بیم فورمینگ Beam Forming چیست؟

از زمان پیدایش تکنولوژی وای فای، کاربردهای بسیار زیادی برای آن تعریف شده است، شبکه های Wi-Fi علاوه بر کاربرد به اشتراک گذاری شبکه های دیتا نظیر اینترنت، در مواردی نظیر سیستم های ردیابی RFID، اسکن بارکدها در سیستم های انبار داری و… کاربردهای گسترده ای دارند. علاوه بر این با وجود توجه روز افزون به مقوله ارتباطات یکپارچه (Unified Communication) نیاز به شبکه های وای فای با پهنای باند گارانتی شده و قابلیت اطمینان بالا ضروری به نظر می رسد.

امروزه سازمان های بسیاری نیاز به راه اندازی شبکه های بی سیم جهت انتقال و به اشتراک گذاری ترافیک صوت و تصویر را درون خود احساس می کنند و تمایل به این موضوع سبب به وجود آمدن مفاهیمی نظیر Voice over Wi-Fi و Video over Wi-Fi در بازار شبکه های بی سیم گردیده است. بدون شک این نیاز چند رسانه ای با شبکه های وای فای نسل قدیم که packet loss ،Delay و Jitter اجزای جدا ناشدنی آنها هستند برآورده نخواهد شد. در این شبکه ها قطع شدن یک تماس تلفنی و یا تصویر ارسالی به وفور دیده می شود. شبکه های نسل جدید برای گارانتی کیفیت بهتر و بر طرف نمودن نیازهای رو به رشد بازار نیاز به بهره گیری از تکنولوژی های جدید نظیر Beam Forming دارند.

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 می گردد. علاوه بر کاربرد آن در تجهیزات نظامی مانند انواع رادارها و سونارها (دستگاه کشف زیر دریاییبه وسیله امواج صوتی)، تجهیزات تجاری نیز از این قابلیت جهت بهبود کیفیت ارتباطات بی سیم بهره جسته اند. بیم فرمینگ (Beam forming) یا به عبارت ساده تر شکل دهی گلبرگ آنتن یکی از تکنیک های پردازش سیگنال به منظور ایجاد فیلترینگ فضایی است، ویژگی که از آن جهت ارسال و دریافت سیگنال در حالت بهینه استفاده می گردد. نقش بیم فرمینگ در ارتباطات بی سیم و چگونگی کارکرد آن در اکسس پوینت های وای-فای موضوعی است که در ادامه راجع به آن صحبت خواهیم کرد.

بیم فورمینگ در واقع یک روش انتقال سیگنال رادیویی می باشد. اکسس پوینتی که دارای این تکنولوژی باشد انرژی سیگنال رادیویی (Radio Frequency) را به سمت کاربران فعال در شبکه وای فای، متمرکز و هدایت می کند. این کار علاوه بر افزایش پهنای باند هر کاربر، منجر به افزایش محدوده پوشش Access Point و گسترش بیشتر شبکه می گردد.

علاوه بر مزایای عنوان شده، شکل دهی گلبرگ آنتن از اتلاف انرژی سیگنال رادیویی در مکان های غیر ضروری و ایجاد آلودگی فرکانسی در محیط های دیگر جلوگیری می نماید. بیم فرمینگ می تواند از طریق مدارهای داخلی پیشرفته، آنتن های هوشمند و یا ترکیبی از هر دو روش در یک اکسس پوینت ایجاد شود.

فن آوری Beam Forming (شکل دهی گلبرگ آنتن) چگونه کار می کند؟

برای درک بهتر این موضوع که بیم فرمینگ بر چه اساسی کار می کند از یک مثال ساده استفاده می کنیم. تصور کنید سنگ کوچکی را داخل یک استخر بیاندازیم، سنگ روی سطح آب امواجی ایجاد می کند. حال اگر دو سنگ انداخته شود، امواج تولید شده مطابق با یک الگوی تداخل منظم با یکدیگر هم پوشانی می کنند. 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 سنگ های دیگر می گردد. 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 می دهیم 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 می شود.

کارکرد بیم فرمینگ در اکسس پوینت ها 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 می کنید، هر آنتن با کمی تفاوت در مشخصات خروجی عمل ارسال داده را انجام می دهد. در اینجا با مشخصه ای به نام آرایه فازی روبرو می شویم، آرایه فازی بر اساس جمع آثار امواج ارسال شده توسط مجموعه ای از آنتن ها می باشد. در واقع بیم فرمینگ بر مبنای ترکیب المان ها در یک آرایه فازی کار می کند، بطوریکه سیگنال هایی که در یک جهت خاص با یکدیگر تداخل سازنده داشته تقویت می شوند در حالیکه در جهت های دیگر که باعث اختلال در عملکرد یکدیگر شده و تداخل مخرب داشته اند تضعیف می گردند.

فن آوری هایی که فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن (Beam Forming) را در اکسس پوینت های امروزی همراهی می کنند.

با توجه به اینکه فن آوری بیم فرمینگ جهت کارکرد نیاز با وجود چند آنتن دارد، این موضوع سبب می شود تا بتوان با حضور چند آنتن، فن آوری های دیگری را جهت بهبود کارکرد Wi-Fi Access Point در یک دستگاه تعبیه نمود. برخی از پرکاربردترین فن آوری های 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 می اندازید و دریافت کننده 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 می رسند، این در حالیست که بعضی دیگر از امواج به بالا و پایین منحرف شده و کمی دیرتر به دریافت کننده می رسند. این پدیده برای یک گیرنده ساده کمی گیج کننده به نظر می آید. تاثیرات ارسال داده از مسیرهای مختلف در رادیوهای قدیمی بلای جان عملکرد ارتباطات رادیویی بوده و باعث افت کارایی آنها می شده است.

حال اگر بجای یک گیرنده ساده از آنتن های چندگانه در هر طرف استخر استفاده شود و جهت عبور سیگنال ها از این مسیرهای چندگانه تحلیلگرهای هوشمند بکار گرفته شود، سیگنال های مختلف با استفاده از آنتن های مختلف براحتی در هر طرف ارسال و دریافت می شوند. تجهیزاتی که به تکنولوژی MIMO مجهز هستند دیگر برای ارسال و دریافت از مسیرهای مختلف دچار سردرگمی نمی گردند.

عملکرد بیم فرمینگ تنها به تقویت توان با استفاده از آنتن های چندگانه محدود نمی شود، بلکه با استفاده از فاز سیگنال های آنتن، سیگنال بیشتری (beam) در جهت کلاینت ارسال شده این در حالیست که انرژی کمتری در سایر جهات گسترده می گردد. با استفاده از این تکنولوژی علی رغم اینکه در کل انرژی کمتری گسترده شده ولی سیگنال ارسال شده در مسیر حضور گیرنده چند برابر می باشد. 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 ویژگی های مستقل باعث افزایش قابلیت دریافت سیگنال می گردد. 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 می گردد، کمک شایانی می نماید. در این راستا جریان داده یکسان روی آنتن های 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 می کند و بیم مورد نظر را بر این اساس ارسال نماید.

Maximal Ratio Combining – MRC

روش کار تکنولوژی MRC ترکیب سیگنال آنتن های چندگانه به صورتی ست که سیگنال های قویتر تقویت شده و سیگنال های ضعیفتر، تضعیف می گردند. اکسس پوینت های مجهز به قابلیت بیم فرمینگ از این تکنولوژی جهت تقویت توان و ارسال بیم مناسب استفاده می کنند.

انواع روش های شکل دهی گلبرگ آنتن

On Chip Beam forming

در این نوع بیم فرمینگ اکسس پوینت تمام مدت گوش به زنگ کلاینت بوده تا از تحلیل های 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 نمی گردد.

On Antenna Beam forming

این روش از آرایه آنتن استفاده کرده و هر بسته ارسالی را به منظور ارزیابی عملکرد آنتن تحلیل می کند. اکسس پوینت ارتباطات را رصد کرده و بیم ها را جهت رسیدن به شرایط مناسب بصورت پویا تغییر می دهد. در اینجا نیز از تکنولوژی MRC استفاده می گردد. در این روش بخش عمده بهینه سازی توسط اکسس پوینت انجام می شود، بنابراین ارتباط بین اکسس پوینت و کلاینت ضروری نبوده ولی می تواند کمک کننده باشد.

Implicit Beam forming

در بیم فرمینگ ضمنی، اکسس پوینت با کلاینت در ارتباط بوده و کلاینت بعضی فیدبک ها را ارسال می نماید. در اینجا بجای اینکه اکسس پوینت کل تحلیل سیگنال را به عهده داشته باشد، کلاینت برای آن در خواستی می فرستد و چنانچه این درخواست مطابق با جهت بیم مورد نظر بود اکسس پوینت آنرا بهینه می نماید.

Explicit Beam forming

در بیم فرمینگ صریح، ارتباط بین اکسس پوینت و کلاینت قوی تر بوده و فیدبک های بیشتری از جانب کلاینت دریافت می گردد. 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 چالش های شبکه Wi-Fi

با فراگیر شدن استفاده از شبکه Wi-Fi تقریباً همه به نوعی با چالش های موجود در این شبکه آشنایی داشته و با آن درگیرند، چالش هایی 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 می کند. در ذیل بزرگترین تاثیرات فن آوری شکل دهی گلبرگ آنتن در بهبود سرویسدهی اکسس پوینت وای فای بررسی می گردد .

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 می کنند 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 می گردد. 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 بسته های ارسالی و یا خطاهای بوجود آمده، کاهش سرعت انتقال داده می باشد تا زمانیکه کلاینت بتواند بسته های acknowledge را دوباره ارسال کند. سرعت پایین تر باعث می شود که انتقال داده مدت زمان بیشتری به طول بیانجامد و این امر اکسس پوینت را بیشتر مستعد پذیرش نویز و تداخل می کند. بنابراین وقتیکه شرایط رو به بدی می رود، داخل یک حلقه منفی گرفتار می شویم که نتیجه ای جز از بین رفتن عملکرد اکسس پوینت ندارد. در حالیکه یک آنتن هوشمند با بهره گیری 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 360 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 360 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 به راحتی تعیین شود که چه ترکیبی از این آنتن ها بیم بهینه را در نقطه مورد نظر ایجاد می کند.

اگر شبکه های 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 4 برابر شبکه های قبلی شده است.

بهبود توانمندی مقابله با نویز و تداخل

همانطور که می دانید بازگشت تداخلات می تواند حتی بیشتر از تقویت بیم هدف روی کارایی اکسس پوینت تاثیر داشته باشد. تصور کنید در یک مکان شلوغ نشسته اید و سعی می کنید با شخص دیگری که کمی آنطرف تر 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 تداخل های موجود در محیط را تا حدی کاهش داده اید و به این ترتیب صدا بهتر شنیده می شود.

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 می کند.

افزایش تراکم شبکه

سرازیر شدن سیل وسایل الکترونیکی از قبیل تلفن های هوشمند، تبلت ها و لپ تاپ ها به شبکه های وای فای منجر به افزایش ترافیک شبکه و اختلال در عملکرد آن می گردد. به منظور حل این مشکل در شبکه های پر تراکم، علاوه بر افزایش تعداد اکسس پوینت ها می توان از تکنیک های 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 شبکه های پر ظرفیت نیز ارتباطی پایدار و مطمئن خواهند داشت.

جمع بندی

به هر ترتیب در دنیای ارتباطات بی سیم دسترسی به بازده صد در صد رویایی و دست نیافتنی ست و دست و پنجه نرم کردن با مشکلات آن، همواره دغدغه ذهن کاربران این شبکه ها بوده است. اما با بهره گیری از تکنولوژی هایی که تا حد امکان به حل این مشکلات کمک کنند، می توان 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 چالش ها و مسائل بسیار زیادی وجود دارد که موجب کم شدن قابلیت اطمینان شبکه و غیر قابل پیش بینی بودن کارکرد شبکه می گردد. حرکت تصادفی کاربران شبکه، تعدد کاربران و تنوع نوع کلاینت های مورد استفاده توسط آنها، به وجود آمدن موانع غیر قابل پیش بینی بین اکسس پوینت ها و کاربران نظیر تردد انسان ها و یا حتی تغییر چیدمان وسایل و پارتیشن ها در یک محیط اداری، جابجایی کاربران از محدوده پوشش یک اکسس پوینت به محدوده پوشش اکسس پوینت های دیگر، وجود نویز و تداخل فرکانسی غیر قابل پیش بینی و ارزیابی در محیط های گوناگون و… همه و همه از جمله چالش های پیش رو در راه اندازی یک شبکه وای فای هستند.

اگرچه با پیشرفت های 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.