استاندارد شبکه هاي محلي بي سيم(2)

سيامک عضدالملکي

azods@ieee.org

مطالب ديگري از اين نويسنده

در شماره قبل ، نخستين بخش از مقاله استاندارد شبكه هاي بي سيم به چاپ رسيد كه در آن به معماري شبكه هاي محلي بي سيم، خدمات توزيع، خدمات ايستگاهي و در تهايت آنتن ها پرداخته شده بود ، بخش دوم اين مقاله را با هم مي خوانيم :

3- استاندارد 802.11 b

همزمان با برپايي استاندارد IEEE 802.11b يا به اختصار .11b در سال 1999، انجمن مهندسين برق و الكترونيك تحول قابل توجهي در شبكه سازي هاي رايج و مبتني بر اترنت ارائه كرد. اين استاندارد در زير لايه دسترسي به رسانه از پروتكل CSMA/CA سود مي برد. سه تكنيك راديويي مورد استفاده در لايه فيزيكي اين استاندارد به شرح زير است:

استفاده از تكنيك راديويي DSSS در باند فركانسي 2.4GHz به همراه روش مدولاسيون CCK

استفاده از تكنيك راديويي FHSS در باندفركانسي 2.4 GHz به همراه روش مدولاسيون CCK

استفاده از امواج راديويي مادون قرمز

در استاندار 802.11 اوليه نرخ هاي ارسال داده 1 و 2 مگابيت در ثانيه است. در حالي كه در استاندارد 802.11b با استفاده از تكنيك CCK و روش تسهيم QPSK نرخ ارسال داده به 5.5 مگابيت در ثانيه افزايش مي يابد همچنين با به كارگيري تكنيك DSSS نرخ ارسال داده به 11 مگابيت در ثانيه مي رسد.

به طور سنتي اين استاندادر از دو فنّاوري DSSS يا FHSS استفاده مي كند. هر دو روش فوق براي ارسال داده با نرخ هاي 1 و 2 مگابيت در ثانيه مفيد هستند. جدول 3-1 سرعت مختلف قابل دسترسي در اين استاندارد را نشان مي دهد.

Data Rate

Code Length

Modulation

Symbol Rate

Bits/Symbol

1 Mbps

11 (Barker Sequence)

BPSK

1 MSps

1

2 Mbps

11 (Barker Seq.)

QPSK

1 MSps

2

5.5 Mbps

8 CCK

QPSK

1.375 MSps

4

11 Mbps

8 CCK

QPSK

1.375 MSps

8

جدول 3-1- نرخ هاي ارسال داده در استاندارد 802.11 b

در ايالات متحده آمريكا كميسيون فدرال مخابرات يا FCC، مخابره و ارسال فركانس هاي راديويي را كنترل مي كند. اين كميسيون باند فركانس خاصي موسوم به ISM را در محدوده 2.4 GHz تا 2.4835 GHz براي فنّاوري هاي راديويي استاندارد IEEE 802.11b اختصاص داده است.

3-1-اثرات فاصله

فاصله از فرستنده برروي كارايي و گذردهي شبكه هاي بي سيم تاثير قابل توجهي دارد. فواصل رايج در استاندارد 802.11 با توجه به نرخ ارسال داده تغيير مي كند و به طور مشخص در پهناي باند 11 Mbps اين فاصله 30 تا 45 متر و در پهناي باند 5.5 Mbps، 40 تا 45 متر و در پهناي باند 2 Mbps ، 75 تا 107 متر است. لازم به يادآوري است كه اين فواصل توسط عوامل ديگري نظير كيفيت و توان سيگنال، محل استقرار فرستنده و گيرند و شرايط فيزيكي و محيطي تغيير مي كنند.

در استاندارد 802.11b پروتكلي وجود دارد كه گيرنده بسته را ملزم به ارسال بسته تصديق مي نمايد (رجوع كنيد به بخش 2-4 دسترسي به رسانه). توجه داشته باشيد كه اين مكانيزم تصديق علاوه بر مكانيزم هاي تصديق رايج در سطح لايه انتقال (نظير آنچه در پروتكل TCP اتفاق مي افتد) عمل مي كند. در صورتي كه بسته تصديق ظرف مدت زمان مشخصي از طرف گيرنده به فرستنده نرسد، فرستنده فرض مي كند كه بسته از دست رفته است و مجدداً آن بسته را ارسال مي كند. در صورتي كه اين وضعيت ادامه يابد نرخ ارسال داده نيز كاهش مي يابد (Fall Back) تا در نهايت به مقدار 1 Mpbs برسد. در صورتي كه در اين نرخ حداقل نيز فرستنده بسته هاي تصديق را در زمان مناسب دريافت نكند ارتباط گيرنده را قطع شده تلقي كرده و ديگر بسته اي را براي آن گيرنده ارسال نمي كند. به اين ترتيب فاصله نقش مهمي در كارايي (ميزان بهره وري از شبكه) و گذردهي (تعداد بسته هاي غيرتكراري ارسال شده در واحد زمان) ايفا مي كند.

3-2-پل بين شبكه اي

بر خلاف انتظار بسياري از كارشناسان شبكه هاي كامپيوتري، پل بين شبكه اي يا Bridging در استاندارد 802.11b پوشش داده نشده است. در پل بين شبكه اي امكان اتصال نقطه به نقطه (و يا يك نقطه به چند نقطه) به منظور برقراري ارتباط يك شبكه محلي با يك يا چند شبكه محلي ديگر فراهم مي شود. اين كاربرد به خصوص در مواردي كه بخواهيم بدون صرف هزينه كابل كشي (فيبر نوري يا سيم مسي) شبكه محلي دو ساختمان را به يكديگر متصل كنيم بسيار جذاب و مورد نياز مي باشد. با وجود اينكه استاندارد 802.11b اين كاربرد را پوشش نمي دهد ولي بسياري از شركت ها پياده سازي هاي انحصاري از پل بي سيم را به صورت گسترش و توسعه استاندارد 802.11b ارائه كرده اند. پل هاي بي سيم نيز توسط مقررات FCC كنترل مي شوند و گذردهي مؤثر يا به عبارت ديگر توان مؤثر ساطع شده همگرا (EIRP) در اين تجهيزات نبايد از 4 وات بيشتر باشد. بر اساس مقررات FCC توان سيگنال هاي ساطع شده در شبكه هاي محلي نيز نبايد از 1 وات تجاوز نمايد.

3-3-پديده چند مسيري

شكل 3-1 پديده چند مسيري را نشان مي دهد. در اين پديده مسير و زمان بندي سيگنال در اثر برخورد با موانع و انعكاس تغيير مي كند. پياده سازي هاي اوليه از استاندارد 802.11b از تكنيك FHSS در لايه فيزيكي استفاده مي كردند. از ويژگي هاي قابل توجه اين تكنيك مقاومت قابل توجه آن در برابر پديده چند مسيري است. در اين تكنيك از كانال هاي متعددي (79 كانال) با پهناي باند نسبتاً كوچك استفاده شده و فرستنده و گيرنده به تناوب كانال فركانسي خود را تغيير مي دهند. اين تغيير كانال هر 400 ميلي ثانيه بروز مي كند لذا مشكل چند مسيري به شكل قابل ملاحظه اي منتفي مي شود. زيرا گيرنده، سيگنال اصلي (كه سريع تر از سايرين رسيده و عاري از تداخل است) را دريافت كرده و كانال فركانسي خود را عوض مي كند و سيگنال هاي انعكاسي زماني به گيرنده مي رسد كه گيرنده كانال فركانسي قبلي خود را عوض كرده و در نتيجه توسط گيرنده احساس و دريافت نمي شوند.

شكل3-1- پديده چند مسيري

4-استاندارد 802.11 a

استاندارد 802.11a، از باند راديويي جديدي براي شبكه هاي محلي بي سيم استفاده مي كند و پهناي باند شبكه هاي بي سيم را تا 54 Mbps افزايش مي دهد. اين افزايش قابل توجه در پهناي باند مديون تكنيك مدولاسيوني موسوم به OFDM است. نرخ هاي ارسال داده در استاندارد IEEE 802.11a عبارتند از:6,9,12,18,24,36,48,54 Mbps كه بر اساس استاندارد، پشتيباني از سرعت هاي 6,12,24 مگابيت در ثانيه اجباري است. برخي از كارشناسان شبكه هاي محلي بي سيم، استاندارد IEEE 802.11aرا نسل آينده IEEE 802.11تلقي مي كنند و حتي برخي از محصولات مانند تراشه هاي Atheros وكارت هاي شبكه PCMCIA/Cardbus محصول Card Access Inc. استاندارد IEEE 802.11a را پياده سازي كرده اند. بدون شك اين پهناي باند وسيع و نرخ داده سريع محدوديت هايي را نيز به همراه دارد. در واقع افزايش پهناي باند در استاندارد IEEE 802.11a باعث شده است كه محدوده عملياتي آن در مقايسه با IEEE 802.11/b كاهش يابد. علاوه بر آن به سبب افزايش سربارهاي پردازشي در پروتكل، تداخل، و تصحيح خطاها، پهناي باند واقعي به مراتب كمتر از پهناي باند اسمي اين استاندارد است. همچنين در بسياري از كاربردها امكان سنجي و حتي نصب تجهيزات اضافي نيز مورد نياز است كه به تبع آن موجب افزايش قيمتِ زيرساختارِ شبكه بي سيم مي شود. زيرا محدوده عملياتي در اين استاندارد كمتر از محدوده عملياتي در استاندارد IEEE 802.11b بوده و به همين خاطر به نقاط دسترسي يا ايستگاه پايه بيشتري نياز خواهيم داشت كه افزايش هزينه زيرساختار را به دنبال دارد. اين استاندارد از باند فركانسي خاصي موسوم به UNII استفاده مي كند. اين باند فركانسي به سه قطعه پيوسته فركانسي به شرح زير تقسيم مي شود:

UNII-1 @ 5.2 GHz

UNII-2 @ 5.7 GHz

UNII-3 @ 5.8 GHz

يكي از تصورات غلط در زمينهاستانداردهاي 802.11 اين باور است كه 802.11a قبل از 802.11b مورد بهره برداري واقع شده است. در حقيقت 802.11b نسل دوم استانداردهاي بي سيم (پس از 802.11)است و 802.11a نسل سوم از اين مجموعه استاندارد به شمار مي رود. استاندارد 802.11a برخلاف ادعاي بسياري از فروشندگان تجهيزات بي سيم نمي تواند جايگزين 802.11b شود زيرا لايه فيزيكي مورد استفاده در هريك تفاوت اساسي با ديگري دارد. از سوي ديگر گذردهي (نرخ ارسال داده) و فواصل در هريك متفاوت است.

شكل4-1- تخصيص باند فركانسي در UNII

در شكل 4-1 اين سه ناحيه عملياتي UNII و نيز توان مجاز تشعشع راديويي از سوي FCC ملاحظه مي شود. اين سه ناحيه كاري 12 كانال فركانسي را فراهم مي كنند. باند UNII-1 براي كاربردهاي فضاي بسته، باند UNII-2 براي كاربردهاي فضاي بسته و باز، و باند UNII-3 براي كاربردهاي فضاي باز و پل بين شبكه اي به كار برده مي شوند. اين نواحي فركانسي در ژاپن نيز قابل استفاده هستند. اين استاندارد در حال حاضر در قارهاروپا قابل استفاده نيست. در اروپا HyperLAN2براي شبكه هاي بي سيم مورد استفاده قرار مي گيرد كه به طور مشابه از باند فركانسي 802.11aاستفاده مي كند. يكي از نكات جالب توجه در استاندارد 802.11a تعريف كاربردهاي پل سازي شبكه اي در كاربردهاي داخلي و فضاي باز است. در واقع اين استاندارد مقررات لازم براي پل سازي و ارتباط بين شبكه اي از طريق پل را در كاربردهاي داخلي و فضاي باز فراهم مي نمايد. در يكي تقسيم بندي كلي مي توان ويژگي ها و مزاياي 802.11a را در سه محور زير خلاصه نمود.

افزايش در پهناي باند در مقايسه با استاندارد 802.11b (در استاندارد 802.11a حداكثر پهناي باند 54 Mbps) مي باشد.

استفاده از طيف فركانسي خلوت (باند فركانسي 5 GHz)

استفاده از 12 كانال فركانسي غيرپوشا (سه محدودهفركانسي كه در هريك 4 كانال غيرپوشا وجود دارد)

4-1-افزايش پهناي باند

استاندارد 802.11a در مقايسه با 802.11b و پهناي باند 11 Mbps حداكر پهناي باند 54 Mbps را فراهم مي كند. مهم ترين عامل افزايش قابل توجه پهناي باند در اين استاندارد استفاده از تكنيك پيشرفته مدولاسيون، موسوم به OFDM است. تكنيكOFDM يك تكنولوژي (فنـّاوري) تكامل يافته و بالغ در كاربردهاي بي سيم به شمار مي رود. اين تكنولوژي مقاومت قابل توجهي در برابر تداخل راديويي داشته و تأثير كمتري از پديده چند مسيري مي پذيرد. OFDM تحت عناوين مدولاسيون چند حاملي و يا مدولاسيون چندآهنگي گسسته نيز شناخته مي شود. اين تكنيك مدولاسيون علاوه بر شبكه هاي بي سيم در تلويزيون هاي ديجيتال (در اروپا، ژاپن، و استراليا) و نيز به عنوان تكنولوژي پايه در خطوط مخابراتي ADSL مورد استفاده قرار مي گيرد. آندرو مك كورميك Andrew McCormik از دانشگاه ادينبورو نمايش محاوره اي جالبي از اين فناوري گردآوري كرده كه در نشاني http ://www.ee.ed.ac.uk/~acmc/OFDMTutl قابل مشاهده است.

تكنيك OFDM از روش QAM و پردازش سيگنال هاي ديجيتال استفاده كرده و سيگنال داده را با فركانس هاي دقيق و مشخصي تسهيم مي كند. اين فركانس ها به گونه اي انتخاب مي شوند كه خاصيت تعامد را فراهم كنند و به اين ترتيب عليرغم همپوشاني فركانسي هر يك از فركانس هاي حامل به تنهايي آشكار مي شوند و نيازي به باند محافظت براي فاصله گذاري بين فركانس ها نيست. براي كسب اطلاعات بيشتر در خصوص اين تكنيك مي توانيد به نشاني زير مراجعه نماييد:

http ://wireless.per.nl/telelearn/ofdm

در كنار افزايش پهناي باند در اين استاندارد فواصل مورد استفاده نيز كاهش مي يابند. در واقع باند فركانسي 5 GHz تقريباً دوبرابر باند فركانسي ISM (2.4 GHz) است كه در استاندارد802.11b مورد استفاده قرار مي گيرد. محدوده موثر در اين استاندارد با توجه به سازندگان تراشه هاي بي سيم متفاوت و متغير است ولي به عنوان يك قاعده سرراست مي توان فواصل در اين استاندارد را يك سوم محدوده فركانسي 2.4 GHz (802.11b) در نظر گرفت. در حال حاضر محدوده عملياتي (فاصله از فرستنده) در محصولات مبتني بر 802.11a و پهناي باند 54 Mbps در حدود 10 تا 15 متر است. اين محدوده در پهناي باند6 Mbps در حدود 61 تا 84 متر افزايش مي يابد.

4-2-طيف فركانسي تميزتر

طيف فركانسي UNII در مقايسه با طيف ISM خلوت تر است و كاربرد ديگري براي طيف UNII به جز شبكه هاي بي سيم تعريف و تخصيص داده نشده است. در حالي كه در طيف فركانسي ISM تجهيزات بي سيم متعددي نظير تجهيزات پزشكي، اجاق هاي مايكروويو، تلفن هاي بي سيم و نظاير آن وجود دارند. اين تجهيزات بي سيم در باند 2.4 GHz يا طيف ISM هيچگونه تداخلي با تجهيزات باند UNII (تجهيزات بي سيم 802.11a) ندارند. شكل4-2 فركانس مركزي و فاصله هاي فركانسي در باند UNII را نشان مي دهد.

شكل4-2- فركانس مركزي و فواصل فركانسي در باند UNII

4-3-كانال هاي غيرپوشا

باند فركانسي UNII ، دوازده كانال منفرد و غير پوشاي فركانسي را براي شبكه سازي فراهم مي كند. از اين 12 كانال 8 كانال مشخص (UNII-1 , 2) در شبكه هاي محلي بي سيم مورد استفاده قرار مي گيرند. اين ويژگي غيرپوشايي گسترش و پياده سازي شبكه هاي بي سيم را ساده تر از باند ISM مي كند كه در آن تنها 3 كانال غير پوشا از مجموع 11 كانال وجود دارد.

5-همكاري Wi-Fi

ائتلاف همكاري اتِرنت بي سيم يا WECA (http ://www.wi-fi.org) كنسرسيومي از شركت هاي Cisco, 3Com, Enterasys, Lucent و ساير شركت هاي شبكه سازي است. اعضاء WECA از طريق همكاري مشترك تلاش دارند تا قابليت همكاري تجهيزات بي سيم با يكديگر را تضمين نمايند. برنامه گواهينامه Wi-Fi كه توسط اين گروه مطرح شده است نقش كليدي در گسترش و پذيرش استاندارد IEEE 802.11 ايفا مي كند. در حال حاضر اين ائتلاف براي بيش از 100 محصول گواهي سازگاري Wi-Fi صادر كرده است و تعداد اين محصولات رو به افزايش است. با گسترش فزآينده محصولات IEEE 802.11a، WECAبرنامه ديگري براي صدور گواهينامه براي اين نوع محصولات نيز ارائه مي كند.

6-استاندارد بعدي IEEE 802.11g

اين استاندارد مشابه IEEE 802.11b از باند فركانسي 2.4 GHz (يا طيف ISM) استفاده مي كند و از تكنيك OFDM به عنوان روش مدولاسيون بهره مي برد. البته PBCC نيز يكي از روش هاي جايگزين و تحت بررسي براي انتخاب تكنيك مدولاسيون در اين استاندارد به شمار مي رود. 802.11g از نظر فركانسي، تعداد كانال هاي غيرپوشا، و توان مشابه 802.11b است. محدوده هاي عملياتي نيز كم و بيش مشابه هستند با اين تفاوت كه حساسيت OFDM به نويز تاحدودي اين محدوده عملياتي را كاهش مي دهد. پهناي باند 54 Mbps يكي از اهداف احتمالي اين استاندارد جديد به شمار مي رود. يكي ديگر از مزاياي جالب توجه 802.11g سازگاري با 802.11b است. در نتيجه ارتقاء از تجهيزات 802.11b به استاندارد جديد 802.11g امري سرراست خواهد بود. جدول6-1 سه استاندارد شبكه هاي بي سيم را با يكديگر مقايسه مي كند.

IEEE 802.11b

IEEE 802.11a

IEEE 802.11g

كاربردهاي احتمالي

- جايگزين شبكه هاي سيمي

- فراهم آوردن تحرك و سيّار بودن كاربران

- شبكه سازي در محل هايي كه استفاده از سيم ميسر نيست

- پل سازي بين شبكه هاي محلي در فواصل دور (40 كيلومتر)

- جايگزين شبكه هاي سيمي

- فراهم كننده پهناي باند زياد در كابردهاي (صدا، تصوير، CAD و نظاير آن)

- شبكه سازي در محل هايي كه استفاده از سيم ميسر نيست.

- ارتقاء شبكه هاي 802.11 b و رقيبي براي 802.11 a

- كارايي مشابه با 802.11 a در فواصل طولاني

مزايا

- استاندارد رايج و تكامل يافته

- قيمت منطقي

-گذردهي قابل قبول در فاصله زياد (نرخ ارسال داده)

- گذردهي (نرخ ارسال داده) بالا در فواصل كم

- افزايش تعداد كانال هاي فركانسي غيرپوشا (4 برابر بيشتر از 802.11 b )

- تداخل فركانسي كمتر

- سازگاري با 802.11 b

- محدوده عملياتي زياد (نظير802.11 b )

- گذردهي (نرخ ارسال داده) بيشتر

معايب

- دارابودن كمترين گذردهي (نرخ ارسال داده) در مقايسه با ساير فناوري هاي بي سيم (11 Mbps )

- استفاده از تنها 3 كانال فركانسي غير پوشا

- فنّاوري نسبتاً گران

- ناسازگاري با 802.11 b

- محدوده عملياتي كوچك

- محدوديت هاي FCC برروي آنتن ها (حداكثر توان مجاز) در هر باند فركانسي

- عدم وجود محصول فراگير(احتمالاً تا اواسط سال2003 ميلادي)

- محدوديت ها كانال فركانسي نظير 802.11 b (3 كانال غيرپوشا)

جدول6-1 - مقايسه استانداردهاي بي سيم IEEE 802.11

7-مراجع

[1].

IEEE 802.11 Working group website, http ://www.ieee802.org/11

[2].

Introduction to IEEE 802.11 , Intelligraphics, http ://www.intelligraphics.com

[3].

Steve Kapp, 802.11: Leaving the wire behind , IEEE Internet Computing, January-February 2002, pp. 82-85

[4].

Steve Kapp, 802.11a: More Bandwidth without the Wire , IEEE Internet Computing, July-August 2002, pp.75-79

[5].

Edgar Danielyan, IEEE 802.11 , The Intrnet Protocol Journal, Vol. 5, No. 1, March 2002, pp. 2-13

[6].

A condensed review of Spread Spectrum Techniques for ISM band Systems , Intersil Application Note, AN9820.1, May 2000 (http ://www.intersil.com)

در همين رابطه:

- استاندارد شبکه هاي محلي بي سيم (1)