بنت عشر وحداتٍ من هذه الدورة عُدّةً، والوحدة 11 هي التي تُنفقها. فليس في هذا الدرس آليّةٌ جديدة — إذ كل قطعةٍ في الواي فاي شيءٌ تعرفه سلفاً باسمٍ آخر: OFDM من الدرس M10-L2، وMIMO من الدرس M10-L3، وQAM من الدرس M5-L4، والكفاءة الطيفيّة من الدرس M6-L3، والتداخل من الدرس M9-L3، والقناة الواحدة الشبيهة بـTDD التي أدرجها الدرس M10-L4 في جدوله. والجديد هو التركيب، وآليّةٌ واحدةٌ يكاد الواي فاي يملكها وحده بين أنظمة هذه الدورة: لا أحد يجدوله. فلا محطّة قاعدةٍ توزّع الأشقاق، بل كل راديو يقرّر بنفسه متى يتكلّم، والتصميم كلّه ينبع من ذلك القرار الواحد.
نُشر المعيار 802.11 سنة 1997 عن معهد IEEE، وكان قيده المؤسِّس تنظيميّاً لا تقنيّاً: فقد صُمِّم لطيفٍ غير مرخَّص يجوز لأي أحدٍ أن يُرسل فيه بلا رخصة، وبالتالي بلا تنسيق. قارِن ذلك بالأنظمة الخلويّة في الدرس M10-L1، حيث يملك المشغّل النطاق ويملك كل محطّةٍ قاعدةٍ فيه، فيقدر أن يخبر كل هاتفٍ أي شقٍّ وأي حواملٍ فرعيّةٍ يستعمل. أمّا نقطة الوصول في الواي فاي فلا تملك شيئاً. فنقطة وصول جارها، على بُعد ثلاثة جدران، على القناة نفسها ولم تسمع بها قطّ، وكذلك فرن الموجات الدقيقة.
فعلى البروتوكول أن يكون مؤدَّباً بدلاً من أن يكون مجدولاً. وللأدب في الراديو اسم — الوصول المتعدّد بتحسّس الحامل مع تجنّب التصادم، CSMA/CA — وبقيّة هذا الدرس دراسةٌ لما يكلّفه ذلك. والكلفة هي العنوان الصادق: فأرقام الواي فاي المعلَنة أرقام الطبقة الفيزيائيّة، والحصّة التي يراها المستخدم منها تتوقّف على عدد الأجهزة الأخرى المتكلّمة. فاحفظ الفرق بين معدّل الطبقة الفيزيائيّة (السرعة التي تسير بها بتّات إطارٍ واحدٍ وهو على الهواء) والإنتاجيّة (بتّات الحِمل المسلَّمة في كل ثانيةٍ من زمن الساعة). وبينهما عاملٌ من اثنين إلى عشرة.
جماعة محطّات 802.11 التي تتكلّم بعضها مع بعض هي مجموعة الخدمة الأساسيّة، أي BSS، ولتكوينها طريقان. في مجموعةٍ ذات بنيةٍ تحتيّة يمرّ كل إطارٍ عبر نقطة الوصول التي تجسر كذلك إلى شبكةٍ سلكيّة؛ فحاسبان في الغرفة نفسها يُرسل أحدهما إلى الآخر عبر نقطة الوصول، مستعملاً الهواء مرّتين. وفي مجموعةٍ مستقلّة — عارضة، أو IBSS — تتكلّم المحطّات مباشرةً بلا نقطة وصولٍ أصلاً. وكل ما يُنشَر تقريباً ذو بنيةٍ تحتيّة، والسبب ليس الأداء بل آليّات القسم التالي: فنقطة الوصول موضعٌ واحدٌ للتزامن الزمني وللتخزين المؤقّت للأجهزة النائمة ولحفظ ارتباط الأمان.
الارتباط هو المصافحة التي تُلحق محطّةً بمجموعة: تُرسل نقطة الوصول منارتها نحو عشر مرّاتٍ في الثانية، وتُنصت المحطّة للمنارات (مسحٌ سلبي) أو تُرسل طلبات جسٍّ (مسحٌ نشط)، ثم تستوثق، ثم ترتبط، ثم تُجري تبادل المفاتيح. والتجوال هو فعل ذلك مرّةً أخرى مع نقطة وصولٍ أخرى في المجموعة الممتدّة نفسها، وهنا الحقيقة المهمّة — ففي 802.11 المجرّد تقرّر المحطّة وحدها متى تتجوّل، ولا تستطيع الشبكة إلزامها. ولهذا يتعلّق الحاسب بنقطة وصولٍ بعيدةٍ عند 6 ميغابت/ث وأفضل منها فوق رأسه، وهي نتيجةٌ مباشرةٌ لتصميم اللاحَكَم نفسه. وسيُظهر الدرس M11-L2 التسليم الخلوي يفعل العكس: الشبكة تقرّر والهاتف يطيع.
حلّت الإيثرنت السلكيّة مسألة التشارك نفسها بـكشف التصادم، أي CSMA/CD. فالمحطّة المُرسِلة تظلّ تُنصت، فتلحظ شذوذ الجهد حين يبدأ غيرها، فتُجهض في بضعة أزمنة بتّاتٍ ثم تعيد المحاولة. والواي فاي لا يقدر على ذلك، والسبب حسابٌ أجريته في هذه الدورة مرّتين.
كشف التصادم يعني سماع إشارةٍ بعيدةٍ أثناء الإرسال. خُذ نقطة وصولٍ تُرسل بالقيمة الشائعة 20 dBm وتستقبل إشارةً قرب عتبة حسّاسيّتها عند −82 dBm لنمطٍ متوسّط المعدّل. فإرسالها هو نفسه يصل إلى مستقبِلها هو نفسه بكامل قدرته تقريباً، فيلزم المستقبِل أن يرى إشارةً مطلوبةً أخفض بـ102 ديسيبل من قدرة مكبّره، في اللحظة نفسها وعلى القناة نفسها:
وتلك الجملة الأخيرة هي الغالية. فعلى الإيثرنت يُكتشف التصادم في ميكروثوانٍ ويكلّف شُظيّة إطار. وعلى الواي فاي لا يُكتشف إلا بعد إرسال الإطار كلّه وتخلّف الإشعار عن الوصول — فـالتصادم يُهدر الإطار كاملاً زائد مهلة انتظار. وكل ما يبدو غريباً في توقيت DCF أدناه محاولةٌ لتنديره.
دالّة التنسيق الموزّعة (DCF) هي قاعدة النفاذ الأساسيّة، و«الموزّعة» هي بيت القصيد: فلا محطّةَ مسؤولة، وكل محطّةٍ تُشغّل الخوارزميّة عينها. وبأرقام 802.11a/n عند 5 غيغاهرتز، حيث زمن الشقّ 9 µs وSIFS 16 µs:
ونتيجتان تستحقّان التسمية. أولاً، الإشعار لكل إطارٍ وإلزامي، ولهذا ينجو الواي فاي على قناةٍ تفقد الإطارات باستمرار. وثانياً، لأن النافذة تتضاعف عند الفشل وترجع إلى CWmin عند النجاح، تتكيّف الدالّة مع الحِمل بلا أن يقيسه أحد.
في تحسّس الحامل ثُقب، وهو هندسيّ. افترض أن المحطّتين A وC كلٌّ منهما داخل مدى نقطة الوصول B لا داخل مدى الأخرى — طرفا ممرٍّ، أو جانبا جدار. فتتحسّس A القناة ولا تسمع شيئاً فتُرسل. وتتحسّس C القناة ولا تسمع شيئاً أيضاً، لأن A مخفيّةٌ عنها، فتُرسل هي كذلك. فيصل الإطاران إلى B ويُفسد أحدهما الآخر. عمل تحسّس الحامل عملاً تامّاً عند المحطّتين ووقع التصادم مع ذلك: فالتحسّس يخبرك عن الهواء عند هوائيّك أنت، لا عند هوائي المستقبِل.
والعلاج أن تحجز القناة عبر الراديو الوحيد الذي تسمعه المحطّتان كلتاهما. فتُرسل المحطّة RTS قصيراً (طلب إرسال، 20 بايت) يسمّي المدّة التي تحتاجها؛ فتجيب نقطة الوصول بـCTS (إذنٌ بالإرسال، 14 بايت) يسمعه كل من في مداها، ومنهم المحطّة المخفيّة. وتحفظ كل محطّةٍ عدّاداً تنازليّاً يُسمّى متّجه تخصيص الشبكة مأخوذاً من حقل المدّة، فتعدّ القناة مشغولةً تلك المدّة كلّها وهي لا تسمع شيئاً على الإطلاق — تحسّس حاملٍ ظاهري. والمقايضة صادقةٌ وهي سبب إيقاف RTS/CTS افتراضيّاً للإطارات الصغيرة: فإطاران زائدان وفاصلان قصيران يكلّفان نحو 40 إلى 60 µs من زمن الهواء لكل إرسالٍ، وهو ثمنٌ يستحقّ الدفع لحماية إطارٍ بطول 1500 بايت وعبثٌ لحماية إطارٍ بطول 100. ولاحظ كذلك المسألة المرآتيّة، العقدة المكشوفة: محطّةٌ تتأخّر لأنها تسمع إرسالاً مستقبِلُه بعيدٌ عنها كل البعد، فتُهدر زمن هواءٍ على تصادمٍ لم يكن ليقع. وكلتاهما هندسة القريب والبعيد في الدرس M9-L3 تعود مسألةَ بروتوكولٍ لا مسألةَ قدرة.
الآن ضع الأرقام، لأن العبء ثابتٌ في الزمن على حين يتقلّص الإطار مع نمو معدّل الطبقة الفيزيائيّة — وذاك أهم ما يجب فهمه في الواي فاي السريع. فتبادلٌ ناجحٌ واحدٌ مع محطّةٍ واحدةٍ وبلا تصادمات هو:
ولهذا يجعل كل جيلٍ من 802.11n وما بعده تجميع الإطارات إلزاميّاً عمليّاً: ضع أحمالاً كثيرةً في إرسالٍ واحدٍ وادفع العبء مرّةً واحدة. فاثنان وثلاثون إطاراً بطول 1500 بايت في وحدةٍ مجمَّعةٍ واحدةٍ عند 600 ميغابت/ث تأخذ 20 + 32×12 320/600 = 677 µs من الهواء، فيكون Tcycle = 34 + 67.5 + 677 + 16 + 30.7 = 825.2 µs مقابل 32 × 12 000 = 384 000 بتّ حِملاً — أي 465 ميغابت/ث، أو 77.6% من معدّل الطبقة الفيزيائيّة. وذاك السبب الصادق في مقاربة وصلةٍ حديثةٍ للرقم الشائع 60 إلى 70% من معدّل الطبقة الفيزيائيّة: لا لأن العبء صغير، بل لأنه يُقسَّط على عشرات الإطارات. فبلا التجميع تسلّم الوصلة نفسها 11%.
احترِس أي رقمٍ تنقل. فقولك «يسلّم الواي فاي نحو 60 إلى 70% من معدّله الفيزيائي» قاعدةٌ تقريبيّةٌ منصفةٌ لوصلةٍ حديثةٍ مجمَّعةٍ بمحطّةٍ نشطةٍ واحدة. وهو ليس خاصّيّةً في CSMA/CA، والبناء أعلاه يُظهر نمطَي الفشل كليهما: إطارٌ واحدٌ غير مجمَّعٍ بطول 1500 بايت عند 54 ميغابت/ث ينال 57%، والإطار نفسه عند 600 ميغابت/ث ينال 11.0%. وأضِف محطّاتٍ متنازعةً فيهبط أكثر. فأي رقم كفاءةٍ للواي فاي بلا ذكر حجم الإطار والتجميع وعدد المحطّات رقمٌ بلا معنى.
أمّا الأسماء التسويقيّة — واي فاي 4 و5 و6 و7 — فقد اختُرعت سنة 2018 عن تحالف Wi-Fi لأن 802.11ax لا يعني شيئاً لمشترٍ. والأسماء الهندسيّة هي حروف الملاحق، وكل معدّلٍ أقصى يُعلنه أيٌّ منها قابلٌ للبناء من أربعة أرقامٍ عندك سلفاً: كم حاملاً فرعيّاً للبيانات تحمل القناة، وكم بتّاً يحمل كلٌّ منها، ومعدّل الترميز، وكم تدفّقاً مكانيّاً يجري بالتوازي.
وصفٌّ واحدٌ من الجدول أدناه لا يمكن بناؤه بهذه الطريقة، والاستثناء مفيد. فـمعدّل 802.11b البالغ 11 ميغابت/ث ليس OFDM أصلاً — بل هو طيفٌ مبسوطٌ بمتسلسلةٍ مباشرةٍ مع مفتاحة الشفرة التكميليّة، حاملٌ عريضٌ واحدٌ لا أربعةٌ وستّون ضيّقاً، فلا عدد حوامل له ولا دور رمزٍ يُقسَم عليه. أمّا كل معدّلٍ من 802.11a وما بعده فهو OFDM، وكلٌّ منها يخضع للصيغة أعلاه.
| الملحق | الاسم التسويقي | السنة | النطاقات | أقصى قناة | أعلى تضمين | أقصى تدفّقات | القمّة الفيزيائيّة |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 802.11 | — | 1997 | 2.4 غيغاهرتز | 22 ميغاهرتز | DSSS وDBPSK/DQPSK | 1 | 2 ميغابت/ث |
| 802.11b | — | 1999 | 2.4 غيغاهرتز | 22 ميغاهرتز | CCK (ليس OFDM) | 1 | 11 ميغابت/ث |
| 802.11a | — | 1999 | 5 غيغاهرتز | 20 ميغاهرتز | 64-QAM وr = 3/4 | 1 | 54 Mbit/s |
| 802.11g | — | 2003 | 2.4 غيغاهرتز | 20 ميغاهرتز | 64-QAM وr = 3/4 | 1 | 54 Mbit/s |
| 802.11n | واي فاي 4 | 2009 | 2.4 + 5 غيغاهرتز | 40 ميغاهرتز | 64-QAM وr = 5/6 | 4 | 600 Mbit/s |
| 802.11ac | واي فاي 5 | 2013 / 2016 | 5 غيغاهرتز فقط | 160 ميغاهرتز | 256-QAM وr = 5/6 | 8 | 6933 Mbit/s |
| 802.11ax | واي فاي 6 / 6E | 2021 | 2.4 + 5 (+ 6) غيغاهرتز | 160 ميغاهرتز | 1024-QAM وr = 5/6 | 8 | 9608 Mbit/s |
| 802.11be | واي فاي 7 | 2024 | 2.4 + 5 + 6 غيغاهرتز | 320 ميغاهرتز | 4096-QAM وr = 5/6 | 16 | 46 118 Mbit/s |
اقرأ الجدول ثلاثة أذرعٍ تُجَرّ مرّةً بعد مرّة، فذاك كل ما فيه تقريباً: قنواتٌ أعرض (20 → 40 → 80 → 160 → 320 ميغاهرتز، أي عامل 16)، ومجموعاتٌ أكثف (6 → 8 → 10 → 12 بتّاً، أي عامل 2)، وتدفّقاتٌ مكانيّةٌ أكثر (1 → 4 → 8 → 16، أي عامل 16). فاضرِب: 16 × 2 × 16 = 512، فتتوقّع الثلاثة وحدها 54 × 512 ≈ 27 600 ميغابت/ث. والنسبة المنشورة 46 118/54 = 854، فقد أسهم شيءٌ آخر بـ854/512 = 1.67، وهو شيئان. فقد ارتفع معدّل الترميز من 3/4 إلى 5/6، وذاك (5/6)/(3/4) = 1.111. وصار الرمز نفسه أكفأ: فـ802.11a يسلّم 48 حاملاً للبيانات كل 4.0 µs = 12.0 لكل µs في 20 ميغاهرتز، على حين يسلّم واي فاي 7 عدد 3920 كل 13.6 µs = 288.2 لكل µs في 320 ميغاهرتز، وهو منسوباً إلى 20 ميغاهرتز 288.2/16 = 18.0 لكل µs — أي عامل 18.0/12.0 = 1.501، وذاك بالضبط حجّة الرمز الأطول في الدرس M10-L2 تظهر مالاً. تحقَّق: 1.111 × 1.501 = 1.668، و512 × 1.668 = 854 ✓.
يذكر الدرس M6-L3 واي فاي 6 عند نحو 8 bit/s/Hz لكل تدفّق بـ1024-QAM وترميزٍ معدّله 5/6. وابنِه فتختلف القيمتان اختلافاً طفيفاً يستحقّ الفهم. فتدفّقٌ واحدٌ من واي فاي 6 في قناة 20 ميغاهرتز هو 234 × 10 × (5/6) / 13.6 µs = 1950 بتّاً / 13.6 µs = 143.4 ميغابت/ث، وهو على 20 ميغاهرتز الاسميّة 143.4/20 = 7.17 bit/s/Hz. والفرق كلّه عبء OFDM: فـ10 × 5/6 = 8.33 bit/s/Hz هو ما يسلّمه التضمين والترميز على حاملٍ فرعيّ، وضربه في الحصّة المفيدة لواي فاي 6 في الدرس M10-L2، أي 0.914 × (12.8/13.6) = 0.860، يعطي 8.33 × 0.860 = 7.17 ✓. فرقم الدرس M6-L3 «نحو 8» هو حاصل التضمين في الترميز مقرَّباً، و7.17 هو الرقم المسلَّم. وكلاهما وجيه؛ وهما ليسا الكمّيّة نفسها، والصادق في نقل واي فاي 6 هو 7.2 bit/s/Hz لكل تدفّقٍ مسلَّمة.
افترض كل ما سبق أن قناةً متاحة. وفي نطاق 2.4 غيغاهرتز ذلك الافتراض هو المشكلة، والحساب قصير. فالنطاق يمتدّ من 2400 إلى 2483.5 ميغاهرتز، فعرضه 2483.5 − 2400 = 83.5 ميغاهرتز. واقسِم على 20 فتنال 83.5/20 = 4.175، وهو ما يبدو أربع قنوات — وذاك الرقم الذي يردّده الناس. وهو خطأ، لسببين يتراكمان.
أوّلاً، تقع مراكز القنوات على شبكةٍ من 5 ميغاهرتز: فالقناة 1 عند 2412 ميغاهرتز، والقناة 2 عند 2417، حتى القناة 11 عند 2462 في أمريكا الشماليّة والقناة 13 عند 2472 في أوروبا. فأرقام القنوات المتجاورة تتراكب تراكباً يكاد يكون تامّاً — فالقناتان 1 و2 تفترقان بـ5 ميغاهرتز وتشغل كلٌّ منهما نحو 22 ميغاهرتز. وثانياً، يقتضي عدم التراكب أن تفترق المراكز بعرض الإشغال على الأقل، وأصغر خطوةٍ مشروعةٍ لا تقلّ عن 22 ميغاهرتز على شبكةٍ من 5 هي 25 ميغاهرتز، أي خمسة أرقام قنوات:
وقارِن النطاقات الأخرى فيفسّر الازدحام نفسه. يقدّم نطاق 5 غيغاهرتز نحو 500 ميغاهرتز على ثلاثة نطاقاتٍ فرعيّة، أي نحو 25 قناةً غير متراكبةٍ بعرض 20 ميغاهرتز — لكن كثيراً منه يخضع لـالاختيار الديناميكي للتردد، وهو واجبٌ تنظيميٌّ بكشف الرادار وإخلاء القناة، تتجنّبه بعض الأجهزة كلّيّاً. أمّا نطاق 6 غيغاهرتز الذي فُتح لواي فاي 6E فيمتدّ من 5925 إلى 7125 ميغاهرتز: أي 1200 ميغاهرتز، وهي 1200/20 = 59 قناة بعرض 20 ميغاهرتز (59 × 20 = 1180 ≤ 1200 ✓)، أو 1200/160 = 7 قنواتٍ بعرض 160 ميغاهرتز، أو ثلاث فقط من قناة واي فاي 7 بعرض 320 ميغاهرتز (3 × 320 = 960 ≤ 1200 ✓). ولاحظ معنى الرقم الأخير: قناة واي فاي 7 الأعرض عريضةٌ حتى إن نطاق 6 غيغاهرتز الهائل لا يحمل منها إلا ثلاثاً، فـ320 ميغاهرتز ميزةٌ لبيتٍ هادئٍ لا لعمارةٍ سكنيّة. ويسوء نطاق 2.4 غيغاهرتز أكثر، لأن الدرس M11-L4 سيُظهر البلوتوث وBLE وزِغبي تسكن الـ83.5 ميغاهرتز نفسها.
واي فاي 6 أوّل جيلٍ ليس عنوانه المعدّل الأقصى. فهدفه التصميمي المعلَن كان الأداء في المنشورات الكثيفة — قاعة محاضرات، أو ملعب، أو عمارة سكنيّة — وكل ميزةٍ فيه تهجم على الكلفة التي كشفها حساب زمن الهواء أعلاه. فاقرأها أجوبةً لا قائمة ميزات:
والرمز الأطول (مباعدة 78.125 كيلوهرتز ودور مفيد 12.8 µs في الدرس M10-L2) هو المُمكِّن تحت ثلاثٍ من تلك الخمس، وهو كذلك ما رفع كفاءة OFDM من 60% إلى 86% وخفض عبء الفترة الحارسة من 20% إلى 5.9%. وهو غير مذكورٍ ميزةً على أي علبة، وهو أكبر تحسينٍ هندسيٍّ منفردٍ في الجيل.
يجرّ الملحق 802.11be، المصدَّق سنة 2024، الأذرع نفسها مرّةً أخرى ويضيف فكرةً جديدةً حقّاً:
احفظ جملةً واحدةً، فالدرسان التاليان مبنيّان عليها: الواي فاي متنازَعٌ عليه والخلوي مجدول. فمحطّة الواي فاي تسأل الهواء الإذن وتخسر أحياناً؛ والجهاز الخلوي يُخبَر متى يُرسل ولا يتصادم قطّ. وذلك الفرق الواحد يفسّر كل تقابلٍ آخر بينهما تقريباً — لماذا الواي فاي رخيصٌ وغير مرخَّصٍ ويتدنّى في الزحام تدنّياً لا يُتوقَّع، ولماذا الخلوي غالٍ ومرخَّصٌ ويصمد. ويمشي الدرسان M11-L2 وM11-L3 على الأجيال الخلويّة، حيث يفعل المجدول في المحطّة القاعدة ما تفعله DCF بحجر النرد. ويرجع الدرس M11-L4 إلى هذا النطاق بالبلوتوث وBLE وزِغبي، وكلّها تتشارك قنوات 2.4 غيغاهرتز النظيفة الثلاث نفسها، ويسأل كيف تتعايش.