جدال آینده بر سر زمان‌‌‌ تماس وای‌فای

طرح مسئله
صنعت وای‌فای ‌‌‌به ما آموخته ‌‌‌است که باور داشته‌‌‌ باشیم نرخ بالاتر انتقال داده در خطوط ارتباطی، علاج هر شبکه وای‌فای ‌‌‌است. آیا محدوده کار مسیریاب شما محدود است؟ یک مسیر‌‌‌یاب جدید با محدوده وسیع‌‌‌تر تهیه کنید. آیا در هنگام تماشای یک ویدیو، تصاویر قطع و وصل می‌‌‌شوند؟ یک روتر بزرگ‌‌‌تر تهیه کنید. آیا از جمله افرادی هستید که مایلند به‌‌‌طور همزمان، ویدیو‌‌‌هایی از یوتیوب، نت‌فلیکس و سرور‌‌‌های مشابه را روی مجموعه‌‌‌ای از دستگاه‌‌‌ها تماشا کنند؟ پس به‌‌‌سوی AC1900 پیش روید تا مشکلات‌تان برطرف شوند.
در برخی موارد، تهیه مسیر‌‌‌یاب‌‌‌هایی با کلاس بالا‌‌‌تر، راه‌حل کارآمدی خواهد بود. اما در اغلب موارد، چنین راه‌حلی فقط مشکلات دیگری را در پی خواهد داشت، به‌‌‌خصوص هنگامی که با ترکیبی از کلاینت‌ها N، AC و گاهی G مواجه هستیم.
مسئله اصلی، ترکیب انواع کلاینت  و گذار آن‌‌‌ها در شبکه بی‌‌‌سیم از انقطاع‌‌‌های متناوب بسته‌های کوچک داده (شامل ایمیل، مرورگر وب، سرویس پیام) به رشته‌‌‌های متناوب ویدیو با نرخ بالای انتقال داده است. از طرفی، ‌از آن‌جا که سازند‌ه‌های تجهیزات شبکه روترهای گران‌قیمت بالای دویست دلار را به محض تولید  و با سرعت می‌فروشند، مشکل سود همین شرکت‌ها است. اکنون این سؤال مطرح است که ترکیب کلاینت‌ها، چقدر ممکن است مشکل‌‌‌ساز شود؟ به‌‌‌عبارت دیگر، مسیر‌یاب‌های AC با چه کیفیتی می‌توانند شبکه‌‌‌های ترکیبی را هدایت کنند؟ در بسیاری از شبکه‌‌‌های متصل به مسیریاب کلاسNETGEAR R7000 AC1900، ترکیبی از کلاینت‌های AC ،N و A ارزیابی شده‌اند. جدول شماره 1، از مقاله‌‌‌ای برگرفته شده ‌‌‌است که تفاوت‌‌‌های اندازه‌‌‌گیری شده بر‌اساس ترکیب‌‌‌های کلاینت‌ها را جمع‌‌‌بندی کرده‌‌‌ است. از آن‌‌‌جا که نتایج اندازه‌‌‌گیری‌‌‌ها، بر‌اساس رشته‌‌‌های متناوبی از داده‌‌‌ها به‌‌‌دست آمده ‌‌‌است، می‌‌‌توانند برای نمایش میزان تأثیرپذیری ترافیک رشته داده‌‌‌های ویدیویی شاخصی پذیرفتنی به شمار روند.

 جدول 1: ترکیب کلاس و تلفات توان

توجه کنید که حتی یک دستگاه N150، که امروزه در تلفن‌‌‌های هوشمند و تبلت‌‌‌ها به‌‌‌وفور یافت می‌‌‌شود، توان یک کلاینت  AC867 کلاس بالاتر را حدود 30 تا 35 درصد کاهش می‌‌‌دهد. این ارزیابی‌‌‌ها با درنظر گرفتن حداکثر نرخ کانال و سطوح سیگنال انجام گرفته‌‌‌اند. نرخ کم‌تر تبادل داده ناشی از انتقال سیگنال ضعیف‌‌‌تر، می‌‌‌تواند این نتایج را بهینه کند.حتی با سوئیچ به همه کلاینت‌ها AC هم نمی‌‌‌توان، توان خروجی را به اندازه‌‌‌ای تقویت کرد که شما انتظار دارید. ارزیابی این‌‌‌که چه مقدار توان خروجی واقعی را می‌‌‌توان از یک مسیریاب AC به‌‌‌دست آورد، نشان می‌‌‌دهد که حداکثر توان خروجی بی‌‌‌سیم، نمی‌‌‌تواند از حداکثر توان قابل پشتیبانی توسط ترکیب کلاس مسیریاب شما و کلاینت  آن با بالاترین کلاس بیش‌تر شود. اگر کلاینت  شما با بالاترین کلاس، یک تلفن هوشمند 1x1 AC580 باشد، کل توان عملیاتی بی‌‌‌سیم شما کم‌تر از 200 مگابیت ‌بر ثانیه خواهد بود، ‌در مقابل 300 تا 400 مگابیت بر‌ثانیه که با استفاده از کلاینت‌ها 3x3 AC امکان‌‌‌پذیر است.
علت نتایج فوق، ماهیت سریال وای‌فای ‌‌‌کنونی است. همه نسخه‌‌‌های 802.11 تا به امروز، به‌‌‌گونه‌‌‌ای طراحی شده بودند که در یک لحظه، فقط یک کلاینت  بتواند از کانال یا کانال‌‌‌هایی استفاده کند. اگر یک کلاینت  نسبت به قابلیت ذاتی خود در انتقال داده سطح سیگنال یا نرخ انتقال کم‌تری (در کلاس بی‌‌‌سیم) داشته باشد، برای ارسال داده‌‌‌های خود،‌ در مقایسه با کلاینتی با قابلیت نرخ انتقال بالاتر،‌ به فرصت بیش‌تری نیاز خواهد داشت. این موضوع، به‌‌‌صورت ساده و ملموس در شکل 1 به تصویر کشیده شده ‌‌‌است.

 شكل 1: اعتبار مورد نیاز برای انتقال 1 گیگابیت داده.

در شرایطی که حجم داده‌‌‌های مورد نظر برای انتقال، نسبت به پهنای باند در ‌‌‌دسترس، کوچک‌تر است، مجادله برای اختصاص زمان ‌‌‌تماس مسئله‌ای غیرمعمول نیست. اما هنگامی‌‌‌که یک کلاینت  کم سرعت قصد دارد حجم زیادی از داده را ارسال کند، زمان ‌‌‌تماس طولانی‌ای را به خود اختصاص داده است و این وضعیت بدون درنظر گرفتن نرخ تبادل بالاتر برای سایر کلاینت‌ها، مشکلاتی را برای آن‌‌‌ها به دنبال خواهد داشت. نکته قابل توجه دیگر، سناریوی ناکارآمد بودن مصرف پهنای باند است. در بیش‌تر شبکه‌‌‌های کنونی، با توجه به‌‌‌ این‌‌‌که بیش‌تر کلاینت‌های تک‌رشته (N150,AC580) هستند، در یک مسیریاب AC1750 یا AC1900، دو رشته همواره بدون استفاده باقی می‌‌‌ماند (شکل2).

 شكل 2: مقایسه توان خروجی MIMO دوکاربره و تک کاربره: Qualcomm Atheros.

توجه کنید که این مثال، سه رشته  MU-MIMO از یک نقطه دسترسی چهار‌رشته‌‌‌ای (4x4) را نشان می‌‌‌دهد. نمایش MU-MIMO مربوط به برودکام، که روی ارائه MU-MIMO در دنیای واقعی متمرکز بوده است، نقش کلاینت  Stream‌1 # از MU-MIMO را تشریح می‌‌‌کند که به معنای این واقعیت است که دستگاه‌های MU-MIMO که از نظر اقتصادی تحقق‌پذیر هستند باید به جای برنامه‌نویسی غیرخطی از برنامه‌نویسی غیرخطی استفاده  کنند.  برودکام همچنین ادعا می‌‌‌کند که beamforming مربوط به MU-MIMO موجب کارایی کم‌‌‌تر، توان ارسالی کلاینت  و در نهایت نرخ پایین‌‌‌تر تبادل داده خواهد شد. ماهیت ارسال موازی درMU-MIMO به آزاد شدن زمان تماس برای کلاینت‌های «قدیمی» (802.11a/b/g/n) منجر می‌شود و بهینه‌‌‌سازی پهنای باند حتی برای دستگاه‌‌‌های غیر MU-MIMO نیز افزایش خواهد یافت (شکل3).

 شكل 3: مقایسه توان خروجی MIMO دوکاربره و تک کاربره: Qualcomm Atheros

MU-MIMO به مسیریاب 4x4 نیاز ندارد؛ اما، نخستین دستگاه‌‌‌های منطبق ‌بر MU-MIMO را کوانتنا و QCA به‌‌‌صورت 4x4 طراحی کرده‌اند. چهار‌رشته، فقط برای فرکانس 5 گیگاهرتز در دسترس است که در آن با احتساب رشته‌‌‌های افزونه، نرخ کانال حداکثر  1733 مگابیت ‌بر‌ثانیه ‌‌خواهد بود. سه‌ رشته و 256‌QAM که از فرکانس 2.4 گیگاهرتز پشتیبانی می‌‌‌کند، 600 مگابیت بر‌ثانیه به نرخ کانال می‌‌‌افزاید که با در مجموع، به نرخ 2350 مگابیت بر ثانیه خواهیم رسید.

رویکردی دیگر
برودکام که هنوز اطلاعیه‌‌‌ای مبنی بر عرضه تراشه  4x4  MU-MIMO به بازار ارائه نکرده‌‌‌ است، به‌‌‌منظور توسعه بهره‌‌‌گیری از پهنای باند با استفاده از معماری XStream رویکردی متفاوت در پیش گرفته ‌‌‌است. بر اساس این معماری، نرخ‌‌‌های مجزای کانال و هسته‌‌‌های پردازش‌‌‌گر، به‌‌‌منظور تحت تأثیر قرار دادن و شاید گمراه کردن خریداران وای‌فای، با تعداد بیش‌تری ترکیب می‌‌‌شوند. اکنون بهتر می‌‌‌توان درک کرد که چرا XStream در عمل توان بالقوه بیش‌تری برای کلاینت‌ها وای‌فای ‌‌‌در پی دارد. شکل 4، یک واحد پردازنده مرکزی پنج هسته با فرکانس 2.96 گیگاهرتز را نشان می‌‌‌دهد که از دو هسته یک گیگاهرتزی ARM Cortex A9 در یک واحد پردازنده مرکزی BCM4709 (مشابه آن‌‌‌چه در R7000 Nighthawk مربوط به NETGEAR استفاده شده ‌‌‌است) و هسته‌‌‌‌های 320 مگاهرتزی ARM Cortex R4 در سه تراشه BCM43602 3x3 MIMO 802.11ac ‌‌تشکیل شده ‌‌‌است.

 شكل 4: بلوک دیاگرام Broadcom XStream : Broadcom

امروزه تراشه BCM43602، جای BCM4360 3x3 802.11ac MAC/PHY را در مسیریاب‌‌‌های AC1750 و AC1900 گرفته و یک پردازنده محلی و  960 کیلو بایت SRAM به آن اضافه شده‌‌‌ است تا این‌که یک ایستگاه رادیویی کامل و مستقل فراهم شود. پردازنده مرکزی کد را روی رادیو‌‌‌ها دانلود می‌‌‌کند تا همه عملکرد‌‌‌های وای‌فای ‌‌‌به‌صورت آفلاین از پردازنده مرکزی دانلود شود. تراشه BCM4709 باید بسته‌‌‌های اترنت را بهBCM43602  هدایت کند. در این تراشه (BCM43602) پروتکل 802.3 به 802.11 تبدیل می‌شود و پردازنده مرکزی 4709 نیز برای مسیردهی سریع‌‌‌تر و کاربرد‌های ذخیره‌سازی USB آزاد می‌‌‌شود. XStream نرخ کانال 3200 ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌مگابیت ‌بر ثانیه را به بازار عرضه کرد که شامل دو نرخ کانال  1300 ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌مگابیت ‌بر ثانیه، برای فرکانس‌‌‌های رادیویی 5 گیگاهرتز و یک نرخ کانال 600 ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌مگابیت ‌بر ثانیه، برای فرکانس رادیویی 2.4 گیگاهرتز است. بنابراین نرخ 1300‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌مگابیت ‌بر ثانیه، بیش‌ترین نرخ کانالی خواهد بود که شما با اتصال دستگاه خود به یک مسیریاب AC3200 در دسترس خواهید داشت. XStream هنوز هم بر مبنای معماری 3x3 است.
اما، معماری رادیویی 5 گیگاهرتز دو‌گانه، چیزی فراتر از فرکانس‌‌‌های رادیویی است که در یک باکس به‌‌‌کار گرفته می‌شوند. تکنیک محرمانه XStream، با اختصاص دادن یک فرکانس رادیویی به باند پایین UNII‌1 (کانال‌‌‌های 36 تا 48) و فرکانس رادیویی دیگر به باند بالایی UNII‌3 (کانال‌‌‌های 149 تا 165) و پخش گسترده SSID آغاز می‌شود. فیلتر محدود کننده باند و RF و آنتن به‌‌‌منظور جلوگیری از روی هم افتادن فرکانس‌‌‌های همسایه، به سیستم اضافه می‌‌‌شوند. شکل قبل، جزئیات این سیستم را نشان نمی‌‌‌دهد، اما، شش آنتنی که در NETGEAR R8000 و ASUS RT‌AC3200 دیدیم، شامل سه آنتن با باند دوتایی برای فرکانس‌‌‌های 2.4 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز و همچنین سه آنتن با باند واحد برای ‌‌فرکانس باندی بالای 5 گیگاهرتز  است.
آخرین عنصر، نرم‌‌‌افزاری است که به کمک آن، یک فرکانس رادیویی به کلاینت‌ها 5 گیگاهرتز اختصاص پیدا می‌‌‌کند. الگوریتم اختصاص فرکانس، نه تنها کلاس کلاینت‌ها را در نظر می‌‌‌گیرد، بلکه نرخ واقعی کانال را نیز که به قدرت سیگنال و سایر عوامل بستگی دارد، در محاسبات خود لحاظ می‌‌‌کند. بنابراین، XStream به انداز‌ه‌ای هوشمند است که به عنوان مثال، بتواند یک کلاینت کلاس 2x2 AC867  با سطح سیگنال پایین را به فرکانس رادیویی همسان با یک دستگاه  1x1 N150 نزدیک به روتر منتقل کند. در شکل 5، شمای گرافیکی برودکام، نشان داده ‌‌‌شده ‌‌‌است که نکات اصلی را به‌‌‌سادگی به‌‌‌ تصویر کشیده‌‌‌ است.

 شكل 5: بزرگراه Broadcom XStream Dual: Broadcom.

مشترکان می‌‌‌توانند با تغییر نرخ کانال، به‌‌‌طور پویا از رادیویی به رادیوی دیگر جابه‌‌‌جا شوند. اما، کارخانه‌‌‌های تولید‌کننده مسیریاب می‌توانند این ویژگی را برای مواقعی تنظیم ‌کنند که لازم است دستگاه دوباره به شبکه متصل شود یا زمانی که ارتباط با رادیو قطع شده ‌‌‌است و موارد مشابهی که ممکن است به نارضایتی کلاینت  منجر  شود. نتیجه همه این تلاش‌‌‌ها، این است که به‌‌‌کارگیری پهنای باند افزایش خواهد یافت، زیرا دیگر نیازی نیست کلاینت‌ها پرسرعت منتظر بمانند تا یک کلاینت  کم سرعت فرآیند تبادل داده را انجام دهد واز آن‌‌‌جا که به پشتیبانی MU-MIMO (یا حتی 802.11.ac) نیازی ندارند، XStream می‌‌‌تواند عملکرد اجرایی وای‌فای ‌‌‌را برای هر ترکیبی از کلاینت‌ها 5 گیگاهرتز توسعه دهد. هدایت باند 2.4 , 5 گیگاهرتز نیز بخشی از عملکرد XStream است. اما، از آن‌‌‌جا که برای قطع و وصل اتصال، به چندین رادیو نیاز دارد، پیاده‌‌‌سازی از ابتدا تا انتها به تولید‌کننده‌‌‌ وابسته خواهد بود. در نهایت، اگر گمان می‌‌‌کنید بهتر می‌‌‌توانید فرآیند تخصیص کلاینت  را انجام دهید، فروشندگان نیز ممکن است SSIDهای جداگانه‌ای برای هر رادیوی 5 گیگاهرتز فراهم آورند و در اختیار شما قرار دهند.

انتخاب
عامل دیگری که در شفاف‌‌‌سازی انتخاب بین مسیریاب‌‌‌های AC2350 و AC3200 تأثیر دارد، در دسترس بودن یا نبودن کلاینت‌های MU-MIMO است. MU-MIMO نیازمند پشتیبانی روتر و کلاینت است و خود برای پشتیبانی نیاز به چیپ‌ست جدیدی دارد. بنابراین موضوع به سادگی عرضه فقط یک فرم‌ویر یا درایورهای جدید نیست. همان‌‌‌طور که قبل‌‌‌تر نیز اشاره شد، برخی تراشه‌‌‌های MU-MIMO 802.11ac Wave ‌‌روی برخی تلفن‌‌‌های هوشمند مجهز به 802.11ac نصب شده‌‌‌اند. اما در واقع این ویژگی هنوز برای آن‌‌‌ها فعال نشده‌‌‌ است. تا‌کنون از هیچ فروشنده‌‌‌ای نیز شنیده‌‌‌ نشده ‌‌‌است که با ورود مسیریاب‌‌‌های AC2350 به بازار، برنامه‌‌‌ای برای عرضه  ‌‌ MU-MIMO مشخص کرده ‌‌‌باشد. شاید به همین دلیل است که نت‌گیر، در  R7500 Nighthawk پیغام “ MU-MIMO Ready” را نمایش می‌‌‌دهد.علاوه‌بر آن، برنامه‌‌‌ریزی برای تولید نخستین “plugfest” وای‌فای ‌‌‌برای بررسی قابلیت  MU-MIMO تا اواخر امسال صورت نگرفته و به احتمال این امر تا سال 2015 به تعویق خواهد افتاد. همچنین گواهی ‌‌ MU-MIMO وای‌فای ‌‌‌تا اواسط سال 2015 طرح‌‌‌ریزی نخواهد شد. 
بنابراین، اگر تولید‌کنندگان بخواهند سریع‌‌‌تر از زمان مشخص شده، دست به کار شده و کلاینت‌های MU-MIMO را عرضه کنند و اگر کاربران تصمیم بگیرند این محصولات را خریداری کنند،‌ آن‌ها در‌واقع نقش موش آزمایشگاهی را بازی کرده‌اند و بابت آن پول هم پرداخته‌اند. بنابراین انتخابی که به زودی پیش روی شما قرار خواهد گرفت خرید بزرگ‌ترین عدد روی جعبه با AC3200 است که از یک فناوری آزمایش شده استفاده می‌کند تا روی استفاده بهتر از همان پهنای باند امروزی تمرکز کند (پهنای باند AC 1900) که با هر کلاینت وای‌فای موجود کار می‌کند. راه دیگر هم انتخاب یک مسیریاب AC2350 است که می‌‌‌تواند از چهار رشته‌‌‌ای پشتیبانی کند که نرخ لینک 1733 مگابیت‌بر ثانیه  را برای کلاینت‌ها فراهم می‌‌‌کند. اگر یک کلاینت  4x4 دارید  (و تجهیزات دیگری جز یک مسیریاب AC2350 دیگر به‌‌‌عنوان پل کاربر در دسترس ندارید) و از پهنای باند بهینه‌ای پشتیبانی می‌کنید که از طریق MU-MIMO فراهم می‌‌‌شود، چندین کلاینت  شما خواهند توانست از  MU-MIMO چند کاربره استفاده کنند؛ یا می‌توانید به‌‌‌راحتی راه حل سوم را انتخاب کرده و صبر کنید تا آب‌‌‌ها از آسیاب بیفتد! فراموش نکنید که وای‌فای ‌‌‌900MHz هم در راه است.