23 日)。「Wi-Fi の世界記録が 304 km に更新」。Incisive Media。2011年 7 月 19 日閲覧。

[10] 「高容量長距離無線リンク」（PDF）cisar.it。2022年5月5日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF）。

[11] Ermanno Pietrosemoli. 「長距離 WiFi 記録の設定: 地方の接続性のためのソリューションの検証」。Fundación Escuela Latinoamericana de Redes University of the Andes (ベネズエラ) 。2011 年 10 月 8 日閲覧。

[12] フリッケンジャーら。 2008、p. 355

[13] 「スウェーデン宇宙公社が世界最長のWi-Fi接続を実現」