وﺏگاه یک متعلم

عنوان: معرفی شبکه های بی سیم

 

تاریخ نگارش و ارائه: پاییز و زمستان 91

 

تعداد صفحات: 27

 

پیشگفتار

ارتباط بی‌سیم یا مخابرات بی‌سیم (به انگلیسی: Wireless Communication)‏ به انتقال اطلاعات بدون رابط سیم و بوسیله امواج الکترومغناطیسی گفته می‌شود. فاصله‌ای که اطلاعات انتقال داده می‌شود می‌تواند کوتاه یا بلند باشد.

واژه بی‌سیم پس از اختراع تلگراف بی‌سیم و در مقابل «مخابرات باسیم» (Wired Communiation) ابداع شد. بی سیم‌ها انواع گوناگون دارند و در کاربردهای مختلف رسانه‌ای، صنعتی، نظامی، تفریحی، و در باندهای فرکانسی و توان‌های ارسال و دریافت متفاوت در کاربردهایی‌ مانند تلفن سلولی، سامانه موقعیت‌یاب جهانی، دستگاه‌های کنترل از راه دور، صفحه کلید بی‌سیم و تلویزیون ماهواره‌ای مورد استفاده قرار دارند.

شبکه های بی سیم (Wireless) توانسته اند توجه بسیاری را بسوی خود جلب نمایند و عده ای را نیز مسحور خود نموده اند. هرچند این تکنولوژی جذابیت و موارد کاربرد بالایی دارد ولی مهمترین مرحله که تعیین کننده میزان رضایت از آن را بدنبال خواهد داشت ارزیابی نیاز ها و توقعات و مقایسه آن با امکانات و قابلیت های این تکنولوژی است.
نادیده گرفتن حقایق، امکانات فنی و موارد کاربرد این تکنولوژی نتیجه ای جز شکست و عدم رضایت نخواهد داشت.

در مقاله ی پیش رو سعی شده با جمع آوری، اصلاح و تکمیل مقالات مختلف، از چیستی و کاربرد های مختلف شبکه های بی سیم اطلاعاتی هرچند اجمالی و کوتاه اما شایان توجه خدمت شما ارائه گردد.

ضمن اینکه باید عرض کنم مباحثی همچون تشریح "جزء به جزء" چگونگی عملکرد اینگونه شبکه ها، چگونگی پیاده سازی و اجرای شبکه های مختلف و چالش ها و امنیت در شبکه های بی سیم از جمله مباحثی هستند که یقینا پرداختن به هر یک میتواند خوراک ایجاد مقالات بسیار بلند را فراهم سازد.

 

تاریخچه

قدیمی‌ترین ارتباط بی‌سیم به دوران ماقبل دنیای مدرن باز می‌گردد که از دود، آتش، پرچم، و غیره برای انتقال پیام در فواصل دور استفاده می‌شد. نظریه ریاضی امواج الکترومغناطیسی توسط ماکسول در سال ۱۸۷۳ میلادی پیشنهاد شد. هاینریش هرتز در سال ۱۸۸۷ میلادی وجود این امواج را نشان داد. مخابرات بی‌سیم رادیویی حدود سال ۱۸۹۷ میلادی توسط گولیلمو مارکونی ابداع شد. مارکونی موفق به ارسال تلگراف بی‌سیم برای حرف S در فاصله حدود سه کیلومتری شد. تلگراف بی‌سیم برای اولین بار توسط ارتش انگلستان در آفریقای جنوبی در سال ۱۹۰۰ در جنگ بوئر دوم مورد استفاده قرار گرفت. در این جنگ نیروی دریایی انگلیس از دستگاه مارکونی برای مکالمه میان کشتی‌هایش در خلیج دلاگوا استفاده کرد. تا سال ۱۹۰۱ میلادی پوشش رادیویی در سرتاسر اقیانوس آتلانتیک فراهم شده بود. از آنجایی که دریانوردان اولین مشتریان تلگراف بی‌سیم بودند، ارتباط بی‌سیم تا سال ۱۹۱۲ میلادیکه کشتی تایتانیک از آن برای ارسال پیام کمک استفاده کرد مرسوم شده بودند. در سال ۱۹۰۶ میلادی رادیو با مدولاسیون دامنه توسط رجینالد ابری فسندن برای ارسال موسیقی ابداع شد. در سال ۱۹۱۸ میلادی ادوین هاوارد آرمسترانگ گیرنده سوپرهترودین را اختراع کرد که با استفاده از آن اولین مخابره رادیویی در سال ۱۹۲۰ میلادی در شهر پیتسبورگ انجام پذیرفت. در سال ۱۹۲۱ میلادی برای اولین بار دستگاه همراه بی‌سیم زمینی توسط پلیس دیترویتمورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۹۲۹ ولادیمیر زورکین اولین آزمایش ارسال تلویزیونی را انجام داد. در سال ۱۹۳۳ میلادی ادوین هاوارد آرمسترانگ مدولاسیون فرکانس را کشف کرد. اولین سیستم تلفن همراه برای عامه مردم در سال۱۹۴۶ میلادی در پنج شهر آمریکا راه اندازی شد. این سامانه نیمه دو طرفه بود و از ۱۲۰ کیلوهرتز طول موج اف‌ام استفاده می‌کرد. در سال ۱۹۵۸ ارسال ماهواره SCORE شروع عصر مخابرات ماهواره‌ای را رقم زد. در حدود اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی، پهنای باند اف‌ام به ۳۰ کیلوهرتز کاهش داده شده بود. در دهه ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ رادیو ترانک اتوماتیک پیشنهاد شد که بوسیله آن سامانه کاملا دوطرفه پیشنهاد شد. در دهه ۱۹۷۰ میلادی مفهوم مخابرات سلولی همراه درآزمایشگاه‌های بل پیشنهاد شد. در دهه ۱۹۸۰ سامانه‌های نسل اول، دهه ۱۹۹۰ سامانه‌های نسل دوم استفاده شدند. در طی قرن بیستم میلادی گونه‌های مختلفی از سامانه‌های بی‌سیم بوجود آمده و بعدها رو به زوال گذاشتند. به عنوان مثال در حالی که ارسال سیگنال تلویزیونی در ابتدا توسط فرستنده‌های بی‌سیم رادیویی انجام می‌شد، این فرستنده‌ها بتدریج جای خود را به خطوط کابلی می‌دهند. مدارهای ماکرویوی انتقال نقطه به نقطه‌ای که پشتوانه شبکه مخابراتی بوده‌اند در حال جایگزینی با فیبرهای نوری هستند. از طرف دیگر بخشی از سیستم‌های تلفن که قبلاً تماماً شبکه‌ای سیمی بوده جای خود را به تلفن‌های همراه داده‌است. این تغییرات معمولاً تحت تأثیر ظهور تکنولوژی‌های جدید صورت می‌پذیرد.

مخابرات بی‌سیم به عنوان رشته‌ای علمی از دهه ۱۹۶۰ میلادی مورد مطالعه بوده، اما از اواسط دهه ۹۰ میلادی تحقیقات روی آن شدت یافته‌است. این متأثر از دلایل متعددی بوده‌است. افزایش تقاضاهای مردمی برای ارتباطات بی‌سیم اولین دلیل می‌باشد. تا انتهای دهه اول قرن بیست و یکم تقاضاها عمدتاً به سیستم‌های تلفن همراه مربوط می‌شده‌است چنانچه در سال ۲۰۰۲ میلادی تعداد تلفن‌های همراه در سطح جهان از تعداد تلفن‌های با خط ثابت فراتر رفت. در سال ۲۰۰۵ میلادی میلادی حدود دو بیلیون کاربر تلفن همراه در دنیا وجود داشته‌است. در ماه نوامبر ۲۰۰۷ این تعداد تلفن‌های همراه به ۳٫۳ بیلیون رسید. اما انتظار می‌رود که در آینده کاربردهای انتقال بی‌سیم داده (اطلاعات) از اهمیت بیشتری برخوردار شود. دلیل دوم توجه به سامانه‌های بی‌سیم پیشرفت چشمگیر در تکنولوژی VLSI بوده که امکان پیاده سازی الگوریتم‌های پردازش سیگنال‌های پیچیده را در ابعاد کم و با توان مصرفی کم فراهم کرده‌است. نهایتاً دلیل سوم موفقیت استانداردهای مخابرات بی‌سیم دیجیتال نسل دوم و خصوصاً استاندارد دسترسی چندگانه تقسیم کدی (CDMA) بوده‌است. اما از آنجایی که سامانه‌های نسل دوم شبکه تلفن همراه اساسا برای انتقالصوت طراحی شده بودند و ویژگی‌های اصلی آنها مانند نرخ مخابره و تاخیر زمانی قابل قبولشان برای کاربردهای صوتی تنظیم شده بود، نسل سوم شبکه تلفن همراه ظهور و توسعه یافته‌اند. در حال حاضر محققین در حال تحقیق و توسعه نسل چهارم شبکه تلفن همراه هستند که نرخ انتقال را تا ۱۰ تا ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه برای هر کاربر فراهم می‌کند (شبکه‌های امروزی نسل سوم امکان انتقال داده تا سرعت ۲ مگابیت بر ثانیه را در برخی از نقاط جهان فراهم کرده‌اند). انتظار می‌رود که نسل چهارم تلفن‌های همراه کاربردهای زیادی در تجارت همراه داشته باشد.

ساختار

بر خلاف مخابرات باسیم که هر جفت فرستنده و گیرنده بوسیله رابط‌های مجزا و ایزوله از هم به هم متصل شده‌اند، در مخابرات بی سیم کاربران در هوا مخابره کرده و تداخل زیادی بین آنها وجود دارد. این تداخل متشکل از تداخلی است که بین فرستنده‌هایی که با یک گیرنده خاص در ارتباط هستند، تداخلی که بین یک فرستنده خاص و چند گیرنده اش وجود دارد، و تداخلی که بین جفت‌های مختلف از فرستنده و گیرنده وجود دارد.

امواج رادیویی فرکانس پایین هنگام حرکت معمولا سطح زمین را دنبال می‌کنند، ولی امواج با فرکانس بالاتر (مثلا حدود ۳۰۰ مگاهرتز) در خطوط مستقیم منتشر می‌شوند. فرکانس کاری مخابرات بی‌سیم در فضای باز فرکانس‌های زیر ۳۰ گیگاهرتز است، زیرا امواج با فرکانس بالاتر تضعیف قابل ملاحظه‌ای در جو داشته و بعلاوه تولید امواج با این فرکانس، تقویت، مدولاسیون و آشکارسازی آنها از لحاظ عملی مشکل می‌باشد. در فرکانس‌های بالاتر از ۱۰۰۰ گیگاهرتز واردمخابرات نوری می‌شویم که در حال حاضر تنها از طریق فیبرهای نوری (و نه در فضای باز) انجام می‌پذیرد.

تفاوت‌های عمده مخابرات بی‌سیم با مخابرات باسیم وجود محو شدگی و تداخل است. این دو موضوع پژوهشگران را با چالش‌هایی روبرو کرده که در مخابرات با سیم وجود نداشته و بخش عمده‌ای از مطالعات به آنها اختصاص داده شده‌است. پدیده محو شدن به تغییرات زمانی کیفیت کانال گفته می‌شود. محو شدگی بدلیل بر هم کنش سیگنال‌هایی که از چند مسیر مختلف در هوا از فرستنده به گیرنده میرسند (محو شدگی چند مسیری)، و همچنین بدلیل از دست رفتن یک مسیر بین فرستنده و گیرنده بدلیل ضعیف شدن آن مسیر و یا قرار گرفتن یک مانع در مسیر (سایه کردن موانع) است.

 

 

نمایش شماتیک اجزای یک سامانه مخابره بی‌سیم.

امواج

گستره فرکانسی بصورت دلبخواهی به باندهای مختلفی تقسیم بندی شده‌است. بخش‌های مختلف طیف به کاربران مختلف مانند رادیو و تلویزیون و تلفن بی‌سیم و غیره اختصاص داده‌است. معروفترین دسته بندی گستره فرکانسی، دسته بندی اتحادیه بین‌المللی مخابرات راه دور(ITU)  می‌باشد.

انواع شبکه‌های بی‌سیم

شبکه‌های بی‌سیم انواع مختلف دارند. شکل زیر دسته بندی کلی شبکه‌های بی‌سیم را نمایش می‌دهد:

  

 

 

یک شبکه حسگر بی‌سیم. حسگرها می‌تواند از طریق حسگرهای واسطه اطلاعاتشان را به واحد مرکزی منتقل کنند.

 

شبکه‌های بی‌سیم حسگر متشکل از تعداد زیادی حسگر ارزان دارای محدودیت محاسباتی و با باتری محدود می‌باشد که در یک محیط پخش شده‌اند. این حسگرها به جمع آوری اطلاعات پرداخته و آن را به یک واحد مرکزی از طریق ارتباط بی سیم گزارش می‌کنند. حسگرها می‌توانند با همدیگر نیز ارتباط برقرار کنند. در برخی موارد حسگرها با مشاهده یک واقعه باید سریعا آن را گزارش کرده، یا فعالیتی را انجام دهند این شبکه‌ها دارای استفاده‌های متعددی از جمله جمع‌آوری اطلاعات و نظارت بر محیط زیست، نظارت بر سلامتی، خودکارسازی صنعتی و غیره می‌باشند. حسگرها می‌توانند برخی از کمیت‌های فیزیکی یا شرایط محیطی مانند دما، رطوبت، فشار، نور محیط و یا حرکت را اندازه‌گیری کنند. در برخی کاربردها مانند گزارش یک حادثه لازم است که حسگرها موقعیت خود را بدانند. بدلیل محدود بودن باتری طراحی شبکه‌های حسگر چالش انگیز بوده‌است. همچنین حسگرها همچنین باید به مدت طولانی به فعالیت خود ادامه بدهند بدون اینکه نیاز به مدیریت از خارج داشته باشند. در حال حاضر تحقیقات بر روی شبکه‌های حسگر ادامه دارد. 

 

شبکه محلی

شبکه‌های محلی به کاربران اجازه می‌دهد که آزادانه در منطقه پوشش داده شده حرکت کنند.[۹] انعطاف‌پذیری، سرعت بالا، مقرون به صرفه بودن شبکه محلی بی‌سیم و امکان استفاده از طیف فرکانسی بدون مجوز با توان ارسالی کم باعث رشد و جذابیت شبکه‌های محلی شده‌است. عامل دیگر رشد شبکه‌های محلی بوجود آمدن استاندارد 802,11 IEEE در سال ۱۹۹۷ میلادی است که نسخه بعدی آن در سال ۱۹۹۹ به همراه متمم‌های بعدی سرعت انتقال تا ۵۴ مگابیت در ثانیه را ممکن ساخته‌است.

 

شبکه کلان‌شهری و گسترده؛ شبکه سلولی تلفن همراه

یک شبکه سلولی متشکل از تعدادی مشترک دارای تلفن همراه و تعدادی برج مخابراتی تشکیل شده‌است. کاربران دارای تلفن همراه می‌توانند درون ساختمان‌ها، در خیابان و یا هر جایی باشند. برج‌های مخابراتی وظیفه پوشش و ارائه خدمات به تلفن‌های همراه را بر عهده دارند. یک سلول به ناحیه‌ای گفته می‌شود که توسط یک برج پوشش داده می‌شود. در برخی از تصاویر شماتیکی که از سلول‌ها کشیده می‌شود یک شهر یا ناحیه را به سلول‌های شش ضلعی‌هایی تقسیم می‌کنند که در مرکز هر شش ضلعی یک برج قرار دارد. این تصویر با آنچه در عمل اتفاق می‌افتد دارد تفاوت دارد.  برج‌ها معمولاً در بلندی‌ها و در زمین‌هایی که قابل خریداری باشد نصب می‌کنند و این محل‌ها همیشه نمیتواند مرکز شش ضلعی باشد. بعلاوه ناحیه پوشش داده شده توسط یک برج به پستی و بلندی‌ها و موانع اطراف آن بستگی دارد و لزوماً شش ضلعی نیست. مواردی ممکن است پیش بیاید که یک تلفن همراه کیفیت سیگنال خوبی به نزدیک‌ترین برج (از نظر فاصله جغرافیایی) نداشته باشد.

هنگام برقراری تماس، تلفن همراه به نزدیکترین برج وصل می‌شود. برج‌های یک ناحیه خود به یک «مرکز راه گزینی» وصل هستند که توسط خطوط سیمی با سرعت بالا یا اتصالات ماکرویوی به شبکه عمومی تلفن وصل می‌شود و از آنجا به مقصد میرود. همانطور که مشاهده می‌شود شبکه تلفن همراه شبکه مجزایی از شبکه سنتی تلفن‌های باسیم معمولی نیست، بلکه ساختاری است که به شبکه سنتی تلفن اضافه شده‌است.

 

نمونه‌ای شماتیک از یک شبکه سلولی. هر سلول ناحیه‌ای است که توسط یک برج پوشش داده شده‌است.

 نسل اول

این سامانه‌ها از قدیمی‌ترین سامانه‌های بی سیم هستند که یک ویژگی مشخصه آنها آنالوگ بودنشان است. نمونه‌ای از این سامانه‌ها خدمات تلفن همراه پیشرفته (AMPS) است که در آمریکا در دهه ۸۰ قرن بیستم طراحی شده و صدا را بر روی یک حامل مودوله میکند. کاربران مختلف در یک سلول فرکانس‌های مختلفی دارند و سلول‌های مجاور از مجموعه فرکانسی متفاوتی استفاده میکنند. سلول‌هایی که به اندازه کافی از هم دور باشند میتوانند از یک فرکانس مشترک استفاده کنند زیرا تداخل آنها بر روی هم ناچیز خواهد بود.

نسل دوم

بر خلاف نسل اول، سامانه‌های نسل دوم شبکه تلفن همراه دیجیتال هستند. نمونه‌هایی از این سامانه‌ها به شرح روبرو می‌باشد: جی‌اس‌ام که در استاندارد آن در اروپا وضع شد ولی امروزه در همه جای دنیا استفاده میشود، سیستم TDMA که در آمریکا استاندارد آن وضع شد و سومیدسترسی چندگانه تقسیم کدی (CDMA) است.

 

نسل سوم

انگیزه اصلی ظهور این سامانه‌ها این بود که سامانه‌های نسل دوم اساسا برای انتقال صوت طراحی شده بودند و ویژگی‌های اصلی آنها مانند نرخ مخابره و تاخیر زمانی قابل قبولشان برای کاربردهای صوتی تنظیم شده بود. در کاربردهای انتقال داده نیاز به ارسال با نرخ بالاتر بوده و بعلاوه ویژگی‌های زیر را دارند:

1-) در بسیاری از موارد تقاضا برای ارسال داده انفجاری می‌باشد به این معنی که کاربری ممکن است برای مدت طولانی تقاضایی نداشته باشد اما در یک لحظه تقاضای انتقال مقدار زیادی داده در زمان کوتاه را داشته باشد. در کاربردهای صوتی معمولاً سطح تقاضا برای انتقال داده ثابت است.

2-) صدا محدودیت تاخیر انتقالی در ابعاد ۱۰۰ میلی ثانیه دارد (یعنی ضروری است که در این مدت زمان اطلاعات مربوط به صدا به شنونده برسد). اما در کاربردهای مربوط به انتقال داده ممکن است تاخیر مورد پذیرش خیلی کمتر (مثلا هنگامی که دو نفر مشغول انجام یک بازی هستند) یا خیلی بیشتر (مثلا هنگام بار کردن یک صفحه اینترنتی) باشد. محدوده حداکثر تاخیر زمانی مورد پذیرش خیلی می‌تواند متغیر باشد.

نسل چهارم

در حال حاضر محققین در حال تحقیق و توسعه نسل چهارم شبکه تلفن همراه هستند که نرخ انتقال را تا ۱۰ تا ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه برای هر کاربر فراهم می‌کند (شبکه‌های امروزی نسل سوم امکان انتقال داده تا سرعت ۲ مگابیت بر ثانیه را در برخی از نقاط جهان فراهم کرده‌اند). این سامانه‌ها همچنین امکان استفاده همزمان شبکه‌های بی‌سیم و تلفن‌های همراه متنوع و ناهمگن را فراهم می‌کنند. انتظار می‌رود که نسل چهارم تلفن‌های همراه کاربردهای زیادی در تجارت همراه داشته باشد. تلفن‌های همراه قابلیت مشخص کردن موقعیت جغرافیایی شخص را داشته و پیشبینی می‌شود خدماتی ارائه کنند که خیلی شخصی بوده و به موقعیت و پیشزمینه شخص بستگی داشته باشند. این خدمات شامل پیدا کردن افراد دیگر، جهت‌یابی‌ از روی نقشه، یافتن محصولات مورد نیاز، خدمات تفریحی مانند پخش ویدو یا موسیقی درخواستی، بازی‌های رایانه‌ای چندنفره، کاربردهای مالی مانند انجام امور بانکی، سهامی، نقل و انتقال مالی، مدیریت خدمات فعال و مزایده‌های موبایل خواهد بود.

قسمت دوم