تاثیر ارتباطات دو طرفه بر روی مسیریاب ها

سیستم‌های مخابراتی دوطرفه (Duplexing) ارتباطات ساده و بی‌سیم رو متحول کرده اند. ارتباط دوطرفه چیه و چه تأثیری بر روی تبادلات دیجیتال داره؟

در دنیای متصل کنونی، عملکرد صحیح ارتباطات دیجیتال ما به فناوری‌های زیربنایی بستگی داره که اغلب ازشون غافل می‌مونیم. یکی از این فناوری‌های پایه ارتباطات دو طرفه هست.

این فناوری بر نحوۀ انتقال و دریافت اطلاعات در شبکه نظارت داره. فرقی نداره که دارید با کسی تماس می‌گیرین یا یه برنامه زنده رو تماشا می‌کنین یا از شبکه بی‌سیم استفاده می‌کنین. در هر صورت دانستن تفاوت میان ارتباطات نیمه دوطرفه (half duplex)، تمام دوطرفه (full duplex) و ساده (simplex) باعث میشه که با طراحی و عملکرد فناوری‌های کنونی بهتر آشنا بشین.

چه تفاوتی بین ارتباط ساده و دوطرفه وجود داره؟

در حوزه ارتباطات مربوط به شبکه، ارتباط دو طرفه به این معنیه که دو نقطه یا دو دستگاه می‌تونن باهم به‌صورت دو سویه ارتباط داشته باشن درحالیکه ارتباط ساده نقطه مقابل ارتباط دو طرفه هست و به معنای ارتباط یک سویه است. در ارتباط دو طرفه، هر دو نقطه می‌تونن اطلاعات رو ارسال و دریافت کنن. فناوری‌هایی مثل تلفن همراه و رادیو نمونه‌هایی از این نوع ارتباط هستند.

در مقابل، در ارتباط ساده  فقط یک دستگاه می‌تونه اطلاعات رو ارسال کنه و دستگاه دیگه تنها می‌تونه اونا رو دریافت می‌کنه. به عنوان مثال، کنترل از راه دور مجهز به مادون قرمز رو در نظر بگیرین که برای دستگاه‌های الکترونیکی مختلف ازشون استفاده می‌کنیم. این کنترل از راه دور فقط سیگنال‌هایی ارسال می‌کنه و قادر به دریافت پاسخ یا اطلاعات نیست.

ارتباط نیمه دوطرفه و تمام دوطرفه چه تفاوتی با هم دارن؟

ارتباط  تمام دوطرفه باعث پیشرفت‌های زیادی در حوزه تبادل داده شده، به این صورت که دو تا دستگاه‌ با استفاده از این نوع سیستم می‌تونن به صورت همزمان داده‌ها رو ارسال و دریافت کنن. سیستم‌های تلفنی، یک نمونه شناخته‌شده از این نوع فناوری هستن چون هر دو طرف در مکالمه می‌تونن به صورت همزمان حرف بزنن و گوش بدن.

سیستم‌های نیمه دوطرفه برای دریافت و انتقال داده از یک چارچوب متوالی (sequential) استفاده می‌کنن. در این سیستم‌ها، روند دریافت و انتقال داده‌ها یک در میان اتفاق میفته. به این صورت که وقتی یک نقطه اطلاعات رو انتقال می‌ده، نقطه دیگه فقط می‌تونه همان اطلاعات رو دریافت کنه. ارتباط رادیویی واکی-تاکی از سیستم نیمه دوطرفه استفاده می‌کنه، به این صورت که وقتی یکی حرف می‌زنه نفر بعدی فقط گوش می‌ده و بالعکس.

همزمان با پیشرفت فناوری، تفاوت میان تمام دوطرفه و نیمه دوطرفه به مبنایی برای طراحی و اجرای سیستم‌های ارتباطی کارآمد در حوزه‌های مختلف تبدیل می‌شه که هر کدام متناسب با نیازهای نوع ارتباط هستن.

ارتباط چه تأثیری روی مسیر یاب (router) های بی‌سیم داره؟

مسیریاب های بی‌سیم با استفاده از یک نوع استاندارد خاص به نام IEEE 802.11 که در حالت نیمه دوطرفه عمل می‌کنه، جریان اطلاعات رو بین دستگاه‌های الکترونیکی مجهز به بی‌سیم (مثل لپ‌تاپ و تلفن‌های هوشمند) و اینترنت هدایت می‌کنن.

دستگاه‌های بی سیم به صورت بی‌سیم و با استفاده از امواج رادیویی 2.5GHz یا 5GHz به مسیریاب وصل می‌شه. مسیریاب، بدون اینکه اطلاعاتی حذف بشه یا تداخل داشته باشه، جریان اطلاعات بین دستگاه‌های متصل و اینترنت رو طی فرایندی به نام Time Division Duplexing (TDD) مدیریت می‌کنه تا به صورت تمام دوطرفه عمل کنه.

TDD با تنظیم یا تقسیم فاصله‌های زمانی بین دریافت و انتقال داده تمام دوطرفه رو شبیه‌سازی می‌کنه. بسته‌های اطلاعاتی در فاصله‌های زمانی مشخص‌شده هر دو جهت جریان دارن. با تقسیم دقیق این فواصل زمانی اینجوری به نظر می‌رسه که دستگاه‌ها به صورت همزمان داده‌ها رو ارسال و دریافت می‌کنن.

چرا نمی‌شه مسیریاب‌ها رو به طور تمام دوطرفه استفاده کرد؟

اصلی‌ترین مشکلی که در ایجاد قابلیت تمام دوطرفه در رادیو باهاش مواجه می‌شیم مشکل خود-تداخلی (self-interference) هست. این تداخل یا نویز معمولاً قوی‌تر از سیگنال اصلی هست. به بیان ساده، خود-تداخلی زمانی در یک سیستم تمام دوطرفه رخ می‌ده که یک نقطه به طور همزمان هم داده رو ارسال و هم دریافت کنه. این کار باعث می‌شه داده ارسالی خودش رو دریافت کنه و خود-تداخلی ایجاد بشه.

ایجاد مسیریاب تمام دوطرفه برای ارتباطات بی‌سیم توجه پژوهشگران و دانشگاهیان رو به خودش جلب کرده تا ارتباط تمام دوطرفه در حوزه شبکه رو هم بررسی کنن. این اتفاق تحولی در تمام دوطرفه کردن تمام مسیریاب هاست. برای محقق کردن مسیریاب های تمام دوطرفه پژوهشگران سعی دارن مشکل خود-تداخلی رو برطرف کنن و برای این کار هم از تکنیک‌هایی مثل تغییر نویزهای ناخواسته یا روش های ارتقای دیجیتال استفاده می‌کنن.

پیشرفت در حوزه اینترنت بی‌سیم

برای ایجاد فاصله و توان عملیاتی بیشتر داده، تغییراتی در استاندارد IEEE 802.11 ایجاد شده. استانداردهای بی‌سیم از زمان شکل‌گیریشون در سال 1997 بهبود پیدا کردن از 802.11 به 802.11b/a ،802.11g ،802.11n ،802.11ac و حالا هم به 802.11ax رسیدن.

جالبه که مسیر یاب هایی که فناوری MIMO ازشون پشتیبانی ‌می‌کنه، از نرخ داده خیلی بیشتری پشتیبانی می‌کنن. این مسیریاب ها برای اینکه بتونن همزمان چندین داده رو دریافت و ارسال کنن از چندین آنتن استفاده می‌کنن و بدین ترتیب، سرعت انتقال رو افزایش دادن. مسیریاب های 802.11n و مدل‌های جدیدتر این قابلیت رو دارن و سرعت انتقالشون 600 مگابایت بر ثانیه یا بیشتره. با این حال، این مسیریاب ها به خاطر نیمه دوطرفه فقط 50 درصد (300 مگابایت بر ثانیه) از پهنای باند رو به ارسال داده و 50 درصد باقیمانده رو به دریافت داده اختصاص می‌دن. البته توجه داشته باشید که این اعداد قطعی نیستن و بسته به مسیریاب و شرایط می‌تونن فرق کنن.

FDD چه تفاوتی با TDD داره؟

در حوزه ارتباطات بی‌سیم، به ویژه زمانی‌که بحث اینترنت ارتباط دوطرفه پیش میاد، دو تا روش اصلی برای ساخت ارتباط دوطرفه وجود داره:

• Frequency Division Duplexing (FDD)
• Time Division Duplexing (TDD)

 FDD

FDD اینترنت تمام دوطرفه رو میسر می‌کنه به این صورت که با استفاده از دو تا باند فرکانس مجزا امکان دریافت و ارسال همزمان داده رو فراهم می‌کنه. این عمل شبیه به کاری هست که در سیستم‌های مسیریابی تمام دوطرفه انجام می‌شه که عمل دریافت و ارسال داده به صورت همزمان اتفاق میفته. شبکه‌های موبایل مثل 3G و 4G نمونه‌هایی از اینترنت تمام دوطرفه و FDD هستن.

از آنجایی که FDD از دو فرکانس جداگانه به طور همزمان استفاده می‌کنه، سریعتر از TDD عمل، اما در نهایت منجر به هدر رفتن طیف می‌شه. اتلاف طیف زمانیست که از فرکانس‌های خاص برای انتقال داده استفاده نمی‌شه. به عبارت دیگه تعداد زیادی فرکانس در دسترس است، ولی در حالت غیرفعال قرار دارند، به این حالت اتلاف طیف می‌گوییم. در ادامه به مزایا و معایب FDD می‌پردازیم:

مزایا

• فناوری ترافیک صوتی اثبات شده
• سرعت‌های سریع‌تر برای مسافت‌های مشابه در مقایسه با TDD
• ایستگاه‌های پایه کمتری مورد نیاز است
• هزینه‌های عملیاتی و استقرار کمتر

معایب

• اتلاف طیف به دلیل باند محافظ و فرکانس دوگانه
• در جایی که طیف‌ها جفت نشده‌اند قابل استفاده نیست
• هزینه‌های سخت افزاری بالاتر

TDD

در مقابل، TDD یادآور سازوکار عملیات‌های ارتباط دوطرفه مسیریاب هست. TDD در یک باند فرکانس در فواصل زمانی مشخص برای دریافت و ارسال داده جابه‌جا می‌شه که خیلی شبیه کارکرد مسیریاب های نیمه دوطرفه هست که در اونا تبادل داده به طور پیاپی انجام می‌شه. در مسیریاب های بی‌سیم به خاطر سرعت بالای تبادل اینجوری به نظر می‌سه که روند ارسال و دریافت داده به صورت همزمان اتفاق میفته. در ادامه به مزایا و معایب TDD می‌پردازیم:

مزایا

• از منابع کمتری برای راه اندازی استفاده می‌کند، مانند سخت افزار
• از یک الگوریتم همسان سازی بسیار ساده‌تر استفاده می‌کند
• استفاده از طیف موثرتر به دلیل اینکه تنها یکی وجود دارد
• می‌تواند از نرخ داده‌های بالاتر پشتیبانی کند
• تاخیر کمتر
• مناسب برای مناطق روستایی و حومه شهر

معایب

• برای جلوگیری از تداخل بین تبادل های ارسال و دریافت به همگام سازی دقیق فاز/زمان نیاز دارد
• کندتر از FDD در فواصل مشابه
• به ایستگاه‌های پایه بیشتری نیاز دارد
• ایستگاه‌های پایه بیشتر به معنای هزینه های بالاتر استقرار و عملیاتی است
• امکان تداخل بین اسلات

اینترنت بی‌سیم با ارتباط تمام دوطرفه در آینده

علاقه به فناوری مسیریابی تمام دوطرفه در حال افزایشه. دلیلش هم اینه که پیشرفت چشمگیری در حوزه‌های نیمه دوطرفه FDD و TDD حاصل نشده. پیشرفت در حوزه نرم‌افزار، مدولاسیون و MIMO به مرور زمان سخت‌تر شده. هر چه تعداد دستگاه‌های بیشتری به صورت بی‌سیم به اینترنت وصل می‌شن، نیاز به افزایش کارایی طیف فرکانس هم بیشتر می‌شه. اتصالات بی‌سیم تمام دوطرفه، موفق شدن که کارایی این طیف رو دو برابر افزایش بدن.

در محیط‌هایی که تأثیر کمی بر سخت‌افزار، پیکربندی نرم‌افزار، تغییرات و سرمایه‌گذاری‌های پولی داده، انتقال از ارتباط نیمه دوطرفه به تمام دوطرفه محبوبیت بیشتری به دست میاره. نیاز به ظرفیت بیشتر در شبکه باعث شده که به توسعه فناوری تمام دوطرفه روی بیاریم و در مراحل ابتدایی ممکنه اجزای بی‌سیم تمام دوطرفه در کنار به‌روزترین اجزای ارتباط نیمه دوطرفه قرار بگیرن چون قراره این فناوری در شبکه‌های موجود ادغام بشه.