آشنایی با شبکه های انتقال بیسیم، طیفهای بیسیم، آنتن ها

امروزه شبکه های بیسیم به جزء جداییناپذیر زندگی شخصی و کاری ما تبدیل شدهاند . شبکه هایی که نه تنها برای ارسال فایلها از آنها استفاده میشود، بلکه در کاربردهای جدیتری همچون تجهیزات اینترنت اشیا نیز از آنها استفاده میشود. یکی از بخشهای مهم ارتباطات به مبحث شبکه های بیسیم، شناسایی و تشریح شبکه های بیسیم، ویژگیهای منحصر به فرد آنها، بررسی استانداردهای بیسیم مختلفی که تجهیزات شبکه و اینترنت اشیا از آنها پشتیبانی میکنند،
استانداردهای 11و802 ، پیاده سازی شبکه وایفای، ایمنسازی آن و اشکال زدایی یک شبکه وایفای اختصاص دارد.
اما شبکه های بیسیم چه هستند و چه کاربردی دارند؟
ایستگاههای رادیویی و تلویزیونی برای چند دهه است که سیگنالهای نامریی آنالوگ را از طریق هوا ارسال میکنند. هوای پیرامون ما بستری مناسب برای انتقال و تبادل دادهها در اختیار شبکهها قرار داده است. شبکه هایی که با اتکا بر فنآوریهای سیمی یا بیسیم به
تبادل اطلاعات میپردازند.اما اجازه دهید، برای مدتی شبکه های سیمی را کنار گذشته وبه سراغ شبکههایی برویم که سیگنالها و دادهها را همانند ایستگاههای رادیویی به شکل نامریی ارسال میکنند. اما شبکههای بیسیم چگونه کار میکنند و از چه فناوریهایی برای ارسال اطلاعات استفاده میکنند؟ ویژگیهای بیسیمی که ماهوارهها، بلوتوث، Wi-Fi ، تلفن همراه و سایر تجهیزات ارسال و دریافت کننده سیگنالهای بیسیم را بر مبنای آنها مخابره میکنند چه هستند و چگونه به دستگاهها اجازه میدهند با یکدیگر در تعامل باشند

ویژگیهای شبکه های انتقال بیسیم

شبکه های محلی که سیگنالها را از طریق هوا و از طریق امواج RF(فرکانس رادیویی)
انتقال میدهند به نام WLAN ها یا شبکه های محلی بیسیم شناخته میشوند. امروزه، رسانه های بیسیم به یکی از ملزومات مهم شبکه های تجاری، خانگی و برخی محیطهای تخصصی شبکه ها تبدیل شده اند. درست است که سیگنالهای سیمی و بیسیم شباهتهای زیادی دارند و به طور مثال هر دو از لایه 3 و پروتکلهای بالاتر از آن استفاده میکنند، با این حال، ماهیت شبکه های بیسیم به گونه ای است که در برخی موارد به ویژه در لایههای پایینی مدل مرجع
OSI تفاوتهایی با شبکه های سیمی دارند. برای روشن شدن بهتر مطلب اجازه دهید به سیگنالهای بیسیم نگاهی داشته و سپس بررسی کنیم که آنها چگونه ارسال میشوند

طیفهای بیسیم

همه سیگنالهای بیسیم توسط امواج الکترومغناطیسی و از طریق هوا ارسال میشوند. طیف بیسیم، معمولا به نام موجهای هوایی شناخته شده و به دامنه فرکانس اموا الکترومغناطیسی اشاره دارد که برای برقراری ارتباطات صوتی و ارسال دادهها از آن استفاده میشود. در کشوری همچون ایالات متحد کمیسیون ارتباطات فدرال( FCC ) که بر نحوه استفاده از طیفهای بیسیم نظارت دارد، محدوده فرکانسها یا پهنای باند طیفهای بیسیم را 9 کیلوهرتز تا 300 گیگاهرتز تعیین کرده است و مشخص کرده است که هر فرکانسی برای چه مقاصدی باید استفاده شود و در چه مکانهایی نباید از فرکانسهای خاصی استفاده شود. (یک هرتز یا Hz یک چرخه در هر ثانیه است.)

در این شکل مشاهده میکنید در چه مکانی سیگنالها ممکن است با یکدیگر همپوشانی داشته باشند.

نکته: شبکه های بیسیم از طریق زنجیرهای از امواج الکترومغناطیس با یکدیگر ارتباط برقرار کرده که میتواند حامل دادهها یا میتواند حامل ارتباطات صوتی و تصویری باشد که با طول موجهای مختلف استفاده میشود. اتحادیه بین المللی مخابرات ( ITU )سازمانی جهانی است که وظیفه قانونگذاری و مدیریت فضای فرکانسی را عهده دار است.
استانداردسازی مخابرات، ارتباطات رادیویی و توسعه مخابرات از وظایف این اتحادیه است. این اتحادیه استانداردهایی برای برقراری ارتباطات بین الملل وضع کرده که تخصیص فرکانسهای بیسیم از جمله آنها است. توجه داشته باشید هر فرکانسی برای هدف خاصی استفاده میشود. بهطور مثال، برخی از باندها تنها برای یک استفاده خاص در نظر
گرفته شده اند. بهطور مثال، یک باند برای تلویزیون، FM یا AM در نظر گرفته شده است، در حالی که برخی دیگر همچون باندهای وایفای برای استفاده عمومی در دسترس قرار دارند. در مورد Wi-Fi ، این حرف به معنای آن است که شما میتوانید دستگاه وایفای خودتان را در اختیار داشته و از آن استفاده کنید بدون آنکه به مجوز سازمان خاصی برای استفاده از این باند نیاز داشته باشید. در ایالات متحده سازمان FCC بر این مسئله نظارت دارد.همانگونه که در
تصویر بالا مشاهده میکنید Wi-Fi ، بلوتوث، ZigBee ، ANT1 و نیز برخی از سیگنالهای ماهوارهای، محدوده فرکانسها را در فرکانس 2و4 گیگاهرتز به صورت اشتراکی استفاده میکنند. اما فناوریهای فوق چگونه این امواج را بدون آنکه یک سیگنال روی سیگنال دیگری قرار گرفته و باعث از دست رفتن کلی یک سیگنال شود به اشتراک قرار میدهند؟ اجازه دهید تا ببینیم چگونه کانالها به کاهش تداخل ناشی از همپوشانی کمک میکنند

مدیریت کانال

باندی که توسط یک دستگاه بیسیم استفاده میشود توسط دامنه کلی فرکانس خود تعریف میشود. برای آنکه به دستگاههای مختلف اجازه دهیم تا باند یکسانی را بهاشتراک قرار دهند، باند باید به کانالهایی تقسیم شود و خود کانالها نیز باید به کانالهایی با باند باریک تقسیم شوند. باند باریک( narrow band ) یک کانال ارتباطی به وجود آورده که در آن پهنای باند یک پیام ارسال شده فراتر از پهنای باند همبستگی ( coherence bandwidth) نخواهد رفت. اما چرا باید یک چنین کاری انجام شود؟ پاسخ ساده است. راهکار فوق به ما اجازه میدهد با کاهش پهنای باند، کانالهای رادیویی بیشتری ایجاد کنیم، با توجه به اینکه ما در عمل اندازه را به نصف کاهش میدهیم در یک طیف فرکانس قادر به ایجاد دو کانال رادیویی خواهیم بود. اکثر دستگاههای بی سیم یکی از دو فناوری (مدولاسیون) زیر را برای استفاده از مزایای
فرکانسها درون باند خود و به منظور جلوگیری از تداخل استفاده میکنند

پرش فرکانسی مبتنی بر طیف گسترده/ طیف گسترده پرش فرکانسی ( FHSS ) سرنام Spectrum Spreading Frequency Frequency ، مدولاسیونی برای ارسال سیگنال در باند فرکانسی رادیویی است.
در این مدولاسیون فرکانس موج حامل به شکل پیوسته و شبه تصادفی تعویض میشود. انشعابات یا همان پرشهای کوتاه مدت باعث میشوند تا دادهها روی فرکانس خاصی درون باند انتقال پیدا کنند، در یک وضعیت دنبالهدار، پرش بعدی به فرکانس بعدی رفته و اینکار تکرار میشود. پرش از فرکانس میتواند صدها بار در ثانیه رخ دهد. دقت کنید که مدولاسیون FHSS ارزانتر از DSSS بوده و در محیطهای پر ازدحام و محیطهای داخلی بهتر از DSSS عمل میکند

پرش فرکانسی دنباله مستقیم یا طیف گسترده دنباله مستقیم( DSSS ) سرنام direct sequence spread spectrum ، مدولاسیونی است که در آن جریانهای دادهای به تکههای کوچکی تقسیم میشوند که این تکه های کوچک چیپها (chips) نام دارند. چیپهایی که روی همه فرکانسهای موجود در یکی از سه کانال عریض به شکل همزمان پخش میشوند. فرایند تقسیم و رمزگذاری دادهها چیپسازی نامیده میشود. نرخ توزیع استفاده شده برای انتقال دادهها نیز کد چیپسازی نامیده شده که برای هر دستگاه کدی منحصر به فرد است. DSSS
میتواند پهنای باند موجود را نسبت به FHSS به شکل کارآمدتری استفاده کرده و در نتیجه توان عملیاتی بالاتری را ارائه میکند.استانداردهای بیسیم در محدوده2و4 گیگاهرتز چگونه از باند اختصاصی خود استفاده میکنند. برای آشنایی با این موضوع به شکل سریع مروری بر این استانداردها خواهیم داشت.

Wi-Fiمعمولا برای دسترسی به اینترنت بیسیم، از مدولاسیون DSSS استفاده میکند. در ایالات متحده، سازمان تنظیم مقررات رادیویی ( FCC) 11 کانال را در باند2و4گیگاهرتزی ویژه وایفای و 24کانال را برای باند 5 گیگاهرتز تعریف کرده است.( کشورهای دیگر ممکن است 14 کانال Wi-Fi . را برای باند 2و4 گیگاهرتز اختصاص داده باشند.) در ایالات متحده، هر کانال پهنای20 مگاهرتز دارد. توجه داشته باشید که یک اکسس پوینت وایفای( Wi-Fi AP ) که یک دستگاه اتصال مرکزی برای کلاینتهای وایفای در یک شبکه است، به صورت دستی برای استفاده از یک گروه انتخاب شده از کانالها پیکربندی شده است.
دستگاههای کلاینت وایفای کل کانال را برای کانالهای فعال پویش میکنند

بلوتوث، معمولا برای اتصال دستگاههای شخصی بی سیم، از مدولاسیون FHSS استفاده میکند تا از79 کانال اختصاص یافته به گروه بلوتوث استفاده کند. در شبکهای متشکل از دستگاههای بلوتوث که piconet نام دارد، یک دستگاه اصلی تعیین میشود که این دستگاه زمانی را برای سایر دستگاهها ارائه میکند تا دستگاهها بتوانند به شکل درستی به کانالها پرش کرده و از آنها استفاده کنند. از آنجایی که انتقال بلوتوث بهطور مداوم کانال ها را پر میکند، تصادم یا تداخل به ندرت باعث بروز مشکل میشوند

ZigBee ، معمولا در دستگاههای صنعتی، علمی و پزشکی استفاده شده و از مدولاسیون DSSS و16 کانال استفاده میکند.

ANT1 ، معمولا در دستگاههای نظارت بر فعالیت استفاده شده، از یک فرکانس ثابت استفاده میکند و از اینرو ازهیچکدام از مدولاسیونهای DSSS یا FHSS استفاده نمیکند. حتی زمانی که مدولاسیونهای FHSS یا DSSS فرکانس بسط داده شده را ساطع میکنند، بازهم ممکن است مشکل تصادم یا تداخل رخ دهد. هر فناوری بر مبنای راهکار خاص خود زمانی که با مشکل تصادم روبرو شود، سعی میکند مشکل را برطرف کند. بهطور مثال، هنگامی
که یک دستگاه بلوتوثی با یک کانال وایفای در یک فرکانس برخورد میکند، سعی میکند مدت زمان کوتاهی در اختیار وایفای قرار دهد تا فرآیند انتقال خود را به پایان برساند. شکل زیر این موضوع را نشان میدهد. دستگاههای وایفای از تکنیک “گوش دادن قبل از انتقال” برای پیدا کردن یک کانال خاموش استفاده میکنند..

آنتن ها

هوا هیچ مسیر ثابتی برای سیگنالها مشخص نمیکند که انتقال پیدا کنند، بنابراین سیگنالها بدون آنکه هدایت شوند به حرکت خود ادامه میدهند. در نقطه مقابل این رویکرد، رسانههای سیمی مانند UTP یا کابل فیبر نوری که یک مسیر سیگنال ثابت را فراهم میکنند، قرار دارند. فقدان مسیر ثابت باعث میشود تا فرآیند ارسال سیگنالهای بیسیم، دریافت، کنترل و تصحیح خطاها از رویکردی متفاوت از سیگنالهای سیمی پیروی کند. بخشی از این کار در سطح
سختافزاری انجام میشود. درست مانند سیگنالهای سیمی، سیگنالهای بی سیم از جریان الکتریکی که در طول یک هادی جریان دارد، آغاز میشوند. سیگنال الکتریکی از فرستنده به سمت یک آنتن حرکت میکند و سیگنال را به عنوان یک سری امواج الکترومغناطیسی در هوا منتشر میکند. سیگنال از طریق هوا حرکت میکند تا زمانی که به مقصد خود برسد. در مقصد، آنتن دیگری سیگنال را دریافت کرده و و گیرنده آنرا به جریان تبدیل میکند. شکل زیر این
چرخه را نشان میدهد. توجه داشته باشید که آنتنها برای انتقال و دریافت سیگنالهای بیسیم استفاده میشوند. همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، برای تبادل اطلاعات، دو آنتن باید به فرکانس یکسانی متصل شوند تا بتوانند از کانال یکسانی استفاده کنند. هر نوع سرویس بی سیم نیاز به یک آنتن اختصاصی برای آن سرویس نیاز دارد.
ویژگیهای سرویس به منظور تعیین خروجی قدرت آنتن، فرکانس، و الگوی تابش آنتن استفاده میشوند. یک الگوی تابش آنتن که به نام الگوی تشعشعی نیز معروف است، مقاومت نسبی همه امواج الکترومغناطیسی در یک ناحیه سه بعدی (زوایای مختلف فضای اطرافش)که آنتن قادر به ارسال یا دریافت آنها است را توصیف میکند. الگوهای تشعشع میتوانند برای طبقه بندی آنتنها به دو دسته اساسی زیر تقسیم شوند:

• آنتن تک جهته ( unidirectional antenna )- سیگنالهای بی سیم را در امتداد یک جهت ارسال میکند. این نوع آنتن زمانی استفاده میشود که منبع نیاز به برقراری ارتباط با مقصد دارد. یک پیوند نقطه به نقطه یا در یک ناحیه خاص از جمله این موارد است. یک اتصال ماهوارهای بهطور مثال، نوعی که برای دریافت سیگنالهای دیجیتالی تلویزیون استفاده میشود از آنتنهای جهتدار استفاده میکند

آنتنهای چند جهته/همه جانبه ( omnidirectional antenna)– این توانایی را دارند تا سیگنال بی سیم را با قدرت و وضوح چند برابر در همه جهات دریافت کنند. این نوع آنتنها زمانی استفاده میشوند که گیرندههای زیاد مختلفی مجبور هستند سیگنالی که در جهات مختلف ارسال میشود را دریافت کنند.
ایستگاههای رادیویی و تلویزیونی از آنتنها چند جهته استفاده میکنند. درست به همان شکلی که اکثر برجها برای ارسال سیگنالهای سلولی از آن استفاده میکنند.

منطقه جغرافیایی که یک آنتن یا سیستم بیسیم میتواند به آن دسترسی داشته باشد محدوده سیگنال یا آنتن نام دارد.
گیرندهها باید در محدوده وسیعی باشند تا سیگنالهای دقیق را بهطور مداوم دریافت کنند. با این حال، حتا در محدوده آنتن نیز ممکن است موانع یا اجسام مختلفی قرار داشته باشند که فرآیند دریافت سیگنالها را با مشکل روبرو میکنند


پاسخ دهید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد. فیلدهای اجباری مشخص شده اند *
شما می توانید از این تگ های HTML و ویژگی ها استفاده کنید: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>