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)