استاندارد IEEE 802.11ay چیست و چرا اهمیت دارد؟

امواج میلی‌متری، طیف فرکانسی با نرخ بالا

در شماره پیشین ماهنامه شبکه، در مطلبی با عنوان «ورود امواج میلی‌متری به میدان» به کاربردها و چالش‌های این طیف فرکانسی پرداختیم. امواج میلی‌متری یا امواج به شدت فرکانس بالا (EHF) بخش تقریبا بلااستفاده‌ای از طیف امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می‌دهند: از 30گیگاهرتز تا 300 گیگاهرتز. این بازه گذردهی بیشتری را برای جابه‌جایی اطلاعات نسبت به امواج متداول زیر 6 گیگاهرتز فراهم می‌کند. امواج میلی‌متری سرعت بالایی دارند، اما در عبور از موانع فیزیکی ضعیف هستند. بنابراین به‌کارگیری آن‌ها چالش‌های خاصی دارد که در استاندارد مورد توجه قرار می‌گیرد. استاندارد IEEE 802.11ad نخستین استاندارد وای‌فای است که این طیف را برای ارسال اطلاعات در نظرگرفته است و در نسخه جدید 802.11ay نیز این بازه استفاده خواهد شد. نکته قابل توجه این‌که نسخه‌های قبلی وای‌فای همگی در فرکانس‌های 2.4 یا 5 گیگاهرتز قرار داشته‌اند.
یک نکته دیگر در ارتباط با امواج میلی‌متری، انتشار جهت‌دار آن‌ها است به صورتی که گیرنده اگر در روبه‌روی آنتن فرستنده قرار نداشته باشد، سیگنال ضعیفی دریافت می‌کند یا حتی اصلا سیگنالی دریافت نمی‌کند. این ویژگی از این بابت مفید است که میزان تداخل هر دستگاه روی سایر دستگاه‌ها کاهش می‌یابد و امکان اتصال تعداد دستگاه بیشتری در یک محیط فراهم می‌شود. 

مطلب پیشنهادی

ورود امواج میلی‌متری به میدان

امواج میلی‌متری چگونه می‌توانند شبکه‌های بی‌سیم را متحول کنند؟

تفاوت 802.11ad و 802.11ay

استاندارد وای‌فای 802.11ad که در سال 2012 عرضه شد، از بازه فرکانسی آزاد 60unlicensed  گیگاهرتز بهره می‌برد و برای کاربردهایی مانند استریمینگ ویدیو، اتصال هدست واقعیت مجازی، ارتباط بی‌سیم مانیتور و هر اتصال بی‌سیم که فاصله آن بیشتر از 10 تا 12 متر نباشد، مناسب است. این فناوری را سازندگان تراشه از جمله اینتل، Peraso و کوالکام و همچنین سازندگان روتر از جمله دل، تی‌پی لینک و نت‌گیر به بازار عرضه می‌کنند. محصولات عرضه شده نرخ 4.6 گیگابیت‌برثانیه را پشتیبانی می‌کنند.
استاندارد 802.11ay سازگاری رو به عقب با 802.11ad دارد (backwards compatible) و در عین حال سرعت جابجایی اطلاعات را چندبرابر ارتقا می‌دهد. در وهله نخست نرخ 20 تا 30 Gbps برای ارتباط دو دستگاه با استاندارد 802.11ay و در فاصله کمتر از 30 متر قابل دستیابی است، اما با بهره‌گیری از channel bonding، فناوری MIMO و چندین قابلیت دیگر نرخ  200 Gbps نیز در دسترس خواهد بود. در واقع، تفاوت اصلی 802.11ad و 802.11ay در همین فناوری‌ها و تعداد پارامترهای قابل تنظیم آن‌ها است. گستره وسیع پارامترهای قابل‌تنظیم، استاندارد 802.11ay را برای طیف بیشتری از تجهیزات و ارتباطات قابل استفاده می‌سازد. از جمله می‌توان به ارتباطات اینترنت اشیا (IoT) اشاره کرد که در آن تعداد زیادی دستگاه به یک روتر وای‌فای متصل می‌شوند و هر کدام نرخ ناچیزی تبادل می‌کنند. مسلما پارامترهای بهینه برای این مدل ارتباطی با ارتباطات کاربران انسانی متفاوت است.

کلیات استاندارد 802.11ay

استانداردهای وای‌فای را نهاد استانداردسازی IEEE تدوین می‌کند و دربرگیرنده دو لایه فیزیکی (PHY) و لایه کنترل دسترسی (MAC) است. لایه فیزیکی، به انتقال اطلاعات بین دو نقطه می‌پردازد و مسائلی نظیر مدولاسیون، کدگذاری و تبدیل دیجیتال به آنالوگ در آن مطرح است. معمولا لایه فیزیکی در هر نسخه وای‌فای منحصر به فرد است. لایه کنترل دسترسی نیز وظیفه دارد از بروز تداخل در کانال جلوگیری کند. به طور معمول، لایه کنترل دسترسی بین نسخه‌های مختلف وای‌فای یکسان بوده است، هر چند که استفاده از فرکانس‌های میلی‌متری که به صورت جهت‌دار منتشر می‌شوند، لزوم بازنگری در این لایه را ایجاد می‌کند. لازم به ذکر است، مسائل لایه بالاتر از جمله لایه شبکه در استانداردهای وای‌فای گنجانده نمی‌شود.

طیف مورد استفاده در نسخه 802.11ay فناوری وای‌فای طیف آزاد 60 گیگاهرتزی است که باندهای آن در مجموع 14 گیگاهرتز پهنای باند دارند. این گستره به باندهای 2.16، 4.32، 6.48 و 8.64 گیگاهرتزی تقسیم شده است. البته محدوده طیف در کشورهای مختلف یکسان نیست، هر چند همگی در اطراف فرکانس 60 گیگاهرتز قرار دارند. زمان‌بندی عرضه استاندارد 802.11ay به این صورت است که در حال حاضر (سپتامبر 2018) پیش‌نویس دوم آن عرضه شده و تا سپتامبر سال آینده نسخه نهایی آن عرضه خواهد شد. 

مطلب پیشنهادی

بررسی استانداردی جدید از خانواده 802.11

WiGig چگونه راه وای‌فای را ادامه می‌دهد

فناوری‌های مورد استفاده در 802.11ay

دو فناوری channel bonding و MIMO نقش کلیدی در دستیابی 802.11ay به اهداف مورد نظر دارند. مورد اول به تجمیع چند کانال ارتباطی برای افزایش گذردهی یا قابلیت اطمینان اشاره دارد. برای مثال، ممکن است روی دو باند فرکانسی مختلف اطلاعات جداگانه‌ای به مقصد ارسال شود، که در نتیجه نرخ انتقال اطلاعات بسیار افزایش می‌یابد. همچنین ممکن است روی دو باند فرکانسی مختلف یک مجموعه اطلاعات یکسان به صورت همزمان ارسال شود و از آنجا که وضعیت کانال در فرکانس‌های مختلف تفاوت دارد، این رویکرد به افزایش قابل اطمینان منجر می‌شود. به بیان دیگر، اگر یک کانال در لحظه قطع شود، ممکن است کانال دیگر در آن لحظه فعال باشد.
در نسخه 802.11ad قابلیت تجمیع کانال وجود نداشت و انتقال اطلاعات بین دو نقطه تنها روی یک باند 2.16 گیگاهرتزی ممکن بود. ممکن است این پرسش به ذهن برسد که چرا در آن زمان این موضوع در نظر گرفته نشده بود؟ در پاسخ باید به پیچیدگی دستگاه‌هایی که همزمان روی دو باند کار می‌کنند، اشاره کرد. در واقع، هر استانداردی باید با فناوری‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری در زمان خود منطبق باشد، در غیر این صورت، پیاده‌سازی نخواهد شد. به نظر می‌رسد، هم‌اکنون قابلیت کار روی دو باند فرکانسی به مرحله ساخت تجاری رسیده باشد، زیرا در 802.11ay تجمیع دو کانال 2.16 گیگاهرتزی به صورت الزامی و سه یا چهار کانال به صورت اختیاری لحاظ شده است.
فناوری کلیدی دیگر در نسخه جدید وای‌فای، MIMO نام دارد که در آن یک آرایه از چندین آنتن، اطلاعات را به گونه‌ای ارسال می‌کنند که به شیوه مورد نظر به مقصد برسد. برای مثال، با اعمال یک سری توابع روی سیگنال‌ها، می‌توان امواج را به یک جهت خاص هدایت کرد (بدون تغییر در سخت‌افزار). با توجه به ویژگی‌های خاص امواج میلی‌متری که در بخش‌های قبلی ذکر شد، مزیت فناوری MIMO در ارسال جهت‌دار اطلاعات کاملا مشهود است. همچنین فناوری MIMO این قابلیت را فراهم می‌سازد که چند رشته اطلاعات مختلف را روی یک کانال ارسال کرد. این قابلیت می‌تواند ظرفیت ارسال اطلاعات یک روتر را به میزان چشمگیری افزایش می‌دهد. شکل (2) این موضوع را به تصویر کشیده است.

در سمت چپ، در هر لحظه روتر می‌تواند تنها به یک دستگاه اطلاعات ارسال کند. اما در سمت راست، که مبتنی بر فناوری MIMO است، امکان ارسال هم‌زمان به چندین دستگاه وجود دارد. به نظر می‌رسد، این فناوری‌های جدید، با افزایش نرخ گذردهی و قابلیت اطمینان، جایگاه فناوری وای‌فای را در آینده شبکه‌های بی‌سیم حفظ کنند.