The Science Behind WiFi Signal Propagation and Obstacles

وقد أصبحت شبكة ويفي جزءا أساسيا من حياتنا اليومية، مما مكّن من الوصول عبر الإنترنت اللاسلكية إلى المنازل والمكاتب والمساحات العامة، ومنذ الأخذ بمعايير الـ 802.11 في أواخر التسعينات، تطورت تكنولوجيا ويفي لدعم سرعة الاتصالات ووصلات أكثر موثوقية، ومع ذلك، لا يزال العديد من المستعملين يكافحون مع المناطق الميتة والأداء غير المتسق، ويمكّن فهم الفيزياء وراء موجات الراديوية التي تبثها الشبكة من التفاعل من الوصول إلى المواد.

أساسيات التلقيح الموقعي

أما إشارات الويب فهي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاق الترددات اللاسلكية، ولا سيما في النطاقات غير المرخص بها للإدارة الدولية للمواد الكيميائية، وأكثر الترددات شيوعاً المستخدمة هي 2.4 غيغاهيرتز و5 جيهرتز، مع وجود معايير جديدة تستخدم أيضاً نطاق الترددات الست GHz (WiFi 6E).

Eectrum and WiFi Frequencies

وتمنح مجموعة المواد التي تبلغ ٢,٤ جيهرتز نطاقا أطول وتخترق بشكل أفضل من خلال العقبات التي تحول دون ترددات أقل إلى موجات أطول، وهي أقل تخفف من المواد، غير أن هذه الفرقة أكثر اكتظاظا، وتتقاسمها أجهزة مثل الموجات الدقيقة، والبلوتوث، والهواتف اللاسلكية، وتورد فرقة العمل المعنية بحجم الترددات العالية معدلات بيانات أعلى، وتقلل من التدخل بسبب وجود قنوات وأقصر موجات، ولكن نطاقها.

Free Space Path Loss (FSPL)

وحتى في بيئة غير مُحبطة، تضعف إشارات الوايف بُعد، ويُوصف هذا التكثيف بـ [(FLT:0] Free Space Path Loss (FSPL) ، ومعادلة ، حيث (d) هي المسافة بين الكميات والكميات:

وتقاس قوة الإشارة في الديموغرافيا (العلامات الدي سيبل مقارنة بـ 1 ملليوات) وتقارب طاقة النقل النموذجية للجهاز 20-23 د.ب.م.() ويُفترض أن يكون قوام الإشارة المتلقاة في جهاز العميل أعلى من 67 د.ب لوصلات عالية النواتج موثوق بها، وكثيرا ما يؤدي أي شيء دون 80 د.بلوم إلى فقدان الحزم والقطع.() ويساعد فهم نظام الإبلاغ المالي على توضيح سبب وجودة.

كيف تأثير الأوعية على إشارات ويفي

In real-world environments, obstacles are everywhere. Walls, floors, fabric, and appliances, and even people interact with radio waves in three primary ways: absorption, ]reflection, and diffraction[

الجدول الزمني لتخفيف المواد

ويبين الجدول التالي فقدان الإشارات النموذجية (في الـ دي بي) للمواد المشتركة عند 2.4 غيهرتز و5 جيهرتز، وهذه القيم تقريبية وتختلف بسمك وتكوين دقيق.

  • Drywall (5/8 بوصة): 3-4 dB at 2.4 GHz; 4-6 dB at 5 GHz
  • Glas (1.54 inch): 2-3 dB at 2.4 GHz; 3-5 dB at 5 GHz
  • Wood (3/4 inch): ] 4-5 dB at 2.4 GHz; 5-7 dB at 5 GHz
  • Concrete (6 inch): ] 10-15 dB at 2.4 GHz; 15-25 dB at 5 GHz
  • Brick (4 بوصة): 8-12 dB at 2.4 GHz; 12-18 dB at 5 GHz
  • Metal (thin sheet): ] 20-30 dB at both frequencies; can completely block
  • Water (human body): ] 10-15 dB at 2.4 GHz; higher at 5 GHz

فالجدران الخرساني والبري والمعادن هي أكثر المشاكل إشكالية، إذ يمكن أن يقلل من قوة الإشارة بمقدار 15 درناً، وهو ما يكفي لإلقاء إشارة قوية إلى مستوى هامشي، وتخلق الجدران المتعددة بسرعة مناطق ميتة، كما أن المنافذ والخطوط الأرضية المدعمة تتسبب أيضاً في تصعيد شديد.

أثر الناس والأثاث

فالأجسام البشرية تبلغ حوالي 60 في المائة من المياه، مما يجعلها ممتصة فعالة للموجات الإذاعية، وعندما يقف شخص ما بين جهاز التوجيه والعملاء، يمكن أن تسقط الإشارة بنسبة 10-20 د.ب. كذلك، فإن الأجسام المعدنية الكبيرة مثل خزانات الملفات، أو الثلاجات، أو المرايا تعكس إشارات الارتداد وتبعثها، وتخلق تدخلا متعدد التعاطف وتخفض من نوعية الإشارات العامة، بل إن الأثاث الذي يُصنع من خشب الكثيف أو لوحات يمكن أن يتسبب في التكثام يمكن أن يسبب تصاًاًاً قابلاًاًاًاًاًاً يمكن قياسياًاًاًاًاًاًاًاًاً.

فهم هذه الآثار يسمح لك بوضع خطة لإرسال أجهزة توجيه أكثر ذكاء، مثلاً، وضع جهاز توجيه على رف رفيع بعيداً عن الأجسام المعدنية وتجنب المواقف التي يقطع فيها الناس في كثير من الأحيان بين جهاز التوجيه والأجهزة الأولية يمكن أن يحسن الأداء بشكل كبير.

طرق الإنجاب في التجزئة

(أ) تسافر موجات إذاعية من جهاز إرسال إلى جهاز استقبال عبر مسارات متعددة، أما الآليات الأساسية الثلاث فهي [(FLT:0]] خط الاستصدار ، ، [الرسالة] ]، ] ، و

  • Line-of-Sight:] The direct, unobstructed path between antennas. This provides the strongest signal because it has the least loss. In practice, very few indoor links have a perfect LOS due to obstacles.
  • Reflection:] When waves hit surfaces that are large compared to the wavelength (e.g., walls, floors, ceilings), they bounce. Reflected signals travel a longer path and arrive later than the direct signal. This can cause constructive or destructive interference at the receiver.
  • Diffraction:] Waves bend around edges and corners of objects. For example, a signal can diffract around a door frame or the corner of a building, providing coverage into adjacent rooms. Higher frequencies experience less diffraction, which is why 5 GHz signals have more trouble going around obstacles.
  • Scattering:] When waves encounter rough surfaces or small objects compared to the wavelength, they scatter in many directions. This can either help by filling in coverage or harm by creating unpredictable fading.

المنطقة الحلقية وأهمية

In any radio link, the first Fresnel zone[FLT:] is an ellipsoidal region between transmitter and receiver where obstruction can cause significant signal loss. For opt performance, at least 60% of this zone should be clear of obstacles. When objects like walls or tree branches intrude into the first Fresnel zone, they cause additional attenuation even if there

التداخل المتعدد الأشكال

(أ) عندما تصل الإشارات إلى جهاز الاستقبال من مسارات متعددة، فإنها تجمع بين ذلك، وإذا كانت الإشارات المجسدة قد خرجت عن المرحلة مع الإشارة المباشرة، فإنها تلغي بعضها البعض (التدخل التدميري)، وتتسبب في حدوث فوارق عميقة، وإذا كانت هذه الإشارات في مراحل، فإنها تضيف (تدخل بناء).

For a deep understanding of propagation effects, refer to the ITU-R P.1238 recommendation on propagation data for indoor environments.

Advanced WiFi Technologies

وللتغلب على تحديات الانتشار والعقبات، تدمج أجهزة الاتصال الحديثة في الشبكة عدة تكنولوجيات متقدمة:

MIMO and Beamforming

وتستخدم المنظمة الهوائيات المتعددة في كل من جهاز توجيه الطائرات وزبونها، إذ تقوم البعثة في نفس الوقت بزيادات من خلال الناتج. Beamforming] هو تقنية يقوم فيها جهاز التوجيه بتعديل مرحلة الإشارات من كل هوائي لتركيز الطاقة اللاسلكية على الجهاز العميل، بدلا من أن يُشعّ النسب المرجعية الكاملة للشبكة.

مكتب الشؤون الإدارية وشؤون الإدارة

(و) استحدثت شركة WiFi 6 (802.11ax) قاعدة الترددات الأورثية المتعددة (OFDMA) التي تقسم قناة إلى ميكانيكيات فرعية أصغر، مما يسمح بأجهزة متعددة لنقلها في وقت واحد.

شبكات صغرى

وبدلا من الاعتماد على جهاز واحد للطرق، تستخدم نظم الميوش نقاط دخول متعددة تتواصل مع بعضها البعض دون سلك، وكل عقدة منها تعمل كنقل، وتمتد التغطية وتنشئ شبكة لا تحصى، وتعالج المراسم الميدالية واختيار المسارات بصورة دينامية، وكثيرا ما تستخدم أجهزة لاسلكية مصممة للخلف لتجنب الازدحام، وتصبح نظم الميش فعالة بوجه خاص في المنازل الكبيرة أو المباني التي تواجه عقبات عديدة، حيث أنها لا تتوقف على وجودة.

For an in-depth comparison of WiFi technologies, see the Cisco guide to WiFi 6].

تحقيق الأداء الأمثل لشبكة ويفي

وتطبيق علوم التكاثر يؤدي إلى تحسينات عملية، وهنا توجد إجراءات مفصلة يمكن أن تتخذها لتحقيق أقصى قدر من التغطية والموثوقية في الشبكة العالمية.

أفضل الممارسات في مجال التنسيب

  • Central location:] Place the router near the center of your home or office, away from external walls. Radio waves radiward out, so a central position reduces the number of walls the signal must penetrate.
  • elevate the router:] Higher placement (on a shelf or mounted on a wall) avoids floor-level obstructions and fabric. Most antennas have a radiation pattern that is strongest horizontally, so putting the router on the floor sends half the energy into the ground.
  • Avoid metal and water:] keep the router away from metal objects, aquariums, and large appliances. Even a metal filing cabinet placed next to the router can reflect signals and create a pattern of dead zones.
  • Antenna orientation:] If your router has external antennas, angle them at 45 degrees or more to improve coverage across both horizontal and spiritual planes. Some routers support antenna diversity, which automatically selects the best signal path.

اختيار القنوات والتواتر

ويعمل المتجولون على قنوات محددة داخل كل فرقة، ويتسبب تجاوز القنوات في التدخل، إذ يستخدم في حدود 2.4 غيغاهيرتز القنوات 1 أو 6 أو 11 لأنها لا تتداخل، وبالنسبة لخمسة جيهرتز، فإن معظم القنوات لا تغطيها، ولكن الكشف عن الرادار يمكن أن يرغم جهاز التحكم على تغيير القنوات، ويستخدم تطبيقاً للوادي في الخلايا لإيجاد أقل القنوات احتياجاً في منطقتك، وإذا كان لديك عدد أكبر من الجيران، 5 قنايات.

التعامل مع النفقة المشتركة والتداخل بين القنوات الأجسنية

وفي المناطق الحضرية الكثيفة، تتقاسم شبكات متعددة من شبكة ويفي نفس القنوات، وهذا التدخل في القنوات المشتركة يتدهور الأداء لأنه يجب على المحطات أن تنتظر أن تكون القناة واضحة، ويحدث تدخل في القنوات الجاهزة عندما تستخدم الشبكات المجاورة قنوات متداخلة جزئياً، مما يسبب التخاطب، وتشمل الحلول استخدام ٥ جيهرتز )قنوات أخرى(، مما يتيح توجيه الزوارق لدفع العملاء إلى النطاق الأقل ازدحاملا، ويخفض قدرة الشاحنات الخاصة بك إلى حد ما إذا كنت قريبة جداً.

وبالنسبة لبيئات المؤسسات، يوصى باستخدام جهاز مراقبة مركزي ينسق مهام القنوات ومستويات الطاقة عبر نقاط الوصول. ] يقدم دليل التكنولوجيا التقنية بشأن تحسين إشارة ويفي ] معلومات إضافية عن مستوى المستهلك.

متى تستخدم مضخات ويف أو ميش

وإذا لم يكن بوسع أحد الموصلات أن يغطي المساحة الكاملة، فإن ينظر في موسع ويفي (إعادة تشغيل) أو نظام مشرق، ويتلقى المكثفات إشارة جهاز التعقب ويعيد بثها، ولكنهم يقطعون منافذها إلى النصف، إذ يجب عليهم إعادة نقلها على نفس القناة، وتستخدم نظم ميش نظاما احتياطيا مخصصا (في كثير من الأحيان جهاز إرسال لاسلكي أو وصلة سلكية) لتجنب هذه العقوبة.

خاتمة

إن نشر إشارات شبكة ويفي تحكمه نفس المبادئ الكهرومغناطيسية التي تنطبق على جميع الأمواج الإذاعية، وبفهم فقدان المسارات الفضائية الحرة، وتكثيف المواد، والآثار المتعددة الملامح، ومنطقة النفق، يمكن أن تُحدّد مشاكل الأداء وتصمم شبكات أفضل، كما أن تحسينا متطورا مثل MMO، والارتقاء بالأشعة، ونظما مصغرة يساعدان على تخفيف العقبات، ولكن الأصول تظل ذات أهمية أكبر.

For further reading, the ]Wi-Fi Alliance Specifications page] provides official technical documents, and the ]IEE conferences on wireless communications offer peer-reviewed research on propagation and network optimization.