شبکه‌های بی‌سیم و سیار

شبکه‌های بی‌سیم و سیار ارتباطات را از طریق پیوندهای رادیویی مشترک و پشتیبانی مورد نیاز هنگام تغییر نقطه اتصال سیستم‌های نهایی پوشش می‌دهند که شامل Wi-Fi، شبکه‌های سلولی و پروتکل‌هایی است که یک دستگاه متحرک را متصل نگه می‌دارند.

Definition

شبکه‌های بی‌سیم و سیار زیرشاخه‌ای از شبکه‌های کامپیوتری است که به ارتباط داده از طریق پیوندهای بی‌سیم (رادیویی) و با مکانیزم‌های شبکه‌ای که اتصال، آدرس‌دهی و نشست‌ها را برای سیستم‌های نهایی سیار و تغییر مکان‌دهنده حفظ می‌کنند، می‌پردازد.

Scope

این حوزه چالش‌های متمایز پیوندهای بی‌سیم — تضعیف، تداخل، چندمسیره و مشکل ترمینال پنهان که در رسانه‌های سیمی وجود ندارد — و فناوری‌هایی که به آن‌ها می‌پردازند را پوشش می‌دهد: شبکه‌های محلی بی‌سیم IEEE 802.11 با دسترسی متوسط CSMA/CA خود، شبکه‌های سلولی از نسل‌های اولیه تا معماری 4G/5G، و مدیریت تحرک، که به یک دستگاه امکان می‌دهد اتصال و آدرس‌دهی خود را هنگام جابجایی بین شبکه‌ها حفظ کند. این حوزه بی‌سیم را به عنوان یک فناوری پیوند و دسترسی با پیامدهایی در لایه‌های بالاتر در نظر می‌گیرد و مهندسی دقیق لایه فیزیکی فرکانس رادیویی را شامل نمی‌شود.

Sub-topics

• شبکه‌های سلولی
• مدیریت تحرک‌پذیری
• وای‌فای و شبکه‌های محلی بی‌سیم
• ویژگی‌های پیوندهای بی‌سیم

Core questions

• پیوندهای بی‌سیم چه تفاوتی با پیوندهای سیمی دارند و این تفاوت‌ها چگونه بر پروتکل‌ها تأثیر می‌گذارند؟
• مشکل ترمینال پنهان چگونه ایجاد می‌شود و CSMA/CA چگونه برخوردها را در Wi-Fi کاهش می‌دهد؟
• یک شبکه سلولی چگونه به سلول‌ها، ایستگاه‌های پایه و یک هسته سازماندهی می‌شود و چگونه در طول نسل‌ها تکامل یافته است؟
• آدرس و مسیریابی یک میزبان هنگام جابجایی بین شبکه‌ها (مدیریت تحرک) چگونه حفظ می‌شود؟
• تفاوت بین مدیریت تحرک و صرفاً مدیریت پیوندهای بی‌سیم چیست؟

Key concepts

• اختلالات پیوند بی‌سیم (تضعیف، تداخل، چندمسیره)
• مشکل ترمینال پنهان
• CSMA/CA
• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• نقاط دسترسی و اتصال
• سلول‌ها و ایستگاه‌های پایه سلولی
• استفاده مجدد از فرکانس
• جابجایی (handoff)
• Mobile IP و آدرس‌های مراقبتی (care-of addresses)
• شبکه‌های هسته 4G/5G

Key theories

اختلالات پیوند بی‌سیم و CSMA/CA

پیوندهای رادیویی از تضعیف سیگنال، تداخل و چندمسیره رنج می‌برند و تشخیص برخورد غیرعملی است، بنابراین Wi-Fi از دسترسی چندگانه با حسگر حامل و اجتناب از برخورد به علاوه دست‌دهی‌های اختیاری RTS/CTS برای حل مشکل ترمینال پنهان استفاده می‌کند.

معماری سلولی و استفاده مجدد از فرکانس

شبکه‌های سلولی یک منطقه را به سلول‌هایی تقسیم می‌کنند که توسط ایستگاه‌های پایه سرویس‌دهی می‌شوند و فرکانس‌ها را در سلول‌های غیرمجاور برای به حداکثر رساندن کارایی طیفی مجدداً استفاده می‌کنند، با یک شبکه هسته که احراز هویت، مدیریت نشست و اتصال به اینترنت گسترده‌تر را مدیریت می‌کند.

مدیریت تحرک و غیرمستقیم‌سازی

قابل دسترس نگه داشتن یک دستگاه متحرک مستلزم ردیابی موقعیت مکانی آن و مسیریابی ترافیک به شبکه فعلی آن است، که به طور کلاسیک از طریق یک عامل خانگی (home agent) و آدرس مراقبتی (care-of address) (Mobile IP) یا در سیستم‌های سلولی، از طریق موجودیت‌های مدیریت تحرک شبکه هسته انجام می‌شود.

Clinical relevance

شبکه‌های بی‌سیم و سیار روشی است که اکثر مردم اکنون به اینترنت دسترسی پیدا می‌کنند: Wi-Fi خانه‌ها، دفاتر و فضاهای عمومی را به هم متصل می‌کند، در حالی که شبکه‌های سلولی پهنای باند موبایل را به میلیاردها دستگاه ارائه می‌دهند. مدیریت تحرک امکان جابجایی (handoff) بدون وقفه را برای کاربران فراهم می‌کند و معماری 5G موارد استفاده با تأخیر کم و دستگاه‌های انبوه مانند اتوماسیون صنعتی و اینترنت اشیا را هدف قرار می‌دهد. برنامه‌ریزی ظرفیت، استفاده از طیف و رومینگ همگی به این مفاهیم بستگی دارند.

History

تحقیقات رادیو پاکتی در دهه 1970، از جمله سیستم ALOHA، دسترسی تصادفی را بر روی کانال‌های بی‌سیم ایجاد کرد. استاندارد IEEE 802.11 (از سال 1997 به بعد) شبکه‌های محلی بی‌سیم را فراگیر کرد، در حالی که شبکه‌های سلولی از 1G آنالوگ از طریق GSM دیجیتال و سپس به 4G LTE و 5G مبتنی بر پاکت تکامل یافتند. پشتیبانی از تحرک برای میزبان‌های IP به عنوان Mobile IP استاندارد شد و هسته‌های سلولی مدرن، تحرک، امنیت و اتصال IP را یکپارچه می‌کنند.

Key figures

• Charles Perkins
• Norman Abramson
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020
• tanenbaum2010

Frequently asked questions

چرا Wi-Fi به جای تشخیص برخورد مانند اترنت سیمی، از اجتناب از برخورد استفاده می‌کند؟

یک فرستنده بی‌سیم معمولاً نمی‌تواند هنگام ارسال به برخوردها گوش دهد، زیرا سیگنال خودش هر سیگنال ورودی را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد، و ممکن است یک ایستگاه حتی سیگنال دیگری را که در گیرنده در حال برخورد است، نشنود (مشکل ترمینال پنهان). بنابراین Wi-Fi با استفاده از حسگر حامل، عقب‌نشینی تصادفی و تأییدیه‌ها به جای تشخیص برخوردها در حین انتقال، از قبل از برخوردها جلوگیری می‌کند.

تفاوت بین شبکه بی‌سیم و شبکه سیار چیست؟

بی‌سیم به استفاده از پیوند رادیویی به جای سیم برای یک هاپ (hop) واحد اشاره دارد، در حالی که سیار به تغییر نقطه اتصال یک دستگاه به شبکه در طول زمان اشاره دارد. یک دستگاه می‌تواند بی‌سیم اما ثابت باشد، یا در نقاط اتصال سیمی متحرک باشد؛ شبکه‌های سیار به طور خاص به حفظ اتصال و آدرس‌دهی دست‌نخورده هنگام تغییر نقطه اتصال می‌پردازند.