بررسی استاندارد بیسیم وای-گیگ(WiGig) و کاربرد آن

بررسی استاندارد بیسیم وای-گیگ(WiGig) و کاربرد آن

در حوزه تکنولوژی و تحقیقات جدید در زمینه دستگاه های موبایل یا شبکه های وایرلس ، اصطلاح وای-گیگ (WiGig) نامی است آشنا، در این مقاله می خواهیم این پروتکل فوق سریع وایرلس و نحوه کارکرد آن را بررسی کنیم.

وای-گیگ یک استاندارد وایرلس است که برای ارائه سرعت های بسیار بالا در شبکه های بیسیم طراحی شده. زیرساخت این فناوری شباهت زیادی با پروتکل 802.11ac دارد، اما در فرکانس بالاتری کار می کند. همان طور که می دانید شبکه های وایرلس اینترنت کنونی در باندهای 2.4 و 5 گیگاهرتز فعال هستند، اما وای-گیگ برای انتقال داده از باند 60 گیگاهرتز بهره می گیرد.

در واقع می توان وای-گیگ را را نوعی جایگزین مدرن برای وای-فای خانگی در نظر گرفت که ارائه و به کار گیری اینترنت فوق سریع را تشویق می کند.

سرعت WiGig

وقتی می گوییم ارتباط فوق سریع، واقعاً منظورمان همین است. در حال حاضر سیستم های ارتباط فیبری می توانند اینترنت را با سرعت 1 گیگابیت بر ثانیه در اختیار کاربران قرار دهند، اما وای-گیگ فراتر از اینهاست. استاندارد وای-گیگ برای برای برقراری ارتباط پایدار با سرعت 8-7 گیگابیت بر ثانیه طراحی شده است.

با چنین سرعتی به راحتی می توانید اطلاعات مورد نیاز خود را در کسری از ثانیه دانلود کنید، یعنی عملاً فرایند دانلود بی معناست. حتی در حالت تئوری و روی کاغذ، وای-گیگ پتانسیل دستیابی به سرعت های 50-40 گیگابیت بر ثانیه را هم دارد، اما ابزارهای کنونی نمی توانند چنین نرخ داده ای را پشتیبانی کنند.

البته همان طور که می دانید سرعت اینترنت به تمام اجزای اکوسیستم ارتباطی یعنی روترها، سرورها، کابل ها و غیره بستگی دارد؛ پس دستیابی به سرعت باورنکردنی 7 یا 8 گیگابایت بر ثانیه در دنیای کنونی و در مقیاس وسیع، به این راحتی ها ممکن نیست. با این حال وای-گیگ می تواند مرزهای انتقال داده را از بین ببرد و هر زمان که دیگر تجهیزات به روز شوند، پتانسیل واقعی خود را نشان دهد. وای-گیگ مزایای دیگری از جمله تأخیر بسیار ناچیز را نیز به همراه دارد.

سازمان IEEE که وظیفه آن استانداردسازی است، استانداردی به‌نام 802.11ad را بانام شناخته‌شده WiGig تصویب کرد. وای‌گیگ فناوری بی‌سیمی است که در بخشی از طیف رادیویی عمل می‌کند؛ جایی که پهنای باند زیادی موجود است. پیش‌تر 14 گیگاهرتز از طیف (از 57 گیگاهرتز تا 71 گیگاهرتز) برای استفاده‌های بدون مجوز (آزاد) در نظر گرفته‌شده بود. پهنای باند وای‌گیگ، بخشی جدا از این طیف است که به مشتریان اختصاص داده‌ شده است. وای‌گیگ توسط Wifi Alliance مدیریت می‌شود و هدف آن فراهم کردن نرخ انتقال بیشتر و همچنین کاهش شلوغی در باندهای 2.4 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز است.

این فناوری شگفت انگیز چه زمانی معرفی شد؟

وای-گیگ یک استاندارد جداگانه و مستقل است که در سال 2013-2012 توسط «وای-فای گیگابیت الاینس» یا معاهده وای-گیگ معرفی شده و هدف آن، گسترش اینترنت پر سرعت گیگابیتی در جهان است. البته وای-گیگ به سرعت و در همان سال 2013 به «وای-فای الاینس» پیوست، که تمام پروتکل های وای-فای را تحت کنترل دارد. از آن زمان به بعد، معاهده وای-فای استاندارد وای-گیگ را نیز مدیریت می کند.

شاید از اینکه چنین استاندارد پیشرفته ای 6-5 سال قبل معرفی شده تعجب کنید، اما متأسفانه دنیای پروتکل ها و استانداردها به همین اندازه عجیب است. ساخت یک پروتکل جدید کار مانند انتقال داده بیسیم تازه ابتدای ماجراست؛ پس از آن مراحل دشوار و زمان بری مانند توسعه ابزارها و روش ها را پیش رو داریم، آن هم فقط روی کاغذ.

تازه پس از توسعه نهایی بخش تئوری ماجرا، باید پروتکل را تا جای ممکن اصلاح کرد، راهنمای آن را منتشر نمود، و سپس به سازندگان تجهیزات این امیدواری را داد که سرمایه گذاری در این پروتکل جدید واقعاً ارزش دارد، فقط باید برای مدت زمان نامعلومی صبر پیشه کنند تا این پروتکل در دنیای فناوری جا باز کند.

چرا تازه به یاد وای-گیگ افتاده ایم؟

دو دلیل مهم برای وضعیت کنونی وجود دارد. اول اینکه تأیید استاندارد وای-گیگ به زمان زیادی نیاز داشت. معاهده وای-فای طی سال های اخیر پروتکل های وایرلس متعددی را بررسی کرده و آماده سازی وای-گیگ برای دنیای واقعی هم زمان بر بوده است. در واقع وای-گیگ نشأت گرفته از استاندارد 802.11ad است و به همین دلیل باید به اندازه کافی با آن تفاوت داشته باشد.

همین محدودیت های زمانی و فرایندهای طولانی باعث شد تا دستیابی به استاندارد واضح و آشکار برای وای-گیگ تا به امروز طول بکشد، استانداردی که سازندگان تجهیزات بتوانند به راحتی از آنها استفاده کنند. بحث و گفتگوهای فراوان پیرامون این پروتکل جدید در مورد به روز رسانی و ارتقاء تجهیزات کنونی، از جمله روترها و موبایل ها، همگی باعث شدند تا وای-گیگ طی ماه های اخیر در دنیای فناوری معروف شود.

دلیل دوم هم این است که در اوایل دهه جاری میلادی، فناوری های موجود توانایی پشتیبانی از وای-گیگ را نداشتند. پیاده سازی این استاندارد هیچ نتیجه ای را در پی نداشت، چون تولید انبوه قطعات و تجهیزات زیرساختی بزرگ و حجیم آن هم به راحتی ممکن نبود. اندک محصولاتی به پیاده سازی این پروتکل روی آوردند، اما عملاً کاربردی نداشتند.

به خاطر داشته باشید که تا چند سال قبل هیچ کس با انتقال داده در فرکانس 60 گیگاهرتز آشنایی نداشت. حالا با گذشت زمان کافی، تکنولوژی به اندازه کافی با این مفهوم کنار آمده و تولید کنندگان به تولید انبوه قطعاتی روی آورده اند که واقعاً می توانند ارتباط پایدار وای-گیگ را برقرار سازند.

آیا وای-گیگ جایگزین استانداردهای وای-فای کنونی می شود؟

به هیچ وجه. سیگنال های وایرلس در فرکانس های بسیار بالا، مثلاً همین 60 گیگاهرتز در پروتکل وای-گیگ، رفتار کاملاً متفاوتی با سیگنال های بیسیم کنونی در تجهیزات خانگی دارند. مهم ترین موضوع این است که فرستنده و گیرنده سیگنال های 60 گیگاهرتزی باید دقیقاً یکدیگر را بدون مانع ببینند، یعنی این سیگنال توانایی عبور از دیوار را ندارد و نمی تواند یک شعاع خاص را به طور کامل پوشش دهد. برای مخابره سیگنال در پروتکل وای-گیگ، آنتن های کوچکی به اندازه انگشت شست انسان باید رو در روی یکدیگر قرار بگیرند. البته اندازه این آنتن ها روز به روز کوچک تر می شود.

این محدودیت ها، توانایی عمومی وای-گیگ را به شدت پایین می آورد. اگرچه ارتباط فوق سریع به واسطه این پروتکل ممکن است، ولی فقط بین دو دستگاه در یک اتاق که مستقیماً رو در روی هم قرار بگیرند. تازه باید حواستان باشد که از فضای بین آنها عبور نکنید و هیچ مانعی را سر راه آنها قرار ندهید.

همان طور که می بینید، وای-گیگ فعلاً یک استاندارد جانبی محسوب می شود که در موارد خاص، در کنار وای-فای استاندارد کنونی به کار گرفته خواهد شد. از کاربردهای بالقوه وای-گیگ می توان به دانلود سریع داده در سرورها یا انتقال تصویر با کیفیت بین دو دستگاه اشاره کرد. هدست های مستقل واقعیت افزوده یا مجازی که به نرخ انتقال داده بالایی نیاز دارند هم از این پروتکل بهره می برند. با این حال، شاید در آینده محدودیت های کنونی وای-گیگ هم رفع شده و شاهد استفاده خانگی از این پروتکل کاربردی باشیم.

ویژگی‌های فنی WiGig

بسیاری از کارشناسان حوزه فناوری بر این باور هستند که استاندارد وای‌گیگ به‌واسطه ویژگی‌ها و مشخصات فنی خاصی که در اختیار دارد این پتانسیل را دارد تا دنیای ارتباط بی‌سیم را دستخوش تحول کند. از ویژگی‌های فنی این فناوری به موارد زیر می‌توان اشاره کرد.

1. محدوده و پوشش

وای‌گیگ برای فرکانس 60 گیگاهرتز طراحی‌شده و این در حالی است که استانداردهای فعلی روی فرکانس 2.4 GHz و 5 GHz کار می‌کنند. میزان تضعیف سیگنال وای‌گیگ با افزایش فاصله، نسبت به سیگنال‌های رادیویی، 100 برابر بیشتر است. وای‌گیگ سعی دارد با استفاده از سیگنال‌های باریک (narrow) در سمت گیرنده و فرستنده با این مشکل مقابله کند. علاوه بر آن محدوده‌ای که وای‌گیگ پوشش می‌دهد تنها 30 فوت (حدود 9 متر) است. ازآنجاکه سیگنال‌های وای‌گیگ نمی‌تواند از دیوار یا بدن انسان عبور کند، محدوده سلول آن در حد یک اتاق است؛ و خط ارتباطی گیرنده و فرستنده باید یک‌راست باشد.

2. آنتن چندگانه در انتقال

در حال حاضر وای‌فای از تکنیک آنتن چندگانه به نام MIMO برای مالتی‌پلکسینگ فضایی (spatial) استفاده می‌کند. هدف این کار افزایش گذردهی در لینک‌ بی‌سیم است. سیگنال‌های رادیویی فرستنده به دلیل برخورد با اشیای اطراف و انعکاس، از مسیرهای مختلفی به گیرنده می‌رسند که به آن چندمسیری یا multipath گفته می‌شود. MIMO از چند مسیری با پردازش سینگال استفاده می‌کند تا چند استریم بین فرستنده و گیرنده ایجاد کند که این مورد استریم‌های فضایی (SS) نامیده می‌شود. اطلاعاتی که در هر استریم منتقل می‌شود با سایر استریم‌ها متفاوت است. امروزه بیشتر دستگاه‌ها یک یا دو آنتن دارند که انتقال‌های 1-SS و 2-SS رایج‌تر از بقیه هستند.

وای‌گیگ از آنتن‌های چندگانه در جهت‌های مختلف استفاده می‌کند که به آن beamforming گفته می‌شود. در حال حاضر، وای‌فای از beamforming پشتیبانی می‌کند اما نحوه پیاده‌سازی در وای‌گیگ متفاوت خواهد بود. Beamforming فعلا یک گزینه اختیاری در وای‌فای محسوب می‌شود و با تعداد کمی از آنتن‌ها (مثلا 4 آنتن) پیاده‌سازی می‌شود ؛ این در حالی است که آنتن‌های یک اکسس‌ پوینت وای‌گیگ می‌تواند تا 64 آنتن هم افزایش پیدا کند. 

3. دسترسی چندگانه

در وای‌فای امروزی، روش غالب، دسترسی چندگانه CSMA است. در این روش ابتدا دستگاه کانال را بررسی می‌کند و اگر کانال اشغال بود (دستگاهی دیگر در حال ارسال بود) برای مدت زمانی صبر می‌کند و مراحل را دوباره انجام می‌دهد. به این فاصله زمانی، زمان backoff گفته می‌شود. در CSMA برخورد هنگامی اتفاق می‌افتد که دو دستگاه هم‌زمان بخواهند به یک گیرنده، ارسال کنند. در وای‌گیگ به دلیل این‌که گیرنده و فرستنده در یک مسیر مستقیم داده می‌فرستند، CSMA توان تشخیص آن را ندارد. برای مثال، زمانی که دستگاه A با استفاده از beamforming به دستگاه B ارسال می‌کند، دستگاه C توانایی تشخیص این انتقال را ندارد؛ بنابراین یک مد دسترسی جدید به نام دوره سرویس یا SP (سرنام Service Period) به وای‌گیگ اضافه‌شده که زمان‌بندی انتقال توسط اکسس‌پوینت، به دستگاه اختصاص داده‌شده است.

4. مجموعه سرویس‌های پایه

امروزه وای‌فای دو مود عملیاتی دارد: BSS زیرساختی و ad hoc BSS. در BSS زیرساختی، همه دستگاه‌ها از طریق اکسس‌پوینت با یکدیگر صحبت می‌کنند ولی در حالت ad hoc خودشان به‌صورت مستقیم این کار را انجام می‌دهند. وای‌گیگ یک مود ترکیبی به نام PBSS معرفی کرد که دستگاه‌ها نه از طریق اکسس‌پوینت اما با هماهنگی آن ارتباط برقرار می‌کنند. دستگاه‌ها همچنین می‌توانند مستقیم از طریق CSMA یا زمان‌بندی SP با یکدیگر تماس حاصل کنند. این مورد برای اپلیکیشن‌هایی (مانند اپلیکیشن‌های تبلت) طراحی‌شده که بخواهند ویدئوهای HD را بدون نیاز به اکسس‌پوینت ارسال کنند و همچنین بتوانند به شبکه‌ای دیگر از طریق اکسس‌پوینت متصل شوند.

5. تداخل

این‌که می‌گوییم وای‌گیگ سریع‌ترین ‌وای‌فای است کمی گمراه‌کننده است. حداکثر نرخ دیتایی که در 802.11ax پشتیبانی می‌شود 9.6 گیگابیت است و این مقدار برای وای‌گیگ 7 گیگابیت است. نرخ ارسال داده‌ها در حالت واقعی به‌مراتب کمتر است.

وای‌گیگ ممکن است به مشکلاتی که در وای‌فای 2.4 و 5 گیگاهرتز وجود دارد برخورد نکند؛ زیرا از دیوار و موانع مشابه عبور نمی‌کند. دستگاه‌های آینده در وای‌فای باید از سه باند 2.4، 5 و 60 گیگاهرتز پشتیبانی کنند. 

اپلیکیشن‌های امروز

اپلیکیشن‌هایی با برد کم برای وای‌گیگ واجب هستند. امروزه، به اشتراک‌گذاری صفحه‌نمایش دستگاه‌ها (مثلا از تبلت به تلویزیون) یک امر متداول است. با سرعت وای‌فای فعلی و با استفاده از فشرده‌سازی داده می‌توان اتصال را حفظ کرد؛ اما دو مشکل در این راه وجود دارد: نخست این‌که کیفیت تصاویر پایین می‌آید یا گاهی تصویر قطع می‌شود و دوم تاخیر نمایش در هر دو دستگاه است. وای‌گیگ به فشرده‌سازی داده نیازی ندارد و دو مشکل بالا را حل می‌کند.

مثال دیگری که می‌توان به آن اشاره کرد هدست‌های واقعیت مجازی است. این هدست‌ها اگر با سیم به دستگاه اصلی متصل باشد، محدودیت‌هایی در حرکت کاربر ایجاد می‌کند و اگر به‌صورت بی‌سیم باشد همان مشکل همیشگی یعنی نرخ داده پایین را دارد. با استفاده از وای‌گیگ، کاربران هدست واقعیت مجازی، تجربه بهتری در استفاده از آن خواهند داشت. به‌طورکلی، وای‌گیگ برای اپلیکیشن‌های که به تحرک و ارتباط بی‌سیم نیاز دارند (مانند گیمینگ)، بسیار کاربردی است.

شرکت‌های زیادی سعی دارند به‌نوعی وای‌گیگ را با محصولات خود مطابقت دهند، مانند Blue Wireless، Intel، Nitero، Peaso، کوال‌کام و Tensorcom. شرکت Dell نیز تغییرات قابل‌توجهی در دستگاه‌های خود داده و بیشتر لپ‌تاپ‌ها را طوری طراحی کرده که از وای‌گیگ پشتیبانی کنند. شرکت‌های دیگری هم در زمینه ساخت روتر فعالیت دارند که دستگاه‌های آن‌ها نیز از وای‌گیگ پشتیبانی می‌کند مانند Acelink، Netgear و TPlink. روترهای وایرلس جدید از 802.11n در 2.4 گیگاهرتز، 802.11ac در 5 گیگاهرتز و 802.11ad در 60 گیگاهرتز پشتیبانی می‌کند.

اپلیکیشن‌های فردا

وای‌گیگ می‌تواند وسیله‌ای برای تغییر محیط‌های بی‌سیم مانند دفاتر کاری باشد. کارمندان در دفاتر معمولاً از لپ‌تاپ، تبلت یا دستگاه‌های 2in1 استفاده می‌کنند که می‌تواند در خانه یا در بین مسیر در دست داشته باشند. زمانی‌که آن‌ها پشت میز خود نشسته‌اند، قصد دارند از صفحه‌نمایش بزرگ‌تر، شبکه‌های محلی و همچنین دستگاه‌های جانبی استفاده کنند. وای‌گیگ احتمالاً تنها استاندارد بی‌سیمی است که می‌تواند تمام ارتباطات مورد نیاز آن‌ها را تأمین کند و هم‌زمان دستگاه بی‌سیم را هم شارژ کند.

بر اساس گفته‌های مدیران شرکت Dell، یک راه‌حل جامع برای اجرای ارتباطات بی‌سیم در یک دفتر، هم به وای‌گیگ و هم به شارژ به‌صورت بی‌سیم نیاز دارد. محصولات جدید این شرکت به نام Latittude 7285 (یک دستگاه 2in1 که هم در تبلت و هم در لپ‌تاپ می‌تواند استفاده شود) و Dell Wireless Dock از عملکرد بی‌سیم پشتیبانی می‌کنند.

از اتاق‌های کنفرانس نیز نباید غافل شد. ممکن است کاربران بخواهند به پروژکتور، شبکه محلی دفتر یا هر چیز دیگری متصل شوند. وای‌گیگ نیاز به کابل و دیگر وسیله‌ها را برای اتصال از بین می‌برد. البته کاربران معمولا زمان زیادی در اتاق کنفرانس حضور ندارند و شارژ به‌صورت بی‌سیم اختیاری است. اما باید توجه داشت که تنها وای‌گیگ پهنای باند لازم را برای تمام ارتباطات پرتعداد و هم‌زمان دارد.

شاید در آینده دستگاه‌ها بدون نیاز به هیچ وسیله‌ای به یکدیگر متصل شوند و تمام ارتباطات با برد کم از وای‌گیگ کمک بگیرند. چیزی که تا به حال به کمک بلوتوث و وای‌فای تا حدودی انجام‌شده است. همان‌طور که گفتیم شارژ کردن نیز به‌صورت بی‌سیم انجام خواهد شد. امروزه، شارژ کردن معمولا به یک مکان مشخص برای دستگاه نیاز دارد و همچنین یک پد شارژ. روش‌هایی که قرار است به آن برسیم می‌تواند دستگاه را در هر مکانی شارژ کند و از آن مهم‌تر اینکه نحوه شارژ دستگا‌ه‌ها یکسان می‌شود. در حال حاضر، هر دستگاه به یک نوع شارژر مخصوص نیاز دارد اما روزی فرامی‌رسد که همه آن‌ها به‌صورت مشابه و با یک استاندارد مشخص شارژ شوند.

نکته مهم دیگر در مورد استفاده از وای‌گیگ بحث حریم خصوصی است که کمتر به آن توجه می‌شود. وای‌گیگ برای اپلیکیشن‌های حیاتی (مثلا بخش مدیریتی یک کارخانه) بسیار جذاب خواهد بود. زیرا پهنای باند قابل‌توجهی فراهم می‌کند و در عین‌حال سیگنال‌ها حتی از ساختمان هم بیرون نمی‌روند. 

زمانی‌که وای‌گیگ به بلوغ برسد حتی می‌تواند در خانه هوشمند نیز به‌کار گرفته شود؛ از کنترل قفل‌های هوشمند گرفته تا خاموش کردن لامپ‌ها. البته این نکته را هم باید در نظر داشت که در بخش‌های مختلفی از خانه هوشمند، امواج باید از دیوارها عبور کنند و همچنان وای‌فای یا فناوری‌های مشابه در کنار وای‌گیگ به‌کار گرفته خواهند شد.

پتانسیل وای‌گیگ 

موفقیت وای‌گیگ به عامل‌های مختلفی بستگی دارد. بهبود عملکرد وای‌‌گیگ اجازه استفاده از آن را در فاصله‌ای بیشتر فراهم می‌کند. همچنین در مسیرهایی که خط مستقیمی بین دستگاه‌ها نیست، امکان اتصال به وجود می‌آید. نرخ داده‌ای که وای‌گیگ در حال حاضر فراهم می‌کند بین 2گیگابیت و 3 گیگابیت بر ثانیه در فاصله 30 فوت است. این پتانسیل وجود دارد که در آینده این نرخ در فاصله‌ای دورتر افزایش یابد.

وقتی تاریخچه وای‌فای را بررسی می‌کنیم، نگاه خوش‌بینانه‌ای به آینده وای‌گیگ داریم. نخستین LAN بی‌سیم در دهه 1990 معرفی شد. آن‌ها بسیار کند بودند و اصلا قابل قیاس با سرعت امروزی نبودند، حجیم و در عین‌حال گران‌قیمت بودند. اگر به آن دوران برگردیم، شما می‌توانستید 1000 دلار خرج کنید و یک LAN بی‌سیم با سرعت 100 کیلوبیت بر ثانیه تحویل بگیرید. اما سرعت رشد و بهبود بخش بی‌سیم خیره‌کننده بوده است. محصولات فعلی پرسرعت، کوچک و به‌مراتب ارزان‌تر هستند. نخستین استاندارد وای‌فای به نام 802.11b در سال 1999 منتشر شد. حدود 10 سال طول کشید تا شبکه محلی بی‌سیم به بلوغ برسد. اینکه وای‌گیگ پهنای باند قابل‌توجهی فراهم می‌کند، انگیزه زیادی هم برای بهبود در عملکرد و هم برای کاهش هزینه ایجاد می‌کند. 

از طرفی نکته امیدوارکننده دیگری در مورد وای‌گیگ وجود دارد. واضح است که فناوری امواج میلی‌متری نقش بزرگی در شبکه‌های 5G خواهد داشت. از طرفی زمانی‌که یک استاندارد جدید ارتباطی به وجود می‌آید، باید در دستگاه‌هایی که قرار است از آن پشتیبانی ‌کنند، تغییرات ایجاد شود. از جمله دستگاه‌های زیرساختی مانند روترها، HDTV و کامپیوترهای دسکتاپ. همچنین آنتن‌های ویژه‌ای باید برای دستگاه‌هایی مانند گوشی هوشمند و تبلت ساخته شود. دور از انتظار نیست که در سال‌های آتی میلیاردها دستگاه به فناوری وای‌گیگ مجهز شوند. این به آن معنا است که وای‌گیگ بیشتر در معرض توجه قرار خواهد گرفت و مهندسان بسیاری برای بهبود عملکرد آن تلاش خواهند کرد. همچنین شرکت‌های مختلف بر سر کاهش یک دلار هم با یکدیگر رقابت خواهند کرد. وای‌گیگ یک‌شبه بالغ نمی‌شود اما روزی فرا می‌رسد که آن را در هر جایی ببینید .