از سیر تا پیاز وایمکس
چکیده
وای مکس یک فن آوری بی سیم پهن باند است که هنوز ده ساله نشده است. این فن آوری نوظهور در قالب دو کاربرد ثابت و متحرک عرضه می شود و تقریباً توانسته در لپ تاپ ها و تلفن های همراه هوشمند جایی برای خود باز کند. در این مقاله به معرفی فن آوری وای مکس، استانداردها، کاربردها، آشنایی با تجهیزات و بررسی وضعیت کنونی وای مکس در چند نقطه جهان پرداخته شده است.
مقدمه
مدت ها بود که شبکه های سیمی، دنیای مخابرات را زیر سلطه داشتند. دولت ها، تولید کنندگان و اپراتورها مجبور بودند تا هزینه سنگین سیم کشی را تا آخرین کاربر در دورترین نقطه متحمل شوند. بی شک راه اندازی اولین شبکه های بی سیم، تحولی بزرگ در صنعت مخابرات بود و درهای تازه ای را پیش روی مهندسان و تولید کنندگان گشود. با گذشت زمان روز به روز بر قابلیت های فن آوری های بی سیم افزوده شد تا امروز که حجم عظیمی از اطلاعات، صورت و تصویر را می توان در کسری از ثانیه به دورترین نقاط ارسال کرد. متخصصین و مهندسین، آینده صنعت بی سیم را بسیار روشن می دانند و امیدوارند روزی بتوانند تمام نیازهای کاربران را در همه ابعاد پاسخ گویند.
معرفی
کلمه وای مکس برگرفته از سر واژه های Worldwide Interoperability of Microwave Access) WIMAX ) است که یک سازگاری و سازش جهانی است برای پهن باند در رنج فرکانسی بالا، برد زیاد و پهنای باند زیاد به نسبت فن آوری های بی سیم قبل از خود است.
ویژگی Interoperability یا سازگاری در وای مکس، یعنی این که کاربر تجهیزات و محصولات مورد نیاز خود تهیه کند (بنا به ویژگی های مد نظرش) و مطمئن باشد که این وسیله با سایر ابزار مورد تایید مشابه، هماهنگی و سازگاری دارد.
وای مکس بر پایه استانداردهای شبکه های بی سیم کلان شهرها (WLAN) بنا شده است.
تاریخچه
کنسرسیوم صنایع بزرگ اتحادیه ای جهت گواهی کردن تولیدات بی سیم پهن باند در راستای سازگاری با یک استاندارد واحد به راه انداخت. این اتحادیه، اتحادیه وای مکس نام داشت.
در سال 1999 موسسه IEEE یک کارگروه از شاخه انجمن بی سیم پهن باند (BWA) تشکیل داد که روی دست یابی بی سیم پهن باند کار می کرد. این گروه در همان سال استاندارد IEEE 802.16 را تصویب کرد که عدد 16 نشان دهنده همین گروه کاری نام برده است.
این گروه کار خود را با تمرکز بر گسترش سیستم بی سیم پهن باند یک نقطه به چند نقطه بر پایه دید مستقیم برای کار در باندهای 10 الی 60 گیگا هرتزی شروع کرد.
کاربردهای وای مکس
استاندارد 802.16 برای شبکه های بی سیم شهری و دسترسی سطوح مختلف کاربران تبیین شده است هدف وای مکس، تضمین و هماهنگی امواج رادیویی بی سیم پهن باند برای استفاده مشتریان از فروشنده ای به فروشنده ی دیگر است. یکی از مهم ترین دلایل برتری و شهرت وای مکس همان سیار بودن آن است. فن آوری ای که به درون لپ تاپ ها، رایانه های دستی و گوشی های تلفن همراه راه یافته است و این به کاربر اجازه می دهد تا از یک اینترنت پر سرعت در همه حال حتی در حرکت با سرعت زیاد نیز بهره مند باشند. وای مکس را می توان در کاربردهای زیادی به خدمت گرفت در محیط هایی با اپراتورها و کاربران متنوع و نامنظم، در مناطق جغرافیایی مختلف و با فواصل مختلف پراکندگی و... برخی از روش های به کارگیری وای مکس: «به عنوان زیر ساخت (Backhaul) در شبکه های مخابراتی» به عنوان شبکه های عمومی کاربردهای مورد اول عبارتند از: زیر ساخت بی سیم سلولی، زیر ساخت بی سیم سرویس دهنده های بی سیم شبکه های بانکی شبکه های آموزش از راه دور، ارتباط بین سازمان های امنیتی (پلیس، آتش نشانی، اورژانس و...) ، ارتباطات ساحلی (شرکت های گاز و نفت و...) شبکه های موفقیت مخابراتی (همایش ها سمینارها و...) و چندین کاربرد دیگر از همین دست در مورد دوم نیز می توان به شبکه دسترسی جهت سرویس دهنده های بی سیم و ارتباط روستایی اشاره کرد.
شرایط کاری
طیف های فرکانسی
طیف های فرکانسی مورد استفاده در سرتاسر دنیا به دو دسته: طیف های با مجوز و طیف های بدون مجوز تقسیم می شوند. وضعیت فرکانس های مورد استفاده در هر کشور توسط یک سازمان رگولاتوری کنترل می شود. این سازمان در آمریکا، کمیسیون ارتباطات ملی (FCC) نام دارد.
در برخی کشورها، قسمتی از طیف فرکانسی برای کاربردهای عمومی مانند شبکه های بدون مجوز و قسمتی برای مصارف نظامی با خدمات عمومی مانند پخش تلویزیونی و... در نظر گرفته می شود که طبق سیاست های رگولاتوری آن کشور ممکن است نوع کاربرد طیف ها متفاوت با دیگر کشورها باشد.
طیف های با مجوز
برای نمونه در ایالات متحده، طیف با مجوز GHZ 1.9 برای سرویس های مخابراتی سلولی شخصی (PCS) استفاده می شود یا فرکانس GHZ 3.5 که در اروپا و قسمتی از آسیا برای بی سیم پهن باند در نظر گرفته شده حال آنکه در ایالات متحده برای بی سیم پهن باند از این فرکانس کم تر استفاده می شود. برای داشتن یک فرکانس با مجوز جهت مصارف خصوصی باید از رگولاتوری مجوز فرکانس مورد نظر را خریداری کرد. طیف های بدون مجوز (مجوز آزاد) در ایالات متحده فرکانس هایی نظیر 2.4، 24، 5.8، 5.3، 5.2 و بیشتر از GHZ 60، فرکانس های بدون مجوز محسوب می شوند. در آمریکا هر کافی شاب اگر از قوانین ساده اولیه شبکه پیروی کند، اجازه دارد تا یک شبکه با فرکانس بدون مجوز برپا کند.
تخصیص باند فرکانسی به وای مکس
یک گام مهم در جهت گسترش خدمات پهن باند سیار تخصیص باندهاست. باندهای 2.49 تا 2.69 گیگا هرتزی، جهت نصب پهن باند سیار بسیار مناسب است. این محدوده باند جهت خدمات سیار طراحی شده است. اما در برخی کشورها هنوز از این باند فرکانسی استفاده نمی شود. انتشار امواج در این باند، کاهش هزینه خدمات باند پهن سیار را موجب می شود. در فرکانس های بالاتر با کاهش حوزه پوششی ایستگاه ها و افزایش هزینه مواجه هستیم. البته در مناطقی که تقاضا زیاد است (مانند مناطق شهری) می توان از فرکانس های 3.4 تا 3.6 گیگا هرتزی نیز استفاده کرد. رایج ترین طیف های فرکانسی به کار رفته در وای مکس 3.5، 3.3، 2.5، 2.3 گیگا هرتز هستند ک دارای مجوزند و فرکانس GHZ 5.8 که مجوز آزاد است.
مشخصات عملیاتی
خطوط ارتباطی وای مکس می توانند به دو گونه: خط دید مستقیم (LOS) و خط دید غیرمستقیم (NLOS) پیاده سازی کرد.
از نظر دسترسی می توانند نقطه به نقطه (PTP) و یا نقطه به چند نقطه (PTMP) باشند از خط دید مستقیم در محیط های خلوت و کم تراکم استفاده می شود. محدوده تحت پوششی تا شعاع 50 کیلومتر (در شرایط ایده آل) و در حدود 9200 کیلومتر مربع را در بر می گیرد در فرکانس های 10 تا 66 گیگا هرتزی و از نظر معماری نقطه به نقطه و بیشتر جهت ارتباط بین ایستگاه های پایه استفاده می شود. از خط دید غیرمستقیم در محیط های شلوغ و پرتراکم شهری استفاده می شود. محدوده ای با شعاع 6 تا 9 کیلومتر را در بر می گیرد. از فرکانس 2 تا 11 گیگا هرتز استفاده می شود زیرا فرکانس های بالاتر از 10 گیگا هرتز از موانع بع سختی عبور می کنند. (چون طول موج بسیار کوتاهی دارند) و از معماری نقطه به چند نقطه بهره می برد.
پهنای باند و نرخ بیت در وای مکس به ازای استانداردهای مختلف متفاوت است. اما در شرایط مناسب می توان تا نرخ بیت 75 Mbps و پهنای باند 20MHZ را برای وای مکس متصور شد.
سرویس های کاربردی وای مکس
سرویس کاربردی ثابت
نحوه ارائه این سرویس بدین گونه است که مشترکی برای سرویس پهن باند ثابت وای مکس ثبت نام می کند اپراتور، یک مودم وای مکس یک شناسه سرویس، کلمه کاربردی و رمز عبور به مشترک می دهد. مشترک، مودم ایستگاه مشترک (Subscriber Station) را در محلی با پوشش مناسب سیگنال های وای مکس قرار می دهد و به شبکه وصل می شود. این روش ابتدایی ترین شیوه بهره برداری از شبکه وای مکس است. این سرویس به دو روش: سرویس ثابت خارجی با محدوده تحت پوشش (fixed outdoor) و سرویس ثابت داخلی با محدوده پوششی کمتر (fixed indoor) ارائه می شود تا حدودی می توان سرویس ثابت وای مکس را با سرویس پهن باند کابلی (DSL) مشابه دانست.
سرویس کاربردی کوچی
در این روش مشترک یا مودم مستقل دارد یا ماژولی که روی لپ تاپ سوار می شود. برخلاف روش ثابت، مشترک می تواند اتصال خود را قطع کند و از نقطه ای دیگر به شبکه وصل شود.یعنی در حین اتصال ثابت بوده ولی مکان و موقعیت مشترک می تواند تغییر کند.
سرویس کاربردی قابل انتقال
مشترک می تواند در حین اتصال به شبکه در اطراف با سرعت قدم زدن حرکت کند و هم چنان به شبکه وصل باشد. هر گاه به انتهای محدوده تحت پوشش یک ایستگاه پایه (base station) نزدیک شود، مودم عملیات تحویل ایستگاه پایه را انجام می دهد. تحویل ایستگاه پایه (Hand Over) با قطعی بسیار کوتاهی همراه است که ممکن است اتفاقاتی مانند دیر کرد زمانی، کاهش کارایی و حتی از دست دادن بسته های داده در هنگام تغییر ایستگاه پایه رخ دهد. سرویس کاربردی بسیار ساده مشترک می تواند با سرعتی بین 0 تا 60 کیلومتر بر ساعت بدون قطعی در اثر تحویل ایستگاه با تداوم اتصال به شبکه حرکت کند. با این سرعت هیچ گاه کارایی مشاهده نخواهد شد. در سرعت های بالاتر از 60 کیلومتر در ساعت هم قطعی کوتاه و هم افت کارایی به دنبال خواهد داشت.
سرویس کاربردی سیار کامل
مشترک سیار، چه در موقعیت ثابت، چه در موقعیت متحرک با سرعت های حتی بالاتر از 120 کیلومتر بر ساعت بدون قطعی و با تداوم اتصال و بدون افت کارایی به شبکه متصل است. در این سرویس، دیرکرد زمانی کمتر از 50ms است و احتمال از دست دادن بسته های اطلاعاتی کمتر از 1% است. این ویژگی کاربرد بسیار کامل را برای امکاناتی چون VoIP مناسب گردانده است.
مدولاسیون، داپلکسینگ و امنیت در وای مکس
در وای مکس ثابت از دو شیوه مدولاسیون OFDM و ODMA استفاده می شود. از تکنیک مدولاسیون OFDM با 256 فرکانس حامل و از تکنیک OFDM با 1024 فرکانس حامل بهره می برد. در وای مکس سیار، علاوه بر دو روش قبل از تکنیک سطح بالاتر یعنی SOFDMA استفاده می شود. SOFDMA تعداد متغیر فرکانس حامل را به کار می گیرد و فقط این تکنیک که تحرک پذیری را پشتیبانی می کند.
در اغلب استانداردهای وای مکس از داپلکسینگ تقسیم زمانی (TDD) استفاده می شود، داپلسینگ یا عملیات دو سویه عبارت است از عملکرد دستگاه های فرستنده و گیرنده بدون قطع و وصل در فواصل زمانی یا فرکانسی مختلف. می توان از داپلکسینگ تقسیم فرکانسی (FDD) نیز استفاده کرد. اما روش تقسیم زمانی مزیت های چشم گیرتری دارد. مثلاً جهت انتقال داده از مشترک به ایستگاه پایه (Uplinkl) و انتقال داده از ایستگاه پایه به مشترک (Downlink) از یک کانال استفاده می کند. حال آن که در شیوه تقسیم فرکانسی، این عملیات در دو کانال مجزا به انجام می رسد هم چنین روش تقسیم زمانی برای ارتباطات دیتایی بهترین گزینه است و طراحی گیرنده های با داپلکسینگ تقسیم زمانی پیچیدگی کم تری دارد و ارزان تر است و فن آوری آنتن های هوشمند در این روش بهتر اجرا می شود. اما همگام سازی سیستم های تی دی دی پیچیدگی زیادی دارد.
وای مکس از ترکیب چن تکنیک امنیتی بهره می برد:
*اعتبار سنجی اولیه برای برقراری کانال ارتباطی
*ارسال کلید رمز گذاری
*استفاده از کلید رمز گذاری ترافیک داده به طور کلی چون هنوز وای مکس در سطح وسیع گسترش نیافته، پس یک محک جدی و اساسی در زمینه امنیت نخورده است.
خلاصه
هدف وای مکس، تضمین و هماهنگی امواج رادیویی بی سیم پهن باند برای استفاده مشتریان از فروشنده ای به فروشنده ی دیگر است. یکی از مهم ترین دلایل برتری و شهرت وای مکس، همان سیار بودن آن است.
وای مکس را می توان به طور کلی در دو مورد مورد استفاده قرار داد:
1- به عنوان زیرساخت در شبکه های مخابراتی
2- به عنوان شبکه های عمومی
طیف های فرکانسی مورد استفاده در سرتاسر دنیا به دو دسته: طیف های با مجوز و طیف های بدون مجوز تقسیم می شوند.
خطوط ارتباطی وای مکس می توانند به دو گونه: خط دید مستقیم (LOS) و خط دید غیرمستقیم (NLOS) پیاده سازی کرد.
از نظر دسترسی می توانند نقطه به نقطه (PTP) و یا نقطه به چند نقطه (PTMP) باشند.
برگرفته از ماهنامه رایانه/ شماره 198
تنظیم برای تبیان: فاطمه مجدآبادی
