معيار IEEE 802.11g وتقنية IEEE 802.11af White-Fi

توفر تقنية (Wi-Fi) التقليدية أو معيار (IEEE 802.11)، اتصالاً لاسلكياً مثالياً للتطبيقات قصيرة المدى حيث يتم توصيل أجهزة الاتصال، ومع ذلك فهذه ليست ظروف مثالية للعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء (IoT) التي تتطلب مسافات إشارة أطول وانخفاض استهلاك الطاقة للأدوات التي تعمل بالبطاريات، حيث يتمتع (IEEE 802.11g) بميزة أنّه يمكن أن يدعم سرعات البيانات العالية باستخدام (2.4 جيجا هرتز) والتي لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقاً.

ما هو معيار IEEE 802.11g؟

معيار IEEE 802.11g: هو أحد معايير (Wi-Fi) الرئيسية التي يجب اتباعها من (802.11a) و(802.11b) ولقد بنيت على الأداء ولعبت دوراً محورياً في زيادة إنشاء شبكة (Wi-Fi) كمعيار لاسلكي رئيسي.

في عامي 2002 و2003م، ظهرت منتجات (WLAN) التي تدعم معياراً جديداً يسمى (802.11g) في السوق، كما يحاول (802.11g) الجمع بين أفضل ما في (802.11a) و(802.11b) حيث يدعم النطاق الترددي حتى (54 ميجابت في الثانية)، ويستخدم تردد (2.4 جيجا هيرتز لنطاق أكبر) وهو متوافق مع الإصدارات السابقة مع (802.11b).

ممّا يعني أنّ نقاط الوصول ستعمل مع محولات الشبكة اللاسلكية (802.11b) والعكس، كما تعني التكلفة المنخفضة للرقائق التي تستخدم (2.4 جيجا هرتز) مع السرعة الأعلى أنّها أصبحت لسنوات عديدة تقنية (Wi-Fi) المهيمنة.

1- الطبقة المادية في المعيار 802.11g:

يعمل (802.11g) في نطاق (2.4 جيجا هرتز ISM)، حيث إنّه يوفر أقصى سرعة لنقل البيانات الخام تبلغ (54 ميجابت في الثانية)، وعلى الرغم من أن هذا يترجم إلى أقصى سرعة حقيقية تزيد قليلاً عن (24 ميجابت في الثانية)، كما أنّ النظام متوافق مع (802.11b) إلّا أنّ وجود مشارك (802.11b) في الشبكة يقلل بشكل كبير من سرعة الشبكة، حيث كانت مشكلات التوافق هي التي استغرقت الكثير من وقت عمل لجنة (IEEE 802.11g).

من أجل توفير المرونة ضد تأثيرات تعدد المسارات مع القدرة على تحمل معدلات البيانات العالية، كانت طريقة التعديل الرئيسية المختارة لـ (802.11g) هي طريقة تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM)، وعلى الرغم من استخدام مخططات أخرى للحفاظ على التوافق، وبالإضافة إلى استخدام تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد، إنّ نظام (DSSS) يستخدم طيف الانتشار بالتتابع المباشر.

ولتوفير أقصى قدرة مع الحفاظ على التوافق مع الإصدارات السابقة، يتم استخدام أربع طبقات مادية مختلفة، ثلاثة منها معرّفة على أنّها (Extended Rate Physicals – ERPs)، كما تتواجد هذه الطبقات أثناء تبادل الإطار بحيث يمكن للمرسل استخدام أي واحدة من الأربع، ولكن بشرط أن تكون كذلك مدعوم في كل نهاية الارتباط.

2- ما هي الطبقات المحددة في مواصفات 802.11g:

• الطبقة (ERP-DSSS-CCK): هي الطبقة المستخدمة مع (11b)، حيث يتم استخدام طيف الانتشار بالتسلسل المباشر جنباً إلى جنب مع المفتاح التكميلي للشفرة (CCK)، أمّا الأداء هو أداء أنظمة (802.11b) القديمة.

• الطبقة (ERP-OFDM): هي الطبقة المادية التي تم تقديمها لـ (802.11g)، حيث يتم استخدام (OFDM)؛ لتمكين توفير معدلات البيانات عند (2.4 جيجا هرتز) التي تم تحقيقها بواسطة (11a) عند (5.8 جيجا هرتز).

• الطبقة (ERP-DSSS / PBCC): هي الطبقة المادية التي تم تقديمها للاستخدام مع (802.11b)، وقدمت في البداية نفس معدلات البيانات مثل طبقة (DSS / CCK)، ولكن مع (802.11g) تم توسيع معدلات البيانات لتوفير (22 و33 ميجابت في الثانية)، كما إنّها تستخدم تقنية (DSSS) للتشكيل جنباً إلى جنب مع تشفير (PBCC) للبيانات.

• الطبقة (DSSS-OFDM): هي الطبقة التي تستخدم مزيجاً من (DSSS) و(OFDM)، حيث يتم إرسال بداية الحزمة باستخدام (DSSS) بينما يتم إرسال الحمولة باستخدام (OFDM).

تحتل (802.11g) عرض نطاق اسمي للقناة يبلغ (22 ميجاهرتز)، ممّا يجعل من الممكن استيعاب ما يصل إلى ثلاث إشارات غير متداخلة ضمن النطاق (2.4 جيجا هرتز)، وعلى الرغم من ذلك فإنّ الفصل بين نقاط وصول (Wi-Fi) المختلفة يعني أنّ التداخل لا يمثل مشكلة كبيرة في العادة.

3- بنية حزمة 802.11g:

1. التمهيد أو الرأس – Preamble / Header:

يتكون التمهيد من سلسلة معروفة من (1s) و(0)، والتي تمكن أجهزة الاستقبال من المزامنة مع الإرسال الوارد، حيث يتبع عنصر الرأس مباشرةً ما قبل المقدمة ويحتوي على معلومات حول البيانات التي يجب اتباعها بما في ذلك طول الحمولة.

2. الحمولة – Payload:

الحمولة (Payload): هي البيانات الفعلية التي يتم إرسالها عبر شبكة الراديو ويمكن أن تتراوح من (64 بايت إلى 1500 بايت)، في معظم الحالات يتم إرسال التمهيد أو الرأس باستخدام نفس تنسيق التشكيل مثل الحمولة النافعة ولكن هذا ليس هو الحال دائماً، أمّا عند استخدام تنسيق (DSSS-OFDM) يتم إرسال الرأس باستخدام (DSSS)، بينما تستخدم الحمولة (OFDM).

4- الاختصارات في إطار حزمة 802.11g:

• PPDU: هو التنسيق الذي يتم تحويل البيانات إليه بواسطة (PLCP) للإرسال.

• PLCP: هو إجراء تقارب طبقة (PHY)، ويقوم بتحويل كل إطار (802.11) ترغب المحطة في إرساله إلى وحدة بيانات بروتوكول (PLCP) و(PPDU).

• PDSU: هي وحدة بيانات خدمة الطبقة المادية، وهي تمثل محتويات (PPDU) أي البيانات الفعلية التي سيتم إرسالها.

• الخدمة: يتم تعيين هذا الحقل دائماً على “00000000”، حيث يحتفظ معيار (802.11) ببياناته وتنسيقه للاستخدام في المستقبل.

بالنسبة لخيار (ERP-OFDM PHY)، يجب أن تتبع حزمة (ERP) فترة (6 ثوانٍ) من عدم الإرسال تسمى فترة تمديد الإشارة، والسبب في ذلك هو أنّه تم السماح لمدة (16 ثانية) في (802.11a)؛ لتمكين معالجة فك التشفير التلافيفي حتى تنتهي قبل وصول الحزمة التالية، لا يزال مخطط تعديل (ERP-OFDM) يتطلب (16 مايكرو ثانية) لضمان أنّ عملية فك التشفير يمكن أن تكتمل في غضون توقيت العملية الإجمالي، كما تم تضمين امتداد إشارة (6 مايكرو ثانية)، حيث يتيح ذلك لمحطة الإرسال حساب حقل المدة في رأس (MAC)، ممّا يضمن ضبط قيمة (NAV) لمحطات (802.11b) بشكل صحيح والحفاظ على التوافق.

ما هو معيار 802.11af White-Fi؟

معيار (802.11af White-Fi): هو أنّ نقطة الوصول ستنقل إشارة (Wi-Fi) منخفضة الطاقة في منطقة تقع بين منطقة تغطية أجهزة إرسال البث الرئيسية التي تستخدم تلك القناة.

يتميز إنشاء نظام البث، بحيث يتم وضع هامش كبير بين مناطق التغطية لأجهزة الإرسال التلفزيونية الإذاعية لضمان عدم تعرض الاستقبال للخطر حتى عندما تعني ظروف التروبوسفير أنّ الإشارات تنتقل إلى مسافة أبعد، ويؤدي هذا إلى استخدام ضعيف جداً للطيف الراديوي ويمكن استخدام أجهزة إرسال صغيرة منخفضة الطاقة في المسافات بين مناطق تغطية أجهزة الإرسال المختلفة.

نظراً لاختلاف استخدام القنوات المختلفة، يجب أن تعرف نقطة الوصول القناة التي يمكنها استخدامها كما يمكن استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات لتحقيق ذلك، ولكن بغض النظر عن الأسلوب المتبع يجب أن تكون نقطة الوصول (White-Fi 802.11af) قادرة على إعادة تكوين نفسها تلقائياً، أمّا مع تطبيقات (Wi-Fi) التي لا تتطلب سوى طاقة منخفضة، من الممكن استخدام هذا الطيف غير المستخدم بين مناطق التغطية دون الخوف من حدوث تداخل داخل منطقة تغطية جهاز الإرسال التلفزيوني.

1- مزايا IEEE 802.11af / White-Fi:

1. خصائص الانتشار – Propagation characteristics:

في ضوء حقيقة أنّ نظام (802.11af white-fi) الذي يقوم بتفعيل المساحات البيضاء للتلفاز، سيعمل على استخدام ترددات أقل من (1 جيجا هيرتز)، فإنّ هذا سيسمح بتحقيق مسافات أكبر بحيث تستخدم أنظمة (Wi-Fi) الحالية الترددات في نطاقات (ISM) أدنى نطاق هو (2.4 جيجا هرتز)، ممّا يتم امتصاص الإشارات بسهولة.

2. عرض النطاق الترددي الإضافي – Additional bandwidth:

تُعد إحدى مزايا استخدام المساحة البيضاء للتلفاز في إمكانية الوصول إلى ترددات إضافية غير مستخدمة، ومع ذلك سيكون من الضروري تجميع عدة قنوات تلفزيونية لتوفير عرض النطاق الترددي الذي تستخدمه شبكة (Wi-Fi) على (2.4 و5.6 جيجا هرتز)، لتحقيق معدلات نقل البيانات المطلوبة حيث من الممكن أن تختلف القنوات الشاغرة في أي منطقة معينة اختلافاً كبيراً في التردد، وهذا يمثل بعض التحديات في إدارة مشاركة البيانات عبر القنوات المختلفة، على الرغم من أن هذا قد تحقق بنجاح في تقنيات مثل (LTE).

2- تقنيات IEEE 802.1af / White-fi:

حتى يكون لـ (White-fi 802.11af) القدرة على العمل، من الضروري التأكد من أنّ النظام لا يسبب أي تداخل غير مبرر مع عمليات الإرسال التلفزيونية الحالية، ولتحقيق ذلك هناك عدد من التقنيات والقواعد التي يمكن استخدامها.

• الراديو المعرفي (Cognitive radio): إحدى الطرق التي يمكن أن يعمل بها نظام (White-fi) هي استخدام تقنية الراديو الإدراكي، وباستخدام هذه التقنية سيكون من الممكن لنظام (IEEE 802.11af) اكتشاف عمليات الإرسال والانتقال إلى قنوات بديلة.

• الاستشعار الجغرافي (Geographic sensing): هي طريقة أخرى يفضلها الكثيرون، وعلى الرغم من عدم تحديد التفاصيل بشكل كامل فإنّ وجود قاعدة بيانات جغرافية ومعرفة بالقنوات المتاحة تُعد طريقة للسماح للنظام بتجنب القنوات المستخدمة.

استخدام تقنيات الفضاء الأبيض آخذ في الازدياد، وعلى الرغم من أنّ إدخال التلفاز الرقمي في بعض البلدان قد قلل من مقدار المساحة البيضاء المتاحة، إلّا أنّه في بلدان أخرى لا يزال ضخماً فمثلاً في الهند يبلغ استخدام الطيف التليفزيوني (7%) فقط، وهذا يعطي فرصة كبيرة لزيادة الاستخدام وتقدم العديد من البلدان الأخرى فرصاً مماثلة.