مفاهیم وایرلس – بخش اول: سیگنال و موج رادیویی

انتقال دیتا در محیط وایرلس از طریق ارسال امواج الکترومغناطیسی میسر می­ باشد. در این حالت از یک فرستنده (Transmitter) استفاده می­شود تا سیگنال الکتریکی از نوع AC را از طریق یک رسانای مسی (RF Cable) به سمت آنتن ارسال نماید. آنتن سیگنال دریافتی را به امواج الکترومغناطیسی (RF Electromagnetic Signal) تبدیل و به محیط اطراف خود می­ تاباند.در صورت وجود گیرنده (Receiver) همین فرآیند در جهت عکس اتفاق می­ افتد. جهت سهولت در فهم موضوع میتوان دو نفر را در نظر گرفت که هرکدام یک سمت از طنابی را در دست گرفته ­اند و یکی از آنها(فرسنتده) طناب را به سمت دیگری (گیرنده) می­ تاباند، در اینحالت موج بوجود آمده در طناب با موج رادیویی در دنیای واقعی قابل مقایسه خواهد بود:

الف) مشخصات سیگنال:

سیگنالهای رادیویی در طبیعت دارای شکل سینوسی بوده و از طریق پارامترهایی نظیر طول موج، فرکانس، دامنه و فاز قابل تشخیص هستند. در ادامه به توضیح هر یک از این مشخصه­ ها و تاثیرات آنها می­ پردازیم:

1. طول موج:

همانطور که اشاره شد امواج شکل سینوسی داشته و در طول زمان تغییر می­ کند بنابراین برای آن یک سیکل یا دوره تناوب قابل تعریف می­ باشد. به فاصله بین دو پیک موجود در شکل موج، طول موج اطلاق شده که واحد آن بر حسب متر می­ باشد. طول موج با فرکانس رابطه عکس داشته و هر چه طول موج سیگنال رادیویی بزگتر باشد میزان فرکانس کمتر خواهد بود.

 

اندازه آنتن های معمول مورد استفاده در ارتباطات رادیویی به طول موج وابسته بوده و می ­تواند از نصف تا یک دهم طول موج باشد.

2. دامنه موج:

دامنه سیگنال رادیویی مشخص کننده توان آن خواهد بود. در یک موج سینوسی حداکثر دامنه در نقاط پیک اتفاق می­ افتد.تغییر و یا افزایش دامنه تغییری در مقادیر فرکانس و طول موج نداشته و تنها توان سیگنال را افزایش خواهد داد:

 

3. فاز موج:

در یک موج سینوسی مقدار فاز از 0 تا 360 درجه تغییر می­ کند. دو موج رادیویی هم فرکانس را از طریق مقدار فاز میتوان متمایز نمود. در این حالت به دو موج کاملاً مشابه، دو موج هم­ فاز اطلاق می­ شود. چنانچه دو موج هم فاز با یکدیگر تداخل پیدا کنند، دامنه آنها با هم جمع شده و سیگنال قویتری را تشکیل خواهند داد، در طرف مقابل تداخل دو سیگنال با اختلاف فاز 180 درجه منجر به حذف هر دو سیگنال خواهد شد. مورد اول در تکنولوژیهای Beam Forming جهت افزایش توان در یک جهت خاص استفاده می­ شود و مورد دوم در تضعیف سیگنال ناشی از چند مسیرگی نقش دارد که در آینده در پستهای جداگانه­ ای به هر دو مورد اشاره خواهد شد:

 

4. فرکانس موج:

به تعداد نوسان موج در واحد زمان(برای یک سیکل کامل) فرکانس اطلاق می­ شود و واحد آن هرتز (Hz) می­ باشد:

 

در طبیعت امواج مختلف با فرکانسهای متفاوت قابل انتشار هستند. در واقع فرکانس رفتار موج را مشخص می­ نماید بعنوان مثال در فرکانسهای بالاتر، میزان تضعیف موج رادیویی بیشتر بوده و رفتار آن به نور متمایل خواهد شد. فرکانس با طول موج رابطه عکس داشته و بصورت زیر قابل محاسبه می­ باشد:

 

5. فرکانسهای مورد استفاده توسط تجهیزات WiFi:

کشورهای مختلف قوانین خاصی را جهت استفاده از باندهای فرکانسی وضع کرده­ اند که عموماً بدو دسته باندهای فرکانسی آزاد (Unlicensed Frequency Bands) و باندهای فرکانسی نیازمند مجوز (Unlicensed Frequency Bands) تقسیم می­ شوند. فرکانسهای مورد استفاده در تکنولوژی WiFi باندهای فرکانسی 2.4GHz و 5GHz می­ باشند که در دسته فرکانسهای آزاد قرار گرفته­ اند:

 

باند فرکانسی 2.4GHz بازه 2.412-2.484 GHz را در بر می ­گیرد. تعداد باندهای فرکانسی به قوانین رگولاتوری کشورهای مختلف وابسته بوده و شامل 11 تا 14 باند فرکانسی همپوشان با پهنای باند 22MHz خواهد بود. با توجه به همپوشانی باندهای استفاده از تمامی آنها بصورت همزمان موجب بوجود آمدن تداخل فرکانسی و کاهش کارایی ارتباط کاربران می ­شود. جهت رفع این مشکل در پیاده­ سازی شبکه WiFi از سه باند فرکانسی غیر همپوشان (معمولاً باندهای 1، 6 و 11) استفاده می­ گردد:

 

باند فرکانسی 5GHz، شامل چهار گروه U-NII-1، U-NII-2، U-NII-2 Extended و U-NII-3 می­ باشد که هر یک از تعدادی باند فرکانسی با پهنای باند 20MHz تشکیل شده است. فرکانسهای قابل استفاده و همچنین محل استفاده از این فرکانسها (محیط داخلی یا خارجی) به قوانین رگولاتوری هر کشور وابسته است:

 

ب) سیگنال حامل:

دیتا دیجیتال از مجموعه 0 و 1 ها تشکیل شده است. انتقال دیتا بر روی رسانه­ های گوناگون (بستر سیمی، وایرلس و ..) به محدودیتهای آن رسانه وابسته است، لذا سیگنال ابتدایی(سیگنال دیجیتال) به سیگنالهایی که در آن محیط قابل انتشار است تبدیل می­ شود که اصطلاحاً به آن سیگنال حامل اطلاق می­ گردد. به فرآیند نبدیل سیگنال اصلی به سیگنال حامل مدولاسیون (modulation) اطلاق می­ گردد. در ارتباطات شبکه چون سیگنال اصلی از نوع دیجیتال باشد، نوع مدولاسیون نیز از نوع دیجیتال (Digital Modulation) و مبتنی بر Keying خواهد بود.

در روشهای مدولاسیون مبتنی بر Keying، فرستنده قادر است قسمتهای مختلف دیتای دیجیتال متشکل از صفر و یک را از طریق تغییر در مشخصه های سیگنال حامل(دامنه، فرکانس و فاز) برای گیرنده مشخص و ارسال نماید.در طرف مقابل گیرنده با مشاهده تغییرات موجود در مشخصه­ های سیگنال قادر به تشخیص و تمایز مقادیر صفر و یک از یکدیگر و تبدیل آن به داده دیجیتال خواهد بود.روشهای مورد استفاده جهت مدولاسیون بشرح زیر می ­باشد:

1. ASK  Amplitude-Shift Keying:

در این روش فرستنده از طریق ایجاد دامنه­ های مختلف در موج رادیویی مقادیر صفر و یک را برای گیرنده مشخص می­ نماید.در سمت مقابل، گیرنده نیز با مقایسه مقادیر مختلف دامنه قادر به بازسازی داده دیجیتال می­ باشد. وجود نویز و تداخل بالا در محیطهای WiFi در مقادیر دامنه سیگنالهای وایرلس تاثیر منفی داشته و از این روش جهت مدولاسیون استفاده نمی­ شود.

 

2. FSK  Frequency-Shift Keying:

در این روش فرستنده از طریق ارسال سیگنال رادیویی در فرکانسهای مختلف مقادیر صفر و یک را برای گیرنده مشخص می­ نماید. در سمت مقابل، گیرنده نیز با مقایسه مقادیر مختلف قادر به بازسازی داده دیجیتال خواهد بود. از روش تنها در نسلهای ابتدایی شبکه WiFi و پروتکل 802.11 استفاده شده و پیاده ­سازی آن برای رسیدن به سرعتهای بالا بصرفه نمی­ باشد.

3. PSK  Phase-Shift Keying:

در این روش فرستنده از طریق ارسال سیگنال رادیویی در فازهای مختلف مقادیر صفر و یک را برای گیرنده مشخص می­ نماید. در سمت مقابل، گیرنده نیز با مقایسه مقادیر مختلف قادر به بازسازی داده دیجیتال خواهد بود. با توجه به اینکه مقدار فاز سیگنال در بازه 0 تا 360 درجه می­ باشد، این امکان برای فرستنده وجود دارد که با ارسال سیگنال در یک فاز خاص دنباله ­ای از مقادیر صفر و یک را مشخص نماید. به این روش multiple phase-shift keying (MPSK) اطلاق می شود، بنابراین چنانچه هر سیگنال مبین یک بیت باشد روش BPSK و چنانچه مبین دو بیت باشد روش QPSK مورد استفاده خواهد بود. بعنوان مثال در شکل زیر فرستنده جهت ارسال دنباله ­های دوتایی از صفر و یک از 4 فاز مختلف با فواصل 90 درجه ­ای یا QPSK استفاده کرده است:

 

از این روش جهت انجام مدولاسیون در شبکه های WiFi و پروتکل 802.11 در سرعتهای پایین­ تر استفاده می­ شود.

4. QAM   Quadrature Amplitude Modulation:

در این روش فرستنده از طریق ایجاد تغییر در مقادیر فاز و دامنه، دنباله­ ای از مقادیر صفر و یک را برای گیرنده مشخص می­ نماید:

 

این روش سرعتهای بالاتری نسبت به روش PSK فراهم می­ نماید، لذا از آن جهت دستیابی به مقادیر بالاتر سرعت در شبکه های WiFi استفاده می­ شود.

صور فلکی (Constellation):

در روشهای مبتنی بر تغییر فاز یعنی  PSK و QAM فرستنده بجای ارسال بیتهای مجزا، یک نشانه یا Symbol ارسال می کند که نمایانگر چند بیت خواهد بود. تعداد بیتهای در هر روش از لگاریتم تعداد نمونه های قابل ارسال در مبنای دو حاصل خواهد شد. بعنوان مثال تعداد بیت حاصل از روش QAM-64، برابر با 6 بیت می باشد. در این روشها با توجه به اینکه فازها که مقادیری بین 0 و 360 درجه دارد مابین نشانه های مختلف متغییر هستند، این تغییر را میتوان با حرکت سیارات بر روی مدار خود بدور خورشید مقایسه کرد که هر موقعیت مکانی در سال معرف یک مقدار داده خواهد بود. جهت نمایش نشانه ها از نموداری تحت عنوان نمودار فلکی  (Constellation Dot Pattern) استفاده می گردد. در این نمودار فاصله از مرکز معرف دامنه و زاویه تشکیل شده با محور X ها معرف فاز می باشد. در شکل زیر میتوان نمودار فلکی مربوط به روش 4-QAM را مشاهده کرد:

در صورفلکی هر چه تعداد نمونه های یک روش بیشتر بیشتر باشه تعداد بیتهای قابل انتقال توسط آن روش نیز بیشتر خواهد بود ولی باید به این مساله توجه نمود که با افزایش تعداد نمونه ها اولاً فاصله نشانه ها به یکدیگر نزدیکتر می شود و ثانیاً تعداد تغییرات احتمالی برای آن نشانه بیشتر خواهد بود، در نتیچه در صورت بوجود آمدن نویز هر چه روش مدولاسیون پیچیده تر و تعداد نمونه ها بیشتر باشد، آشکار سازی و تشخیص داده سخت تر خواهد بود. در شکل زیر تعداد نشانه ها و حالتهای تغییر هر نشانه برای دو روش QAM-16 و QAM-64 قابل مشاهده می باشد:

نمودار طیف فرکانسی (Frequency Spectrum):

نمودار طیف فرکانسی مبین تغییرات دامنه در واحد فرکانس بوده و برای تمامی روشهای مدولاسیون شکل یکسانی خواهد داشت. این نمودار که دارای وضعیتی مشابه تابع Sin X/X می باشد دارای یک لوب (Lobe) اصلی و تعداد لوب فرعی در اطراف آن می باشد که لوب اصلی مشخص کننده فرکانس اصلی مورد استفاده در سیگنال حامل می باشد. هر چه فاصله دامنه لوب اصلی با لوبهای فرعی بیشتر باشد میزان تداخل فرکانسی سیگنال حامل با فرکانسهای مجاور کمتر خواهد بود:

نویسنده: مهدی رشگی

مفاهیم وایرلس – بخش دوم: توان سیگنال رادیویی