بیم فورمینگ (Beam Forming) یا فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن چیست؟
اهمیت توسعه فن آوری وای-فای (Wi-Fi) :
از زمان پیدایش تکنولوژی وای-فای، کاربردهای بسیار زیادی برای آن تعریف شده است، شبکههای Wi-Fi علاوه بر کاربرد به اشتراک گذاری شبکههای دیتا نظیر اینترنت، در مواردی نظیر سیستمهای ردیابی RFID، اسکن بارکدها در سیستمهای انبار داری و … کاربردهای گستردهای دارند. علاوه بر این با وجود توجه روز افزون به مقوله ارتباطات یکپارچه (Unified Communication) نیاز به شبکههای وای-فای با پهنای باند گارانتی شده و قابلیت اطمینان بالا ضروری به نظر میرسد.
امروزه سازمانهای بسیاری نیاز به راه اندازی شبکههای بیسیم جهت انتقال و به اشتراک گذاری ترافیک صوت و تصویر را درون خود احساس میکنند و تمایل به این موضوع سبب به وجود آمدن مفاهیمی نظیر Voice over Wi-Fi و Video over Wi-Fi در بازار شبکههای بیسیم گردیده است. بدون شک این نیاز چند رسانهای با شبکههای وای-فای نسل قدیم که packet loss ، Delay و Jitter اجزای جدا ناشدنی آنها هستند برآورده نخواهد شد. در این شبکهها قطع شدن یک تماس تلفنی و یا تصویر ارسالی به وفور دیده میشود.
شبکههای نسل جدید برای گارانتی کیفیت بهتر و بر طرف نمودن نیازهای رو به رشد بازار نیاز به بهره گیری از تکنولوژیهای جدید نظیر Beam Forming دارند.
بیشتر بخوانید: BeamFlex، تکنولوژی انحصاری برند راکاس
تعریف بیم فورمینگ (Beam Forming) :
فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن در دنیای امروز کاربردهای فراوانی دارد، از این ویژگی در علوم مختلف مانند زلزله شناسی، ستاره شناسی رادیویی، صوت شناسی و … استفاده میگردد. علاوه بر کاربرد آن در تجهیزات نظامی مانند انواع رادارها و سونارها (دستگاه کشف زیر دریایی به وسیله امواج صوتی) ، تجهیزات تجاری نیز از این قابلیت جهت بهبود کیفیت ارتباطات بیسیم بهره جسته اند. بیم فرمینگ (Beam forming) یا به عبارت ساده تر شکل دهی گلبرگ آنتن یکی از تکنیکهای پردازش سیگنال به منظور ایجاد فیلترینگ فضایی است، ویژگی که از آن جهت ارسال و دریافت سیگنال در حالت بهینه استفاده میگردد. نقش بیم فرمینگ در ارتباطات بیسیم و چگونگی کارکرد آن در اکسس پوینتهای وای-فای (WAP) موضوعی است که در ادامه راجع به آن صحبت خواهیم کرد.
بیم فورمینگ در واقع یک روش انتقال سیگنال رادیویی میباشد. اکسس پوینتی که دارای این تکنولوژی باشد انرژی سیگنال رادیویی (Radio Frequency) را به سمت کاربران فعال در شبکه وای-فای، متمرکز و هدایت میکند. این کار علاوه بر افزایش پهنای باند هر کاربر، منجر به افزایش محدوده پوشش Access Point و گسترش بیشتر شبکه میگردد.
علاوه بر مزایای عنوان شده، شکل دهی گلبرگ آنتن از اتلاف انرژی سیگنال رادیویی در مکانهای غیر ضروری و ایجاد آلودگی فرکانسی در محیطهای دیگر جلوگیری مینماید.
بیم فرمینگ میتواند از طریق مدارهای داخلی پیشرفته، آنتنهای هوشمند و یا ترکیبی از هر دو روش در یک اکسس پوینت ایجاد شود.
فن آوری Beam Forming ( شکل دهی گلبرگ آنتن ) چگونه کار میکند ؟
برای درک بهتر این موضوع که بیم فرمینگ بر چه اساسی کار میکند از یک مثال ساده استفاده میکنیم. تصور کنید سنگ کوچکی را داخل یک استخر بیاندازیم، سنگ روی سطح آب امواجی ایجاد میکند. حال اگر دو سنگ انداخته شود، امواج تولید شده مطابق با یک الگوی تداخل منظم با یکدیگر هم پوشانی میکنند. ایجاد هر گونه تغییر در مشخصات سنگ (اندازه و حجم سنگ و شدت پرتاب) موجب تغییر دامنه و فاز امواج ساطع شده روی سطح آب و همچنین تغییر الگوی تداخل ایجاد شده با امواج سنگهای دیگر میگردد. برای کنترل بهتر موقعیت، یک سنسور روی لبه استخر قرار داده تا تنها به دنبال الگوی صحیح امواج بگردد و تغییر مشخصات سنگ را ادامه میدهیم تا زمانیکه آن الگوی خاص به نقطه مورد نظر برسد. در نقاط دیگر استخر الگوی موج متفاوت خواهد بود ولی ما فقط به دنبال یک الگو در یک مکان خاص هستیم پس هر چیز دیگری نادیده گرفته میشود.
کارکرد بیم فرمینگ در اکسس پوینتها کم و بیش مشابه مثال فوق است. هر آنتن اکسس پوینت را همان سنگ کوچک در نظر بگیرید، در واقع شما مشخصات خروجی هر آنتن را در طول ارسال داده کنترل میکنید، هر آنتن با کمی تفاوت در مشخصات خروجی عمل ارسال داده را انجام میدهد. در اینجا با مشخصهای به نام آرایه فازی روبرو میشویم، آرایه فازی بر اساس جمع آثار امواج ارسال شده توسط مجموعه ای از آنتنها میباشد. در واقع بیم فرمینگ بر مبنای ترکیب المانها در یک آرایه فازی کار میکند، بطوریکه سیگنالهایی که در یک جهت خاص با یکدیگر تداخل سازنده داشته تقویت میشوند در حالیکه در جهتهای دیگر که باعث اختلال در عملکرد یکدیگر شده و تداخل مخرب داشتهاند تضعیف میگردند.
فن آوریهایی که فنآوری شکل دهی گلبرگ آنتن (Beam Forming) را در اکسس پوینتهای امروزی همراهی میکنند:
با توجه به اینکه فن آوری بیم فرمینگ جهت کارکرد نیاز با وجود چند آنتن دارد، این موضوع سبب میشود تا بتوان با حضور چند آنتن، فن آوریهای دیگری را جهت بهبود کارکرد Wi-Fi Access Point در یک دستگاه تعبیه نمود. برخی از پرکاربردترین فن آوریهای استفاده شده در کنار فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن به شرح ذیل است:
-
(Multiple Input-Multiple Output(MIMO
ممکن است با تکنولوژی MIMO آشنایی داشته باشید. بیایید به مثال استخرمان برگردیم. وقتیکه شما سنگی را در لبه سمت چپ استخر میاندازید و دریافتکننده یا همان کلاینت در لبه سمت راست استخر قرار دارد، بعضی از امواج در یک مسیر مستقیم از چپ به راست رفته و از کوتاهترین مسیر ممکن به مقصد میرسند، این در حالیست که بعضی دیگر از امواج به بالا و پایین منحرف شده و کمی دیرتر به دریافت کننده میرسند. این پدیده برای یک گیرنده ساده کمی گیج کننده به نظر میآید. تاثیرات ارسال داده از مسیرهای مختلف در رادیوهای قدیمی بلای جان عملکرد ارتباطات رادیویی بوده و باعث افت کارایی آنها میشده است.
حال اگر بجای یک گیرنده ساده از آنتنهای چندگانه در هر طرف استخر استفاده شود و جهت عبور سیگنالها از این مسیرهای چندگانه تحلیلگرهای هوشمند بکار گرفته شود، سیگنالهای مختلف با استفاده از آنتنهای مختلف براحتی در هر طرف ارسال و دریافت میشوند. تجهیزاتی که به تکنولوژی MIMO مجهز هستند دیگر برای ارسال و دریافت از مسیرهای مختلف دچار سردرگمی نمیگردند.
عملکرد بیم فرمینگ تنها به تقویت توان با استفاده از آنتنهای چندگانه محدود نمیشود، بلکه با استفاده از فاز سیگنالهای آنتن، سیگنال بیشتری (beam) در جهت کلاینت ارسال شده این در حالیست که انرژی کمتری در سایرجهات گسترده میگردد. با استفاده از این تکنولوژی علی رغم اینکه در کل انرژی کمتری گسترده شده ولی سیگنال ارسال شده در مسیر حضور گیرنده چند برابر میباشد. در واقع اکسس پوینت تنها نیاز دارد یک بسته سیگنال از کلاینت دریافت کرده و به این ترتیب از میان مسیرهای چندگانه مسیر مورد نظر جهت ارسال بیم را شناسایی نماید.
-
Diversity
دایورسیتی از طریق استفاده از چند کانال مخابراتی با ویژگیهای مستقل باعث افزایش قابلیت دریافت سیگنال میگردد. این ویژگی به عملکرد اکسس پوینت در محیط های شهری یا درون ساختمان که مسیر مستقیم بین فرستنده و گیرنده وجود نداشته و سیگنال قبل از رسیدن به کلاینت از مسیرهای مختلف منعکس میگردد، کمک شایانی مینماید. در این راستا جریان داده یکسان روی آنتنهای چندگانه ارسال شده و از این طریق اکسس پوینت با استفاده از قابلیت بیم فرمینگ به سادگی قادر است انتخاب کند که کدام آنتن بهترین سیگنال را دریافت میکند و بیم مورد نظر را بر این اساس ارسال نماید.
- (Maximal Ratio Combining( MRC
روش کار تکنولوژی MRC ترکیب سیگنال آنتنهای چندگانه به صورتی ست که سیگنالهای قویتر تقویت شده و سیگنالهای ضعیفتر، تضعیف میگردند. اکسس پوینتهای مجهز به قابلیت بیم فرمینگ از این تکنولوژی جهت تقویت توان و ارسال بیم مناسب استفاده میکنند.
انواع روشهای شکل دهی گلبرگ آنتن:
- On Chip Beam forming
در این نوع بیم فرمینگ اکسس پوینت تمام مدت گوش به زنگ کلاینت بوده تا از تحلیلهای ابتدایی MRC برای تقویت توان، ارسال بیم مناسب و ایجاد بهره (Gain) بیشتر استفاده کند. در اینجا وظیفه اصلی به عهده اکسس پوینت بوده و هیچ فیدبک اکتیوی از کلاینت دریافت نمیگردد.
- On Antenna Beam forming
این روش از آرایه آنتن استفاده کرده و هر بسته ارسالی را به منظور ارزیابی عملکرد آنتن تحلیل میکند. اکسس پوینت ارتباطات را رصد کرده و بیمها را جهت رسیدن به شرایط مناسب بصورت پویا تغییر میدهد. در اینجا نیز از تکنولوژی MRC استفاده میگردد. در این روش بخش عمده بهینهسازی توسط اکسس پوینت انجام میشود، بنابراین ارتباط بین اکسس پوینت و کلاینت ضروری نبوده ولی میتواند کمک کننده باشد.
- Implicit Beam forming
در بیم فرمینگ ضمنی، اکسس پوینت با کلاینت در ارتباط بوده و کلاینت بعضی فیدبکها را ارسال مینماید. در اینجا بجای اینکه اکسس پوینت کل تحلیل سیگنال را به عهده داشته باشد، کلاینت برای آن در خواستی میفرستد و چنانچه این درخواست مطابق با جهت بیم مورد نظر بود اکسس پوینت آنرا بهینه مینماید.
- Explicit Beam forming
در بیم فرمینگ صریح، ارتباط بین اکسس پوینت و کلاینت قویتر بوده و فیدبکهای بیشتری از جانب کلاینت دریافت میگردد. در این روش چنانچه کلاینت حرکت کرده یا هر اتفاقی بیفتد که منجر به تغییر قدرت سیگنال گردد، سیستم قادر است به سرعت خود را با شرایط جدید تطبیق داده و تنظیمات را بهینه کند.
شکل دهی گلبرگ آنتن (Beam Forming) در مقابله با چالشهای شبکه Wi-Fi :
با فراگیر شدن استفاده از شبکه Wi-Fi تقریباً همه به نوعی با چالشهای موجود در این شبکه آشنایی داشته و با آن درگیرند، چالشهایی از قبیل نویز، تداخل، پوشش، موانع، تراکم و … . استفاده از فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن تا حد ممکن این مشکلات را پشت سر گذاشته و به برقراری ارتباط بهتر و با کیفیت بالاتر کمک میکند. در ذیل بزرگترین تاثیرات فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن در بهبود سرویسدهی اکسس پوینت وای فای بررسی میگردد .
- بهبود کارکرد در حالت دید غیر مستقیم : آنچه که مسلم است اکسس پوینت و کلاینت همیشه در یک مسیر مستقیم و بدون مانع قرار ندارند، کلاینت ممکن است در گوشه و کنار و پشت موانع مختلف قرار داشته باشد. شرایط ممکن است تغییر کند، کاربران حرکت میکنند و روشن و خاموش کردن وسایلی مانند مایکروفر، کاهش و افزایش تعداد انسانهای حاضر در محیط که شاید از نظر شما اهمیت چندانی نداشته باشد سبب ایجاد تداخل، جذب و دیگر رفتارهای موج؛ روی طیفها میگردد. همه این مسایل می تواند مسیر و توان سیگنال را تغییر داده و مانع ارسال ترافیک گردد.
روش سنتی یک اکسس پوینت جهت جلوگیری از افت بستههای ارسالی و یا خطاهای بوجود آمده، کاهش سرعت انتقال داده میباشد تا زمانیکه کلاینت بتواند بستههای acknowledge را دوباره ارسال کند. سرعت پایین تر باعث میشود که انتقال داده مدت زمان بیشتری به طول بیانجامد و این امر اکسس پوینت را بیشتر مستعد پذیرش نویز و تداخل میکند. بنابراین وقتیکه شرایط رو به بدی میرود، داخل یک حلقه منفی گرفتار میشویم که نتیجه ای جز از بین رفتن عملکرد اکسس پوینت ندارد. در حالیکه یک آنتن هوشمند با بهرهگیری از فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن، برای مقابله با این تغییر شرایط تنها جهت بیم را بصورت پویا تغییر داده تا بهترین جهت را انتخاب کند.
- بهبود پوشش دهی : خوشبختانه تنها راه بدست آوردن پوشش ۳۶۰ درجه استفاده از آنتن omni-directional نیست، اگر به تعداد کافی آنتن های جهت دار داشته باشیم که با یکدیگر هم پوشانی موثر داشته باشند میتوان توسط آنها پوشش ۳۶۰ درجه ایجاد نمود. نکته مثبت کار اینجاست که لازم نیست دائماً همه این آنتن ها بکار گرفته شوند بلکه کافیست یکبار آنتن ها روی جهت کلاینت تنظیم شده و سپس به کمک بیم فرمینگ براحتی تعیین شود که چه ترکیبی از این آنتن ها بیم بهینه را در نقطه مورد نظر ایجاد می کند.
اگر شبکههای وای-فای نسل قدیم را به یک چراغ حبابی بزرگ تشبیه کنیم، بیم فورمینگ به مثابه تعدادی چراغ قوه قوی می باشد که تنها جهت های مورد نظر را روشن می کنند. همان طوری که از مثال گفته شده مشخص است، این نوآوری موجب افزایش محدوده پوشش شبکه های وای فای تا ۴ برابر شبکه های قبلی شده است.
- بهبود توانمندی مقابله با نویز و تداخل : همانطور که میدانید بازگشت تداخلات میتواند حتی بیشتر از تقویت بیم هدف روی کارایی اکسس پوینت تاثیر داشته باشد. تصور کنید در یک مکان شلوغ نشستهاید و سعی میکنید با شخص دیگری که کمی آنطرفتر نشسته صحبت کنید، سرو صدای موجود در محیط مانع از این شده که صدای طرف مقابل به وضوح به گوش شما برسد. حال اگر طرف مقابل با صدای بلند تری صحبت کند در واقع سیگنال تقویت شده است، چنانچه شما دستتان راپشت گوشتان قرار دهید تا صداهای اطراف کمتر به گوش شما برسد مثل اینست که تداخلهای موجود در محیط را تا حدی کاهش دادهاید و به این ترتیب صدا بهتر شنیده میشود.
با استفاده از فن آوری بیم فرمینگ تداخلات تا حدی بازگشت داده شده که این امر به افزایش بهره و ایجاد ارتباط با کیفیت بهتر کمک میکند.
- افزایش تراکم شبکه : سرازیر شدن سیل وسایل الکترونیکی از قبیل تلفنهای هوشمند، تبلتها و لپ تاپها به شبکههای وای-فای منجر به افزایش ترافیک شبکه و اختلال در عملکرد آن میگردد. به منظور حل این مشکل در شبکههای پر تراکم، علاوه بر افزایش تعداد اکسس پوینتها میتوان از تکنیکهای بهینه سازی طیف و مدیریت تداخلات RF جهت متمرکز کردن انرژی به سمت کلاینت و افزایش قدرت سیگنال توسط قابلیت بیم فرمینگ بهره برد. به این ترتیب کاربران شبکههای پر ظرفیت نیز ارتباطی پایدار و مطمئن خواهند داشت.
جمع بندی:
به هر ترتیب در دنیای ارتباطات بیسیم دسترسی به بازده صد در صد رویایی و دست نیافتنیست و دست و پنجه نرم کردن با مشکلات آن، همواره دغدغه ذهن کاربران این شبکه ها بوده است. اما با بهرهگیری از تکنولوژیهایی که تا حد امکان به حل این مشکلات کمک کنند، میتوان مقابله با این موانع را تسهیل کرد و لذت داشتن ارتباطی با کیفیت تر و ایمن تر را تجربه کرد.
در یک شبکه وای-فای چالشها و مسائل بسیار زیادی وجود دارد که موجب کم شدن قابلیت اطمینان شبکه و غیر قابل پیش بینی بودن کارکرد شبکه میگردد. حرکت تصادفی کاربران شبکه، تعدد کاربران و تنوع نوع کلاینتهای مورد استفاده توسط آنها، به وجود آمدن موانع غیر قابل پیش بینی بین اکسس پوینتها و کاربران نظیر تردد انسانها و یا حتی تغییر چیدمان وسایل و پارتیشنها در یک محیط اداری، جابجایی کاربران از محدوده پوشش یک اکسس پوینت به محدوده پوشش اکسس پوینت های دیگر، وجود نویز و تذاخل فرکانسی غیر قابل پیش بینی و ارزیابی در محیط های گوناگون و… همه و همه از جمله چالشهای پیش رو در راه اندازی یک شبکه وای-فای هستند.
اگرچه با پیشرفتهای صورت گرفته و ارائه پهنای باند بیشتر بسیاری از این مشکلات تا حدودی مرتفع شده اند، در صورت نیاز به داشتن شبکه ای مطمئن و کارآمد، تکنولوژی بیم فورمینگ ضروری به نظر می رسد.
محصولات پیشنهادی
- Read MoreQuick View
Ruckus Access Point R710
Indoor 802.11ac Wave 2 Wi-Fi A…
- Read MoreQuick View
Ruckus Access Point T301
Outdoor 2×2:2 2.4/5GHz 802.11a…
- Read MoreQuick View
Ruckus Access Point T300
Outdoor 802.11ac Wi-Fi Access …
- Read MoreQuick View
Ruckus Access Point T610
Outdoor 802.11ac Wave 2 Wi-Fi …