بروتوكولات الشبكات اللاسلكية

بروتوكولات شبكات لاسلكيه

Wireless protocols -

بروتوكولات الشبكات اللاسلكية

غسان سابا

يزداد الطلب على الشبكات اللاسلكية باطّراد نتيجة الانتشار المتزايد للهواتف الذكية والأجهزة المحمولة إضافةً إلى تنوع التطبيقات والخدمات التي تحتاج إلى الاتصال اللاسلكي. وتتناول بروتوكولات الشبكات اللاسلكية Wireless Network Protocols التقانات المستخدمة في الشبكات اللاسلكية والجوالة والمعايير الناظمة لها. وتناقش أيضاً ميزات كل نوع من هذه البروتوكولات وسيئاتها؛ إضافة إلى بيان مجالات استخدامها وآفاق تطورها المستقبلية.

تنتشر حالياً أنواع مختلفة من الأجهزة التي تتطلب الوصل اللاسلكي؛ فأجهزة الهاتف المحمول والحواسيب المحمولة تتطلب عادة اتصالات من النوع اللاسلكي الأمين (Wireless Fidelity (WiFi أو من الجيل الثالث 3G للنفاذ إلى الإنترنت. أما فرق الإنقاذ والتطبيقات العسكرية؛ فتحتاج إلى شبكات لاسلكية وضعية Ad Hoc Wireless، وتحتاج الحساسات أيضاً بمختلف أنواعها إلى شبكات حساسات لاسلكية Wireless Sensor Network، كما تحتاج في بعض الأحيان إلى ربط شبكات بعضها ببعض عبر وصلات لاسلكية بعيدة من نوع WiMax.

تصنف الأنواع المختلفة للشبكات اللاسلكية اعتماداً على التغطية الجغرافية وعلى المعايير الناظمة لها.

التقانات المنبثقة من معهد هندسة الكهرباء والإلكترونيات Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

عمل معهد IEEE على تعريف أربع عائلات من الشبكات اللاسلكية بحسب الرقعة الجغرافية التي تغطيها كل عائلة: الشبكات اللاسلكية الشخصيةWireless Personal Area Network (WPAN)، والشبكات اللاسلكية المحلية Wireless Local Area Network (WLAN)، والشبكات اللاسلكية الإقليميةWorldwide Interloperability for Microwave Access

(WiMax)، والشبكات اللاسلكية المناطقية Wireless Regional Area Network (WRAN).

الشبكات اللاسلكية الشخصية WPAN

تعمل مجموعة العمل IEEE 802.15 على الشبكات ضمن مجال 10 أمتار، وتدعى الشبكات اللاسلكية الشخصية، وهي تهدف إلى وصل أجهزة لاسلكية متحركة تخص مستخدماً واحداً أو أكثر. لهذه الغاية؛ جرى تعريف ثلاث مجموعات خدمات، وهي A وB وC.

تستخدم المجموعة A النطاق الترددي 2-4 GHz الهادفة إلى تصنيع عتاد قليل الكلفة بمدى إرسال لا يتجاوز المتر الواحد واستهلاك طاقة ضعيف؛ بحيث تعمل الأجهزة لعدة شهور من دون تغيير المدخرة أو إعادة شحنها. يضاف إلى ذلك أنه يجب أن تعمل هذه الشبكة بالتوازي مع شبكات IEEE 802.11.

أما المجموعة B فتعمل على زيادة معدل نقل المعطيات؛ ليصل إلى حدود Mbps10 (ميغابايت/ثا). كما تهدف أيضاً إلى قابلية وصل حتى 16 جهازاً إلى الشبكة وتحقيق جودة خدمة مناسبة لتطبيقات نقل الصوت. ويجب ألّا تزيد المسافة بين المرسل والمستقبل على عشرة أمتار، ويجب ألّا يتجاوز زمن إقامة الاتصال بالشبكة الثانية الواحدة.

أما المجموعة C فهي تقدم ميزات مهمة مثل الأمن ونقل الفيديو مع إمكان التجوال roaming بين الشبكات اللاسلكية. ولتحقيق هذه الأهداف جرى تأسيس مجموعات صناعية مثل بلوتوث وWiMedia Alliance.

تدرجت المعايير المتعلقة ببلوتوث من الإصدار
Bluetooth 1.0 حتى وصلت في العام 2010 إلى الإصدار 4.0 الذي يشتمل على ميزات الإصدارات السابقة، مثل الاكتشاف السريع للأجهزة، وزيادة معدل نقل معطيات قد يصل نظرياً إلى Mbps 3، والاستهلاك المنخفض للطاقة؛ إضافة إلى الكلفة المنخفضة.

تسمح معايير بلوتوث بتعريف شبكة واحدة «بيكونت Piconet” تضم سيّداً قادراً على التحكم بثمانية أتباع على الأكثر؛ على أن يكون الاتصال بين تابعين عن طريق السيد. كما يمكن أيضاً ربط عدة شبكات بيكونِت لتشكيل شبكة جامعة تدعى شبكة بعثرة Scatternet.

ويكون معدل نقل المعطيات الأعلى ضمن بيكونت هو 1 Mbps، وهو قابل للانخفاض عند تعدد الأجهزة. ويمكن أن تصل مسافة التغطية حتى عشرات الأمتار عند استخدام استطاعة النقل العليا؛ وهي 100 mW.

الشبكات اللاسلكية المحلية WLAN و WiFi

وضعت IEEE 802.11 أربعة معايير للشبكات المحلية اللاسلكية، متوفر كل منها بمعدل نقل معطيات مختلف، وهي: 11 Mbps و45 Mbps و600 Mbps و2 Gbps. هذه المعايير هي على التسلسل IEEE 802.11b و 802.11a/g و 802.11n وتشكيل الشعاع Beamforming. وسوف تضاف في المستقبل القريب ثلاثة معايير أخرى؛ وهي المعيار IEEE 802.11af الذي سيعمل بسرعة 10 Gbps والمعيار IEEE 802.11h لربط الأشياء على مسافات كبيرة والمعيار IEEE 802.11ax ثماني الأشعة.

تعمل المعايير الموجودة على أحد النطاقين التردديين 2.4 GHz أو 5.15 GHz. ويجري الاتصال مباشرة من عقدة إلى أخرى أو عن طريق نقطة النفاذ Access Point (AP). وتعتمد شبكات 802.11 على بروتوكول تحسس الحامل والنفاذ المتعدد مع تجنب التصادمات Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

(CSMA/CA).

في حال الاتصال عن طريق نقطة النفاذ تكون الطوبولوجية الشبكية خلوية؛ وتكون كل خلية تحت تحكم نقطة نفاذ، وتدعى مجموعة الخدمة القاعدية (Basic Service Set (BSS. كما يمكن أن تشمل الشبكة مجموعة من BSSs متصلة عن طريق نظام توزيع Distribution System حيث تعرف الشبكة الناتجة باسم مجموعة الخدمة الموسعة Extended (Service Set (ESS.

تدعم شبكات 802.11 التجوال بين BSSs مع المحافظة على الاتصال. ويجري ذلك عن طريق مراقبة كل عقدة للإشارات القادمة من نقاط النفاذ، وعندما تلاحظ هذه العقدة ضعفاً في الإشارة ناجمة عن حركتها؛ فإنها تفك الارتباط مع نقطة النفاذ De-association، وتعيد تأسيس الارتباط Re-association مع نقطة النفاذ صاحبة الإشارة الأقوى، مع إمكان الأخذ بالحسبان مجموعة أخرى من العوامل، مثل جودة الوصلة.

شبكات وايماكس الجوالة Mobile WiMAX

تضم عائلة IEEE 802.16 مجموعة معايير للشبكات اللاسلكية واسعة المجال، أهمها معيار (802.16e-2005 (Mobile WiMAX. في هذا النوع من الشبكات تكون وحدة التحكم بالنفاذ ضمن المحطة القاعدية BS مسؤولة مسؤولية كاملة عن تخصيص عرض الحزمة لجميع المحطات الجوالة MSs؛ على الوصلتين الصاعدة والهابطة. وتتوفر للمحطة الجوالة عدة آليات-بحسب جودة الخدمة ومتحولات حركات المرور المرتبطة بها- لطلب عرض الحزمة. وتستطيع المحطة القاعدية تزويد مجموعة من الموارد تزويداً مخصصاً أو مشاركاً به ودورياً بين عدة محطات جوالة.

يُعدّ دعم جودة الخدمة مكوناً أساسياً ضمن بنية طبقة Media Access Control (MAC) لشبكة وايماكس الجوالة. وتُوفَّر جودة الخدمة باستخدام بنيان MAC الذي يدعم تأسيس الاتصال الموجه Connection-oriented حيث يُتحكَّم بجميع الوصلات الصاعدة والهابطة عن طريق المحطة القاعدية قبل أي إرسال للمعطيات.

تدعم معايير IEEE 802.16e ثلاثة أنواع من التسليم Handover: التسليم القاسي Hard وابتدال المحطة القاعدية السريع Fast Base Station Switching (FBSS) وتسليم التنوع الماكروي Macro Diversity Hand Over (MDHO) ويسمح النوعان الأخيران بالمحافظة على اتصال فعال مع أكثر من محطة قاعدية في الوقت نفسه.

يمكن بناء شبكات وايماكس وفق أحد النمطين التاليين: نقطة لعدة نقاط أو شبكات متشابكة Mesh networks. تسمح الشبكات المتشابكة بربط عدة زبائن من خلال عدة محطات قاعدية لتشكيل شبكة من الاتصالات تمتد على رقعة جغرافية واسعة. ويستطيع الزبائن المتحركون الاتصال بعضهم ببعض من دون الحاجة إلى عقد وسيطة.

ويمكن أن تصل المسافة التي تغطيها شبكة وايماكس عموماً إلى 50 km مع معدل نقل معطيات يصل إلى 70 Mbps.

الشبكات اللاسلكية المناطقية (WRAN)

تهدف الشبكات اللاسلكية المناطقية WRAN التي أنجز معيارها IEEE 802.22 عام 2014، إلى استخدام عرض الحزمة التلفزيوني الأبيض (أي غير المستخدم). وتتدرج الترددات بين 54 و826 MHz، ويمكن أن تصل التغطية إلى عشرات الكيلومترات؛ الأمر الذي يسمح للتطبيقات ببث التلفزيون التفاعلي وألعاب الفيديو التفاعلية والفيديو بحسب الطلب حتى في وضعية الحركة.

إنترنت الأشياء

بدأت فكرة إنترنت الأشياء (Internet Of Things (IoT مع ربط حساسات سلكية أو لاسلكية موجودة في المنزل أو في المكتب أو في أي مكان آخر بالإنترنت. تهدف إنترنت الأشياء إلى وصل أي شيء قادر على إرسال المعلومات أو استقبالها.

تسمح إنترنت الأشياء بتحسس الأغراض والتحكم بها من بعد من خلال البنية الشبكية الموجودة؛ الأمر الذي يسمح بمكاملة العالم الفيزيائي مع الأنظمة المعلوماتية تكاملاً أفضل. ومن التطبيقات المباشرة لإنترنت الأشياء؛ شبكات الكهرباء الذكية والمنازل الذكية والنقل الذكي والمدن الذكية.

ومن التقنيات التي يمكن أن تسهل عملية ربط الأشياء بالإنترنت: شبكات الحساسات والتعريف بالترددات الراديوية Radio Frequency Identification (RFID) والاتصال بالحقل القريب Near Field Communication (NFC).

شبكات الحساسات SN

تُعدّ شبكات الحساسات Sensor networks اللاسلكية (شبكات الاستشعار) من التقنيات الحديثة في عالم التقانة، تتيح هذه الشبكات طيفاً واسعاً من التطبيقات الجديدة المتمثلة بربط منظومات التحكم والمراقبة بالعالم الحقيقي عن طريق نشر حساسات قريبة من الحدث قيد الدراسة، وتقوم هذه الحساسات بجمع المعطيات وإرسالها إلى مركز اتخاذ القرار الذي يقوم بدوره بتحليلها؛ ومن ثم اتخاذ القرار المناسب.

تعرّف شبكات الحساسات اللاسلكية على أنها مجموعة من العقد التي تتصل بعضها ببعض لاسلكياً من دون الحاجة إلى بنية تحتية، وتعتمد على بطارية لتزويدها بالطاقة, ومن أهم وظائفها استشعار الوسط المحيط ونقل المعطيات الملتقطة عن طريق عقد تمرير أو من دونها إلى العقدة الوجهة.

تتميز شبكات الحساسات اللاسلكية بمحدودية موارد العقد المكونة لها من حيث مدى الإرسال وعرض الحزمة المتاحة وقدرة هذه العقد على المعالجة والتخزين؛ إضافة إلى محدودية مصادر الطاقة التي تغذي هذه العقد، حيث إنها تكون بطارية غير قابلة لإعادة الشحن أو التبديل في معظم الحالات.

تحتاج هذه الشبكات إلى بروتوكولات توجيه بين العقد لإيصال المعطيات الملتقطة إلى المحطة الوجهة حيث ستعالج وتتبنى قرارات من خلالها، يجب أن تأخذ هذه البروتوكولات في الحسبان القيود الناجمة عن محدودية الموارد.

التعرّف بالترددات الراديوية

طُوِّر التعرّف بالترددات الراديوية (RFID) للتعريف عن الأشياء بعلامة إلكترونية Electronic tag. تجري قراءة العلامة الإلكترونية بوساطة قارئ قادر على استخلاص معلومات التعريف.

ثمة نوعان من علامات RFID: العلامات غير النشطة Passive tag والعلامات النشطة Active tag. لا تملك العلامات السلبية غير النشطة أي مصادر طاقة. تجري إضاءتها عن طريق القارئ الذي يزود حقلاً كهرطيسياً يكفي لتوليد تيار كهربائي لنقل المعلومات المخزنة ضمن الذاكرة عن طريق موجات راديوية.

أما العلامات النشطة فتكون مزودة بمصادر طاقة؛ الأمر الذي يسمح – أولاً - بفتح جلسة تخاطب بين القارئ والعلامة تسمح بإعادة النقل عند حدوث أخطاء؛ وثانياً بزيادة المسافة الفاصلة بين القارئ والعلامة؛ لتصل إلى عدة أمتار بدلاً من عدة سنتيمترات في الحالة السابقة.

ومن التطبيقات الشهيرة لاستخدام RFID جواز السفر الإلكتروني، حيث تحوي العلامة الإلكترونية المعلومات المطبوعة على جواز السفر نفسه ونسخة رقمية من صورة صاحب الجواز.

يبين الجدول (1) الترددات التي تستخدمها تقانة RFID.

الاتصال بالحقل القريب NFC

الاتصال بالحقل القريب Near Field Communication هو حالة خاصة من اتصالات RFID حيث يمكن تأسيس اتصال على مسافة لا تتجاوز ثلاثة سنتيمترات. من أشهر تطبيقات هذه التقانة التسديد عن طريق الهاتف المحمول كتسديد نفقات خدمات النقل أو شراء تذكرة قطار مثلاً؛ عن طريق وضع الهاتف المحمول بالقرب من المستقبل لتفعيل الاتصال الراديوي.

تكون معدلات النقل المتاحة في الاتصال بالحقل القريب منخفضة: 106 أو 212 أو 424 أو 848  Kbps. أما الترددات المخصصة له فهي 13.65 MHz.

من أهم ما يميز هذا النوع من الاتصال الحماية الأمنية العالية؛ نظراً لقرب المسافة بين المرسل والمستقبل.

الشبكات الجوالة Mobile Networks

تُعدّ الشبكات الخلوية من أنواع الشبكات اللاسلكية التي تتيح إضافة إلى الاتصال الصوتي نقل المعطيات، مثلها مثل الشبكات اللاسلكية، وطورت منها أجيال مختلفة، هي:

- تقانة الجيل الأول: 1G

كانت شبكات الجيل الأول الخلوية تماثلية ومقتصرة على الخدمات الصوتية فقط. أدخلت هذه الخدمات في بداية الثمانينيات. تدعم هذه التقانة الخدمات الصوتية جيداً، لكنها غير مناسبة لبقية التطبيقات؛ نظراً لعدم اتساع الطيف الترددي وعدم فعاليته.

- تقانة الجيل الثاني: 2G

وعدت أنظمة الجيل الثاني الرقمية بتحقيق سعات أعلى، وجودة صوت أفضل؛ مقارنةً بخدمات الجيل الأول. ويُعدّ نظاما (Global System for Mobile (GSM و(Code Division Multiple Access (CDMA الأكثر انتشاراً. ويختلف الجيل الثاني عن الجيل الأول باستخدام التقانات الرقمية الخلوية والنفاذ المتعدد بالتقسيم الزمني (Time Division Multiple Access (TDMA والقفز الترددي للاتصال الصوتي. وقد خضعت تقانة الجيل الثاني لبعض التحسينات (يطلق عليها بعضهم مصطلح 2.5 G)، لعل من أهمها:

• توفير سرعات نقل أكبر بدمج عدة شرائح زمنية لعدة دارات تبديل عالية السرعة High-Speed Circuit-Switched Data (HSCSD).
• الخدمة الراديوية للرزمة العامة General Packet Radio Service (GPRS) التي تدعم سرعة نقل تصل إلى 140 Kbps.
• معدلات نقل المعطيات المحسنة للتطور العالمي
  (Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDRGE التي زادت معدل النقل إلى 384 Kbps.

  - تقانة الجيل الثالث: 3G

  جرت متابعة التطور الثالث لشبكات الجوال 3G من قبل مشروع الشراكة (3G Partnership Project (3GPPبغية تعريف منظومة اتصال جوال عالمية Universal (Mobile Telecommunication System (UMTS.

  وقد مرت معايير الجيل الثالث بعدة تطورات بدءاً بنفاذ HSDPA مروراً بنفاذ HSUPA وHSPA وصولاً إلىHSPA+ التي تسمح بمعدل نقل معطيات متزايد يصل إلى 11 Mbps ونازل يصل إلىMbps 42 .

  - تقانة الجيل الرابع: 4G

  تستخدم شبكات الجيل الرابع حلولاً معتمدة على بروتوكول IP اعتماداً كاملاً؛ بغية توصيل الصوت والمعطيات والوسائط المتعددة إلى مستخدمي الجوال في أي وقت ومن أي مكان. وكان رفع معدلات نقل المعطيات المحرك الأساسي لدعم حزمة جديدة من التطبيقات، مثل تطبيقات الأعمال ونقل الصوت والتدفق الفيديوي ورسائل الفيديو والاتصالات المرئية والتلفاز الجوال والألعاب.

  - تقانة الجيل الخامس: 5G

  تُطوَّر تقانات الجيل الخامس على أساس النتائج المنبثقة من الدراسات الأكاديمية ومن ممثلي الصناعة حول استخدام الإنترنت. وثمة محاولات توجيه الجهد للوصول إلى معدلات نقل عالية جداً، من مرتبة Gbps10؛ مع أزمنة تأخير قليلة من نوع نهاية إلى نهاية

  مراجع للاستزادة: - S. A. Ahson, M. Ilyas, WiMAX Handbook, CRC, 2007. - Byeong Gi Lee, Sunghyun Choi, Broadband Wireless Access and Local Networks, Mobile WiMAX and WiFi, Artech House, 2008. - M. S. Gast, 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide, O’Reilly, 2005. - Khaldoun Al Agha, Guy Pujolle, Tara Ali-Yahya, Mobile and Wireless Networks, Volume 2, Wiley publisher, 2016. - M. Sauter, From GSM to LTE-Advanced, An introduction to mobile networks and mobile broadband, Second edition, Wiley publisher, 2014. - Ramjee Prasad, Albena Mihovska, New Horizons in Mobile and Wireless Communication, Volume 2, Artech House, 2009. - D. Sweeney, WiMax Operator’s Manual: Building 802.16 Wireless Networks, A press, 2004. - F. Zhao, L. Guibas, Wireless Sensor Networks, Morgan Kaufmann Publishers, 2004.

التصنيف : كهرباء وحاسوب

النوع : كهرباء وحاسوب

المجلد: المجلد الرابع

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية