پایان نامه بررسی ساختار و کاربردهای استاندارد IEEE802.16 ) Wimax)

رشته مهندسی نرم افزارکامپیوتر

چکیده:

برای انتقال اطلاعات، احتیاج به رسانه انتقال و سیستم انتقال می باشد. رسانه های انتقال اجزاء فیزیکی می باشند که انتقال اطلاعات در آنها صورت می گیرند و عبارتند از زوج سیم بهم تابیده، کابل کواکس، فیبر نوری و مخابرات بی سیم.

وجود موانع طبیعی از قبیل کوه، باتلاق ، هزینه های بالای کابل شی در بعضی مناطق، سختی کابل کشی و گاه ناممکن بودن کابل کشی در مناطق دور افتاده، زمانبری برپائی شبکه کابلی، نیاز به پهنای باند بالا و دسترسی آسان و هزینه های پائین نصب و بهره وری در شبکه بی سیم، امروزه کاربران را به سوی استفاده از این شبکه ها سوق داده است.

همچنین یکی از پدیده های عصر ما معتادان اینترنتی می باشد. کسانی که می خواهند بیست و چهار ساعته از اینترنت استفاده کنند. برای این قبیل افراد که دائماً در حال جابجا شدن هستند دیگر زوج سیم به هم تابیده، کابل کواکس و فیبر نوری کاربرد ندارد هر گاه کاربر یا شرکت یا برنامه کاربردی خواهان آن باشد که داده و اطلاعات مورد نیاز خود به صورت متحرک در هر لحظه در اختیار داشته باشند شبکه های بی سیم جواب مناسبی برای آنها است. نیاز روز افزون به پویایی کارها، استفاده از تجهیزاتی مانند تلفن همراه، پیجرها و ... به واسطه وجود شبکه های بی سیم امکان پذیر شده است. امروزه یافتن و خریدن یک کامپیوتر کیفی که مجهز به تراشه Wi-Fi نباشد، کاری دشوار است، دکمه ای که به کاربران کامپیوترهای همراه اجازه دستیابی به اینترنت، فارغ از مکانی که کاربر در آن حضور دارد می دهد. بدین ترتیب از مناطق دور افتاده، کوه، جنگل، اتاق غذا خواری، اتاق نشیمن، محوطه دانشگاه و یا کافی شاپ می توان به اینترنت وصل شد.

محیط های بی سیم دارای خصوصیات و ویژگی های منحصر به فردی می باشند که در مقایسه با شبکه های محلی سیمی جایگاه خاصی را به این گونه شبکه ها می بخشد. عموم مردم به Wi-Fi به عنوان یک ایستگاه مرکزی کاری که می تواند ارتباط را بین چندین کاربر به طور یکسان به اشتراک بگذارد علاقمندند. البته با این محدودیت که فاصله کاربران محیط داخلی (indoor) کمتر از 100 متر و برای محیط خارجی (outdoor) کمتر از 400 متر باشد.

در حالی که تکنولوژی (Wi-Fi(802.11aband g) شبکه های محلی را تحت پوشش قرار می دهد، WiMax شبکه های بزرگتر و مناطق روستایی را تحت پوشش قرار می دهد. wiMax (worldwide Interroperability for Microware Access) می تواند اتصال شبکه شهری را با سرعت حداکثر (Mbps)75 فراهم کنند این استاندارد با نام IEEE 802.16 نیز شناخته می شود که از سال 1990 کاربرد آن شروع شده است.

این استاندارد عملاً توانایی Wi-Fi را زیر سوال برده است. WiMax باعث ایجاد ارتباطات بی سیم اینترنتی با پهنای باند بالا با سرعتی نزدیک به wi-Fi که محدودیت های آن را هم ندارد یعنی تا فواصل بالای حدود 50 کیلومتر را هم پشتیبانی می کند.

در این مقاله پس از بیان کلیاتی در رابطه با شبکه های بی سیم و کابلی، مقایسه Wi-Fi,WiMax ، به معایب و محاسن شبکه های بی سیم پرداخته شده. بررسی استانداردهای بی سیم و اجزای تشکیل دهنده از دیگر مباحث مورد بحث می باشد.

کلمه های کلیدی:شبکه های بی سیم، شبکه های کابلی، کیفیت سرویس (Qos) فرکانس رادیوئی (RF)، دستگاه مرکزی (AP-Access point)

مقدمه:

در دنیای امروز با افزایش جمعیت و رشد شهرها ضرورت برقراری ارتباط مفید و موثر بیش از پیش احساس می شود و همواره تغییر و تحول چشمگیری در این خصوص از سوی صاحبان صنعت ارتباطات در جهان صورت می گیرد. پیدایش ابزارهای ارتباطی اولیه نظیر مورس و تلگراف سبب شد تا انسان ها خود را به یکدیگر نزدیک تر کنند و اختراع تلفن باعث گردید این نزدیکی بیشتر احساس شود تلفن یک پدیده خارق العده در جهان ارتباطات از دیرباز مطرح بوده و تا ابد باقی خواهد ماند. سرانجام با به میان آمدن رایانه و آرپانت یا اینترنت امروزی افق جدیدی در عرصه ارتباطات گشوده شد و به همین بهانه شبکه های ارتباطی پدیدار شدند. گسترش جوامع اداری باعث شد شبکه های رایانه ای نیز رشد چشمگیری پیدا کرده و امروزه شاهد یک نبرد واقعی در این زمینه باشیم.

مبحث شبکه بسیار گسترده و پیچیده است، اما ما در اینجا به بررسی شکل نوینی از شبکه های رایانه ای و ارتباطی تحت عنوان Wireless یا بی سیم خواهیم پرداخت. فن آوری بی سیم مدتهاست که مورد استفاده قرار می گیرد. برقراری ارتباط تلفن همراه، بین شهری و یا بین المللی و نیز برقراری ارتباط بین یگان های نظامی گوشه ای از این فن آوری است. اما تبادل اطلاعات از یک محل به محل دیگر دسترسی جدیدی در دنیای بدون سیم فراهم آورده و هر روز بر دامنه کاربران آن افزوده می شود.

فصل اول

WiMax استاندارد جدید شبکه های بی سیم

امروزه یافتن و خریدن یک کامپیوتر کیفی که مجهز به تراشه Wi-Fi نباشد، کاری دشوار است، دکمه‌ای که به کاربران کامپیوترهای همراه اجازه دستیابی به اینترنت را فارغ از مکانی که کاربر در آن حضور دارد می‌دهد. بدین‌ترتیب از اتاق غذاخوری، اتاق نشیمن و یا کافی‌شاپ می‌توان به اینترنت وصل شد.

عموم مردم بهWi-Fi به عنوان یک ایستگاه مرکزی کاری که می‌تواند ارتباط را بین چندین کاربر به‌طور یکسان به اشتراک بگذارد علا‌قمندند. البته با این محدودیت که فاصله کاربران برای محیط داخلی (indoor) کمتر از 100 متر و برای محیط خارجی(outdoor) کمتر از 400 متر باشد. اما استاندارد جدیدی معرفی شده است که  عملاً  توانایی Wi-Fi را زیر سؤال برده است. این استاندارد معروف بهwimax می‌باشد که باعث ایجاد ارتباطات بی‌سیم اینترنتی با پهنای باند بالا با سرعتی نزدیک به Wi-Fi که محدودیت‌های آن را هم ندارد یعنی تا فواصل بالای حدود 50 کیلومتر را هم پشتیبانی می‌کند.

شبکه‌های شهری بی‌سیم با سرعت‌های پهنای باند بالا چندان جدید نیستند، اما تجهیزات خاص باندپهن عمدتاً گران قیمت هستند. در حال حاضر شرکت‌ها به‌تدریج در حال رسیدن به توافق‌هایی بر روی جزییات استاندارد wimax هستند که این منجر به کاهش قیمت این تجهیزات خواهد شد.

توافقات صنعتی روی جزییاتی نظیر این‌که چگونه سیگنال‌های wimax را رمزگشایی کنیم تا فرکانس‌هایی را ایجاد کنیم که قابل استفاده باشند و چگونه امکان برقراری ارتباط چندین کاربر تا دستیابی به آن فرکانس‌ها را فراهم کنیم، سرانجام به شرکت‌هایی نظیر اینتل اجازه خواهد داد تا تراشه که حاوی قابلیت wimax برای استفاده در تجهیزات بی‌سیم با پهنای باند بالا هستند را بسازند.

و در نهایت انتظار می‌رود که قیمت recieverهای wimax به حدود 50 تا 100 دلار یعنی چیزی حدود قیمت DSLها یا مودم‌های کابلی امروزی برسد و این یعنی میلیون‌ها نفر از کاربران بالاخره می‌توانند از سرویس‌های رایج اینترنت استفاده کند و به آسانی از طریق آنتن‌های نصب شده روی بام از هر گوشه شهر به اینترنت وصل شوند.

اگرچه ظهور اولیه wimax در حوزه‌های عمومی بوده است، اما با ظهور تدریجی تجهیزات و استانداردها، شاهد موج جدیدی از صنایع کوچک و متوسط بی‌سیم خواهیم بود که دیگر خطوط گران قیمت 1T1/E نیستند و ایستگاه‌های کاری همچنین می‌توانند خدمات خود را در مکان‌هایی بدون خطوط تلفن هم ارایه دهند و این یعنی دستیابی پرسرعت به اینترنت در نواحی دورافتاده‌ای که غالباً هیچ تجهیزات ارتباطی ندارند.

Wimax که مخفف Woldwide Interoperability for Microware Access می‌باشد، کمی فراتر از یک لیست طولانی از مشخصات تکمیلی و تخصصی که نمایشگر تجهیزات بی‌سیم کارخانه‌های مختلف که می‌توانند با سرعت‌های زیاد با هم کار کند، است. این استاندارد با نام IEEE802.16 نیز شناخته می‌شود که از سال 1990 کاربرد آن شروع شده است و نقطه مقابل فناوری‌های اترنت یا Wi-Fi بوده است. یک واحد انتقال‌دهنده wimax می‌تواند صوت، تصویر و سیگنال‌های اطلاعاتی را در طول فواصل بالای 50 کیلومتر (با رعایت خط دید مستقیم) و با سرعتی در حدود 70 مگابیت درثانیه (یعنی سرعتی که برای دستیابی 60 شرکت با سرعت خطوط 1T یا صدها کاربر خانگی با سرعت DSL کفایت می‌کند) انتقال می‌دهد.

اعلان شرکت ا‌ینتل (در ژانویه 2004) که موضوع اصلی‌اش در رابطه با wimax بود باعث رونق یافتن سریع این فناوری و توسعه این استاندارد شد.

شرکت سازنده Centrino قبلاً طی یک ابتکار تراشه‌های Wi-Fi را درون کامپیوترهای کیفی قرار داده بود. اسکات ریچاردسون مدیر گروه بی‌سیم باند پهن شرکت اینتل در این رابطه گفت: ما دنبال این بودیم که آیا می‌توان همه شهرها را با Wi-Fi تحت پوشش اینترنتی قرار داد یا خیر و این‌که شاید پوشش اینترنتی دادن یک شهر با تکنولوژی Wi-Fi کار ساده‌ای باشد اما مشکل از این قرار است که مدیریت این شبکه بسیاربسیار سخت می‌شد و در ضمن Wi-Fi بسیار هم محدود عمل می‌کرد.

همچنین Intel Capital، یکی از بخش‌های اصلی شرکت اینتل، شروع به سرمایه‌گذاری در چندین شرکت نمود تا بتواند wimax را تبدیل به وسیله سودآور نمایند و از آن به بهترین شیوه استفاده کند.

شرکت speakeasy در سیاتل، یکی از این شرکت‌هاست و البته می‌تواند یکی از اولین ا‌ز گسترش‌دهندگان بازار wimax ‌باشد.

این شرکت در سال 1994، به عنوان یک کافی‌نت تأسیس شد تا ارتباطات فوق‌العاده سریع DSL را برای بازیگران کسانی که بازی‌های کامپیوتری مفصل online انجام می دادند یا متخصصینی که در منزل کار می‌کردند، فراهم آورد اما به‌خاطر این‌که DSL هم تحت خطوط تلفن کار می‌کند، در نتیجه یک محدودیت ذاتی را با خود به ارث برده است. مثلاً حدود 30 درصد از اهالی شهرهایی که از خدمات شرکت Speakeasy استفاده می‌کنند از مراکز اصلی تلفن دور هستند. به نقل از یکی از مدیران این شرکت، همین دوری افراد از مراکز اصلی تلفن مهم‌ترین محرک برای این شرکت بود تا به دنبال شیوه‌ها و روش‌های جدیدی باشد و به همین علت، اکنون wimax مهم‌ترین و استراتژیک‌ترین پدیده برای تجارت آن‌ها است.

و همین مسأله احتمالاً باعث می‌شود مدت زمانی طول بکشد تا صنایع به سود اقتصادی  این فناوری دست بیابند و آن را عمومی کنند. پس هنوز هم ساختن شبکه‌ای از اتصال‌دهنده‌ها با ارزش است. ریچاردسون می‌گوید: مردم فکر می‌کنند که شما می‌توانید تنها یک برج و برج فرستنده اصلی wimax را  روی تپه‌ای در اطراف شهر قرار دهید و با آن اینترنت همه شهر را تأمین کنید. اما این همه مسأله نیست، در این‌جا هم دقیقاً مانند شبکه‌های تلفنی با افزایش تقاضا ما مجبور به اضافه کردن برج‌‌های جدید هستیم. اما شرکت Tower stream، شرکتی که قصد اضافه کردن wimax را به سرویس‌های خود دارد، اعلام نموده که این مشکل بدین شیوه حل می‌شود که می‌توان بر روی ساختمان‌های بلند در شیکاگو، نیویورک، بوستون و شهرهای دیگر، انتقال‌دهنده‌های ویژه wimax را نصب کرد و از یک اینترنت پرسرعت با ساختاری بی‌سیم بهره‌مند شد. ساختاری که مطمئناً بسیار ارزان‌تر از سیم، فیبرنوری و کابل تمام خواهد شد.

WiMAX

وایمکس (WiMAX) اصطلاحی ابداعی است که مخفف کلاماتی است که به معنای قابلیت تبادل و استفاده اطلاعات در سطح جهانی برای دستیابی از طریق میکروویو می باشد (Worldwide Interoperability for Microwave Access). چیزی که WiMAX در هسته خود دارد شامل استانداردهای مبتکرانه ای می شود که هدف آن تضمین کارکرد و هماهنگی امواج رادیویی باند پهن بی سیم برای استفاده ی مشتریان از فروشنده ای به فروشنده ی دیگر می شود.

WiMAX چیست؟

WiMAX سیستم ارتباطی و دیجیتالی بی سیم می باشد. همچنین به عنوان پروتکل 802.16 ( توسط IEEE ) شناخته شده است که جایگزینی برای شبکه های بی سیم نواحی شهری تعیین شده است. WiMAX می تواند دستیابی بی سیم پهن باند فراهم سازد ( BWA ) که تا 30 مایل ( 50 کیلومتر ) برای ایستگاه های ثابت و 3 تا 10 مایل ( 5 تا 15 کیلومتر ) برای ایستگاه های سیار را پوشش می دهد. برعکس، استاندارد های شبکه های بی سیم محلی برای سیستم Wi-Fi در پروتکل 802.11 در اکثر حالت ها به تنها 100 تا 300 فوت ( 30 تا 100 متر ) محدود شده است.

با WiMAX، سرعت داده ها در شبکه هایی مانند Wi-Fi به سادگی پشتیبانی می شود. اما موضوع تداخل امواج کاهش می یابد. WiMAX بر روی هر دوی فرکانس های مجاز و غیر مجاز قابل اجراست که بدین وسیله محیطی تحت کنترل فراهم ساخته و الگوی اقتصادی قابل رشدی را برای امواج قابل حمل بی سیم ایجاد می سازد.

WiMAX می تواند برای شبکه های بی سیم دقیقا به طور مشابه ای با پروتکل های رایج Wi-Fi مورد استفاده قرار گیرد. WiMAX نسل دوم پروتکلی است که استفاده موثرتری از پهنای باند و جلوگیری از تداخل امواج را امکان پذیر ساخته و امکان سرعت های داده ی بالاتری بر روی مسافت های طولانی تر ممکن می سازد.

استاندارد 802.16 که توسط موسسه IEEE به تصویب رسیده است،ویژگی های تکنیکی از پروتکل های ارتباطی را تعیین می سازد. گروهی تحت عنوان WiMAX Forum وسیله ای برای تست تجهیزات تولید کنندگان برای سازگاری بیشتر پیشنهاد می کند، درست همان گونه که برای یک گروه صنعتی نیز چنین محیطی را فراهم می سازد که مختص گسترش های تجاری و توسعه ی فناوری می باشد.

WiMAX می تواند یک نقطه مرکزی را برای مشتریان فراهم سازد. علاوه بر آنکه چنین امکاناتی برای فراهم کنندگان خدمات، تولید کنندگان، تحلیل گران و محققانی که به تکنولوژی WiMAX، خدمات و محصولات آن علاقه مندند نیز امکان پذیر است. به زودی، WiMAX اصطلاحی به خوبی شناخته شده ای برای توصیف دستیابی اینترنت بی سیم در سرتاسر دنیا به حساب می آید.

مزایا و برتری های وایمکس: ویژگی ها و خصوصیات فنی

نیاز به بستر سازی بنیادی شبکه ها در کشور امری ضروری به نظر می رسد که با ایجاد و برقراری این تکنولوژی جدید (وایمکس) امید است که بتوان ضعف ها و نقصان هایی که در شبکه های کشوری وجود دارد رفع گردد و امکانات و قابلیت ها ی جدیدی به آن افزوده شود.

شبکه های بنا شده با تکنولوژی WiMAX، جزء شبکه های wireless شهری محسوب می شوند که به راحتی می توانند با وجود منطقه ی بسیار وسیعی که دکل های WiMAX تحت پوشش خود قرار می دهند، کل شهر و یا شهرک های صنعتی و مناطق استراتژیک را پوشش دهند و قابلیت استفاده ی اینترنت بسیار پر سرعت را از طریق این تکنولوژی برای سازمان ها، ارگان ها و شرکت های تجاری و همچنین منازل مسکونی امکان پذیر سازند.

به کمک WiMAX، سرعت داده هایی مانند Wi-Fi، پشتیبانی می شوند و موضوع تداخل امواج نیز کاهش می یابد. یکی از ویژگی های این تکنولوژی عدم نیاز به دید مستقیم بین مشترکان و دکل های BTS می باشد.

از جمله خصوصیات WiMAX آن است که علاوه بر داده، صدا و تصویر را نیز به خوبی پشتیبانی می کند و سرویسی که ارائه می شود به صورت کاملاً نامحدود می باشد و هیچ گونه محدودیت حجمی و یا زمانی ندارد و این بدان معناست که کاربر می تواند بدون هیچ محدودیت زمانی، در تمام شبانه روز به هر مقدار و حجمی که پهنای باندش اجازه می دهد download و یا upload داشته باشد.

یکپارچگی مودم، فرستنده و گیرنده ی رادیویی در سایز بسیار کوچک و قابل حمل و امکان نصب بسیار آسان آن نیز جزو برتری هایی محسوب می شود که نسبت به سایر فن آوری های مشابه خود داراست. امکان مدیریت مودم کاربر از راه دور توسط شرکت و کارشناسان فنی و قابلیت به روز رسانی نرم افزارهای مودم نیز در زمره ی این گونه موارد قرار می گیرند.

عدم نیاز به دید مستقیم میان مودم سمت کاربر و آنتن مرکزی و شعاع فوق العاده زیاد تحت پوشش آن در حین سرعت بالای انتقال داده نیز از جمله ویژگی های دیگر آن محسوب می شود. که توپولوژی های پیشرفته ( شبکه های mesh ) و تکنیک های آنتنی (beam-forming، STC و تنوع آنتن ) می توانند برای پوشش برد بیشتری به کار روند که این تکنیک های پیشرفته همچنین می توانند برای افزایش کارایی طیفی، ظرفیت، استفاده مجدد، توان خروجی ماکزیمم و میانگین برای هر کانال RF (فرکانس رادیویی) مفید واقع گردند.

خصوصیت interoperability در این تکنولوژی، بدین معناست که کاربر می تواند هر محصول مورد علاقه ی خود را خریداری کند ( با ویژگی های مورد نظرش ) و مطمئن باشد که این محصول با سایر محصولات مورد تایید مشابهش هماهنگی و سازگاری خواهد داشت که این امر رقابت بین شرکت ها، بهتر شدن کیفیت محصولات و کاهش قیمت ها را در پی خواهد داشت.

BS-Base station ,DSL – Digital subscriber line , ETSI – European Telecommunications standards institute, IEEE- institute of Electrical and Electronics Engineers MAC- Media access control address MAN –Metropolitan area network OFDM-Orthogonal frequency division multiplexing, OFDMA- orthogonal frequency division – Multiple access, PAN – personal area ntwork, voip-voice over internet protocol,WAN-wide area netword, wi-Fi-Wireless fidelity, wimax-worldwide interoperability for microwave Access WLAN-eireless local area network,WMAN-wireless metropolitan area network.