تميل شبكة (Wi-Fi) إلى استخدامها لمسافات قصيرة عادةً عبر غرفة، ويتعين نقل كميات كبيرة جداً من البيانات بسرعة كبيرة (IEEE 802.11ad)، كما إنّ (WiGig) قادر على توفير حل حيث يعطي معدلات إنتاجية عالية جداً، ويستخدم ترددات في قسم الميكروويف من الطيف عند ترددات حوالي (60 جيجا هرتز) أمّا (IEEE 802.11ah) هو معيار (Wi-Fi) تم تصميمه للاستفادة من نطاقات (ISM) الخالية من ترخيص (GHz) واحد.
ما هو معيار IEEE 802.11ad؟
معيار (IEEE 802.11ad): المعروف أيضاً باسم (WiGig) أو (60 جيجا هرتز Wi-Fi)، هو شكل ميكروويف لشبكة (Wi-Fi) يمكنه توفير نقل بيانات يصل إلى (7 جيجابت في الثانية) عند ترددات حول (60 جيجاهرتز).
يحتوي قسم الميكروويف في الطيف الراديوي على عدد من المزايا الرئيسية، ومن الممكن استخدام عرض نطاق عريض للغاية لتمكين البيانات عالية الإنتاجية، كما يمكن إعادة استخدام الطيف بشكل جيد ونظراً لأنّ الإشارات لا تنتقل عبر هذه المسافات الكبيرة وتمتصها المباني وما إلى ذلك، فإنّه يمكن الحصول على مستويات عالية من إعادة الاستخدام دون أن يتعرض المستخدمون على نفس القناة للتداخل، كما يُعرف المخطط باسم (WiGig) على اسم (Wireless Gigabit Alliance) الذي يدعم النظام.
ولتعزيز استخدام شبكة (Wi-Fi) الميكروويف، تم إنشاء تحالف يسمى (Wireless Gigabit Alliance) من خلال العمل مع (IEEE)، حيث تلتزم المنظمتان بالنهوض بالمعيار ولقد تم توحيدها كـ (IEEE802.11ad) حيث تتوافق مواصفات (WiGig MAC / PHY) تماماً مع معيار (802.11ad)، ويوفر هذا توحيد الصناعة والاعتراف بالصناعة ومدخلات من الصناعة لضمان أنّ المعيار قابل للتحقيق ويلبي أيضاَ احتياجات الصناعة كما يوفر اسماً تسويقياً سهلاً.
تم تشكيل (Wireless Gigabit Alliance)؛ لتوفير معيار اتصالات لاسلكية واحد متعدد الجيجابت بين الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة المحمولة وأجهزة الكمبيوتر، ودفع تقارب الصناعة باستخدام طيف (ISM) أي الصناعي والعلمي والطب لـ (60 جيجا هرتز) غير المرخص، ومع انخفاض تكلفة تقنية الموجات الدقيقة وزيادة الحاجة إلى الطيف، ستنتشر تقنية (WiGig) في استخدامها.
يستخدم النظام معيار طبقة (MAC) الذي يتم مشاركته مع معايير (802.11) الحالية؛ لتمكين تبديل الجلسة بين شبكات (802.11 Wi-Fi) التي تعمل في نطاق (2.4 جيجا هرتز) و(5 جيجا هرتز) مع تلك التي تستخدم نطاقات (60 جيجا هرتز WiGig)، وبهذه الطريقة يمكن أن يحدث انتقال سلس بين الأنظمة حيث تم تحديث طبقة (802.11ad MAC) لمعالجة جوانب الوصول إلى القناة والمزامنة والارتباط والمصادقة المطلوبة لتشغيل (60 جيجا هرتز).
طبقة WiGig المادية:
يستخدم نظام (WLAN) الترددات في الطيف غير المرخص (60 جيجا هرتز)، واعتماداً على الجغرافيا تقع هذه بين (57 جيجا هرتز) و(66 جيجا هرتز)، كما يوصي قطاع الاتصالات الراديوية باستخدام أربع قنوات عرض كل منها (2.16 جيجا هرتز) مع ترددات مركزية تبلغ (58،32 و60.48 و62.64 و64.80 جيجا هرتز)، ولا يُنظر إلى حقيقة توفر أربع قنوات فقط على أنّها مشكلة؛ لأنّ امتصاص الإشارات مرتفع في هذه المنطقة وحتى مع إعادة الاستخدام العالية فمن غير المرجح أن تتداخل الإشارات، حيث يحتاج طيف الإشارة والقناع الطيفي إلى ضمان الحفاظ على الإشارة ضمن عرض نطاق معين.
أنواع الإشارات التي يدعمها WiGig 802.11ad PHY:
1. التحكم في PHY وCPHY:
لتوفير التحكم، تتمتع هذه الإشارة بمستويات عالية من تصحيح الأخطاء واكتشافها ووفقاً لذلك فإن إنتاجيتها منخفضة نسبياً، ولأنّها لا تحمل الحمولة الرئيسية فهذه ليست مشكلة، حيث يتحكم الناقلون بشكل حصري في رسائل القناة، كما يستخدم (CPHY) التشفير التفاضلي ونشر الشفرة وتشكيل (BPSK).
2. PHY لحامل وحيد:
يستخدم (SCPHY) تقنيات تشكيل موجة حاملة وحيدة، هي (BPSK) أو (QPSK) أو (16-QAM) على موجة حاملة مكبوتة موجودة على التردد المركزي للقناة، هذه الإشارة لها معدل رمز ثابت يبلغ (1.76 Gsym / sec)، كما تتوفر مجموعة متنوعة من أنماط تشفير الأخطاء وفقاً للمتطلبات.
3. تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد – OFDMPHY:
كما هو الحال مع أي مخطط (OFDM)، يستخدم (OFDMPHY) تعديل الموجات الحاملة المتعددة لتوفير كثافة تشكيل عالية ومستويات إنتاجية أعلى للبيانات من أنماط الموجة الحاملة الفردية، كما أنّ تنسيق التشكيل (SQPSK) هو انتشار (QPSK)، وينطوي على استخدام الموجات الحاملة (OFDM) المزدوجة التي يتم تعديل البيانات عليها، حيث يتم فصل الموجتين الحاملتين إلى أقصى حد لتحسين متانة الإشارة في وجود الخبو الانتقائي للتردد.
4. الحامل الأحادي ذو الطاقة المنخفضة – LPSCPHY:
تستخدم إشارة (802.11ad) هذه ناقلاً واحداً لتقليل استهلاك الطاقة، كما إنّه مخصص للأجهزة ذات البطاريات الصغيرة التي قد لا تكون قادرة على دعم المعالجة المطلوبة لتنسيق (OFDM).
إدارة حزمة WiGig 802.11ad:
إحدى ميزات (WiGig) ميكروويف (Wi-Fi) هي جانب إدارة حزمة الهوائي، ممّا تعني الترددات العالية جداً المستخدمة أنّ الهوائيات صغيرة جداً، وهذا يجعل تطوير وتصنيع واستخدام المصفوفات المرحلية المطلوبة لهذا الاقتراح ممكناً، حيث يتم تشكيل الحزمة باستخدام تسلسل تدريب ثنائي الاتجاه يتم إلحاقه بكل إرسال، كما يتيح ذلك للنظام تشكيل حزم الإرسال أو الاستقبال لتحقيق خصائص الارتباط المثلى، ويمكّن هذا النظام من التغلب على أي حركة لجهاز الإرسال أو المستقبل أو الكائنات فيما بينها والتي قد تغير خصائص المسار.
ما هو معيار IEEE 802.11ah؟
معيار (IEEE 802.11ah): هو معيار (Wi-Fi) فرعي لجيجا هرتز، حيث يستخدم نطاقات (ISM) المعفاة من الترخيص الأقل من (1 جيجا هرتز) ويوفر اتصالاً أطول مدى، والنطاقات الموجودة في هذه الترددات أصغر بكثير من النطاقين (2.4 جيجا هرتز) و(5 جيجا هرتز) المستخدمان عادةً لشبكة (Wi-Fi)، ممّا يحد من معدلات البيانات التي يمكن دفعها عبر الروابط.
لاستيعاب الجوانب المختلفة لشبكة (Wi-Fi) الفرعية (GHz)، تم تطوير طبقة مادية جديدة و(MAC) لتمكين الاتصالات في هذه الترددات، وإنّ كان ذلك بسرعة أقل من تلك التي يمكن تحقيقها للتيار الرئيسي متغيرات (Wi-Fi) عالية السرعة للغاية، ويعني الانتشار الراديوي لهذه الترددات أنّ الإشارات قادرة على السفر لمسافات أكبر وهذا يفتح فرصاً للاستخدام مع إنترنت الأشياء حيث قد تكون أجهزة الاستشعار وعقد التحكم متباعدة.
إنّ استخدام (802.11ah) يقوم على إتاحة نطاق تغطية محسّناً بسبب خصائص الانتشار لهذه الترددات، حيث يؤدي هذا إلى فتح التطبيقات المتاحة لمستخدمي (IEEE 802.11ah) لفرص جديدة بما في ذلك شبكات الاستشعار القائمة على المنطقة الواسعة وأنظمة الاستشعار وإلغاء تحميل شبكة (Wi-Fi) المحتملة.
واجهة الراديو في 802.11ah PHY:
يستخدم (802.11ah) مضاعفة تقسيم التردد المتعامد (OFDM)؛ بهدف العمل على توفير مخطط التشكيل للإشارة، ومع ذلك هناك فئتان يمكن تقسيم الطبقة المادية (PHY) إليهما:
1. عرض نطاق القناة 1 ميجا هرتز:
يتم استعمال أسلوب التشغيل هذا بشكل أساسي بسبب توفيره التطبيقات التي تتطلب نطاقاً ممتداً، حيث يوفر النطاق الترددي الأضيق ومعدلات البيانات الأبطأ استيعاب الإشارات ذات قوة الإشارة المنخفضة، وعادةً قد تكون هذه التطبيقات موجهة إلى تطبيقات (IoT) أو (M2M)، حيث قد تكون هناك احتياج إلى دفعات قصيرة من البيانات وعادةً بمعدل بيانات منخفض، وفي وضع عرض النطاق الترددي (1 ميجاهرتز) يستخدم (802.11ah) نفس تباعد الموجة الحاملة الفرعية كما هو الحال في وضع معدل البيانات الأعلى أي (31.25 كيلو هرتز).
عدد الموجات الحاملة الفرعية للبيانات لكل رمز (OFDM) هو 24، وهذا في الواقع أقل من نصف عدد الموجات الحاملة الفرعية للبيانات في قناة (2 ميجا هيرتز)؛ لأنّها تستخدم عرض النطاق الذي كان مطلوباً لنطاق الحماية بين قناتين (1 ميجا هيرتز)، ولأنّ أحد الأهداف المهمة لخيار القناة 1 ميجاهرتز هو النطاق الموسع، تم تضمين مخطط تعديل وترميز جديد مؤشر (MCS 10) للإرسال بعيد المدى بالإضافة إلى (MCSs 802.11ac)، وهو أسلوب (MCS 0) بشكل فعال ولكن مع تكرار 2x للبيانات لزيادة مرونة الإرسال.
2. عرض النطاق الترددي 2 ميجاهرتز فأكثر:
يستخدم هذا الوضع نطاقات تردد 2 أو 4 أو 8 أو 16 ميجاهرتز، ويستخدم مرة أخرى (OFDM) وتصميم يعتمد على معدل تسجيل الوقت العاشر من (802.11ac) أي طول الرمز عشرة أضعاف ذلك في (802.11ac)، كما استخدام (MIMO) في (802.11ah) في هذا الوضع.
طبقة التحكم في 802.11ah:
1. دعم عدد كبير من المحطات:
تقوم نقطة وصول (802.11) على تحديد مُعرّفات تسمى مُعرّفات الرابطة (AID) إلى المحطات المتصلة بـ(AP)، وبالنسبة للأنظمة غير (802.11ah) فإنّ الحد الأقصى لعدد المُعرّفات التي يمكن تخصيصها هو 2007، ولكن مع استخدام (802.11ah) لتطبيقات (IoT) أو (M2M)، يمكن تجاوز هذا الرقم حيث تم تقديم هيكل هرمي للمساعدة، يبلغ طول هذا (AID) الهرمي 13 بت ممّا يؤدي إلى أقصى عدد من المحطات المرتبطة.
2. توفير الطاقة:
يُعد توفير الطاقة مشكلة متنامية، خاصةً بالنسبة لمعيار (IEEE 802.11ah)، وستحتاج العديد من العقد البعيدة إلى العمل باستخدام البطاريات، ويجب أن تكون قادرة على العمل لأسابيع أو حتى سنوات دون استبدال.
- محطات (TIM): تبقى هذه المحطات مستيقظة طوال الوقت وتراقب باستمرار إطارات المنارة التي يتم إرسالها، ويمكنه تلقي البيانات بمجرد أن يصبح جاهزاً للإرسال.
- محطات غير (TIM): محطات (Non – Time 802.11ah) لها حالة غفوة، وعندما يكونون في هذه الحالة لن يتمكنوا من تلقي البيانات، ويتم تخزينها مؤقتاً عندما تصبح نشطة مرة أخرى.
3. تحسينات الإنتاجية:
من أجل التمكن من تحقيق أقصى استفادة من النطاق الترددي المتاح، كان هناك عدد من التحسينات لضمان نقل البيانات بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.
- تنسيق رأس (MAC) المضغوط: يحتوي (802.11ah) على بنية رأس (MAC) جديد مقترح يكون أكثر إحكاماً من تلك المستخدمة في الأنظمة القديمة، حيث يؤدي التغيير إلى تقصير بنية رأس (MAC) القديم ونقل بعض العناصر إلى مناطق أخرى، كما يتم نقل حقول (QoS) والإنتاجية العالية و(HT) إلى حقل الإشارة وحقل (SIG) في بداية (PHY) وإزالة العناصر الأخرى غير الضرورية.
- آلية (MAC): يقوم (802.11ah) على تحديد مخطط وصول متوسط جديد، حيث يتم التخلص من تأخير الوصول إلى القناة ونفقات نقل (ACK).
