 |
|
شكل 1- استانداردهاي شبكه بيسيم |
IEEE (انجمن مهندسين برق و الكترونيك) با اتكاء به دانش فني صدها مهندس عضو خود، طيف كاملي از استانداردها را براي شبكه بيسيم ايجاد نموده است كه شامل 802.15 براي شبكههاي شخصي PAN،
802.11 براي شبكههاي محلي (LAN)،
802.16، براي شبكههاي شهري (MAN) و 802.20 براي شبكههاي گسترده (WAN) ميگردد.
هر استاندارد در اين سري با هدف بهكارگيري فناوري ارتباط بيسيم به صورت بهينهشده براي يك حوزه ارتباطي ايجاد گرديدهاست و علاوه بر آنكه كاملاً سازگار با ساير استانداردهاي اين سازمان ميباشد، سعي شده با استانداردهاي مشابه ساير مراجع و به خصوص ETSI نيز هماهنگ باشد. شكل 1 استانداردهاي فوق را در كنار استانداردهاي مشابه ساير سازمانها نشان ميدهد.
يكي از موفقترين استانداردهاي بدونسيم، IEEE 802.11 ميباشد كه فناوري منتخب اكثر شبكههاي محلي بيسيم (WLAN) در اماكن عمومي و شركتها ميباشد و ايجاد HotSpot را به عنوان كسبوكار بزرگي براي فراهمكنندگان خدمات دسترسي بيسيم به اينترنت فراهم نموده است. HotSpot كه ترجمه تحتاللفظي آنها نقطه داغ ميباشد، اصطلاحي است كه به برقراري ارتباط كاربران با شبكه بيسيم در مكانهاي عمومي اطلاق ميگردد.
كاربران با حضور در يك Hostspot (مثلاً يك رستوران يا فرودگاه يا يك فروشگاه) به شبكه متصل ميشوند و ميتوانند از خدمات آن همچون اينترنت استفاده كنيد. در حال حاضر تشكلي از شركتهاي توليدكننده و فراهمكنندگان خدمات موسوم به Wi-Fi توسعه دستاوردهاي تجاري حاصل از 802.11 را دنبال مي كند.
 |
|
شكل 2 |
استاندارد 802.20 دقيقاً به عنوان دنبالهاي براي 802.11 در نظر گرفته شده است و در پي كسب موفقيتي حتي بزرگتر ميباشد. به كمك اين فناوري كاربران از لاك شبكه محلي خارج ميشوند و از خدمات ارتباطي در خارج از ساختمان نيز برخوردار خواهندبود. (شكل 2)
گرچه هنوز بسياري از فراهمكنندگان خدمات شبكهاي با جزئيات استاندارد IEEE 802.16 آشنا نيستند، ولي اين استاندارد حوزه ارتباطات بيسيم پرظرفيت را در آستانه ايجاد انقلابي قرار دادهاست و از آن به عنوان كانديداي اصلي براي ايجاد شبكههاي شهري بيسيم موسوم به WirelessMAN ياد ميشود. 802.16 از ابتدا براي ارائه دسترسي بيسيم در باندپهن (Broadband) به شبكههاي شهري طرح گرديده است و ظرفيت انتقال آن قابل قياس با خطوط مخابراتي E1 و مودمهاي DSL ميباشد.
علاوه بر اينكه سيستمهاي ارتباطي مبتني بر 802.16 داراي مزيتهاي نسبي ميباشند كه مهمترين آنها عبارتند از:
● برقراري سريع سرويس ارتباطي در مناطقي كه ايجاد ارتباطات كابلي دشوار است.
● پرهيز از هزينههاي فزاينده نصب تجهيزات با گسترش تدريجي شبكه متناسب با رشد ميزان تقاضا.
● غلبه بر موانع و محدوديتهاي سيستمهاي كابلي.
در حال حاضر مناطق بسياري در كشورهاي توسعهيافته و در حال توسعه از فوايد ارتباطات پرظرفيت محروم ميباشند و ايجاد زيرساختارهاي سيمي براي اين نواحي كاري دشوار، پرهزينه و درازمدت خواهدبود.
فناوري 802.16 براي غلبه بر اين مشكلات طرح شده است و راهحلي استاندارد، انعطافپذير و مقرون به صرفه براي پركردن شكاف فوق ارائه ميدهد.
IEEE 802.16a يك گام به پيش
در ژانويه سال 2003، IEEE با انتشار 802.61a نسخه جديدي از فناوريهاي بيسيم را ارائه نمود كه در طيف فركانس راديويي 2 الي 11 گيگاهرتز كار ميكند و اين در حالي است كه استاندارد اوليه براي كار در طيف 10 الي 66 گيگاهرتز طرح گرديدهبود. بزرگترين نتيجه اين تغيير، رفع مشكل "محدوديت ديد مستقيم" (LOS: Line Of Sight) ميباشد.
لازم به يادآوري است كه خصوصيات امواج راديويي با فركانس بالاي 10 گيگاهرتز باعث جذب اين امواج توسط موانع طبيعي و مصنوعي (براي مثال درختها و ساختمانها) ميگردد و لازم است با نصب آنتنهاي فرستنده و گيرنده بر روي نقاط مرتفع و برجهاي مخابراتي، نوعي ديد مستقيم بين مبدا و مقصد ايجاد شود. 802.61a با رفع اين محدوديت، هزينههاي ايجاد شبكه بيسيم شهري را به طرز قابل توجهي كاهش ميدهد.
ساختار يك شبكه مبتني بر استاندارد 802.61a متشكل از يك يا چند ايستگاه پايه ميباشد كه از طريق تعدادي آنتن فرستنده و گيرنده كه هر يك در يك قطاع جداگانه فركانسي قرار دارند، سرويس ارتباطي مشتركين خانگي و تجاري را در يك محدوده با شعاع تقريبي 6 تا 9 كيلومتري برقرار ميكند.
كه البته اين فاصله بنا به شرايط ميتواند تا 45 كيلومتر نيز افزايش يابد. ايستگاه پايه خود از طريق يك ترانك پرظرفيت مخابراتي، به يكي از نقاط شبكه مادر متصل ميباشد.
هر ايستگاه پايه داراي يك يا چند قطاع راديويي است كه با فرض استفاده از 20 مگاهرتز پهنايباند، هر يك از آنها ظرفيت تبادل اطلاعات با نرخي درحدود 75 مگابيت در ثانيه را دارند. بنابراين به طور تقريبي ارايه خدمات به 40 مشترك بزرگ با ظرفيت دسترسي معادل خطوط E1 (دو مگابيت در ثانيه) و يا چند صد مشترك خانگي با ارتباطي مشابه با مودمهاي xDSL در هر قطاع امكانپذير است.
انعطاف بالايي در انتخاب تركيب مشتركين و نحوه توزيع ظرفيت بين آنها وجود دارد. كه به فراهمكننده خدمات آزادي عمل فراواني در سرويسدهي به نقاط شهري و روستايي را ميدهد.
802.16، مشخصات امنيت و كيفيت خدمات (QoS) لازم براي كاربردهاي حساسي همچون انتقال همزمان صوت و تصوير را در خود دارد و به اين ترتيب نيازهاي مشتريان مشكلپسند هم برطرف خواهد گرديد.
كاربردها
موارد استفاده متنوعي براي شبكههاي مبتني بر 802.16 پيشبيني شدهاست كه در پنج گروه قابل دستهبندي ميباشند:
1- ايجاد زيرساخت ارتباطي بين ايستگاههاي بيسيم: شبكه تلفن همراه يا شبكههاي HotSpot، كه به شبكههاي سلولي معروف ميباشند. در واقع متشكل از مجموعهاي از ايستگاههاي ارتباط بيسيم ميباشند كه هر يك در قلب يك سلول شبكه قراردارند و به تعدادي از مشتركين ثابت يا سيار در محدوده تحت پوشش خود سرويس ميدهند.
 |
|
شكل 3 |
در حال حاضر ارتباط بين ايستگاههاي فوق از طريق خطوط مخابراتي (مانند خطوط E1) فراهم ميگردد.
شبكه 802.16 ميتواند به عنوان جايگزين مناسبي براي اين خطوط سيمي به كار گرفته شود كه در عمل به صورت يك شبكه سراسري بدون سيم درخواهد آمد. راهحل فوق بهخصوص در مناطقي كه قابليت رقابت بهدليل انحصاري بودن خدمات انتقال زميني، وجود ندارد (مانند كشور ايران) بسيار مورد توجه ميباشد.
2- ارائه سريع دسترسي با ظرفيت بالا: ايجاد شبكه 802.16 در كنار بهكارگيري شبكههاي محلي بدون سيم، منجر به ارائه دسترسي پرظرفيت در نقاطي ميگردد كه دسترسي مشابه سيمي امكانپذير نيست.
در اين نواحي، استفاده از راهحلهاي سيمي معمولاً مستلزم زمان انتظار طولاني است.
در حاليكه بعضاً ايجاد ارتباط پرظرفيت اينترنتي براي يك شركت تا آن حد حساس ميگردد كه نميتواند تا ايجاد ساختارهاي سيمي صبر كند.
با كمك 802.16 زمان انتظار از چند ماه به چند روز كاهش مييابد. اين قابليت به خصوص براي نقاطي كه براي مدتي محدود نيازمند ارتباط اينترنتي ميباشند، مناسب است. براي مثال يك نمايشگاه تجاري كه براي چند روز با ترافيك بالاي اينترنتي روبرو ميگردد و يا سايتهاي عمراني بزرگ (مانند تأسيسات ايجاد يك سد) مكانهاي مناسبي براي بهكارگيري قابليتهاي اين فناوري ميباشند.
3- دسترسي پرظرفيت براي عموم: فناوريهاي سيمي قابليت ارائه خدمات دسترسي پرظرفيت به تمامي مشتركين بالقوه را ندارند. مودمهاي DSL به طور معمول در حداكثر فاصله 3 تا 5 كيلومتري از مراكز تلفني قابل استفاده ميباشند.
يعني بسياري از مشتركين بالقوه خارج از اين محدوده قرار خواهندگرفت. از طرف ديگر هزينه بالاي نصب، عامل مهم ديگري است كه در نواحي با پراكندگي زياد مشتركين (مانند نواحي دورافتاده و روستايي) استفاده از روشهاي سيمي دسترسي را ناكارامد مينمايد. در اين مواقع روشهاي بيسيم گزينه ارزانتري خواهند بود.
روي هم رفته سرعت برقراري ارتباط، هزينه پايين، انعطاف بالا و همچنين استاندارد بودن، از جمله نقاط قوت 802.16 در مقايسه با ساير روشهاي دسترسي (سيمي و بيسيم) ميباشد.
4- ارائه خدمات تلفني و اينترنتي به نواحي محروم: فناوري دسترسي بيسيم مبتني بر IEEE 802،16 گزينهاي طبيعي براي نواحي دورافتاده و داراي چگالي جمعيتي پايين ميباشد. فراهمكنندگان خدمات اينترنتي بيسيم
(WISP) در اين نواحي با كمكهاي دولتي قادر به ارائه خدمات مي باشند.
اين كمك بايستي به شكلي باشد كه سرمايهگذاري در اينگونه نواحي را مقرون به صرفه نمايد. براي مثال بيش از 2500 فراهم كننده خدمات اينترنتي بيسيم در ايالات متحده در مقابل استفاده از مجوزهاي راديويي رايگان، در حدود شش هزار منطقه دورافتاده را به شبكه اينترنت متصل نمودهاند.
در سطح بينالمللي و در كشورهاي كمتر توسعه يافته ميتوان از اين فناوري جهت انجام مكالمات صوتي (علاوه بر ارتباطات ديتا) بهره برد، چرا كه چنين مناطقي در كشورهاي فوق معمولاً حتي از زيرساختارهاي تلفني معمول نيز محروم ماندهاند. بنابراين 802.16 در عمل به عنوان يك فناوري جديد براي ايجاد حلقههاي محلي (WLL) ظاهر ميشود.
5- ارتقاء خدمات ارتباطي بيسيم: همزمان با افزايش كاربردهاي شبكههاي 802.16 نياز و توقع كاربران به حفظ ارتباطشان حتي در صورت خروج از محدوده پوشش اين شبكهها افزايش مييابد. جديديترين نسخه 802.16 موسوم به IEEE 802.61e با افزودن قابليت حركت به نسخه اصلي استاندارد، پاسخي شايسته به نياز فوق خواهد بود. به اين ترتيب كاربر يك WISP حين حركت در سطح شهر نيز داراي ارتباط دائمي با اينترنت خواهد بود.
مشخصات كليدي
كارايي، توسعه پذيري، كيفيت متمايز و بالاخره امنيت خصوصياتي ميباشند كه شكست يا موفقيت يك فناوري با كاربرد گسترده در سطح 802.16 به رعايت يكايك آنها بستگي دارد.
كارايي: بهكارگيري تكنيك مدولاسيون QAM 64 به 802.16 اين امكان را ميدهد كه با ظرفيت انتقال بالا كاركند. اين تكنيك از طيف فركانسي به بهترين شكل استفاده ميكند و در برابر مشكلاتي همچون انعكاس علايم مقاوم ميباشد. استفاده از روش مدولاسيون تطبيقپذير انعطاف لازم براي تنظيم نسبت حداكثر فاصله به نرخ ارسال فراهم ميكند.
براي مثال براي افزايش حداكثر فاصله به كاهش مرتبه مدولاسيون از QAM 64 به QAM 16 يا QPSK اقدام ميكند كه كاهش نرخ ارسال را به همراه خواهد داشت.
قابليت توسعه: اين استاندارد انعطاف زيادي را در بهكارگيري طيف فركانسي فراهم نموده است تا با قوانين و مقررات موجود در كشورها گوناگون سازگار گردد. عملاً هر دو طيف فركانسي آزاد مانند ISM (فركانسهاي 9/0، 4/2 و 7/5 مگاهرتز) و طيفهاي نيازمند مجوز پشتيباني ميشود.
همچنين يك فراهمكننده قادر است پهناي باند خود را به اشكال گوناگون در قطاعهاي آنتن مركزي خود بهكار گيرد و براي مثال در 20 مگاهرتز پهناي باند، 2 قطاع 10 مگاهرتزي و يا چهار قطاع 5 مگاهرتزي را با توجه به پراكندگي مشتريان خانگي يا تجاري خود داشته باشد. در صورت رعايت ايزولاسيون مناسب بين آنتنها ميتوان از فركانسي يكسان در آنها بهره گرفت.
سطح پوشش: بهكارگيري آخرين دستاوردهاي ارتباطات راديويي همچون مدولاسيون تطبيقپذير و آنتنهاي هوشمند به افزايش سطح قابل پوشش اين فناوري منجر گرديده است.
كيفيت خدمات: از آنجايي كه 802.16 قصد دارد ارتباطات صوتي/تصويري را نيز پشتيباني كند و به جهت حساس بودن اين گونه ترافيكها به تأخير، مهندسين IEEE قابليت ايجاد كيفيت در خدمات موسوم به QoS را براي اين استاندارد تدارك ديدهاند.
بنابراين يك فراهم كننده قادر خواهد بود همزمان با ارائه خدمات با كيفيت عالي به مشتريان تجاري خود، ارتباطات عادي و ارزانقيمتي در اختيار مشتريان عادي و خانگي قرار دهد.
امنيت: قابليت رمزنگاري و تشخيص هويت موجود در 802.16 برقراري ارتباطات را به صورت ايمن امكانپذير ميكند كه به خصوص مورد توجه گروهي از مشتريان بالقوه مانند بانكها ميباشد.
اهميت استاندارد
وجود استاندارد بهخصوص در مورد فناوريهاي بيسيم از اهميت زيادي برخوردار است چرا كه ريسك سرمايهگذاريها را كاهش ميدهد و امكان ارتباط بين تجهيزات سازندگان گوناگون را فراهم ميكند كه در نهايت به كاهش هزينهها منجر ميشود. پشتيباني IEEE و ويژگيهاي ممتاز 6/8020 در نسخههاي جديد آن
802.16e و 802.16a زمينه پذيرش گسترده آن را توسط توليدكنندگان و فراهمكنندگان آماده نموده است. (جدول 1)
جايگاه WiMax
WiMax كه از حروف اول نام "انجمن كار بين جهاني براي دسترسي مايكروويو (Worldwide interoperability for Microwave Access Forum The) گرفتهشده، سازماني غيرانتفاعي متشكل از سازندگان تجهيزات دسترسي بيسيم مبتني بر استاندارد IEEE 802.16 ميباشد كه گسترش و بهكارگيري اين تجهيزات را در دستور كار خود دارد. اين سازمان همان نقشي را بر عهده دارد كه پيشتر از آن Wi-Fi براي گسترش شبكههاي محلي بدون سيم مبتني بر 802.11 بر عهده گرفته بود.
WiMax براي اطمينان از كاركرد تجهيزات سازندگان با يكديگر پروتكلي را بر پايه استاندارد پايه 802.16 شكل داده و با استفاده از تكنيكهاي آزمايش ISO/IEC 9246 به تست اين تجهيزات اقدام مينمايد.
|
تاريخ تكميل |
802.16e |
802.16a |
802.16 |
|
دسامبر 2001 |
ژانويه 2003
بازبيني: سه ماهه سوم 2004 |
نيمه دوم 2005
(به طور تقريبي) |
|
طيف فركانسي |
10 الي 66 گيگاهرتز |
كمتر از 11 گيگاهرتز |
كمتر از 6 گيگاهرتز |
|
شرايط كانال ارتباطي |
در خط ديد |
بدون نياز به خط ديد |
بدون نياز به خط ديد |
|
مدولاسيون |
PSK،
16QAMو 64QAM |
PSK،
16QAMو 64QAM،
BPSK
OFDM 256 و OFDM |
PSK،
16QAM و 64QAM و BPSK
OFDM 256 و OFDM |
|
نرخ انتقال |
2 الي 134 مگابيت در ثانيه براي يك كانال 28 مگاهرتزي |
تا 75 مگابيت در ثانيه براي يك كانال 20 مگاهرتزي |
تا 15 مگابيت در ثانيه براي يك كانال 5 مگاهرتزي |
|
پهناي باند كانال |
20، 25 و 28 مگاهرتز |
قابل انتخاب بين 25/1 الي 20 مگاهرتز با حداكثر 16 زيركانال |
قابل انتخاب بين 25/1 الي 20 مگاهرتز با حداكثر 16 زيركانال |
|
ميانگين شعاع سلول |
6/1 الي8/4 كيلومتر |
8/4 الي 8 كيلومتر با حداكثر 48 كيلومتر برحسب ارتفاع آنتن و توان انتقال |
6/1 الي 8/4 كيلومتر |
|
جدول 1 - استانداردهاي سري IEEE 802.16 |
حضور يك سازنده در بازار شبكههاي بيسيم شهري بدون پذيرش در آزمايشهاي اين سازمان دشوار ميباشد. مؤسسه استانداردهاي مخابراتي اروپا موسوم به ETSI نيز در حال كار مشترك با WiMax براي هماهنگسازي استاندارد اين سازمان براي شبكههاي شهري بيسيم (موسوم به HYPERMAN) با مشخصات مورد پذيرش WiMaxميباشد.
مدولاسيون پيشرفته در WiMax
همانطور كه پيشتر اشاره شد، رمز موفقيت 802.16 در افزايش ظرفيت و فاصله تحت پوشش با بهكارگيري تكنيكهاي مدولاسيون تطبيقپذير مانند QPSK و QAM نهفته است. قابل توجه است كه از همين تكنيكها در نسل سوم تلفن همراه (3G) نيز استفاده ميشود.
در شروع لازم است تعريف سادهاي از مدولاسيون داشته باشيم. اساساً در مخابرات به هر نوع تبديل و تغييري كه يك سيگنال را آماده عبور از يك محيط ارتباطي خاص مينمايد، مدولاسيون اطلاق ميشود. دستگاه مودم مثال بسيار خوبي از كاربرد مدولاسيون ميباشد كه علائم ديجيتالي يك كامپيوتر را به علائم آنالوگ شبيه به صدا تبديل ميكند تا امكان گذر از محيط شبكه تلفن را بيابند.
امواج راديويي گونهاي از امواج الكترومغناطيس بوده كه داراي شكل سينوسي و سرعت سيري برابر با سرعت نور ميباشند. اين امواج برحسب فركانس نوساناتشان دستهبندي ميگردند و قادر به حركت در فواصل طولاني و از طريق هوا هستند.
 |
|
شكل 4- منحني موج راديويي در مدولاسيون فركانسي |
در صورتي كه از امواج فوق جهت حمل اطلاعات استفاده شود با نام سيگنال حامل (Carrier) شناخته ميشوند. فركانس سيگنال حامل مشخصات خاص آن را تعيين ميكند. براي مثال امواج راديويي با فركانس پايينتر از 10 گيگاهرتز، قادر به عبور از ميان اجسام صلب (براي مثال ساختمانها) هستند. همين امر دليل استفاده از طيف فركانسي 900 و 1800 مگاهرتز براي تلفنهاي همراه (سيستم GSM) ميباشد.
اساساً مدولاسيون در سيستمهاي بيسيم با تغيير يكي از مشخصههاي موج راديويي متناسب با علائم اطلاعاتي (صفر و يكها) انجام ميگيرد. سه تكنيك اصلي وجود دارد كه با تغيير در دامنه (ASK)، فركانس (FSK) و فاز (PSK) كار ميكنند. شكل 4 چگونگي انجام مدولاسيون فركانسي را نمايش ميدهد.
 |
|
شكل 5: تكنيك مدولاسيون فاز چهارتايي |
اصولاً كارايي يك تكنيك مدولاسيون متناسب با تعداد علائم اطلاعاتي (بيتها) است كه در هر نوسان موج راديويي منتقل ميكند. براي مثال مدولاسيون فاز چهارتايي (QPSK) مطابق شكل 5 در هر نوسان دو بيت را حمل ميكند.
افزايش تعداد بيتها به افزايش نرخ انتقال اطلاعات منجر ميگردد و البته داراي حدي است كه معمولاً با حداكثر فضاي قابل پوشش سيستم ارتباط بيسيم، رابطه عكس دارد.
تكنيك مدولاسيون پيشرفتهتر QAM تلفيقي از دو روش دامنه و فاز ميباشد كه دستيابي به نرخهاي بالاتر را (در فركانس برابر) امكانپذير ميسازد. تكنيك QAM 16 چهار بيت را در هر نوسان و QAM 64 تا 16 بيت را در هر نوسان منتقل ميكنند.
 |
|
شكل 6- تكنيكهاي مدولاسيون در WiMax |
هنر WiMax استفاده بهينه از تكنيكهاي پيشرفته گوناگون است، همانطور كه در شكل 6 نشان داده شده در فواصل كوتاه از آنتن مركزي، تكنيك QAM 64 و در فواصل دورتر از QAM 16 استفاده ميشود.
تكنيك فازي چهارتايي (QPSK) نيز براي مشتركين در فواصل بسيار دور به كار گرفته ميشود. انتخاب تكنيك مناسب به طور هوشمند و پويا انجام ميشود.
علمي و آموزشي 
