Использовать Wi-Fi не по назначению – любимая забава всех радиоинженеров и части производителей оборудования. Судите сами: беспроводной протокол создавали для подключения ноутбуков и КПК в рамках дома или офиса. Предполагалось, что трафик через точку доступа будет ходить по инициативе человека. 

ОК, появился IoT и к ноутам присоединились еще умные чайники, холодильники и счетчики. Человек из этой схемы выпал, но сама концепция не поменялась: точка доступа собирает потребителей в рамках своего/соседнего/соседнего с соседним помещений. 

Однако, и этого оказалось мало. Появилась идея – а можно ли с помощью Wi-Fi дотянуть беспроводной линк не в соседнюю комнату, а, например, в гараж под окном? Или вообще в соседний поселок? И знаете, оказалось, что можно! 

Знакомьтесь, радиомост. 50 км одним пролетом без проводов на обычном 802.11. Как это вообще работает?

В этой статье обсудим использование радиомостов, технические нюансы и практические лайфхаки. Почему так важна первая зона Френеля, зачем отключать ACK, как учесть радиус кривизны Земли и почему Роскомнадзор мостам такой же враг, как растущие деревья в лесу?

Мечты за горизонтом

Если сильно упростить, Wi-Fi радиомост - это две точки доступа, которые смотрят друг на друга узконаправленными антеннами и имитируют обычный «провод», только по воздуху.

С точки зрения стандарта 802.11 это тот же самый Wi-Fi: те же частоты, те же технологии. Стоя близко, можно зацепиться за точку смартфоном. Но целевая схема другая: антенна на горизонте.

Исторически длинные Wi-Fi-линки стали появляться в конце 90-х - начале 2000-х, когда 802.11b в полосе 2,4 ГГц внезапно оказался доступен любому студенту с паяльником и старой спутниковой тарелкой. Это привело к появлению целой культуры самодельных антенн и общественных сетей в Африке, Латинской Америке и сельских регионах Европы. Именно там родились первые очень длинные Wi-Fi радиомосты, о которых позже писали в научных работах и отчетах проектов вроде Tegola и сетей rural Wi-Fi.

Эти эксперименты привели к рождению решений как бытового, так и операторского класса. Их стали производить массово и некоторые фирмы даже сделали себе на них имя. В первую очередь речь про американскую Ubiquiti, чьи решения стали де-факто стандартом отрасли.

Так как вообще Wi-Fi сигнал при штатной мощности передатчика в 100 мВт умудряются отправить на десятки километров?

Немного про антенны

Антенны бывают всенаправленные и направленные. Всенаправленная антенна - это то, что обычно торчит «палочкой» из роутера. Она старается светить более-менее равномерно во все стороны. 

Представьте себе лампочку под потолком: она освещает всю комнату, но на улицу через окно уже не достанет. Такая антенна хороша, когда вокруг много клиентов со всех сторон - смартфоны, ноутбуки, датчики IoT - и расстояния измеряются десятками метров. Но из-за этого энергия размазана по большой площади, дальность получается ограниченной, да и шума/помех она ловит тоже со всех сторон.

Направленная антенна работает как фонарик: она собирает энергию в относительно узкий луч и подсвечивает только в одну сторону. В результате, при той же самой выходной мощности радиомодуля, сигнал в этом направлении получается сильнее, а все, что сбоку и сзади, почти не освещается. Для радиомостов это то, что надо: нам не нужно «светить» на все окрестные дома, нам важно добить до конкретной точки на горизонте. Направленная антенна одновременно увеличивает эффективную дальность и уменьшает уровень принимаемых помех из эфира, потому что «светит» узким лучом.

Когда в разговорах про радиомосты звучит слово «тарелка», почти всегда имеется в виду параболическая антенна. Это как спутниковая тарелка для телевидения: металлический (или композитный) отражатель в виде па��аболы и маленький облучатель в фокусе. Вся энергия, приходящая на поверхность тарелки, отражается и собирается в одной точке, а при передаче - наоборот: маленький облучатель «светит» на отражатель, а тот формирует очень узкий, плотный луч. Отсюда высокий коэффициент усиления и очень узкая диаграмма направленности. К примеру, для Wi-Fi в 5 ГГц типичные «тарелки» дают 23–30 dBi коэффициента и ширину луча в несколько градусов.

Плюсы очевидны - дальность, устойчивость к помехам. Минусы тоже есть. Большая «парусность» на ветру требует жесткой мачты/башни/крепления. Кроме того, параболические антенны максимально точно юстируют, то есть настраивают их положение. Если речь идет о линке на десятки километров, без тарелок обычно не обойтись. 

Я думаю, что после этого объяснения стало понятно, как слабенький Wi-Fi умудряются отправлять так далеко. Секрет в антеннах. А вот дальше начинаются проблемы. Их много, но основных пять: Френель, радиус кривизны Земли, ACK, изменяющаяся среда и регуляторика.

Кругленький Френель

Первая ловушка для начинающих «мостостроителей» - прямая видимость. Кажется, что если две точки видят друг друга, то со связью проблем быть не может. Это заблуждение.

Между антеннами существует так называемая первая зона Френеля. Грубо говоря это объем в виде вытянутого эллипсоида вдоль линии между антеннами. Работает это так. 

Передатчик излучает волны в направлении приемника. Некоторые попадают непосредственно на приемник (прямой луч), а другие приходят после отражения от поверхностей на пути следования сигнала (непрямые лучи).

Такие непрямые лучи проходят более длинный путь, что означает, что их фазовый угол смещается по сравнению с прямым лучом. Всякий раз, когда фазовый угол смещается на половину длины волны, возникает деструктивная интерференция, то есть сигналы гасятся.

Чтобы избежать вредного воздействия непрямых лучей, необходимо, чтобы не менее 60% первой зоны Френеля оставалось свободным от препятствий. Рекомендуемое значение - 80%. Первая зона Френеля как раз показывает, то пространство, где не должно быть посторонних предметов.

Я не буду утомлять вас формулами и лучше порекомендую вот этот калькулятор, который помогает сделать расчет. Как видим, при частоте в 5 ГГц и длине линка 10 км необходимо обеспечить 12,25 метра «вертикальной чистоты» вокруг луча по центру.

Теперь вдумайтесь. Вы устанавливаете мост на 10 километров в городе. И вы должны оказаться на 12,25 метра выше среднего рельефа! То есть если город состоит из 10-этажных зданий, вам нужно оказаться на три-четыре этажа выше. При этом на вашей трассе не должно быть никаких мачт, конструкций и прочего хлама, который создаст вам проблемы. Только в этом случае линк у вас заведется как надо.

На практике Френелем часто пренебрегают, так как не всегда физически возможно его обеспечить. Потому скорости и расстояния реальных радиомостов (особенно в городе) далеки от расчетных.

Радиус кривизны Земли

Земля, внезапно, круглая. И это реальная проблема на длинных пролетах. Кстати, именно благодаря этой проблеме я не встречал среди радиоинженеров ни одного приверженца теории плоской Земли. Ибо глупо верить в плоскую поверхность, когда ты сам видишь уходящий вниз горизонт.

В чем суть? Если вы проводите воображаемую прямую линию между двумя антеннами, сама поверхность Земли под этой линией как бы «выпирает вверх». Пока расстояние маленькое - десятки, максимум сотни метров - этим можно пренебречь. Линия идет практически параллельно земле.

 Но как только вы начинаете строить радиомост на 10–20–50 км, становится важно:

• По середине трассы земля оказывается ближе к прямой линии между антеннами, чем у концов.

• Если антенны низко, эта прямая линия начинает пересекать землю - и никакой «прямой видимости» на самом деле нет.

Представьте два объекта на расстоянии ? километров друг от друга. Если соединить их прямой, то посередине этой прямой земная поверхность «поднимается» вверх относительно прямой. Это возвышение можно прикинуть по простой формуле (для грубых оценок):

h - на сколько метров «выступает» Земля посередине трассы,
d - расстояние между антеннами в километрах.

Примеры:

• 10 км ≈ 2 м

• 20 км ≈ 8 м

• 30 км ≈ 18 м

• 50 км ≈ 50 м

То есть если вы хотите сделать радиомост на 50 км с реальной прямой видимостью, нужно, чтобы точки доступа были хотя бы на 50-метровой высоте. А это значит - либо высокие мачты/башни, либо “светить” с горы или здания. Либо все вместе.

Добавляем сюда наш предыдущий опыт про зону Френеля и геометрию мачт/башен (они уже не параллельны друг другу, ибо стоят не на прямой линии) и оказывается, что длинный радиолинк требует действительно серьезных антенно-мачтовых сооружений. 

Проклятие подтверждения

Но и это еще не все. Как мы помним, Wi-Fi вообще-то не создавался для связи на десятки километров. И в самой технологии, наверняка, есть какие-то проблемы, которые не заметны на небольших расстояниях, но сильно выпирают на длинных дистанциях. 

Да, есть. И имя этим проблемам ACK.

Любой unicast-кадр в Wi-Fi должен быть подтвержден коротким кадром ACK (acknowledgement). Логика простая:

• Передатчик шлет кадр.

• Ждет строго ограниченное время.

• Если за это время не пришел ACK - считает кадр потерянным и шлет заново.

Для небольшого офиса или квартиры это отличная логика, помогающая не терять информацию. Но что произойдет, если наше расстояние увеличивается на порядки?

Вмешивается физика. 

Радиоволна летит со скоростью света. Грубо оценим, сколько времени нужно кадру, чтобы слетать по трассе сигнала:

• Скорость распространения радиосигнала ≈ 3·10⁸ м/с.

• 1 км туда-обратно - это около 6,7 мкс.

• 10 км туда-обратно - уже 67 мкс;

• 50 км туда-обратно - примерно 335 мкс.

Если оставить все как есть, то начнутся потери кадров, ибо не будет успевать подтверждение. К счастью, стандарт 802.11 задает интервалы ожидания ACK и слотовое время. Для длинных линов есть параметр coverage class, а многие вендоры упростили это до настройки «distance/ACK timeout». В MikroTik, например, формула прямо прописана в документации: ACK timeout рассчитывается исходя из расстояния в километрах, фактически добавляя микросекунды на каждый километр. А еще этот параметр в радиомостах можно вообще выключить и жить без подтверждения. Правда тогда надо контролировать целостность информации как-то иначе, на верхних уровнях.

Не дыши на нее!

Изменяющаяся среда - еще один враг радиомостов. И тут среда может меняться в двух вариациях - быстро и медленно.

Хороший пример быстро изменяющейся среды - линк над озером. На самом деле, это не пример, а проклятье радиоинженера.

Потому что над водой среда живет своей жизнью. Если сильно упростить: меняющиеся условия (температура, влажность, время суток) могут влиять на прохождение радиолинка над водой, но чаще это выражается не в драматических «работает/не работает», а в плавном «то лучше, то хуже». 

Над водой часто возникает выраженный градиент температуры и влажности: днем поверхность прогревается, ночью остывает, появляются слои воздуха с разной плотностью. Радиоволна в сантиметровом диапазоне (2,4 и 5 ГГц) в такой ситуации не просто «летит по прямой», а немного изгибается (рефракция). 

Иногда это преподносит сюрпризы в виде нестабильного уровня сигнала. Отдельная история - многолучевость: зеркало озера работает как очень хороший отражатель. Летом, когда вода теплая и воздух над ней тоже, отраженный луч может активно мешать основному, и вы видите на графиках то небольшие провалы по уровню, то всплески ошибок. Классика интерференции. 

При этом сама по себе температура как число (10 °C или 25 °C) не «гасит» сигнал напрямую, ей важен именно перепад и связанный с ним профиль атмосферы. Так что радиомост над озером - вполне рабочая идея. Но к нему надо относиться как к живому: проверять поведение в разное время суток и сезоны, оставлять запас по уровню и не удивляться, если зимой все идеальн��, а в жаркий безветренный вечер линк вдруг начинает «дышать».

Пример медленно-изменяющейся среды - это лес или город. Лес растет и в этом проблема. Да, за месяц он нам в первую зону Френеля не залезет, но линки часто поднимают на года. А вот за этот срок верхушки деревьев уже могут создать нам те самые непрямые лучи и проблемы в виде интерференции.

Что же до города, то классический анекдот “на линии нашего радиомоста неожиданно построили дом” совсем не анекдот, когда у вас больше тысячи линков в пределах города-миллионника. Там постоянно что-то строят. И если дом еще будет появляться постепенно, то башенный кран соберут махом. И по закону Мерфи он окажется точно-точно на линии между двумя вашими точками. 

Регуляторика

Преодолев все технические ограничения, мы можем столкнуться еще с одним. Правовым.

Почему-то многие считают, что Wi-Fi сам по себе не нарушает закон и его можно использовать как хочется. На деле у него есть вполне жесткие ограничения. 

Например, диапазоны 2,4 и 5 ГГц безлицензионные очень условно. 

Для 2,4 ГГц (2400–2483,5 МГц) в России действует классическая модель устройств малого радиуса действия (УМРД). Согласно решениям ГКРЧ и разъяснениям Роскомнадзора / Минсвязи:

• Оборудование Wi-Fi (802.11 b/g/n/ax), работающее в полосе 2400–2483,5 МГц, допускается к использованию без оформления отдельных решений ГКРЧ и без регистрации, при условии, что эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) не более 100 мВт, соблюдается ограничение по спектральной плотности и ряду других параметров.

• Для уличных сетей дополнительно накладываются ограничения по высоте подвеса (например, до 10 м для режима УМРД) и ЭИИМ. 

Именно поэтому, когда кто-то рассказывает, что «поставил Wi-Fi-мост на 15 км в 2,4 ГГц на двух 24-dBi антеннах и все отлично» давайте прикинем насколько это отлично от законодательства:

• 100 мВт - это 20 дБм.

• Плюс 24 dBi антенна - уже 44 дБм ЭИИМ.

• А это сильно выше лимита, если говорить именно о нелицензируемых устройствах малого радиуса действия.

Разумеется, есть законные варианты:

• Зарегистрировать РЭС как систему радиодоступа.

• Получить решение ГКРЧ.

• Оформить разрешение на использование частот (РИЧ) и зарегистрировать станции. 

По уму так и надо делать, и так делают. Но не все. Ведь это уже другая лига. Такое по плечу в основном операторам и не самым мелким.

Если в 2,4 ГГц еще как-то можно спрятаться, то в 5 ГГц все еще строже - без РИЧ лучше даже не соваться в outdoor.

По опыту - Радиочастотный Центр обожает в конце квартала добивать планы, садиться в машину и искать нелегальные радиомосты на 5 ГГц. Это легко и всегда найдется. Дальше протокол и штраф. Практика сильно разнится от региона к региону, но играть с подобным сильно не рекомендую. 

Радиоусловия

Выделю их отдельным пунктом, но по опыту - это самое сложное при расчетах радиомостов. Ибо предположить где какая помеха зазвенит мы не можем от слова вообще, особенно в городе. 

Хорошо релейщикам, которые сидят на выделенных частотах и любая помеха для них решается жалобой в Радиочастотный Центр. 

Нам тяжелее. С нами за эфир конкурируют тысячи Wi-Fi роутеров и устройств-абонентов. А также все те, кому комфортно работать в условно-свободном диапазоне. Какая-нибудь китайская радионяня может положить весь эфир в подъезде и дотянуться до нашего моста за окном. 

Если у нас есть РИЧ, то мы тоже можем пожаловаться в РЦ. Но… Вы же понимаете, что тысячи наших легальных и не очень конкурентов за эфир не переловить. 

А 50 км - это вообще реально?

Давайте оставим регуляторику в стороне и снова вернемся к технике. Сколько вообще реально пробить радимостом на основе Wi-Fi и с какой скоростью?

Если брать по максимуму, то тут у нас абсолютный рекорд, зафиксированный в Книге Гиннесса - линк на 382 км в Андах. Исследователь Эрманно Пьетроземоли протянул 802.11-соединение между двумя вершинами в Венесуэле и получил около 3 Мбит/с на дистанции 382 км. Надо понимать, что это правда рекорд и что вершины Анд оказались идеальными телекоммуникационными башнями.

Таким же неземным выглядит проект Ubiquiti между Сардинией и материком на airFiber AF-5X. Там выжали 356 Мбит/с на 304 км. Такое возможно, да. С другой стороны, этот линк - часть рекламной кампании Ubiquiti, скорость пишут “до 356 Мбит/с” (т.е. в пиковом значении). И для подвеса там тоже используют горы: линк идет между Монте Амиата в Тоскане и Монте Лимбаро на Сардинии. Можете оценить трассу по фото ниже.

В реальности же надо держать в уме три вещи:

• Есть радиомосты разных классов. Если Loco M5 от Ubiquiti внешне ничем не отличается от обычной outdoor точки доступа, то airFiber 5U - настоящий монстр, под 20 кг весом. Логично, что эти устройства разных классов и возможности у них разные. Loco M5 худо-бедно сделает два километра, а для airFiber 5U и сто километров возможно. 

• Редко кто реально работает на мощности передатчика 100 мВт, если речь идет о дальности. Тот же Ubiquiti PowerBeam M5-400 спокойно разгоняется до 26 дБм, т.е. почти до 400 мВт. Мы же помним, что по ЭИИМ мы уже все нарушили, гулять так гулять. Конечно, если у вас есть вся разрешительная документация.

• Радиомосты используют чаще всего от бедности, либо от экономической нецелесообразности ставить нормальную релейку или тянуть оптику. Потому, часто пренебрегают правилами их установки, сознательно или по незнанию. Грубо - надо мне поднять линк на 2 км и 20 мегабит/сек в городе. Мачты ставить дорого, встаю на крышу зданий. Да, вижу я, что трасса неидеальна и в первую зону Френеля лезет всякое. Но условный PowerBeam M5-400 мне мои потребности за глаза закроет и еще запас оставит.

Так вот. С учетом этого отвечу, что да, пятьдесят километров на Wi-Fi - это реально. Даже сто реально. А с идеальной трассой и хорошим оборудованием, так и все триста.  

Скорость будет зависеть от стандарта, который используется, от радиоусловий, длины трассы, оборудования и мощности передатчика. Тут разбег будет от одного-двух до нескольких сотен мегабит в секунду.

Заключение

Wi-Fi-мосты интересная и очень объемная тема. Я попытался сделать обзор общих принципов их построения, но, конечно, многое не влезло. 

В заключении хотелось бы ответить на еще один вопрос, который прямо таки висит в воздухе. А кто и для чего использует радиомосты?

Если не брать отдельные частные случаи, когда мосты используют в качестве радиоудлинителей (там речь про сотни метров, например, сигнал с квартиры в гараж спустить) то главные потребители - это провайдеры Интернета.

Есть целые операторы, которые целиком строят свой бизнес на радиолинках, доставая сигналами туда, куда кабель затянуть сложно. Или дорого.

Провайдеры бывают разные. Кто-то получает на свои каналы РИЧ и делает все необходимые документы, кто-то живет в формате “Пионер-нета”, т.е. пока не поймают. 

Это создает в эфире еще больше хаоса, приводит туда устройства сильно мощнее 100 мВт и часто нарушает самые элементарные принципы построения беспроводных сетей. Так что радиомосты в текущей ситуации - скорее зло, нежели подспорье. И тем не менее их рынок существует и схлопываться не собирается. Что ж, пусть будут и такие. 

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.