التجوال السلس عبر شبكة Wi-Fi: النظرية في التطبيق

نحن نتعامل مع تقنيات التجوال (Handover ، Band Steering ، IEEE 802.11k ، r ، v) ونجري بضع تجارب بصرية توضح عملهم في الممارسة.

مقدمة

تتطور الشبكات اللاسلكية لمجموعة معايير IEEE 802.11 بشكل سريع للغاية اليوم ، وتظهر تقنيات جديدة ونُهج وتطبيقات جديدة. ومع ذلك ، مع تزايد عدد المعايير ، أصبح من الصعب فهمها بشكل متزايد. سنحاول اليوم وصف بعض التقنيات الأكثر شيوعًا المتعلقة بالتجوال (إجراء إعادة الاتصال بشبكة لاسلكية) ، وأيضًا لمعرفة كيفية عمل التجوال السلس عمليًا.

التسليم أو "ترحيل العميل"

من خلال الاتصال بشبكة لاسلكية ، فإن جهاز العميل (سواء كان هاتفًا ذكيًا مزودًا بشبكة Wi-Fi أو كمبيوتر لوحي أو كمبيوتر محمول أو كمبيوتر شخصي مزودًا ببطاقة لاسلكية) سيدعم الاتصال اللاسلكي إذا ظلت معلمات الإشارة عند مستوى مقبول. ومع ذلك ، عندما يتم نقل جهاز العميل ، يمكن أن تضعف الإشارة من نقطة الوصول التي تم تأسيس الاتصال بها في الأصل ، مما يؤدي عاجلاً أم آجلاً إلى عدم القدرة الكاملة على نقل البيانات. بعد فقدان الاتصال بنقطة الوصول ، ستحدد معدات العميل نقطة وصول جديدة (بالطبع ، إذا كانت في متناول اليد) وتتصل بها. هذه العملية تسمى التسليم. رسميًا ، يعتبر التسليم إجراء ترحيل بين نقاط الوصول التي بدأها ونفذها العميل نفسه (تسليم - "نقل ، تسليم ، تسليم"). في هذه الحالة ، لا يجب أن تتطابق SSIDs للنقاط القديمة والجديدة. علاوة على ذلك ، قد ينتهي العميل بشبكة IP فرعية مختلفة تمامًا.

في الشبكة القديمة والجديدة على حد سواء ، سيتمكن العميل من الوصول إلى الإنترنت ، ومع ذلك ، سيتم إعادة تعيين جميع الاتصالات القائمة. لكن هل هذه مشكلة؟ عادة ما يكون التبديل واضحًا ، حيث أن جميع المتصفحات الحديثة والمراسلات الفورية وعملاء البريد الإلكتروني تتعامل مع فقدان الاتصال دون أي مشاكل. أحد الأمثلة على هذا التحول هو الانتقال من قاعة سينما إلى مقهى داخل مركز تسوق كبير: لقد تبادلت للتو انطباعات من أفلامك المثيرة مع أصدقائك ، والآن أنت جاهز لمشاركة صورة تحفة الطهي معهم - الحلوى الجديدة من الطاهي.
للأسف ، الحقيقة ليست سلسة للغاية. تكتسب مكالمات الصوت والفيديو المنقولة عبر شبكات Wi-Fi اللاسلكية المزيد والمزيد من الشعبية - بغض النظر عما إذا كنت تستخدم Skype أو Viber أو Telegram أو WhatsApp أو أي تطبيق آخر ، فإن القدرة على التنقل واستمرار المحادثة دون انقطاع لا تقدر بثمن. وهنا تكمن المشكلة في تقليل وقت التبديل. التطبيقات الصوتية في عملية إرسال البيانات كل 10-30 مللي ثانية ، اعتمادًا على برنامج الترميز المستخدم. لن يؤدي فقدان حزمة أو زوج من هذه الحزم الصوتية إلى تهيج المشتركين ، ومع ذلك ، إذا تم مقاطعة حركة المرور لفترة أطول ، فلن تمر دون أن يلاحظها أحد. يعتقد بشكل عام أن انقطاع الصوت لمدة تصل إلى 50 مللي ثانية لا يلاحظه معظم المحاورين ، في حين أن عدم وجود تدفق صوتي لمدة 150 مللي ثانية يسبب بوضوح عدم الراحة.

لتقليل الوقت المستغرق في إعادة توصيل المشترك بخدمات الوسائط ، من الضروري إجراء تغييرات على البنية التحتية السلكية الأساسية (للتأكد من أن العميل لا يغير عناوين IP الخارجية والداخلية) ، وإجراءات التسليم الموضحة أدناه.

التسليم بين نقاط الوصول:

1. حدد قائمة بالمرشحين المحتملين (نقاط الوصول) للتبديل.
   
2. قم بتعيين حالة CAC (التحكم في قبول المكالمات - التحكم في توفر المكالمات ، وهي في الواقع درجة ازدحام الجهاز) لنقطة الوصول الجديدة.
   
3. حدد لحظة التبديل.
   
4. التبديل إلى نقطة وصول جديدة:
   

في شبكات IEEE 802.11 اللاسلكية ، يتم اتخاذ جميع قرارات التحويل من جانب العميل.


المصدر: frankandernest.com

توجيه الفرقة

تسمح تقنية توجيه النطاق للبنية التحتية للشبكة اللاسلكية بنقل العميل من نطاق تردد إلى آخر ، وعادة ما نتحدث عن إجبار العميل على التبديل من نطاق 2.4 جيجا هرتز إلى نطاق 5 جيجا هرتز. على الرغم من أن توجيه النطاق لا يرتبط مباشرة بالتجوال ، إلا أننا ما زلنا نقرر ذكره هنا ، لأنه مرتبط بتبديل جهاز العميل ويدعمه جميع نقاط الوصول ثنائية النطاق.

في هذه الحالة ، قد يكون من الضروري تبديل العميل إلى نطاق تردد مختلف؟ على سبيل المثال ، قد ترتبط هذه الحاجة بنقل العميل من نطاق GHz 2.4 الزائد إلى السرعة الحرة والأعلى 5 GHz. ولكن هناك أسباب أخرى.

تجدر الإشارة إلى أنه لا يوجد في الوقت الحالي أي معيار ينظم بشكل صارم تشغيل التكنولوجيا الموصوفة ، لذلك يقوم كل مصنع بتنفيذها بطريقته الخاصة. ومع ذلك ، تظل الفكرة العامة كما هي تقريبًا: لا تعلن نقاط الوصول عن قيام العميل بإجراء المسح النشط ، ومعرف SSID في النطاق 2.4 جيجا هرتز ، إذا لوحظ لبعض الوقت نشاط هذا العميل بتردد 5 جيجا هرتز. أي أن نقاط الوصول ، في الواقع ، يمكن أن تكون صامتة ببساطة حول توفر الدعم لنطاق 2.4 جيجا هرتز ، إذا كان من الممكن إثبات وجود دعم العملاء لتردد 5 جيجا هرتز.

هناك العديد من أوضاع التشغيل لتوجيه النطاق:

1. اتصال القوة. في هذا الوضع ، لا يتم إبلاغ العميل ، من حيث المبدأ ، بتوافر دعم نطاق 2.4 جيجا هرتز ، بالطبع ، إذا كان العميل لديه دعم لتردد 5 جيجا هرتز.
   
2. التوصيل المفضل. يُضطر العميل إلى الاتصال في نطاق 5 جيجا هرتز فقط إذا كان RSSI (مؤشر قوة الإشارة المستقبلة) أعلى من قيمة عتبة معينة ، وإلا يُسمح للعميل بالاتصال بنطاق 2.4 جيجا هرتز.
   
3. موازنة التحميل. يتصل بعض العملاء الذين يدعمون نطاقي التردد بشبكة 2.4 جيجا هرتز ، ويتصل البعض الآخر بشبكة 5 جيجا هرتز. لن يسمح هذا الوضع بالحمل الزائد للنطاق 5 جيجا هرتز إذا كان جميع العملاء اللاسلكيين يدعمون كلا نطاقي التردد.
   

بالطبع ، يمكن للعملاء الذين يدعمون نطاق تردد واحد فقط الاتصال به دون أي مشاكل.

في الرسم البياني أدناه ، حاولنا أن نرسم جوهر تقنية توجيه الفرقة.

التكنولوجيا والمعايير

نعود الآن إلى عملية التبديل بين نقاط الوصول. في المواقف القياسية ، سيحتفظ العميل بالارتباط الحالي بنقطة الوصول لأطول فترة ممكنة. طالما أن مستوى الإشارة يسمح لك بذلك. بمجرد ظهور الموقف بأن العميل لم يعد قادرًا على دعم الاقتران القديم ، سيبدأ إجراء التحويل الموضح سابقًا. ومع ذلك ، لا يحدث التسليم على الفور ؛ وعادة ما يستغرق اكتماله أكثر من 100 مللي ثانية ، وهذا بالفعل مبلغ ملحوظ. هناك العديد من معايير إدارة الموارد الراديوية لمجموعة عمل IEEE 802.11 تهدف إلى تحسين وقت إعادة الاتصال بشبكة لاسلكية: k و r و v. في خط Auranet الخاص بنا ، يتم تنفيذ دعم 802.11k على نقطة وصول CAP1200 ، وفي خط Omada على نقطتي الوصول EAP225 و EAP225-Outdoor ، يتم تنفيذ بروتوكولات 802.11k و 802.11 v.

802.11 ك

يسمح هذا المعيار للشبكة اللاسلكية بإخبار الأجهزة العميلة بقائمة بنقاط الوصول المجاورة وأرقام القنوات التي تعمل عليها. تسمح لك قائمة النقاط المجاورة التي تم إنشاؤها بتسريع البحث عن المرشحين للتبديل. إذا ضعفت إشارة نقطة الوصول الحالية (على سبيل المثال ، تم حذف العميل) ، فسيبحث الجهاز عن نقاط الوصول المجاورة من هذه القائمة.

802.11r

يحدد الإصدار r من المعيار وظيفة FT - النقل السريع (انتقال مجموعة الخدمات الأساسية السريعة) ، والتي تسمح بتسريع مصادقة العميل. يمكن استخدام FT عند تبديل عميل لاسلكي من نقطة وصول إلى أخرى داخل نفس الشبكة. يمكن دعم طريقتين المصادقة: PSK (مفتاح مشترك مسبقًا) و IEEE 802.1X. يتم تنفيذ التسريع عن طريق حفظ مفاتيح التشفير في جميع نقاط الوصول ، أي أن العميل لا يحتاج إلى متابعة إجراءات المصادقة الكاملة عند التجوال بمساعدة خادم بعيد.

802.11v

يسمح هذا المعيار (إدارة الشبكة اللاسلكية) للعملاء اللاسلكيين بتبادل بيانات الخدمة لتحسين الأداء الإجمالي للشبكة اللاسلكية. أحد الخيارات الأكثر استخدامًا هو BTM (BSS Transition Management).
عادةً ما يقيس العميل اللاسلكي اتصاله بنقطة وصول لاتخاذ قرار التجوال. هذا يعني أن العميل ليس لديه معلومات حول ما يحدث لنقطة الوصول نفسها: عدد العملاء المتصلين ، وتحميل الجهاز ، وإعادة التشغيل المجدولة ، وما إلى ذلك. باستخدام BTM ، يمكن لنقطة الوصول إرسال طلب إلى العميل للتبديل إلى نقطة أخرى مع ظروف عمل أفضل ، حتى مع وجود إشارة أسوأ قليلاً. وبالتالي ، لا يهدف معيار 802.11v بشكل مباشر إلى تسريع عملية تبديل الجهاز اللاسلكي للعميل ، ومع ذلك ، فإنه بالاقتران مع 802.11k و 802.11 r ، فإنه يوفر برامج أسرع ويزيد من راحة العمل مع شبكات Wi-Fi اللاسلكية.

IEEE 802.11k بالتفصيل

يوسع المعيار قدرات RRM (إدارة موارد الراديو) ويسمح للعملاء اللاسلكيين الذين يدعمون 11 كيلو بطلب قائمة من نقاط الوصول المجاورة التي قد تكون مرشحة للتبديل من الشبكة. تُبلغ نقطة الوصول العملاء عن دعم 802.11k باستخدام علامة خاصة في المنارة. يتم إرسال الطلب كإطار إدارة يسمى إطار العمل. تستجيب نقطة الوصول أيضًا بإطار عمل يحتوي على قائمة بالنقاط المجاورة وأرقام القنوات اللاسلكية الخاصة بها. لا يتم تخزين القائمة نفسها على وحدة التحكم ، ولكن يتم إنشاؤها تلقائيًا عند الطلب. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن هذه القائمة تعتمد على موقع العميل ولا تحتوي على جميع نقاط الوصول الممكنة للشبكة اللاسلكية ، ولكن فقط نقاط الاتصال المجاورة. أي أن اثنين من العملاء اللاسلكيين ، الموجودين جغرافيًا في أماكن مختلفة ، سيتلقون قوائم مختلفة بالأجهزة المجاورة.

مع هذه القائمة ، لا يحتاج جهاز العميل إلى مسح (نشط أو سلبي) جميع القنوات اللاسلكية في نطاقي 2.4 و 5 غيغاهرتز ، مما يقلل من استخدام القنوات اللاسلكية ، أي تحرير عرض نطاق إضافي. وبالتالي ، يسمح لك 802.11k بتقليل الوقت الذي يقضيه العميل في التبديل ، وكذلك تحسين عملية اختيار نقطة وصول للاتصال. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح لك غياب الحاجة إلى عمليات مسح إضافية بإطالة عمر بطارية العميل اللاسلكي. تجدر الإشارة إلى أن نقاط الوصول التي تعمل في نطاقين يمكن أن تخبر العميل بمعلومات حول نقاط من نطاق تردد مجاور.

قررنا إظهار تشغيل IEEE 802.11k في أجهزتنا اللاسلكية ، والتي استخدمنا من أجلها جهاز التحكم AC50 ونقاط الوصول CAP1200. كمصدر لحركة المرور ، استخدمنا أحد برامج المراسلة الفورية الشائعة مع دعم المكالمات الصوتية ، والذي يعمل على الهاتف الذكي Apple iPhone 8+ ، والذي يدعم بوضوح 802.11k. يتم عرض ملف تعريف حركة الصوت أدناه.



كما يتضح من الرسم البياني ، يولد برنامج الترميز المستخدم حزمة صوتية واحدة كل 10 مللي ثانية. يتم تفسير الاندفاعات والانخفاضات الملحوظة على الرسم البياني باختلاف طفيف في التأخير (التشويش) ، الموجود دائمًا في الشبكات اللاسلكية القائمة على Wi-Fi. لقد قمنا بتكوين انعكاس حركة المرور على المفتاح ، الذي ترتبط به كلتا نقطتي الوصول المشاركين في التجربة. سقطت الإطارات من نقطة وصول واحدة في بطاقة شبكة واحدة لنظام جمع حركة المرور ، الإطارات من الثانية إلى الثانية. في مكبات النفايات المستلمة ، تم تحديد حركة المرور الصوتية فقط. يمكن اعتبار تأخير التبديل الفاصل الزمني المنقضي من لحظة فقدان حركة المرور من خلال واجهة شبكة واحدة ، وحتى يظهر على الواجهة الثانية. بالطبع ، لا يمكن أن تتجاوز دقة القياس 10 مللي ثانية ، ويرجع ذلك إلى بنية الحركة نفسها.

لذلك ، بدون تضمين دعم لمعيار 802.11k ، حدث تبديل العميل اللاسلكي في المتوسط ​​في غضون 120 مللي ثانية ، بينما سمح تنشيط 802.11k بتقليل هذا التأخير إلى 100 مللي ثانية. بالطبع ، نحن نتفهم أنه على الرغم من أننا تمكنا من تقليل تأخير التحويل بنسبة 20٪ ، إلا أنه لا يزال مرتفعًا. سيكون من الممكن إجراء مزيد من التخفيض في التأخير مع الاستخدام المشترك لمعايير 11k و 11 r و 11 v ، كما تم تنفيذها بالفعل في سلسلة المعدات اللاسلكية المنزلية DECO .

ومع ذلك ، فإن 802.11k لديها بطاقة رابحة أخرى في جعبتها: اختيار اللحظة للتبديل. هذه الميزة ليست واضحة للغاية ، لذلك نود أن نذكرها بشكل منفصل ، لتوضيح عملها في ظروف حقيقية. بشكل عام ، ينتظر العميل اللاسلكي حتى الأخير ، مع الحفاظ على الارتباط الموجود بنقطة الوصول. وفقط عندما تصبح خصائص القناة اللاسلكية سيئة للغاية ، يتم إطلاق عملية التحول إلى نقطة وصول جديدة. باستخدام 802.11k ، يمكنك مساعدة العميل في التبديل ، أي عرض إنتاجه مبكرًا ، دون انتظار تدهور كبير للإشارة (بالطبع ، نحن نتحدث عن عميل متنقل). إنها لحظة التحول التي تخصص لها تجربتنا التالية.

تجربة الجودة

ننتقل من مختبر معقم إلى موقع عميل حقيقي. تم تركيب نقطتي وصول بقدرة إشعاع 10 ديسيبل (10 ميجاوات) ، ووحدة تحكم لاسلكية والبنية التحتية الداعمة اللازمة في الغرفة. ويرد أدناه تخطيط المباني وأماكن تركيب نقاط الوصول.



جاب العميل اللاسلكي الغرفة ، وأجرى مكالمة فيديو. أولاً ، أوقفنا معيار 802.11k في وحدة التحكم وقم بتعيين الأماكن التي تم إجراء التبديل فيها. كما يتبين من الصورة أدناه ، حدث هذا على مسافة كبيرة من نقطة الوصول "القديمة" ، بالقرب من نقطة الوصول "الجديدة" ؛ في هذه الأماكن أصبحت الإشارة ضعيفة للغاية ، وكانت السرعة بالكاد كافية لنقل محتوى الفيديو. كانت هناك تأخيرات ملحوظة في الصوت والفيديو عند التبديل.



ثم قمنا بتشغيل دعم 802.11k وكررنا التجربة. الآن حدث التبديل في وقت سابق ، في الأماكن التي كانت فيها الإشارة من نقطة الوصول "القديمة" لا تزال قوية بما فيه الكفاية. لم يكن هناك تأخر في الصوت والفيديو. تحركت نقطة التحول الآن في منتصف المسافة بين نقاط الوصول.



في هذه التجربة ، لم نحدد لأنفسنا هدف اكتشاف أي خصائص عددية للتبديل ، ولكن فقط أظهرنا نوعيًا جوهر الاختلافات الملحوظة.

الخلاصة

تم تصميم جميع المعايير والتقنيات الموصوفة لتحسين تجربة العميل في استخدام الشبكات اللاسلكية ، وجعل عمله أكثر راحة ، وتقليل تأثير العوامل المزعجة ، وزيادة الأداء العام للبنية التحتية اللاسلكية. نأمل أن نتمكن من إظهار الفوائد التي سيحصل عليها المستخدمون بوضوح بعد تطبيق هذه الخيارات في الشبكات اللاسلكية.

هل من الممكن العيش في مكتب بدون تجوال 2018؟ في رأينا ، هذا ممكن تمامًا. ولكن ، بعد أن حاولت مرة واحدة التنقل بين الغرف والأرضيات دون فقدان الاتصال ، دون الحاجة إلى إعادة إنشاء مكالمة صوتية أو مكالمة فيديو ، دون الاضطرار إلى تكرار ما قيل أو الطلب مرة أخرى ، سيكون من غير الواقعي رفضه.

PS وهذه هي الطريقة التي يمكن بها إجراء السلاسة ليس في المكتب ، ولكن في المنزل ، والذي تم وصفه بمزيد من التفصيل في مقال آخر.