Lecture 7 - Wireless Networks

مقدمة
  • ا Wireless network بيخلّي الناس تتواصل وتستخدم التطبيقات من غير أسلاك
  • بيدي freedom of movement ويقدر يوصّل الشبكة لأماكن صعب توصلها بالكابلات
  • بيستخدم radio waves أو infrared light للاتصال
  • عشان يكون عندك wireless infrastructure كويسة، لازم يكون في wired infrastructure قوية كـ backbone

RF Principles

  • ا Wavelength (λ): المسافة الفيزيائية بين نقطة في الدوره ونفس النقطه في الدورة اللي بعدها
  • ا Frequency: عدد مرات تكرار الـ radio wave في الثانية (unit: Hertz)
  • ا Reflection: لما الموجه تخبط بحاجز بزاوية منخفضة وترتد
  • ا Multipath: الموجة الأصلية توصل + نسخ منها بعد ما ترتد على الحوائط والسقف
  • ا Refraction: تغير اتجاه الموجة لما تعدي من وسط لآخر (زي من الهوا للمية)
  • ا Scattering: الموجة ترتد من الأتربة أو قطرات المية في الهوا وتتشتت

Wireless Systems Range Comparison

1. ا WPAN (Wireless Personal Area Network)

  • ا IEEE 802.15
  • مدى قصير جدًا: 1–10 meters
  • استهلاك طاقة قليل — سرعة قليلة — تكلفة منخفضة
  • تقنيات: Bluetooth, Zigbee
تصنيفات WPAN:
النوع ا Standard ا Data Throughput
HR-WPAN (High-Rate) IEEE 802.15.3 > 20 Mbps
MR-WPAN (Medium-Rate) IEEE 802.15.1 ~ 1 Mbps
LR-WPAN (Low-Rate) IEEE 802.15.4 < 0.25 Mbps
Topologies: Star, Mesh, Cluster Tree

2. ا WLAN (Wireless Local Area Network)

  • ا IEEE 802.11 — اللي بنعرفه باسم Wi-Fi
  • مدى: 50–100 meters
  • الترددات: 2.4 GHz, 5 GHz, 6 GHz
تصنيفات WLAN:
النوع ا Standard ا Max Data Rate
Standard WLAN (Wi-Fi 4) 802.11n ~ 600 Mbps
High-speed WLAN (Wi-Fi 5) 802.11ac ~ 3.5 Gbps
Ultra High-speed (Wi-Fi 6) 802.11ax ~ 9.6 Gbps

Topologies:

  • ا Infrastructure Mode (Star): الأجهزة بتتصل عن طريق Access Point
  • ا Ad-Hoc Mode (Peer-to-Peer): الأجهزة بتتصل مباشرة من غير AP ا
  • ا Mesh Mode: ا APs متصلة ببعض لتغطية واسعة

3. ا WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)

  • ا IEEE 802.16 — معروف بـ WiMAX
  • مدى: several kilometers (city)
  • ا Point-to-Multipoint — بي interconnect شبكات WLAN صغيرة
أنواعه:
  • Fixed WMAN (802.16d): للاتصالات الثابتة
  • Mobile WMAN (802.16e): بيدعم الحركة

Topologies:

  • Point-to-Multipoint
  • Mesh

4. ا WWAN (Wireless Wide Area Network)

  • أكبر مدى: Nationwide / Global (> 50 km)
  • بيستخدم licensed frequencies و antenna towers عالية
  • مقدّم من telecommunications carriers
تصنيفات WWAN:
الجيل ا Data Rate
2G (GSM) ~ 100 Kbps
3G (UMTS) ~ 2 Mbps
4G (LTE) ~ 100 Mbps
5G ~ 10 Gbps

Topologies:

  • ا Cellular Topology: المنطقة مقسّمة لـ cells ب base stations
  • ا Hierarchical Cell Structure: Macrocell, Microcell, Picocell

مقارنة شاملة — WPAN vs WLAN vs WMAN vs WWAN

الخاصية WPAN WLAN WMAN WWAN
معناها Wireless Personal Area Network Wireless Local Area Network Wireless Metropolitan Area Network Wireless Wide Area Network
المدى 1–10 meters 50–100 meters Several km (city) Nationwide / Global
الاستخدام الرئيسي توصيل الأجهزة الشخصية Home, office, campus إنترنت على مستوى مدينة Mobile communication
أمثلة Bluetooth, Zigbee Wi-Fi WiMAX 3G, 4G, 5G
الـ Standard ا IEEE 802.15.x ا IEEE 802.11.x ا IEEE 802.16 Cellular (3GPP)
ا Data Rate < 0.25 → 20+ Mbps Up to ~9.6 Gbps 1 → 100+ Mbps Kbps → 10+ Gbps
استهلاك الطاقة Very Low Medium High Very High
التكلفة Very Low Low Medium High
الـ Mobility Limited Limited (inside building) Moderate Full mobility
سهولة التركيب Very Easy Easy Moderate Complex
الأمان Low–Medium Medium–High High Very High
الـ Scalability Very Limited Limited Good Very High

Ad-Hoc (Peer-to-Peer)

  • الأجهزة بتتكلم مع بعضها مباشرة من غير Access Point
  • كل node شغالة كـ client و router في نفس الوقت
  • مناسبة للمواقف المؤقتة (زي gatherings)
  • مرنة وسهلة النشر، لكن فيها مشاكل:
    • مدى محدود
    • الـ Data rates أقل
    • مش scalable — لو أجهزة كتير بعتت في نفس الوقت -> interference
    • نفس مشكلة collision domain زي الـ Hub (كل الأجهزة في domain واحد)
تشبيه
  • زيّ 4 أشخاص كلهم بيتكلموا في نفس الوقت — محدش يفهم حاجة.
  • الحل: واحد يتكلم والباقي يستنوا دوره — ده الـ half-duplex بتاع الـ Wi-Fi.

من Ad-Hoc لـ WLAN (Access Point)

  • المشكلة في Ad-Hoc: مفيش حكم — أي جهاز يقدر يبعت في أي وقت ويسبب collisions
  • الحاجة: مجموعة مقفولة ومراقبة من الأجهزة اللاسلكية
  • الحل: Access Point (AP) — جهاز مركزي بيدير المجموعة ويتحكم في إعدادات كل الأجهزة

Service Sets

1. ا IBSS (Independent BSS) — Ad-Hoc

  • الـ Wireless devices تتصل مباشرة من غير AP
  • مش scalable — لأجهزة قليلة
  • استخدامه: file transfer (زي AirDrop)

2. ا BSS (Basic Service Set)

  • أهم building block في Wi-Fi
  • الأجهزة (stations/clients) بتتصل عن طريق AP واحد
  • الأجهزة مبتكلمش بعض مباشرة — لازم عن طريق الـ AP
  • ا BSSID: الـ MAC address بتاع راديو الـ AP — بيبقي Unique
  • ا BSA (Basic Service Area): المنطقة اللي حوالين الـ AP اللي الإشارة فيه شغالة

3. ا ESS (Extended Service Set)

  • عشان نوسع الـ Wi-Fi أبعد من مدى AP واحد
  • بيبقي عباره عن APs متعددة (كل واحد ليه BSS) متصلة ببعضها عن طريق wired network
  • كل BSS له نفس الـ SSID و BSSID مختلف
  • كل BSS بيستخدم channel مختلف عشان avoidance interference
  • الـ clients بيقدروا يتحركوا بين APs من غير ما يفصلوا — ده اسمه Roaming
  • الـ BSAs المفروض يتداخلوا بنسبة 10–15%

4. ا MBSS (Mesh BSS)

  • لما يكون صعب توصيل كابلا لكل AP
  • ا Mesh APs ليهم راديوين:
    • راديو للـ BSS (client)
    • راديو لـ backhaul network (تواصل APs مع بعض)
  • ا RAP (Root AP): واحد بس متصل بالشبكة السلكية
  • ا MAP (Mesh AP): الباقي
  • بروتوكول بيحدد أحسن path في الـ mesh (زي dynamic routing)

Distribution System (DS)

  • أغلب الـ wireless networks مش standalone — بيوصلوا للـ wired network
  • الـ upstream wired network اسمه DS (Distribution System)
  • كل BSS أو ESS بيتعمله map لـ VLAN في الشبكة السلكية
  • ا AP يقدر يوفّر Wireless LANs متعددة (كل واحدة بـ SSID مختلف) — كل WLAN ليها VLAN و BSSID مختلفين

AP Operational Modes

Repeater Mode

  • بيوسع مدى الـ BSS
  • ببساطة retransmit أي إشارة من الـ AP
  • لو repeater براديو واحد -> بيشتغل على نفس channel بتاع الـ AP -> بيقلل الـ throughput

Workgroup Bridge (WGB)

  • بيشتغل كـ wireless client لـ AP تاني
  • بيوصل wired devices بالشبكة اللاسلكية
  • نوعين:
    • الـ uWGB (Universal WGB): 802.11 standard — بيوصل جهاز واحد
    • الـ WGB (Cisco-proprietary): بيوصل أجهزة wired متعددة

Outdoor Bridge

  • بيوصل شبكات على مسافات بعيدة من غير كابل
  • بيستخدم specialized antennas بتركز الإشارة في اتجاه واحد
  • ممكن يكون point-to-point أو point-to-multipoint

Organizations

المنظمة دورها
ا ITU-R بتنظم الترددات الراديوية المستخدمة عالميًا
ا IEEE بتصنع الـ standards — الـ wireless موثق في 802.11
ا Wi-Fi Alliance non-profit بتروّج للاستخدام اللاسلكي وبتصدّر شهادات الـ Wi-Fi certified

مقارنة 802.11 Standards

الخاصية 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n
التردد 5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 & 5 GHz
عدد الـ channels 23 3 3 depends
ا Max Data Rate 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps 300–600 Mbps

CSMA/CA vs CSMA/CD

  • الـ CSMA/CD : بيكتشف الـ collisions وي recover منها
  • الـ CSMA/CA : بيتجنب الـ collisions — الجهاز بيستنى لغاية ما القناة تفضى قبل ما يبعت
Important
  • كل الأجهزة في مدى الـ signal بتستقبل كل الـ frames — زي الـ Hub بالظبط.
  • عشان كده الخصوصية (privacy) مهمة جدًا في الشبكات اللاسلكية.
  • ا Wi-Fi شغال Half-duplex — يقدر يبعت أو يستقبل في اللحظة الواحدة، مش الاتنين.

Signal Behaviors

Signal Absorption

  • الإشارة تعدي في مادة وتتحول لـ heat — بتضعف الإشارة

Signal Reflection

  • الإشارة ترتد من مادة (زي المعدن) — عشان كده الـ Wi-Fi وحيد في المصاعد

Signal Refraction

  • الموجة تنحني لما تدخل وسط السرعة فيه مختلفة (زي الزجاج أو المية)

Signal Diffraction

  • الموجة تصادف حاجز وتلف حواليه — ممكن يسبب blind spots ورا الحاجز

Signal Scattering

  • المواد بتشتت الإشارة في كل الاتجاهات — زي dust, smog, uneven surfaces

الخلاصة

  • الشبكات اللاسلكية بتنقسم حسب المدى: WPAN < WLAN < WMAN < WWAN
  • الـ Wi-Fi أشهرهم وبيشتغل على IEEE 802.11 بترددات 2.4, 5, 6 GHz
  • ا Ad-Hoc من غير AP و BSS/ESS/MBSS هما service sets المختلفة
  • ا CSMA/CA بيستخدم عشان يتجنب collisions في الـ half-duplex wireless
  • الإشارات بتتأثر بـ absorption, reflection, refraction, diffraction, scattering
  • ا Organizations المسؤولة: ITU-R (التنظيم), IEEE (المعايير), Wi-Fi Alliance (الشهادة)

Nour Eldeen Mahmoud