شبکه های بیسیم مبتنی بر استاندارد IEEE 802.11x

1- Wi-Fi چیست؟
Wi-Fi  تکنولوژی است برای راه اندازی شبکه های بدون سیم محلی که با استفاده از استانداردهای 802.11  پیاده سازی می شود. با توجه به  روند رو به رشد این تکنولوژی،  آمار و ارقام مربوط به  مصرف کنندگان این تکنولوژی در حال ازدیاد است. مشتریان این ساختار به طور کلی عبارتند از مصرف کنندگان خانگی، شرکت ها، مراکز علمی و HotSpot  ها. Wi-Fi، خلاصه شده Wireless Fidelity می باشد.

در این تکنولوژی دسترسی بدون سیم مطابق استاندارد های802.11  در اختیار مشترکین قرار می گیرد. روش استفاده از Wi-Fi   شبکه ای با هزینه های مناسب و کاملتر از سایر شبکه های بدون سیم ایجاد می کند. در شبكه های بدون سیم محلی (WLANs)، كاربران توسط كامپیوترها، laptop ها و سایر وسایل كه مجهز به كارتهای بدون سیم هستند می توانند به شبكه متصل شده و در عین حال از اطلاعات چندین پایگاه مرکزی (base station) استفاده كنند.

توسط این شبكه ها، سرعتی معادل حداقل 11 مگابیت و حداکثر 104مگابیت در هر ثانیه در اختیار كاربر قرار می گیرد. از آنجا كه نقاط دسترسی سیار نبوده و به صورت ثابت می باشند می توانند به شبكه های گسترده (WAN) متصل شوند و امكان دسترسی به شبكه های دیگر از جمله اینترنت نیز توسط این تكنولوژی فراهم شود. كاربرانی كه دارای تجهیزات سیار نیز هستند با اتصال به این نقاط دسترسی، می توانند از امكانات آنها استفاده كنند.

همچنین، Wi-Fi این امكان را فراهم می آورد كه كاربران امكان اتصال به یكدیگر را داشته باشند و وسایلی از جمله تلویزیون، كامپیوترها، پرینترها و سایر وسایل الكترونیكی در خانه و یا محل كار توسط اتصالات بدون سیم قابل دسترسی و استفاده باشند. همچنین بسیاری از فروشندگان كامپیوتر، سعی بر این دارند كه تجهیزات و كارتهای Wi-Fi را در محصولات خود قرار دهند. علاوه بر این، Wi-Fi در PDA ها و همچنین تلفن های پیشرفته نیز قرار گرفته است.
2-مفاهیم اولیه Wi-Fi
ایجاد اولیه یك شبكه بدون سیم توسط Wi-Fi كار آسانی می باشد. در ابتدا لازم اسـت یـك نقطه دسترسی یا Access point با توانایی اتصال به یك شبكه سیم بندی شده و یا اینترنت بوجود آید. برای اتصال خانه ها و یا شركت های كوچك فقط كافی است توسـط DSL ها و یا هر روش اتصال مشابه با سرعت بالا به این پایگاه متصل گردید. هر وسیله و یا كامپیوتری كه مجهز به رابط اتصال برای Wi-Fi  باشد می تواند با پایگاه اتصال برقرار كند.

اكثر نقاط دسترسی دارای حداکثر مسافت دسترسی سیگنال بین50 الی 150  متر  است و این سیگنال ها توانایی عبور از دیوار، سقف و پنجره را نیز دارند. نقاط دسترسی، كلیه ترافیك خود را از تجهیزات بدون سیم در محدوده دسترسی خود دریافت كرده و سپس یك پل ارتباطی با شبكه گسترده مورد نظر ایجاد می كنند. این طرز نصب مانند این است كه بخواهیم همه كاربران را به صورت متمركز و در واقع یكی شده در نظر بگیریم.

برای ایجاد یك شبكه یكپارچه همچنین می توان چندین نقطه دسترسی را در محوطه بزرگتری قرار داد. نقاط دسترسی خود می توانند با یكدیگر ارتباط داشته باشند و تبادل اطلاعات كنند، ولی با این حال نیازی به پایگاه های بیشتر برای بهتر كردن وضعیت ارتباطات نیست، بلكه این مشكل در استاندارد 802.11 به صورت بهینه ای رفع شده است و در راستای حل آن طیف وسیعتری را در اختیار این تكنولوژی قرار می دهد.
تحلیل گران معتقدند بازار Wi-Fi به صورت گسترده ای تا چند سال آینده پیشرفت خواهـد كـرد. همچنین از آنجائیكه استاندارد Wi-Fi در تنظیمات laptop ها نیز قرار گرفته است، این امر به ازدیاد کاربران این تکنولوژی کمک می کند. در مورد بازار Wi-Fi، می توانیم 4 دسته بندی كلی در مورد استفاده کنندگان داشته باشیم، كه البته هر كدام موضوعات خاص خود را خواهند داشت.
•  استفاده كنندگان خانگی 
•  شركت ها
•  كمپ ها و گروه های دانشگاهی و علمی
•  Hotspot های عمومی 

 استفاده كنندگان خانگی
انتظار مـی رود محصـولات Wi-Fi و استفاده از آنها در خانه ها در سال هایی كه در پیش رو داریم و همچنین سال های اخیر بیشتر گسترش یابد. این تكنولوژی كمك می كند تا در خانه بتوانیم برای كامپیوترها و یا وسایل خانگی مجهز به كارت های بدون سیم، شبكه ای ایجاد كنیم، بدون اینكه نگران سیم كشی در فضای خانه باشیم.

حتی بسیاری از شركت ها و كارخانجات سعی بر این دارند تا تجهیزات خود را در سال های اخیر به گونه ای طراحی و ارائه کنند كه تنظیمات و استفاده های بدون سیـم در آنـها ممـكن باشـد. از جمـله این وسـایل می توانیم به تجهیزاتی برای انتقال و پخش فایل های video و voice اشاره كنیم و از شركت های نمونه، Sony و Philips را می توان نام برد. همچنین برخی از تجهیزات ایمنی، از جمله كپسول های آتش نشانی، كنترل كننده برق و غیره را نیز به گونه ای طراحی می كنند كه قابل استفاده از بیرون منزل در مواقع ضروری و به كمك تكنولوژی بدون سیم باشند.

از آنجائیكه تجهیزات Wi-Fi نیازمند مجوز نمی باشند، لزوماَ برای برقراری ارتباطات نیازی به وجود service provider ها نیست. از طرف دیگر، ایجاد ارتباط با اینترنت و گسترش آن به خانه ها توسط تكنولوژی Wi-Fi ، این امكان را برای service provider ها ایجاد می كند تا از این طریق ارتباط خود را با محصولاتی كه مطابق با تكنولوژی Wi-Fi هستند حفظ نمایند.
 استفاده در شركت ها
شركت ها می توانند از تكنولوژی Wi-Fi به صورت های متفاوتی برای بالا بردن بهره وری در امور خود استفاده كنند. برای مثال، كارمندان می توانند در حین عبور از هال ها، رفت و آمد بین اتاق ها و كنفرانس ها و یا در هر مكانی كه هستند از اطلاعات موجود مورد نیاز استفاده كنند. برخی شركت ها در حال ایجاد وسایل Multimode می باشند كه بتوانند به صورت سیار با هر سیستم و یا شبكه مشابه ارتباط برقرار كنند و كارایی را در كار خود بالا ببرند.

استفاده از تكنولوژی بدون سیم دو مزیت  عمده را برای  شركت ها به همراه دارد.  اولین مزیت وجود چنین شبكه ای در این است كه سبب برقراری ارتباط دائم با كارمندان خواهد شد. حال این ارتباط چه از طریق mail باشد و یا چه از طریق امكان دسترسی به فایل ها در هر زمان كه لازم به نظر می رسد. مطالعات نشان داده است كه با استفاده از ارتباط بی سیم، كاربران علاوه بر مدت كار روزانه، به مدت 105 دقیقه در روز به طور متوسط، علاوه بر ساعت كاری در دسترس می باشند. در ضمن با محاسبات صورت گرفته، هزینه ای كه برای ایجاد  دسترسی هر استفاده كننده و یا كارمند در شركت مصرف می شود فقط با اضافه كار میانگین 12 دقیقه در روز جبران خواهد شد. 
مزیت دوم این شبكه ها، هزینه های پایین تر و به صرفه تر در پیاده سازی و راه اندازی این شبكه ها می باشد. چرا كه این سیستم ها به راحتی بر روی ساختار موجود سیم بندی شده قابل پیاده سازی هستند، در ضمن  به راحتی می توان آنها را گسترش داد و یا حتی به صورت دایمی و موقت به شبكه های دیگر متصل نمود.
Hot Spot  ها
 Wireless Hot Spot  می تواند یک محیط کوچک مثل یک کافه و یا حتی یک محدوده بزرگ تر مثل مرکز خرید و فروش و یا هتل باشد. به طور کلی  محدوده ای را گویند که به صورت یک WLAN  و یا شبکه ای ازWLAN   ها سرویس دهی شود. برای مشتری یا کاربر نهایی، محل یا مکانی است که کاربر می تواند توسط یک پایانه سیار بدون سیم، مجهز به یک Laptop  ، یک PDA ، یک تلفن هوشمند و یا هر وسیله دیگری دسترسی به اینترنت داشته باشد.

سرویس دهنده Hotspot  مستقیما می تواند در آمد خود را از طریق استفاده و دسترسی کاربر از Hotspot  بگیرد. علاوه بر این، اپراتور Hotspot  امکان دسترسی را برای کاربر به عنوان یک سرگرمی ایجاد می کند تا به این وسیله میزان ترافیک کم شود و یا سایر محصولات و سرویس های خود را بفروشد. بازار استفاده از شبكه های بدون سیم در حال حاضر، گسترش قابل توجهی دارد. گروه های بسیاری از مراكز تجاری درصدد ایجاد امكان دسترسی مسافران، مشتریان و . . . برای استفاده از اینترنت و یا دسترسی به شبكه های دیگر توسط Hot spot ها می باشند. 

3-  مقایسه استانداردهای معروف IEEE 802.11x
استاندارد IEEE 802.11 شامل انواع مختلفی از زیر استانداردها می شود که دارای خواص مربوط به خود می باشند. خلاصه ای از این استانداردها در جدول (1) آورده شده است. استاندارد 802.11 دارای یک معماری سلولی می باشد که کل سیستم به زیر سلول های مختلفی تقسیم می شود که به هر کدام از آنها BSS (Basic Service Set) گفته می شود و توسط یک Base Station که Access Point نامیده می شود، کنترل می گردد. اکثر سیستم ها شامل چندین AP می باشند که از طریق یک Backbone به یکدیگر متصل می باشند که به آن DS ( Distribution System) گفته می شود. در نهایت یک سیستم که از سلول های مختلفی تشکیل شده است در یک لایه بالاتر در مدل OSI به صورت یک شبکه 802 دیده می شود و به آن ESS (Extended Service Set) گفته می شود. این مساله در شکل (1) نشان داده شده است. 
لایه های استاندارد IEEE 802.11 را نیز می توان به صورت شکل (2) تقسیم بندی نمود. روش دسترسی پایه به رسانه در این استاندارد Distributed Coordination Function نامیده می شود که از روش CSMA/CA ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) استفاده می کند. این پروتکل بدین صورت عمل می کند که یک ایستگاه که می خواهد اطلاعات را ارسال نماید رسانه را مورد بررسی قرار می دهد اگر که رسانه مشغول باشد، ایستگاه ارسال خود را به زمان دیگری موکول می کند و اگر که رسانه آزاد باشد اطلاعات را ارسال می کند. هنگامی که تصادم روی می دهد ایستگاه بر اساس یک تابع زمانی نمایی اقدام به ارسال مجدد اطلاعات می نماید.

این روش به دو دلیل در شبکه های بیسیم نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد:
1. پیاده سازی الگوریتم آشکار سازی تصادم نیاز به پیاده سازی سیستم های رادیویی Full Duplex دارد که بتوانند ارسال و دریافت را به صورت هم زمان انجام دهند.
2. در سیستم های بیسیم نمی توانیم فرض کنیم که تمام ایستگاهها می توانند یکدیگر را مورد شنود قرار دهند ( این در واقع اساس روش CSMA می باشد) بنابراین وقتی که یک ایستگاه تشخیص می دهد که رسانه آزاد است ممکن است در عمل این گونه نباشد.
برای پرهیز از این مساله در استاندارد 802.11 از مکانیزم آشکار سازی تصادم به همراه Positive Acknowledge استفاده می شود که عملکرد آن به صورت زیر است:
ایستگاهی که می خواهد اطلاعات را ارسال نماید، رسانه را مورد بررسی قرار می دهد اگر که رسانه مشغول باشد ارسال انجام نمی گیرد، اما اگر که رسانه برای یک زمان مشخص خالی بود (DIFS Distributed Inter Frame Space) آنگاه ایستگاه اطلاعات را ارسال می کند، ایستگاه گیرنده کد CRC بسته های دریافتی را بررسی نموده و یک بسته ACK ( Acknowledgement) ارسال می کند. دریافت یک بسته ACK نشان می دهد که ارسال بدون تصادم بوده است. اما اگر که فرستنده این بسته را دریافت نماید دوباره بسته اطلاعات را ارسال می کند تا ACK را دریافت نمایند. 
برای کاهش احتمال این که تصادم رخ دهد و به این دلیل که در شبکه های بیسیم ممکن است تمام ایستگاهها نتوانند اطلاعات یکدیگر را شنود نمایند، یک استاندارد با نام Virtual Carrier Sense تعریف شده است که به صورت زیر عمل می کند:
یک ایستگاه که می خواهد اطلاعات ارسال نماید ابتدا یک بسته اطلاعات کنترلی با نام RTS ( Request To Send) ارسال می کند که شامل مقصد، مبدا و زمان مکالمه می باشد. مقصد نیز به آن با ارسال یک بسته به نام CTS ( Clear to Send) پاسخ می دهد. تمام ایستگاهها این بسته ها را دریافت می نمایند و نشانگر Virtual Carrier Sense خود را بر اساس این زمان تنظیم می نمایند و از آن برای تصمیم گیری در مورد ارسال استفاده می کنند. این مکانیزم باعث کاهش احتمال تصادم می شود. زمان بندی های مختلف این پروتکل در شکل (3) نشان داده شده است.
در شبکه های بیسیم بنا به دلایل زیر ترجیحا بسته های اطلاعاتی به صورت کوچک تر ارسال می گردند:
•  به این دلیل که Bit Error Rate در شبکه های بیسیم بالاتر می باشد احتمال این که بسته از بین برود با بزرگ تر شدن حجم بسته بالاتر می رود. 
• وقتی که بسته بنا به دلایل تصادم و یا نویز خراب می شود، بسته های کوچک تر سربار کمتری ایجاد می نمایند. 
• در سیستم های Frequency Hopping، رسانه برای زمان های پریودیک معمولا 20 میلی ثانیه وقفه داده می شود بنابراین شانس ارسال بسته های کوچک تر بیشتر می باشد. 

Roaming
Roaming  پروسه ای است که در آن وقتی از یک سلول به سلول دیگر حرکت صورت می گیرد، ارتباط قطع نشود. این سیستم همانند Handover در تلفن های سلولی است اما دو فرق عمده با آن دارد:
1. در سیستم LAN که بر اساس بسته ها می باشد، رفتن از یک سلول به سلول دیگر در لایه بسته ها صورت می گیرد اما در سیستم تلفن در طول یک تماس تلفنی این مساله صورت می پذیرد بنابراین در یک LAN این مساله ساده تر می باشد. 
2.    در سیستم تلفن یک قطع ارتباط کوتاه نمی تواند تاثیر زیادی برروی مکالمه داشته باشد اما در شبکه های LAN کارآیی سیستم پایین می آید به این دلیل که ارسال مجدد از لایه های بالاتر باید صورت پذیرد. 
در استاندارد 802.11 مطلبی در مورد نحوه Roaming مشخص نشده است اما ابزارهای پایه ای وجود دارد که شامل Active/ Passive Scanning, Re-Association Process می باشد.

 

جدول 1- خلاصه ای از استانداردهای مختلف IEEE 802.11
 

 
شکل 1- معماری کلی سیستم IEEE 802.11

شکل 2- بخش های مختلف استاندارد IEEE 802.11

شکل 3- زمان بندی های مختلف در پروتکل دسترسی به رسانه

در ادامه به صورت جداگانه به بررسی هر کدام از این استانداردها می پردازیم.
IEEE 802/11b 
استاندارد 802/11b, اولین استاندارد در بین استانداردهای بدون سیم محلی می باشد که به صورت گسترده و در مقیاس های بزرگ مورد استفاده قرار گرفت. می توان گفت استاندارد 802/11b به صورت خاص، استانداردی است در لایه فیزیکی برای WLAN ها که در پهنای باندی حدود 2/4GHz با نرخ لینک 11Mbps در هر کانال عمل می کنند و از تکنولوژی DSSS (Direct Sequencing Spread Spectrum) بهره می برند. در چنین باندهایی, سه کانال رادیویی که WLAN ها در آن عمل می کنند وجود دارد. هر چند میزان ماکزیمم نرخ لینک 11Mbps است, اما گذردهی برای هر کاربر حدود نصف این مقدار خواهد بود, چرا که گذردهی در بین همه کاربران در کانال مشترکی قرار دارد. همچنین باید به این نکته نیز توجه نمود که میزان نرخ انتقال دیتا با افزایش فاصله کاربر از Access point ها کاهش خواهد یافت. یك مساله مهم در این استاندارد آن است كه دارای قابلیت Dynamic Rate Shifting می باشد بدین معنی كه می تواند نرخ ارسال داده را بر اساس شرایط كانال وفق دهد. 
در این استاندارد پهنای باند به 14 كانال تقسیم بندی می شود كه می توان از 11 تای آنها استفاده نمود. پهنای باند هر كانال 25MHz می باشد. به طور همزمان فقط می توان از 3 كانال آن استفاده نمود.  در جدول (2) مقدار کانال های گستره فرکانسی که کشورهای متفاوت در این استاندارد استفاده می کنند آمده است.
رقابت در استفاده از طیف رادیویی 2.4 GHz  در بین انواع تجهیزات بسیار است. اما متاسفانه, اغلب این وسایل و رابط ها, از تجهیزات خانگی مانند مایکر ویوها و تلفن های بدون سیم خانگی هستند.
جدول 2- کانال های مختلف در استاندارد IEEE 802.11b
 
 802/11a 
همزمان با بهینه سازی استاندارد 802/11 b, استاندارد 802/11 a نیز تغییراتی نمود. 802/11 a استانداردی برای لایه فیزیکی در شبکه های WLAN می باشد. این استاندارد در پهنای باندی حدود 5GHz و با ماکزیمم نرخ لینک 54Mbps در هر کانال عمل می کند و از تکنولوژی OFDM استفاده می کند. البته Wi-Fi همچنان نیازمند و خواهان 255MHz طیف علاوه بر استاندارد حاضر است و همچنین امکان گسترش آن تا 19 کانال در حال بررسی می باشد. همانند 802/11 b, ماکزیمم میزان گذردهی در حدود نصف نرخ لینک 54Mbps می باشد و میزان این نرخ دیتا در صورت افزایش فاصله کاربر و Access Point کاهش می یابد. 802/11 a نسبت به 802/11 b چندین مزیت دارد. در حالت کلی, می توان گفت میزان گذردهی دیتا در 802/11 a بیشتر می باشد. همچنین افزایش کانال ها در این استاندارد میزان تداخل احتمالی بین نقاط دسترسی را کاهش می دهد و به دلیل اینکه باند با ظرفیت 5GHz نسبت به 2.4GHz ترافیک کمتری دارد میزان تداخل کاهش پیدا می کند. در نتیجه یک پهنای باند 54GHz می تواند تعداد WLAN های بیشتری را همراه با تعداد کاربران با سرعت بالاتری پشتیبانی کند. البته نباید فراموش کرد که 802/11 a نیز دارای معایبی می باشد. مهترین نکته  این است که چون 802/11 a در باند با ظرفیت بالاتری عمل می کند, میزان محدوده و بردی که هر Access Point می تواند تحت پوشش قرار دهد کوتاه تر و کمتر خواهد بود, در نتیجه تعداد بیشتری نقاط دسترسی در 802/11 a لازم می باشند تا بتوانند همان محدوده تحت پوشش 802/11 b را سرویس دهی نمایند. دومین مشکل این استاندارد, در عدم تطبیق محصولات آن با محصولات 802/11 b می باشد. به همین دلیل, بسیاری از مشتریان ترجیح می دهند از محصولات 802/11 b که هماهنگی کاری بیشتری با تکنولوژی روز دارند استفاده نمایند, به ویژه که قصد استفاده از Hotspot ها و سرویس های جانبی دیگری را داشته باشند. البته برخی از شرکت ها در حال تولید کارت هایی برای رفع این مشکل می باشند. همان طور که گفته شد این استاندارد در فركانس 5 GHz كه باند U-NII (National Information Infrastructure) نامیده می شود در باندهای 5.15-5.25 , 5.25-5.35, 5.725-5.825 GHz عمل می كند. نرخ ارسال داده در این استاندارد بین 6 تا 54 Mbps در تغییر می باشد. در این طیف فركانسی 20 كانال 20 MHz وجود دارد كه IEEE 802.11a از 8 كانال آن استفاده می كند. در لایه فیزیكی از OFDM استفاده می كند كه سیگنال های ارسالی را به 52 Sub-Carrier تقسیم بندی می كند. 4 عدد از این Sub-Carrier‌ها، Pilot Sub-Carrier خوانده می شوند كه از آنها به عنوان مرجع استفاده می كند. از 48 Sub-Carrier دیگر برای ارسال اطلاعات به صورت موازی استفاده می شود. در واقع هر 20MHz كه مربوط به یك كانال می گردد با استفاده از OFDM به 52 Sub-Carrier تقسیم بندی می شود كه هر كدام از آنها برابر با 300 KHz خواهد بود و 48 تای آنها برای ارسال اطلاعات استفاده می شود. برای ارسال 54 Mb/s از QAM 64 تایی در لایه فیزیكی استفاده می گردد كه به ازای هر سمبل 6 بیت ارسال می كند. باید به این نكته توجه نمود كه دستیابی به بیشترین نرخ ارسال به شرایط مناسب و در كمترین فاصله امكان پذیر می باشد. در لایه MAC نیز از روش CSMA/CA استفاده می كند. 
 IEEE 802/11 g 
این استاندارد, مدل پیشرفته 802/11 b است و با سرعت و در گستره بالاتری عمل می کند. نرخ دیتا در این استاندارد در حدود 59Mbps و در باند 2/4GHz است. طرح اولیه این استاندارد در نوامبر سال 2001 مورد تایید واقع شد و نسخه کامل آن در اوایل سال 2003 مورد بررسی قرار گرفته است. استاندارد 802/11 g از تکنولوژی OFDM استفاده کرده و البته مطابق با استاندارد 802/11 b است. این استاندارد جدید مدلاسیون Code Keying و Packet Binary Convolution Coding  را پشتیبانی می نماید. هر چند 802/11 g توانسته است به سرعتی معادل استاندارد 802/11 a برسد, اما همچنان کمبود کانال ها و توانایی سرویس دهی به کاربران با تعداد زیاد در WLAN را ندارد. این استاندارد می تواند بردی 5/1 برابر دو استاندارد دیگر داشته باشد. بنابراین یك محدوده مشخص را می تواند با حدود نصف Access Point پوشش دهد. به این دلیل كه در یك محیط كاربران باید پهنای باند را به اشتراك گذارند، بالا بردن گستره پوشش باعث می شود كه محدوده ای كه فركانس به اشتراك گذاشته می شود، بالاتر رود. همچنین برد بالاتر امنیت سیستم را كاهش می دهد. اما این مشكل را می توان با آنتن های جهت دار برطرف نمود. بنابراین این استاندارد برای محیط هایی مناسب است كه تعداد كمی كاربر در آن وجود دارد و یا این كه كاربران به یك ارتباط با سرعت بالا نیاز ندارند. برای محیط های شلوغ همانند كنفرانس پیشنهاد می گردد از 802.11a استفاده گردد.
مقایسه 802.11a و 802.11g
به صورت نمونه می توان دو استاندارد 802.11a و 802.11g را با هم مقایسه نمود. مشخصات مربوط به این دو استاندارد در جدول (3) آورده شده است. سطح نویز در فرکانس 2.4Ghz بالاتر می باشد. بنابراین 3% از بسته های ارسالی در 802.11g باید دوباره ارسال شوند. 

جدول 3- مقایسه پارامترهای مهم 802.11a و 802.11g