معرفی و اهمیت شبکه‌های بی‌سیم

پیچیدگی­‌ها و هزینه‌­های ارتباطات در شبکه‌های کابلی و همچنین نیاز به دسترسی به منابع شبکه در تمامی نقاط موجب ایجاد شبکه­‌های بی‌سیم شد. از زمان پیدایش شبکه‌ی بی‌سیم تاکنون، تعداد تجهیزات استفاده‌کننده از این زیرساخت به صورت تساعدی در حال افزایش است. از همین رو ایجاد زیرساختی پایدار، ایمن و دارای پهنای باند مناسب بیش از پیش مورد اهمیت قرار گرفته است.

معرفی امواج

ارتباطات در شبکه­‌های بی‌­سیم از طریق امواج رادیویی برقرار می‌­شود. همان­‌گونه که در شکل زیر مشخص شده است، امواج دارای طیف­‌های گوناگونی هستند. سازمان­‌های نظارت و کنترلی، بازه­‌های مختلف امواج را با توجه به ویژگی‌­های آن برای منظور خاصی قرار داده‌اند. به طور مثال، از امواج در بازه‌ی­ 54 مگاهرتز تا 72 مگاهرتز برای ارسال داده در شبکه‌ی تلویزیون استفاده می‌شود. از باز­ه‌های فرکانسی در نظر گرفته شده توسط سازمان ITU نمی‌توان در موارد دیگر استفاده کرد، زیرا این امر موجب تداخل و اختلال در سیستم عملکرد تجهیزات استفاده‌کننده در آن طیف سیگنالی خواهد شد.

با توجه به موارد اشاره شده، سازمان ITU بازه‌ای (2412 Mhz 2484 - Mhz) از فرکانس­‌ها را به عنوان باند آزاد اعلام کرد. تجهیزات مختلف با کاربری مختلف امکان استفاده از این بازه را بدون نیاز به تأیید سازمان ITU خواهند داشت. پس از گذشت مدت زمانی با توجه به محبوب شدن بستر زیرساخت شبکه­‌های بی‌سیم، نیاز به ارائه‌ی پهنای باند بالاتری احساس شد. از این رو سازمان ITU فرکانس 5 گیگاهرتز را نیز با شرایط و قواعد خاصی به عنوان باند آزاد معرفی کرد.

معرفی کانال­‌های ارتباطی

برای استفاده‌ی مناسب از باند­های فرکانسی 2.4 و 5 گیگاهرتز، این رنج‌های فرکانسی با فاصله­‌های حدود 20 مگاهرتز تقسیم شده که به هریک از آن­ها یک کانال می‌گویند. مطابق شکل زیر، در باند 2.4 گیگاهرتز با این روش تقسیم بندی، 13 کانال ایجاد شده است.

هرچه تداخل کانال‌­ها در تجهیزات بی‌سیم که در مجاورت یکدیگر قرار دارند کمتر باشد، کیفیت سیگنال‌دهی در آن محیط افزایش می­‌یابد. به همین خاطر بهتر است از کانال­‌هایی که هیچ‌گونه تداخل سیگنالی با یکدیگر ندارند استفاده شود، مانند کانال‌های 1، 6 و 11 در باند 2.4 گیگاهرتز.

تاریخچه‌ی وای فای و اکسس پوینت

در سال 1991 اولین تجهیزی که امکان ارسال داده بر روی زیرساخت ارتباطی بی‌سیم را دارا بود توسط شرکت Aironet ساخته شد. 7 سال بعد در سال 1998 شرکت Aironet موفق به ساخت اکسس پوینتی شد که امکان ارسال و دریافت داده را با سرعتی معادل 10 مگابیت بر ثانیه که سرعت ارتباطات کابلی اترنت در آن زمان بود، فراهم می‌کرد. از آن پس، شرکت­‌های مختلفی در حوزه‌ی ساخت تجهیزات شبکه­‌های بی‌سیم شروع به فعالیت کردند و با گذشت زمان رقابت بین این شرکت­‌ها نیز افرایش پیدا کرد.

معرفی استانداردهای وای فای(Wi-Fi) و پهنای باند هر کدام

به منظور انتقال داده بر روی بستر امواج رادیویی از مکانیزمی به اسم مدلاسیون استفاده می­‌شود. هرچه بتوان الگورتیم­‌های پیچیده‌تری را در مدلاسیون به کار برد، امکان ارسال داده با پهنای باند بیش‌تری فراهم خواهد شد.

به منظور یکسان‌سازی الگوریتم­‌های مدلاسیون و سایر قابلیت­‌های امنیتی و ارتباطی بر روی بستر ارتباطات بی‌سیم، سازمان IEEE استانداردی برای ارتباطات روی بستر بی‌سیم معرفی کرد که 802.11  نام­گذاری شد.
با توجه به افزایش قدرت پردازش کارت­‌های شبکه‌ی بی­‌سیم، به مرور استاندارد­های جدیدی توسط این سازمان معرفی ‌شد. با پیشرفته شدن استاندارد­های موجود در ارتباطات شبکه­‌های بی‌سیم، امکان ارائه‌ی پهنای باند بالاتر به همراه قابلیت‌­های بیشتر فراهم شده است.

مطابق شکل نمایش داده شده در بالا، با گذشت زمان، استاندارد­های جدیدی با پهنای باند بالاتر ارائه شد که در ادامه توضیح مختصری برای هریک از این استاندارد­ها داده خواهد شد.

استاندارد 802.11b:

اولین استاندارد در ارتباطات شبکه‌ی بی­‌سیم که در سال 1999 میلادی ارائه شد، پهنای باندی معادل ارتباطات کابلی مرسوم در آن زمان یعنی 11 مگابیت بر ثانیه را بر روی باند 2.4 گیگاهرتز ارائه می‌داد.

استاندارد 802.11g:

پس از گذشت حدود 4 سال در سال 2003 استاندارد 802.11b معرفی شد که امکان ارائه‌ی پهنای باند حدود 54 مگابیت بر­ثانیه را برروی باند 2.4 گیگاهرتز فراهم می­‌کرد.

استاندارد 802.11a:

این استاندارد هم‌زمان با استاندارد 802.11g ارائه شد و دقیقاً همان میزان از پهنای باند را در اختیار کاربران قرار می‌داد. تنها فرق این استاندارد با استاندارد 802.11g استفاده از باند 5 گیگاهرتز به‌جای باند 2.4 گیگاهرتز است.

استاندارد 802.11n:

استاندارد 802.11n در سال 2009 معرفی شد. این استاندارد امکان ارسال داده در هر دو باند فرکانسی 2.4 و 5 گیگاهرتزی را دارد و در بهترین وضعیت سیگنال­‌دهی می‌تواند تا پهنای باند 600 مگابیت بر ثانیه را در اختیار کاربران قرار دهد.

استاندارد 802.11ac:

در سال 2013 استانداردی معرفی شد که امکان انتقال داده تا سرعت 1.3 گیگابیت بر ثانیه را فراهم کرد. این استاندارد که بر روی باند فرکانسی 5 گیگاهرتز فعال است باعث شد که تحولی بزرگ در ظرفیت‌های ارتباطی زیرساخت شبکه‌­های بی‌سیم ایجاد شود. همچنین در سال 2016 نسخه­‌ی جدید از این استاندارد به اسم 802.11ac Wave 2 ارائه شد که پهنای باند 6 گیگابیت بر ثانیه در آن فراهم شده بود.

استاندارد 802.11ax:

در سال 2019 آخرین استاندارد شبکه‌­های بی‌سیم به نام 802.11ax معرفی شد که این استاندارد به نام وای فای 6 (Wi-Fi 6) معروف شده است. وای فای 6 قابلیت انتقال داده تا سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه برای کاربرانی که از این استاندارد پشتیبانی می­‌کنند را فراهم می‌کند. از دیگر قابلیت­‌های استاندارد وای فای 6 در مقایسه با استاندارد 802.11ac، امکان ارائه‌ی سرویس بر روی هر دو باند فرکانسی 2.4 و 5 گیگاهرتز است. در ادامه‌ی این مقاله به توضیح قابلیت‌های مهم اضافه شده در این استاندارد پرداخته خواهد شد، ولی قبل از هر چیز لازم است برخی از فناوری‌های موجود در شبکه­‌های بی­‌سیم معرفی شوند.

معرفی اصطلاحات و فناوری‌ها

قابلیت Multi Input Multi Output

این قابلیت که با اصطلاح MIMO نیز شناخته می­‌شود، از جمله قابلیت­‌هایی است که در استاندارد 802.11n معرفی شد و امکان ایجاد چند جریان داده‌ای به صورت همزمان را بین اکسس پوینت و کاربر فراهم می‌کند. مطابق شکل زیر در صورتی که تجهیزات کاربر از این قابلیت پشتیبانی کند، امکان ارسال داده به صورت همزمان بر روی چند جریان فراهم خواهد شد.

همان‌گونه که در شکل بالا مشخص گردیده، بین کاربر و اکسس پوینت سه جریان ترافیکی برقرار شده است که به اختصار به صورت 3x3 نمایش داده می‌شود.

قابلیت Multi User MiMO

یکی از محدودیت­‌های ارتباطی در شبکه­‌های بی‌­سیم، عدم امکان برقراری ارتباطات اکسس پوینت­ به صورت همزمان با چند کاربر است. قابلیت MU-MIMO در استاندارد 80211ac Wave 2 معرفی شد و قابلیت ارسال داده به طور همزمان به چند کاربر را فراهم کرد و این قابلیت باعث افزایش پهنای باند در ارتباطات شد.

ویژگی Dynamic Frequency Selection

همان­‌گونه که در قسمت معرفی سیگنال­‌های رادیویی اشاره شد، امکان استفاده از باند فرکانسی 5 گیگاهرتز با رعایت شرایط خاص فراهم شد. با توجه به اینکه سیستم­‌های رادار نیز از این باند فرکانسی استفاده می‌کنند، مکانیزمی لازم است تا در صورت وجود و شناسایی سیگنال راداری، به منظور جلوگیری از تداخل سیگنال، باند فرکانسی خود را به سرعت تغییر دهد. مکانیزم نام برده شده که به اختصار DFS گفته می‌­شود، یکی از الزاماتی است که باید در تجهیزاتی که از باند 5 گیگاهرتز استفاده می­‌کنند، رعایت شود.

درصورتی که تجهیزی قابلیت فعالیت در باند 5 گیگاهرتز را داشته باشد، به منظور دریافت مجوز فعالیت لازم است از مکانیزم DFS پشتیبانی کند.
 

قابلیت Cisco Clean Air

یکی از مشکلات در شبکه­‌های بی­‌سیم، وجود تداخل و کاهش کیفیت سیگنال­‌دهی است. گاهی تداخل­‌های سیگنالی به صورت ناخواسته ایجاد می‌شوند؛ مانند تلفن‌های بی­‌سیم، مایکروفر­های موجود در آشپزخانه­‌ها و یا تجهیزات بی­‌سیم موجود در همسایگی. شرکت سیسکو در سال 2012 ویژگی CleanAir را به تجهیزات خود اضافه کرد. این قابلیت با بررسی وضعیت کانال سیگنالی مورد استفاده، در صورت شناسایی تداخل، به صورت اتوماتیک کانال سیگنالی را به یک کانال خلوت­‌تر تغییر داده تا کیفیت ارتباطات کاهش پیدا نکند.

معرفی قابلیت­‌های جدید در وای فای 6 (Wi-Fi 6)

با معرفی استاندارد 802.11ax در سال 2019 تحولی بزرگ در ارتباطات شبکه­‌های بی­‌سیم صورت گرفت. این استاندارد که در اصطلاح وای فای 6 (Wi-Fi 6) نامیده می‌­شود، قابلیت­‌های جدیدی را معرفی کرد که باعث افزایش کیفیت سرویس‌دهی در زیرساخت شبکه­‌های بی­‌سیم می‌شود.

افزایش عمر باطری:

قابلیت جدید ارائه شده در وای فای 6 به نام TWT، این امکان را فراهم می‌­سازد تا اکسس پوینت برای تجهیزات کاربر، دقیقاً مشخص کند چه زمانی باید داده را ارسال و دریافت کند؛ همین امر موجب می‌­شود تا تجهیزات سمت کاربر در زمان­‌های دیگر در حالت نیمه‌خاموش قرار گرفته و در مصرف باطری بسیار صرفه‌جویی شود.

افزایش پهنای باند:

وجود چند قابلیت در کنار هم موجب افزایش چشم‌گیر در پهنای باند شده است. از جمله قابلیت­‌های وای فای 6 می‌توان به امکان استفاده از الگوریتم­‌های پیچیده‌تر در مدلاسیون و اضافه شدن قابلیت MIMO در ارتباطات UpLink (ارتباط کاربر با اکسس پوینت) اشاره کرد.

سرویس‌دهی بهتر در اماکن شلوغ:

افزایش توانایی وای فای 6 در مکانیزم MIMO تا 8 جریان داده‌­ای همزمان، امکان استفاده از قابلیت Sub Channel و بسیاری از قابلیت­‌های دیگر باعث شده که در اماکن شلوغ مانند سالن‌های همایش و استادیوم‌­ها کیفیت سیگنال‌دهی افزایش داشته باشد.

افزایش امنیت:

با توجه به پشتیبانی از پروتکل WPA3 و رمزنگاری فرم­‌های مدیریتی بین اکسس پوینت و تجهیزات کاربران در وای فای 6، امنیت ارتباطات در این نسل از ارتباطات وای فای نسبت به نسل­‌های قبلی بسیار افزایش پیدا کرده است.
 

پیشنهاد:

با توجه به تمامی موارد اشاره شده در این مقاله می‌توان نتیجه گرفت که در آینده تجهیزات و پروتکل­‌ها در شبکه‌های بی‌سیم رو به پیشرفت بوده و این امر موجب افزایش راهکارهای موجود در زیرساخت بی‌سیم شده و همچنین افزایش روزافزون استفاده از این زیرساخت را به همراه خواهد داشت. با توجه به این سرعت رشد، پیشنهاد می‌شود سازمان­‌ها در زمان خرید تجهیزات زیرساختی، تجهیزات با آخرین تکنولوژی را خریداری کرده تا در آینده با رشد تجهیزات سمت کاربران علاوه بر پشتیبانی از آخرین تکنولوژی‌ها، هزینه­‌های بروزرسانی را نیز در آینده کاهش دهند.