تطور تقنية الواي فاي

استمر المعيار في التطور على مدى السنوات العشرين الماضية من خلال إدخال بروتوكولات جديدة مثل 802.11n و 802.11ac و 802.11ax (Wi-Fi 6).يدعم المعيار الجديد أنظمة تعديل عالية الرتبة مثل 64 QAM و256 QAM و1024 QAM. وتتيح هذه المعايير الجديدة الإرسال المتزامن لتدفقات بيانات متعددة إلى عميل واحد أو عدة عملاء؛ فبالإضافة إلى زيادة معدلات نقل البيانات القصوى، تُبذل جهود لتحسين كفاءة استخدام الطيف الترددي، والتي تُحدد مدى كفاءة النظام في استغلال الطيف المتاح. ولتحسين كفاءة الشبكة وسعتها، تم إدخال تقنيات متعددة المستخدمين مثل تقنية MU-MIMO (مدخلات ومخرجات متعددة متعددة المستخدمين) وتقنية OFDMA (الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد). وبمجرد إصدار معيار Wi-Fi (802.11) وتطبيقه، بدأ العالم يتغير مع انفتاح السوق وظهور تقنيات جديدة. ويبني كل معيار جديد على سابقه مع تحسينات في السرعة والموثوقية.

معايير Wi-Fi

إذا كنت ترغب في شراء جهاز شبكة لاسلكية جديد أو جهاز محمول، فقد تجد نفسك أمام خيارات واختصارات كثيرة تُربكك. منذ إطلاق تقنية الواي فاي للمستهلكين عام ١٩٩٧، استمرت معاييرها في التطور، مما أدى غالبًا إلى سرعات أعلى وكفاءة أكبر للشبكة والطيف الترددي. ومع إضافة المزيد من الميزات إلى معيار ٨٠٢.١١ الأصلي، ظهرت معايير تكميلية مقابلة له (٨٠٢.١١ب، ٨٠٢.١١ج، إلخ). يوضح الجدول ١ المعايير المختلفة وأقصى معدلات نقل البيانات النظرية التي يمكن تحقيقها بناءً على هذه المعايير. ستكون المعدلات الفعلية أقل من القيم النظرية نظرًا لعدة عوامل، منها توهين الإشارة مع المسافة، ومعدل التعديل، وتصحيح الأخطاء الأمامية، وعرض النطاق الترددي، ومضاعفات MIMO، وفترات الحماية، ومعدلات الخطأ النموذجية. تتكون عائلة ٨٠٢.١١ من مجموعة من تقنيات التعديل الهوائي نصف المزدوج التي تستخدم نفس البروتوكول الأساسي. في هذه المقالة، سنناقش أساسيات كل معيار من معايير الواي فاي.

الجدول 1تاريخ الواي فاي

>> 802.11-1997 standard

تم إصدار معيار 802.11-1997، وهو أول معيار لاسلكي في هذه العائلة، عام 1997، ولكنه أصبح الآن متقادمًا. يحدد هذا المعيار بروتوكولات ووصلات متوافقة لمعدات اتصالات البيانات اللاسلكية في شبكات LAN (شبكات المنطقة المحلية) التي تستخدم بروتوكول الوصول المتعدد مع استشعار الناقل (CSMA/CA) مع تجنب التصادم. يدعم البروتوكول ثلاث تقنيات للطبقة الفيزيائية، تشمل الأشعة تحت الحمراء التي تعمل بسرعة 1 ميجابت في الثانية، وتقنية طيف الانتشار بالقفز الترددي (FHSS) التي تدعم سرعة 1 ميجابت في الثانية، بالإضافة إلى سرعة 2 ميجابت في الثانية اختيارية، وتقنية طيف الانتشار بالتسلسل المباشر (DSSS) التي تدعم أيضًا سرعات 1 و2 ميجابت في الثانية. لم يحظَ هذا البروتوكول بقبول واسع النطاق بسبب مشاكل التوافق، والتكلفة، ونقص الإنتاجية الكافية.

>> 802.11b standard

طُرحت منتجات 802.11b في الأسواق منتصف عام 1999. وتبلغ سرعة نقل البيانات النظرية القصوى فيها 11 ميجابت في الثانية، وتستخدم نفس بروتوكول الوصول إلى الوسائط CSMA/CA المحدد في المعيار الأصلي. وقد أدت التحسينات الكبيرة في إنتاجية 802.11b، إلى جانب انخفاض الأسعار بشكل ملحوظ، إلى انتشارها الواسع كتقنية لاسلكية. تستخدم 802.11b نطاق التردد غير المرخص ISM من 2.4 إلى 2.5 جيجاهرتز، وهي امتداد مباشر لتقنية DSSS، وتستخدم مفتاح التشفير التكميلي (CCK) كتقنية تعديل. تُستخدم 802.11b في تكوينات الاتصال من نقطة إلى عدة نقاط، حيث تتواصل نقطة الوصول مع الأجهزة المحمولة ضمن نطاقها.

يعتمد هذا النطاق على بيئة الترددات اللاسلكية، وقدرة الخرج، وحساسية جهاز الاستقبال. يتميز معيار 802.11b بعرض نطاق ترددي يبلغ 22 ميجاهرتز، ويمكنه العمل بسرعة 11 ميجابت في الثانية، ولكنه يخفض السرعة إلى 5.5 ميجابت في الثانية، ثم إلى 2 ميجابت في الثانية، وأخيرًا إلى 1 ميجابت في الثانية (اختيار معدل النقل التكيفي) لتقليل معدلات إعادة الإرسال الناتجة عن الأخطاء [1]. يتشارك معيار 802.11b نفس عرض النطاق الترددي مع معايير الاتصالات اللاسلكية الأخرى. لذلك، قد تتسبب الأجهزة اللاسلكية المنزلية، مثل أفران الميكروويف وأجهزة البلوتوث والهواتف اللاسلكية، في حدوث تداخل مع شبكة الواي فاي.

>> 802.11a standard

يستخدم معيار 802.11a نفس البروتوكول الأساسي للمعيار الأصلي، ويعمل بتردد 5 جيجاهرتز، ويستخدم 52 ناقلًا فرعيًا بتقنية التضمين بتقسيم التردد المتعامد (OFDM)، ويبلغ معدل نقل البيانات النظري الأقصى 54 ميجابت في الثانية، مما ينتج عنه معدل نقل بيانات عملي يبلغ 20 ميجابت في الثانية. ويدعم أيضًا معدلات نقل بيانات أخرى تشمل 6 و9 و12 و18 و24 و36 و48 ميجابت في الثانية. لا يتوافق معيارا 802.11a و802.11b لأنهما يعملان في نطاقات ISM غير مرخصة مختلفة. ومع ازدياد ازدحام نطاق 2.4 جيجاهرتز، يُضيف نطاق 5 جيجاهرتز مزايا كبيرة لمعيار 802.11a، إلا أن مداه الفعال الإجمالي أصغر من معياري 802.11b/g نظرًا لتردد الناقل العالي.

لم تحظَ منتجات 802.11a بقبول واسع في البداية نظرًا لتكلفتها العالية، وضعف تغطيتها، وعدم توافقها مع 802.11b. من بين 52 حاملة فرعية لتقنية OFDM، تُستخدم 48 منها لنقل البيانات، و4 منها كحاملات تجريبية، بفاصل زمني بين الحاملات يبلغ 312.5 كيلوهرتز. يمكن أن تكون كل حاملة فرعية من هذه الحاملات بتقنيات BPSK أو QPSK أو 16 QAM أو 64 QAM. يبلغ عرض نطاق القناة 20 ميجاهرتز، وعرض النطاق المشغول 16.6 ميجاهرتز؛ مدة الرمز 4 ميكروثانية، بما في ذلك فاصل حماية 0.8 ميكروثانية. تشمل مزايا OFDM تقليل تأثيرات تعدد المسارات في الاستقبال وتحسين كفاءة الطيف [2]. يوضح الجدول 2 أنواع التضمين المختلفة التي يدعمها معيار 11a ومعدلات البيانات النظرية الخاصة بها.

الجدول 2معدل تعديل 802.11a ومعدل نقل البيانات مع تباعد قنوات يبلغ 20 ميجاهرتز

>> 802.11g standard

أصبح معيار 802.11g متاحًا في صيف عام 2003. وهو يستخدم نفس تقنية OFDM المستخدمة في معيار 802.11a، ويدعم، مثله، معدل نقل بيانات نظري أقصى يبلغ 54 ميجابت في الثانية؛ ولكنه، مثل معيار 802.11b، يعمل على نطاق ترددي مزدحم يبلغ 2.4 جيجاهرتز، مما يجعله عرضة للتداخل وعوامل أخرى. يتوافق معيار 802.11g مع الإصدارات السابقة من معيار 802.11b (أي أن أجهزة 802.11b يمكنها الاتصال بنقاط وصول 802.11g). كما يتوافق معيار 802.11g مع نقاط الوصول ثنائية النطاق أو ثنائية الوضع التي تستخدم معياري 802.11a و802.11b/g.

>> 802.11n standard

أدى إدخال معيار 802.11n إلى جعل شبكة الواي فاي أسرع وأكثر موثوقية؛ وقد تحقق هذا التقدم بإضافة تقنية MIMO وقنوات بتردد 40 ميجاهرتز إلى الطبقة الفيزيائية (PHY) وتجميع الإطارات إلى طبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC). تُعدّ تقنية MIMO طريقة لمضاعفة سعة وصلة لاسلكية باستخدام هوائيات إرسال واستقبال متعددة للاستفادة من انتشار الموجات المتعددة. يجب أن تكون هذه الهوائيات متباعدة مكانيًا بحيث يكون للإشارات من كل هوائي إرسال إلى كل هوائي استقبال خصائص مكانية مختلفة، مما يسمح بفصل هذه التدفقات إلى قنوات مستقلة متوازية عند جهاز الاستقبال.

يمكن مضاعفة عرض القنوات العاملة بنطاق ترددي 40 ميجاهرتز، ما يتيح مضاعفة معدل نقل البيانات الفيزيائية على قناة واحدة بعرض 20 ميجاهرتز. يسمح مسودة معيار 802.11n بما يصل إلى 4 تدفقات مكانية، مع إنتاجية نظرية قصوى تبلغ 600 ميجابت في الثانية.

تحتوي قناة 20 ميجاهرتز على 56 حاملة فرعية بتقنية OFDM، 52 منها للبيانات و4 للإشارات التجريبية، بفاصل بين الحاملات يبلغ 312.5 كيلوهرتز. يمكن أن تكون كل حاملة فرعية من هذه الحاملات بتقنية BPSK أو QPSK أو 16 QAM أو 64 QAM. يبلغ إجمالي مدة الرمز 3.6 أو 4 ميكروثانية، بما في ذلك فاصل حماية يبلغ 0.4 أو 0.8 ميكروثانية على التوالي. يوضح الجدول 3 أنظمة التضمين والترميز المختلفة لتدفق بيانات واحد (بالنسبة لتدفقات البيانات المتعددة، يكون معدل البيانات من مضاعفات عدد التدفقات). يدعم معيار 802.11n تجميع الإطارات، حيث يتم تجميع وحدات بيانات خدمة MAC (MSDU) أو وحدات بيانات بروتوكول MAC (MPDU) المتعددة معًا لتقليل الحمل الزائد، ثم يتم حساب متوسطها على عدة إطارات لزيادة معدلات بيانات المستخدم. بالإضافة إلى ذلك، يتوافق معيار 802.11n مع الإصدارات السابقة 802.11g و11b و11a[3]. لطالما كانت شركة Qorvo موردًا رائدًا لمكونات 802.11n، بما في ذلك مكبرات الطاقة، ومكبرات الصوت منخفضة الضوضاء، والمفاتيح، ووحدات الواجهة الأمامية المتكاملة (FEMs).

الجدول 3تعديل 802.11n ومعدل نقل البيانات لتدفق بيانات واحد

>> 802.11ac standard

يُسرّع معيار 802.11ac من سرعة شبكة Wi-Fi من خلال توفير سرعات جيجابت في الثانية، وذلك بتوسيع مفهوم 802.11n ليشمل نطاقًا تردديًا أوسع (يصل إلى 160 ميجاهرتز)، وعددًا أكبر من تدفقات MIMO المكانية (يصل إلى 8)، وتقنية MIMO متعددة المستخدمين في اتجاه التنزيل (تصل إلى 4 عملاء)، وتعديلًا عالي الكثافة (يصل إلى 256 QAM). يدعم معيار 802.11ac تقنية 256 QAM بمعدلات ترميز 3/4 و5/6 (MCS8/9)، مما يتطلب متطلبات أكثر صرامة لنسبة خطأ متجه التعديل (EVM) على مستوى النظام تبلغ 6 ديسيبل (-34 ديسيبل). تلبي مكونات Qorvo 11ac متطلبات EVM هذه بسهولة. يعمل معيار 802.11ac فقط في نطاق 5 جيجاهرتز، لذا ستستمر نقاط الوصول والعملاء ثنائية النطاق في استخدام معيار 802.11n بتردد 2.4 جيجاهرتز. دعمت الإصدارات الأولى من معيار 802.11ac في عام 2013 قنوات بتردد 80 ميجاهرتز فقط، وما يصل إلى 3 تدفقات مكانية، موفرةً سرعات تصل إلى 1300 ميجابت في الثانية على مستوى الطبقة الفيزيائية. أما الموجة الثانية من المنتجات (802.11ac Wave 2) فقد صدرت في عام 2015، وهي تدعم المزيد من دمج القنوات، والمزيد من التدفقات المكانية، وتقنية MU-MIMO. تُعدّ MU-MIMO نقلة نوعية مقارنةً بمعيار 802.11ac، فبينما تُوجّه تقنية MIMO تدفقات متعددة إلى مستخدم واحد، تستطيع MU-MIMO توجيه التدفقات المكانية إلى عدة عملاء في آنٍ واحد، مما يُحسّن كفاءة الشبكة. إضافةً إلى ذلك، يستخدم معيار 802.11ac تقنية تُسمى تشكيل الحزمة، حيث يقوم الهوائي بتوجيه إشارة لاسلكية إلى جهاز مُحدد. أجهزة التوجيه 802.11ac متوافقة مع الإصدارات السابقة 802.11b و 11g و 11a و 11n، مما يعني أن جميع العملاء القدامى سيعملون بشكل صحيح مع أجهزة التوجيه 802.11ac[4].

>>واي فاي 6 或 معيار 802.11ax

يُعدّ معيار 802.11ax الجيل السادس من تقنية Wi-Fi، وهو مبنيّ على مزايا معيار 802.11ac لتوفير سعة لاسلكية وموثوقية أعلى. يحقق 802.11ax هذه المزايا من خلال تطبيق تعديل أكثر كثافة (1024 QAM، OFDMA)، وتقليل المسافة بين الموجات الحاملة الفرعية (78.125 كيلوهرتز)، والاعتماد على تخصيص الموارد المُجدول. على عكس 802.11ac، فإن 802.11ax تقنية ثنائية النطاق بتردد 2.4 و5 جيجاهرتز، وهي مصممة لتحقيق أقصى قدر من التوافق للعمل بكفاءة مع عملاء 802.11a/g/n/ac. يستخدم 802.11ax تقنية OFDMA، التي تسمح لوحدات الموارد (RUs) بتقسيم عرض النطاق الترددي بناءً على احتياجات العملاء، وتقديم نفس التجربة لعدة مستخدمين بسرعات أعلى. في أي نقطة معينة على الموجة الحاملة في كل وحدة بيانات بروتوكول PLCP (PPDU) في معيار 802.11ac، تُقسّم قناة Wi-Fi إلى مجموعة أصغر من القنوات الفرعية بتقنية OFDM. مع ذلك، وبفضل تقنية OFDMA (802.11ax)، تُخصّص كل مجموعة من الموجات الحاملة الفرعية للعميل كوحدة موارد على أساس كل وحدة PPDU (الشكل 2).

图 2 مقارنة تخصيص الموارد بين تقنيتي OFDM و OFDMA

في نهج CSMA/CA لمعيار 802.11 المبكر، كان العميل اللاسلكي يستشعر القناة أولاً، ثم يرسل البيانات فقط عندما تكون القناة خالية، محاولاً بذلك تجنب التصادمات. ورغم فائدة هذه الطريقة الواضحة لتقييم التعارضات وتجنبها، إلا أنها تصبح غير فعالة مع ازدياد عدد العملاء بشكل كبير. يحل بروتوكول 802.11ax هذه المشكلة من خلال OFDMA وتخصيص الموارد القائم على الجدولة [5]. تحدد نقاط الوصول 802.11ax أوقات تشغيل الجهاز، مما يجعله يتعامل مع العملاء بكفاءة أكبر. كما يمكن لجدولة الموارد أن تقلل بشكل ملحوظ من استهلاك الطاقة أثناء فترات السكون، وبالتالي تحسين عمر بطارية العميل. يوضح الجدول 4 الفروقات بين بروتوكولي 802.11ac و802.11ax. تشمل مجموعة منتجات Qorvo الواسعة لبروتوكول 802.11ax مرشحات الموجات الصوتية الحجمية (BAW) بتردد 2.4 جيجاهرتز و5 جيجاهرتز (FEM). تُخفف تقنية FEM الموفرة للطاقة في هذه المجموعة من المنتجات العبء الحراري المرتبط بدعم MIMO في أجهزة Wi-Fi، مما يسمح للمصنعين بتقليل حجم المنتج وتكلفته. تعمل مرشحات BAW من Qorvo، وهما edgeBoost™ (حافة النطاق) و coexBoost™ (التعايش)، على تحسين جودة خدمة Wi-Fi ومنع التداخل مع ترددات LTE المجاورة.

الجدول 4802.11ac vs. 802.11ax

هذا المقال مأخوذ من "Qorvoفي حال وجود أي انتهاك أو مشاكل أخرى، يرجى الاتصال بنا لحذفها.ادعموا حماية حقوق الملكية الفكرية، ويرجى ذكر المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة النشر.