超远距离无线联网测试(3公里)

[软件网络][2007-31期]挑战3公里极限——超远距离无线联网测试(电脑报2007年第31期F版)不要让距离限制无线采用WIFI搭建的局域网可以让我们抛开网线，自由自在地享受无线上网的乐趣。有句宣传口号就是“无线你的无限”。但事实真是如此吗？目前无线网络最常见的用法就是让楼上楼下的邻居或者在同一层区域进行无线联网。实际连接距离室内30米，室外100米，这么短的距离如何“无限”？远不远不能够满足广大用户对无线网络的需求。距离是无线网络最大的软肋。那么有没有仅仅使用民用设备就将无线网络的距离扩大1倍、2倍乃至10倍呢？为了探索无线网络距离扩大的可行性，我们耗时3个月，特邀无线网络专家张宇分别从传输距离以及传输稳定性两方面进行试验。本次试验，我们参考了国内外多个2.4GHz无线组网试验报告，综合现有民用设备以及专家的建议，将本次极限试验的距离定为3公里（无线AP标称距离的10倍）。下面我们就要开始挑战无线网络的距离极限。我们制定了一个局域网拓扑结构图（图1）

 

。这个图直观地体现了既定的无线组网目标，同时也贴近普通用户使用实际情况。张宇：计算机工程师，超长距离无线联网资深专家。曾代表重庆市去沈阳参加共青团中央举办的“振兴杯”全国青年职业技能大赛当中的计算机技术竞赛。在无线联网方面有自己独到的见解以及极强的动手操作能力。三大保障为测试开绿灯为了在最大程度地保证试验的成功。我们从三个方面进行前期准备。它们分别是刷新固件，制作远距离天线以及优化设置无线路由器。它们分别从无线设备功能扩展，长距离传输保障以及正确设置路由等几个方面保证试验的成功。刷新固件直指3公里普通无线路由器是不带WDS（无线分布系统）功能的，而在远距离无线组网中，无线分布是必不可少的功能，所以我们要将无线路由固件刷写为可以支持WDS的DD-WRT固件。试验采用的设备为市面上可以买到的buffalo的WHR2A54G54和一个linksys的WRT54G无线路由器。我们把路由器的固件刷写成了DD-WRT（下载地址：http://www.dd-wrt.com/dd-wrtv2/downloads.php）这个第三方固件（注意：买新路由器的朋友要注意，刷写第三方固件有可能失去保修资格）（图2）

 

小知识：什么是DD-WRT固件DD-WRT是一个第三方固件，它广泛的应用于Linksys WRT54G/GS/GL或其他基于Broadcom参考设计的802.11g无线路由器，它本质是一个Linux操作系统。如果说一台无线路由器的操作系统相当于它的大脑，那么我们把给这个无线路由器刷新DD-WRT固件就意味着给此设备“洗脑”。经过“洗脑”操作后无线设备支持的功能更多，运行更加稳定。一般情况下我们称那些刷新了DD-WRT固件的无线设备为DD-WRT无线路由器。另外，并不是所有设备都可以刷新成DD-WRT固件，DD-WRT支持的设备品牌很多，以下罗列一些最常用的型号：All0277、Askey RT210W、Asus WL-500G、Asus WL-300G、Belkin部分产品、Buffalo部分产品、Linksys WRT54G系列与WRTSL54GS、Motorola WR850G、Siemens Gigaset SE505和Gigaset SX550i。这些设备刷新成DD-WRT后的效果也是有很大差别的，有的比较稳定，有的还不如之前厂家自带操作系统呢，所以在选择产品时也要三思而行，根据普遍的经验：Buffalo WHR G54s、Asus WL 500G Deluxe、Buffalo WHR G54s以及Motorola WR850G这几个产品刷新后的效果最好。制作天线克服最大障碍在整个试验中，最大的难度就是长距离的信号传输。此时，我们就可以依赖天线对无线信号进行传输。在路由器还未做改装的情况下，我们首先做了个无线联网的试验，在110米距离上，速度降为11Mbps，到300米距离上，无线几乎不容易连通了，ping无线路由器的IP地址，90％的包都ping不通，300米联网失败。这里我们发现了无线组网存在的一个巨大问题，在信号不好的情况下，一般人的想法就是提高路由器功率。但是，根据信息产业部 [2002]353号文件规定包含天线增益在内，最终的等效全向辐射功率(EIRP)限值为20dBm(即100mW)。2.4G的WIFI设备超过100mW的需要到无委会申请执照。因此，绝大部分在国内销售的WIFI设备的功率都不超过50mW。在设备功率要遵守国家规定的情况下，我们准备使用天线克服这个障碍。正宗的成品天线价格都很昂贵，一个能保证连接1公里的天线价格都在千元以上，能保证连接3公里的天线，品牌厂家的成品天线价格在6000元～8000元之间，买一对的话，得花一万多，这显然不符合普通用户使用。我们决定自制天线，在参考了一些制作2.4GHz天线的资料后，将普通全向天线改装成定向天线。为了找到最好的效果的天线，我们一口气做了10多个，一个一个接到路由器上进行试验和调试，最终筛选出是效果最佳的天线。制作好天线，我们将它架设到试验室外部（图3）。

 

优化路由突破极限在长距离无线组网中，我们还需要对无线路由器固件进一步的设置，让它能够支持无线组网的所有要求。放在试验室里的路由器假定为主AP，带出去作试验的那个路由器算作副AP。先设置主AP：第一步：设置→基本设置→网络设置→网络地址服务器设置（DHCP）→DHCP服务器，选禁用（图4）。

 

第二步：无线→基本设置。这个菜单下的设置主副AP都必须一样（图5）。

 

第三步：无线→WDS→WDS设置，选择LAN。然后就是主副AP互相填写MAC地址，也就是说主AP填副AP的MAC地址，副AP填主AP的MAC地址，进行了这样的设定后，这一对路由器就只会接收和发射它们俩之间的无线信号，其他的任何无线信号都不可能再进入这个系统了。从这点上也可以看出，无线桥接的安全性、保密性非常的高，如果没能获取设备的MAC地址，其他的WIFI设备既不能感知到这个无线系统，也不能进入这个无线系统。至此，软件方面设定完毕。实地测试 挑战极限前期工作准备完毕，剩下的就是实地测试了。在实地测试时，我们需要进行地点的选定，远距离连接无线网络，连接速度的测试以及整个无线网络稳定性的测试。这几点测试是为了分别测试无线网络远距离确定最佳实测地点对于地点的选择，我们要满足几点要求，直线距离3公里，同试验室中间没有明显的障碍建筑。通过从地图上测量，我们选定了重庆港二码头（千厮门码头）作为我们的联网目标，同试验室直线距离3公里（图6）。

 

让试验室的电脑共享几个大体积文件作为传输测试的内容，带上UPS电源、笔记本、电源接线板、望远镜等等附件，开始了我们的超长距离极限联网试验。图7是从试验室望出去的实景照片，中间那座大桥就是 “黄花园大桥”，桥下是嘉陵江，图中那个巨大的高压线铁塔是过江电线的铁塔。在试验现场搭建好测试设备开始测试（图8）。

 

 

3公里连接测试到达指定位置，将各种设备都连接好，第一步是寻找试验室发射过来的无线信号。这也是无线组网成功的标志之一。运行CMD，输入ping 192.168.1.xxx –t试验室的网关，一边Ping网关一边拿着天线对方向、找信号，方向对准了以后，Ping值会很低，大体在1ms至4ms之间，其中1ms居多（图9）。

 

Ping试验室的网关以后，就代表3公里无线网络可以连接。结论：连接成功，Ping值为1ms～4ms。网络功能测试连接成功后，下面则是非常重要的网络功能测试。网络功能包括访问网内数据和通过路由器访问互联网。一旦此项测试通过，则证明3公里无线组网完全能够实现。访问试验室预先共享好的两部电影，并进行拷贝文件操作。从3公里外试验室电脑试验拷贝一部306MB的电影到千斯门这台电脑上，一共用时7分多钟（图10）。

 

通过简单的测算可以知道实际文件拷贝速度保守估计在700Kb/s左右，这个速度是普通的ADSL宽带150Kb/s下行速度的4倍多，是ADSL上行速度的14倍。这个306MB的文件是我们预先寻找的一部1000Kbps的高码率电影，既然7分钟能拷贝实际播放时间有42分钟的高码率电影，那么从理论上来说，在这个距离上通过无线传输并同时播放5部1000Kbps的高码率电影，或者10部400Kbps中等码率电影是完全不在话下的。内网测试通过，下面则是通过路由访问外网。通过试验，在这个距离上能上QQ，能开网页，能收发邮件，能下载互联网上的文件，能升级杀毒软件的病毒库，也就是说共享上宽带是没任何问题的。结论：内网传输稳定，外网访问正常。无线路由器功率黄金点测试我们知道，在无线组网中，无线路由器功率可以影响无线组网的包括传输速度在内的多项效果。为了寻求在超远距离无线组网过程中，无线路由器功率的黄金点，我们进行了多个功率的测试。我们测试了5mW，10mW，20mW～85mW等无线路由功率后发现，功率并不是越高越好。当功率提高以后，路由器速度反而有降低的趋势。这是因为当路由器的功率提高后，WIFI信号是放大了，但是杂波也被同时放大了，这就造成随着功率的提高，无线联网速度不升反降的现象。通过试验，我们最终确定无线路由器发射功率最佳是在20mW（图11），

 

这个时候路由器速度有24Mbps。结论：无线路由功率不是越大越好，3公里最佳功率为20mW。长时间稳定性测试3公里的无线联网是试验成功了。但是每次出去试验，受到笔记本电池和UPS电源电池的限制，试验时间最长只能做到3小时，并且还要在天气良好的情况下才出门，而实际运用中，我们需要的是一个能保持长期稳定工作的无线连接。因此我们耗时3个月对长距离联网进行稳定性测试。在此项测试中，我们采用的距离为900米（无线AP标称距离的3倍）。在试验室中，我们用相同方法，与一个直线距离900米远的宿舍楼搭建了无线网络。到目前为止，已经使用了3个月，网桥两端速度一直保持48 Mbps～54Mbps。这期间，经历了刮风、下雨、打雷以及今年7月份重庆百年未遇暴雨天气，这对网桥一直稳定运行，没掉过线。结论：长时间、恶劣天气下均稳定运行。编后此次3公里无线联网试验成功，说明一般用户，不用再受阻于无线网络传输距离的限制，可以在直径6公里范围内就搭建无线网络并向朋友提供共享宽带上网。当然，测试成功的意义肯定不止这么一点。在往深处想，上行下行双向24Mbps～54Mbps的无线联网速度，让很多企业的专线连接不用再单独架设有线网络。比如像室外无线监控摄像，大型码头局域网建设，大型小区物业安全监控摄像等等，这些行业在过去的监控工程中都是采用挖地沟布光纤这样的手段，工程造价非常高昂，批准手续繁琐，工期要求苛刻。有了这种超长距离高带宽的无线连网手段后，这些令人头痛的难题将迎刃而解。如果能够继续将此种超远距离无线网络进一步完善，覆盖更大的面积。那么我们可以设想，如果一个ISP提供商在城市的合适位置进行基站布点，电信的GPRS、联通的CDMA 1X以及还未出世的3G这些无线上网手段都将到此终结。专家谈远距离无线组网经验本次极限试验我们成功证明无线网络能够达到3公里距离，并在900米距离联网中，对抗恶劣天气，能够长时间有效运作。

专家在测试后总结出无线组网的几点经验，供需要远距离无线组网的朋友一点参考。（1）用普通民用无线路由器能组超过300米的无线网络，花费约为800元。但是，也并不是任何人直接到商店去买个无线路由器就能连3公里。硬件上，你需要自制一些市面上买不到的部件，用来把全向天线改装成定向天线，并且普通人无法对天线之类的自制零件进行测试，这当中会经历多次制作失败。软件方面，你还需要对路由器的固件进行刷新，用来增加远距离无线联网的必备功能，这要求你具备一定的Linux操作系统的基础知识。（2）2.4GHz的无线网络由于是纯数字信号，抗干扰能力非常强大，或者说几乎不会受到干扰，通过捆绑MAC地址、关闭SSID广播、WEB加密等手段，就是同频率的2.4GHz网络也不会造成干扰。在试验中，旁边有个330千伏安的变电站，它也没有对无线路由器造成任何干扰。（3）无线路由器的保密性和安全性其实很高。你可以通过捆绑IP地址或MAC地址限制无线终端的接入，可以通过128位传输加密对传输的数据进行加密，那些说无线路由器不保密和不安全的人，估计是因为网络管理员不负责任或者水平太低才使得网络不保密的。（4）长距离无线网桥不需要无委会颁发执照，2.4GHz波段被称为工业、科研、医学频带，所有的802.11b、g产品都工作在这个频带，许多专用产品也一样，比如说蓝牙设备，无绳电话等等。（5）长距离无线联网并不需要很高的功率，不会对人体健康以及周边环境造成不利影响。测试中无线路由器的发射功率仅仅只有20mW，比一般家里的无绳电话（200mW）还要低，比手机（200mW至1.3W）也低很多。（6）长距离联网前提条件是近端和远端要可视，中间不能有建筑物之类的障碍，如果仅仅有几片树叶，或者高压线的铁塔问题还是不大，可以忽略。2.4GHz属于微波，绕射和衍射的能力微乎其微。