IEEE 802.11e-2005
يُعدّ معيار IEEE 802.11e-2005 أو 802.11e تعديلًا مُعتمدًا لمعيار IEEE 802.11 ، يُحدّد مجموعة من تحسينات جودة الخدمة (QoS) لتطبيقات الشبكات المحلية اللاسلكية (WLAN) من خلال تعديلات على طبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC). [ 1 ] يُعتبر هذا المعيار بالغ الأهمية للتطبيقات الحساسة للتأخير، مثل نقل الصوت عبر الشبكات المحلية اللاسلكية وبث الوسائط المتعددة . وقد أُدمج هذا التعديل في معيار IEEE 802.11-2007 المنشور .
عنوان MAC الأصلي 802.11
دالة التنسيق الموزع (DCF)
تستخدم طبقة MAC الأساسية في معيار 802.11 وظيفة التنسيق الموزع (DCF) لمشاركة الوسيط بين عدة محطات. وتعتمد وظيفة التنسيق الموزع (DCF) على بروتوكول CSMA/CA وبروتوكول 802.11 RTS/CTS الاختياري لمشاركة الوسيط بين المحطات. وهذا له عدة قيود:
- إذا حاولت العديد من المحطات الاتصال في نفس الوقت، فسيحدث العديد من التصادمات مما سيؤدي إلى انخفاض عرض النطاق الترددي المتاح وربما يؤدي إلى انهيار الازدحام .
- لا توجد ضمانات لجودة الخدمة. وعلى وجه الخصوص، لا يوجد مفهوم لحركة البيانات ذات الأولوية العالية أو المنخفضة.
دالة تنسيق النقاط (PCF)
يُعرّف بروتوكول التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) الأصلي 802.11 وظيفة تنسيق أخرى تُسمى وظيفة تنسيق النقاط (PCF). هذه الوظيفة متاحة فقط في وضع "البنية التحتية"، حيث تتصل المحطات بالشبكة عبر نقطة وصول (AP). هذا الوضع اختياري، ولا يُطبّقه سوى عدد قليل جدًا من نقاط الوصول أو محولات Wi-Fi. تُرسل نقاط الوصول إطارات الإشارة على فترات منتظمة (عادةً كل 100 وحدة نقل أو 0.1024 ثانية). بين إطارات الإشارة هذه ، تُحدد وظيفة تنسيق النقاط فترتين: فترة خالية من التنازع (CFP) وفترة التنازع (CP). في فترة التنازع، يُستخدم تنسيق النقاط المُخصص (DCF). أما في فترة خالية من التنازع، فترسل نقطة الوصول حزم استطلاع خالية من التنازع (CF-Poll) إلى كل محطة، واحدة تلو الأخرى، لمنحها الحق في إرسال حزمة. نقطة الوصول هي المنسق. على الرغم من أن هذا يسمح بإدارة أفضل لجودة الخدمة، إلا أن PCF لا يحدد فئات حركة المرور كما هو شائع مع أنظمة جودة الخدمة الأخرى (مثل 802.1p و DiffServ ).
تشغيل بروتوكول MAC 802.11e
يُحسّن معيار 802.11e وظيفتي DCF وPCF من خلال وظيفة تنسيق جديدة: وظيفة التنسيق الهجينة (HCF). تتضمن وظيفة التنسيق الهجينة طريقتين للوصول إلى القناة، على غرار تلك المُعرّفة في معيار 802.11 MAC القديم: الوصول المُتحكّم به إلى القناة (HCCA) والوصول المُوزّع المُحسّن إلى القناة (EDCA). تُحدّد كلتا الطريقتين EDCA وHCCA فئات حركة البيانات (TC). على سبيل المثال، يُمكن تخصيص رسائل البريد الإلكتروني لفئة أولوية منخفضة، بينما يُمكن تخصيص الصوت عبر الشبكة اللاسلكية المحلية (VoWLAN) لفئة أولوية عالية.
الوصول المحسن إلى القنوات الموزعة (EDCA)
يُعدّ EDCA آلية جودة خدمة مدعومة في معيار 802.11e. مع EDCA، تزداد فرصة إرسال البيانات ذات الأولوية العالية مقارنةً بالبيانات ذات الأولوية المنخفضة: ففي المتوسط، تنتظر المحطة التي تُرسل بيانات ذات أولوية عالية فترةً أقصر قبل إرسال حزمتها مقارنةً بالمحطة التي تُرسل بيانات ذات أولوية منخفضة. ويتحقق ذلك من خلال بروتوكول TCMA، وهو أحد مشتقات CSMA/CA، حيث يستخدم فاصلًا زمنيًا أقصر بين الإطارات (AIFS) للحزم ذات الأولوية العالية. [ 3 ] وتعتمد القيم الدقيقة على الطبقة الفيزيائية المستخدمة لنقل البيانات. إضافةً إلى ذلك، يوفر EDCA وصولًا خاليًا من التنازع إلى القناة لفترة تُسمى فرصة الإرسال (TXOP). وTXOP هي فترة زمنية محددة يمكن للمحطة خلالها إرسال أكبر عدد ممكن من الإطارات (طالما أن مدة الإرسال لا تتجاوز الحد الأقصى لـ TXOP). إذا كان حجم الإطار كبيرًا جدًا بحيث لا يمكن إرساله في TXOP واحد، فيجب تجزئته إلى إطارات أصغر. يقلل استخدام TXOPs من مشكلة حصول المحطات ذات معدل البيانات المنخفض على وقت قناة مفرط في بروتوكول MAC القديم 802.11 DCF . ويعني فاصل زمني لـ TXOP يساوي صفرًا أنه يقتصر على وحدة بيانات خدمة MAC واحدة (MSDU) أو وحدة بيانات بروتوكول إدارة MAC واحدة (MMPDU).
تُسمى مستويات الأولوية في بروتوكول EDCA فئات الوصول (ACs). ويمكن ضبط نافذة التنافس (CW) وفقًا لحجم البيانات المتوقع في كل فئة وصول، حيث تتطلب الفئات ذات حجم البيانات الأكبر نافذة أوسع. ويتم حساب قيمتي CWmin وCWmax من قيمتي aCWmin وaCWmax، على التوالي، واللتين تُحددان لكل طبقة فيزيائية يدعمها معيار 802.11e.
| مكيف هواء | CWmin | CWmax |
|---|---|---|
| الخلفية (AC_BK) | aCWmin | أقصى وزن متردد |
| بذل قصارى الجهد (AC_BE) | aCWmin | أقصى وزن متردد |
| فيديو (AC_VI) | (aCWmin+1)/2-1 | aCWmin |
| صوت (AC_VO) | (aCWmin+1)/4-1 | (aCWmin+1)/2-1 |
بالنسبة لقيم نموذجية لـ aCWmin=15 و aCWmax=1023، كما هو مستخدم، على سبيل المثال، بواسطة OFDM (802.11a) و MIMO (802.11n)، فإن القيم الناتجة هي كما يلي:
| مكيف هواء | CWmin | CWmax | AIFSN | أقصى TXOP |
|---|---|---|---|---|
| الخلفية (AC_BK) | 15 | 1023 | 7 | 0 |
| بذل قصارى الجهد (AC_BE) | 15 | 1023 | 3 | 0 |
| فيديو (AC_VI) | 7 | 15 | 2 | 3.008 مللي ثانية |
| صوت (AC_VO) | 3 | 7 | 2 | 1.504 مللي ثانية |
| إدارة خدمات الأطفال والعائلات القديمة | 15 | 1023 | 2 | 0 |
يتم ربط وحدات التحكم في الوصول (ACs) مباشرة بمستويات أولوية فئة الخدمة (CoS) على مستوى الإيثرنت :
| – | 802.1p | 802.11e | |||
|---|---|---|---|---|---|
| أولوية | نقطة رمز الأولوية (PCP) | اختصار | نوع حركة المرور | فئة الوصول (AC) | تعيين |
| الأقل سعرًا | 1 | بي كيه | خلفية | AC_BK | خلفية |
| 2 | – | إضافي | AC_BK | خلفية | |
| 0 | يكون | بذل قصارى الجهد | AC_BE | بذل قصارى الجهد | |
| 3 | EE | جهد ممتاز | AC_BE | بذل قصارى الجهد | |
| 4 | سي إل | حمولة مُتحكم بها | AC_VI | فيديو | |
| 5 | السادس | فيديو | AC_VI | فيديو | |
| 6 | صوت | صوت | AC_VO | صوت | |
| أعلى مستوى | 7 | كارولاينا الشمالية | التحكم في الشبكة | AC_VO | صوت |
يتمثل الهدف الأساسي لجودة الخدمة (QoS) في حماية البيانات ذات الأولوية العالية من البيانات ذات الأولوية المنخفضة. كما توجد حالات تتطلب حماية البيانات من بيانات أخرى من نفس الفئة. وتعالج آلية التحكم في الوصول في بروتوكول EDCA هذه الأنواع من المشكلات. حيث ينشر جهاز الوصول (AP) النطاق الترددي المتاح عبر إشارات البث (Beacons). ويمكن للعملاء التحقق من النطاق الترددي المتاح قبل إضافة المزيد من البيانات.
تقنية الوسائط المتعددة عبر الواي فاي (WMM) هي مواصفات تحالف الواي فاي، وهي جزء من معيار IEEE 802.11e. يجب تفعيل بروتوكولي EDCA وTXOP في نقاط الوصول المعتمدة. أما باقي تحسينات معيار 802.11e فهي اختيارية.
الوصول إلى القنوات الخاضعة للتحكم HCF (HCCA)
يعمل نظام التحكم في الوصول إلى القناة (HCCA) لوظيفة التنسيق الهجين (HCF) بشكل مشابه لنظام التحكم في الوصول (PCF). مع ذلك، وعلى عكس نظام PCF، حيث تُقسّم الفترة الفاصلة بين إطاري الإشارة إلى فترتين: CFP وCP، يسمح نظام HCCA ببدء CFP في أي وقت تقريبًا خلال فترة CP. يُطلق على هذا النوع من CFP اسم مرحلة الوصول المُتحكّم بها (CAP) في معيار 802.11e. يبدأ جهاز الوصول (AP) مرحلة CAP عندما يرغب في إرسال إطار إلى محطة أو استقبال إطار منها بطريقة خالية من التنازع. في الواقع، تُعدّ CFP مرحلة CAP أيضًا. خلال مرحلة CAP، يتحكم المنسق الهجين (HC) - وهو أيضًا جهاز الوصول - في الوصول إلى الوسيط. خلال فترة CP، تعمل جميع المحطات بنظام EDCA. يتمثل الاختلاف الآخر مع نظام PCF في تحديد فئة حركة المرور (TC) وتدفقات حركة المرور (TS). هذا يعني أن المنسق الهجين (HC) غير مقيد بالترتيب في قائمة الانتظار لكل محطة، ويمكنه توفير نوع من الخدمة لكل جلسة. كما يمكن لمركز التحكم (HC) تنسيق هذه التدفقات أو الجلسات بأي طريقة يختارها (ليس بالضرورة بالتناوب الدوري). علاوة على ذلك، تُقدّم المحطات معلومات حول أطوال قوائم الانتظار الخاصة بها لكل فئة مرور (TC). يستطيع مركز التحكم استخدام هذه المعلومات لمنح الأولوية لمحطة على أخرى، أو لتحسين آلية جدولة المحطات. ومن الاختلافات الأخرى أن المحطات تُمنح فترة إرسال (TXOP): حيث يُمكنها إرسال حزم بيانات متعددة متتالية، لفترة زمنية محددة يختارها مركز التحكم. خلال فترة إرسال حزم البيانات (CFP)، يسمح مركز التحكم للمحطات بإرسال البيانات عن طريق إرسال إطارات استطلاع حزم البيانات (CF-Poll).
تُعتبر HCCA عمومًا وظيفة التنسيق الأكثر تطورًا (وتعقيدًا). وبفضلها، يُمكن ضبط جودة الخدمة (QoS) بدقة عالية. وتتمتع المحطات المُفعّلة بتقنية QoS بالقدرة على طلب معايير إرسال مُحددة (معدل نقل البيانات، والارتعاش، وما إلى ذلك)، مما يُتيح للتطبيقات المُتقدمة مثل VoIP وبث الفيديو العمل بكفاءة أكبر على شبكة Wi-Fi.
دعم بروتوكول HCCA ليس إلزاميًا لنقاط الوصول 802.11e. في الواقع، قليلٌ جدًا (إن وُجد) من نقاط الوصول المتاحة حاليًا مُفعّلٌ لبروتوكول HCCA. يعتمد تطبيق بروتوكول HCCA على المحطات الطرفية على آلية DCF الحالية للوصول إلى القناة (لا حاجة لتغيير آلية DCF أو EDCA). كل ما تحتاجه المحطات هو القدرة على الاستجابة لرسائل الاستطلاع. أما على جانب نقطة الوصول، فيلزم وجود مُجدوِل وآلية لتنظيم الطلبات.
مواصفات أخرى لـ 802.11e
بالإضافة إلى HCCA وEDCA وTXOP، يحدد معيار 802.11e بروتوكولات اختيارية إضافية لتحسين جودة الخدمة لطبقة MAC في معيار 802.11:
توفير الطاقة التلقائي
بالإضافة إلى آلية استطلاع توفير الطاقة، المتوفرة قبل معيار 802.11e، تم تقديم آليات جديدة لتسليم البيانات وإشعارها في هذا المعيار. يوفر نظام APSD (التسليم التلقائي لتوفير الطاقة) طريقتين لبدء التسليم: "التسليم التلقائي المجدول لتوفير الطاقة" (S-APSD) و"التسليم التلقائي غير المجدول لتوفير الطاقة" (U-APSD). في نظام APSD، يمكن لنقطة الوصول إرسال عدة إطارات معًا إلى جهاز موفر للطاقة خلال فترة الخدمة. بعد انتهاء فترة الخدمة، يدخل الجهاز في وضع السكون حتى فترة الخدمة التالية. في نظام S-APSD، تبدأ فترات الخدمة وفقًا لجدول زمني محدد مسبقًا يعرفه الجهاز الموفر للطاقة، مما يسمح لنقطة الوصول بإرسال البيانات المخزنة مؤقتًا دون الحاجة إلى أي إشارات. أما في نظام U-APSD، فكلما تم إرسال إطار إلى نقطة الوصول، يتم بدء فترة خدمة، مما يسمح لنقطة الوصول بإرسال الإطارات المخزنة مؤقتًا في الاتجاه المعاكس. يمكن أن يتخذ بروتوكول U-APSD شكلاً "كاملاً" أو شكلاً "هجيناً". في حالة U-APSD الكامل، تستخدم جميع أنواع الإطارات بروتوكول U-APSD بغض النظر عن أولويتها. أما في حالة U-APSD الهجين، فيتم استخدام إما U-APSD أو آلية استطلاع توفير الطاقة القديمة، وذلك حسب فئة الوصول. يتوفر بروتوكول S-APSD لكلا آليتي الوصول إلى القناة، EDCA وHCCA، بينما يتوفر U-APSD فقط لآلية EDCA. [ 1 ] [ 4 ]
يُعدّ بروتوكول APSD طريقةً أكثر كفاءةً لإدارة الطاقة من بروتوكول 802.11 Power Save Polling التقليدي، مما يُؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة، حيث يُقلّل من حركة بيانات الإشارة اللازمة لتوصيل الإطارات المُخزّنة مؤقتًا إلى الأجهزة المُوفّرة للطاقة من قِبل نقطة الوصول، ويُقلّل أيضًا من معدل التصادم بين عمليات استطلاع توفير الطاقة، والتي تُرسل عادةً مباشرةً بعد إشارة TIM. يُعتبر بروتوكول S-APSD أكثر كفاءةً من بروتوكول U-APSD لأن فترات الخدمة المُجدولة تُقلّل من التنازع، ولأن الإرسال بين نقطة الوصول والجهاز المُوفّر للطاقة يبدأ دون الحاجة إلى أي إشارة. يجب على الجهاز المُوفّر للطاقة الذي يستخدم بروتوكول U-APSD توليد إطارات إشارة لاسترداد البيانات المُخزّنة مؤقتًا في حال عدم وجود بيانات مُرسلة، كما هو الحال في تطبيقات الصوت أو الفيديو أو تطبيقات حركة البيانات ذات الجهد الأفضل الموجودة في الهواتف الذكية الحديثة. يُعدّ بروتوكول U-APSD خيارًا جذابًا لهواتف VoIP ، حيث تكون معدلات نقل البيانات متقاربة في كلا الاتجاهين، مما لا يتطلب أي إشارة إضافية - إذ يُمكن لإطار صوتي مُرسل أن يُفعّل فترة خدمة لإرسال إطار صوتي مُرسل. [ 5 ] يُعدّ نظام U-APSD الهجين أقل كفاءة من نظام U-APSD الكامل، وذلك لأن آلية استطلاع توفير الطاقة التي يستخدمها لبعض فئات الوصول أقل كفاءة من نظام APSD، كما هو موضح أعلاه. وقد تم تأكيد المزايا النسبية لآليات توفير الطاقة المختلفة بشكل مستقل من خلال عمليات المحاكاة. [ 6 ] [ 7 ]
إقرارات الكتل
تتيح إشعارات استلام الكتل إمكانية تأكيد استلام عملية الإرسال (TXOP) كاملة في إطار واحد. وهذا من شأنه أن يقلل من الحمل الزائد للبروتوكول عند تحديد عمليات إرسال أطول.
لا رد
في وضع جودة الخدمة (QoS)، يمكن أن تأخذ فئة الخدمة للإطارات المراد إرسالها قيمتين: QosAck و QosNoAck. لا يتم تأكيد استلام الإطارات التي تحمل قيمة QosNoAck، مما يمنع إعادة إرسال البيانات بالغة الأهمية من حيث التوقيت.
إعداد الرابط المباشر
تتيح تقنية إعداد الارتباط المباشر (DLS) نقل الإطارات مباشرةً بين المحطات ضمن مجموعة خدمة أساسية . صُممت هذه التقنية أساسًا للاستخدام المنزلي، حيث يكون نقل الإطارات بين المحطات أكثر شيوعًا. على سبيل المثال، عند بث الفيديو إلى تلفزيون في غرفة المعيشة، أو الطباعة على طابعة لاسلكية في نفس الغرفة، قد يكون من الأنسب إرسال إطارات Wi-Fi مباشرةً بين الجهازين المتصلين، بدلًا من استخدام الطريقة التقليدية المتمثلة في إرسال كل شيء عبر نقطة الوصول (AP)، والتي تتطلب قفزتين لاسلكيتين بدلًا من واحدة. كذلك، إذا كانت نقطة الوصول بعيدة في مكان ما من المنزل، فقد يتطلب إرسال جميع الإطارات إليها وإعادتها معدل نقل بيانات أقل. مع ذلك، تتطلب تقنية DLS مشاركة نقطة الوصول لتسهيل الاتصال المباشر الأكثر كفاءة، ونادرًا ما تدعم نقاط الوصول هذه الميزة. تم نشر تقنية إعداد الارتباط المباشر عبر النفق ( TDLS ) تحت مسمى 802.11z، مما يسمح للأجهزة بإجراء عمليات نقل إطارات مباشرة بين المحطات بكفاءة أعلى دون الحاجة إلى دعم نقطة الوصول. تتطلب كلتا التقنيتين (DLS وTDLS) أن تكون المحطات مرتبطة بنفس نقطة الوصول. يعمل كل من DLS وTDLS على تحسين سرعة وكفاءة الاتصالات بين أعضاء مجموعة الخدمة الأساسية ، لكنهما لا يسهلان الاتصال بين الأجهزة القريبة من بعضها البعض ولكنها غير مرتبطة بنفس نقطة الوصول.
يمكن إجراء الاتصال القريب بين الأجهزة غير المرتبطة بنفس نقطة الوصول باستخدام تقنيات مثل Wi-Fi Direct ، ولكن حتى الآن لم يشهد Wi-Fi Direct انتشارًا واسعًا.
صُممت مبادرة Virtual Wi-Fi من مايكروسوفت لتحقيق نفس هدف DLS. تتيح Virtual Wi-Fi للاعبين الاتصال لاسلكيًا أثناء الوصول إلى الإنترنت عبر نقطة وصول، وذلك من خلال السماح لمحولات المحطة بالحصول على عناوين MAC متعددة. [ 8 ]
مراجع
- 1 2 م. بنفنيست، "جودة خدمة الشبكات اللاسلكية المحلية"، الفصل 3 في التقنيات الناشئة في الشبكات اللاسلكية المحلية: النظرية والتصميم والنشر ، (تحرير ب. بينغ)، مطبعة جامعة كامبريدج، 2008، ISBN 978-0-521-89584-2.
- ↑ "802.11n: تقنية الشبكات اللاسلكية المحلية من الجيل التالي" (ملف PDF) . شركة برودكوم . 21 أبريل 2006.
- ↑ م. بنفنيست، "الوصول المتعدد المتنازع عليه المتدرج (TCMA)، بروتوكول MAC موزع قائم على جودة الخدمة"، وقائع مؤتمر PIMRC 2002، لشبونة، البرتغال، سبتمبر 2002
- ↑ بيريز-كوستا، إكس.؛ كامبس-مور، دي.؛ ساشيهارا، تي. (2005). "تحليل دمج إمكانيات معيار IEEE 802.11E في الأجهزة المحمولة ذات سعة البطارية المحدودة". اتصالات IEEE اللاسلكية . 12 (6): 26-32 . Bibcode : 2005IWC....12f..26P . doi : 10.1109/MWC.2005.1561942 .
- ↑ م. بنفنيست، "إرشادات لإدارة الطاقة"، وثيقة IEEE 802.11-04/073 ، يناير 2004
- ↑ بيريز-كوستا، إكس.؛ كامبس-مور، د. (أغسطس 2010). "ميزة جودة الخدمة وتوفير الطاقة في معيار IEEE 802.11e: نظرة عامة وتحليل للأداء المُدمج" . مجلة IEEE للاتصالات اللاسلكية (WirComMag) . المجلد 17، العدد 4.
- ↑ بيريز-كوستا، خافيير؛ كامبس-مور، دانيال؛ فيدال، ألبرت (2007). "حول آليات توفير الطاقة الموزعة في الشبكات المحلية اللاسلكية 802.11e U-APSD مقابل وضع توفير الطاقة 802.11". شبكات الحاسوب . 51 (9): 2326-2344 . doi : 10.1016/j.comnet.2007.01.026 .
- ↑ "يضيف نظام التشغيل ويندوز 7 تقنية واي فاي افتراضية أصلية من مايكروسوفت ريسيرش" . 16 مايو 2009. تم الاطلاع عليه في 7 يوليو 2010 .
روابط خارجية
- موافقة لجنة المراجعة التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات
- حالة 802.11e TGe (مكتملة)
- التعديل 802.11e
- QoX: ما هو حقًا
- معيار IEEE 802.11