يؤثر الاستخدام المتزايد لبيانات الهاتف الخليوي سلبًا على أداء Wi-Fi

تستخدم شبكة Wi-Fi نطاقًا "غير مرخص" يمكن استخدامه بواسطة أي جهاز أو شبكة تتبع قواعد الإرسال الخاصة بلجنة الاتصالات الفيدرالية. في السنوات الأخيرة ، بدأ مقدمو الخدمات الخلوية أيضًا في استخدام هذا الطيف.

وجد باحثو جامعة شيكاغو أن المنافسة بين الشبكات تقلل من الأداء.

إذا أصبحت الخدمة بطيئة عندما تحاول إرسال بريد إلكتروني سريع على هاتفك الذكي ، فيمكنك التمرير عبر خيارات الشبكة واكتشاف عدد شبكات Wi-Fi الموجودة. في الواقع ، هذا الكم الهائل من الخيارات هو في حد ذاته المشكلة. تتنافس هذه الشبكات مع بعضها البعض ، مما يحد من السرعة التي يمكن لكل منها العمل.

أظهر باحثو جامعة شيكاغو كيف يمكن لهذه المنافسة المتزايدة على الشبكة أن تؤثر سلبًا على خدمة الإنترنت للمستخدمين العاديين.

تنشأ المنافسة بين الشبكات عندما تعمل على نطاقات طيف مشتركة ، أو نطاقات تردد للموجات الكهرومغناطيسية. على وجه الخصوص ، تستخدم Wi-Fi نطاقًا "غير مرخص" ، مما يعني أنه يمكن لأي جهاز أو شبكة استخدام هذا الطيف طالما تم اتباع قواعد إرسال معينة مفروضة من قبل لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC).

"الطيف غير المرخص هو حرفيًا مجاني للجميع ؛ أوضحت مونيشا جوش ، العضو المشارك في قسم علوم الكمبيوتر بجامعة شيكاغو وأستاذة الأبحاث في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية ، أن أي شخص يمكنه استخدامها ، ضمن الحدود التي وضعتها لجنة الاتصالات الفيدرالية.

تعتمد خدمة الهاتف الخلوي في الغالب على نطاق منفصل تمامًا من الأطياف ، والذي يحصل على ترخيص من مقدمي الخدمة من لجنة الاتصالات الفيدرالية من خلال مزادات الطيف ، على الرغم من أن ذلك قد تغير مع الطلب المتزايد على البيانات الخلوية وعرض النطاق الترددي المحدود.

عندما يقوم مزود الهاتف الخلوي ، مثل T-Mobile أو AT&T ، بترخيص نطاق طيف من FCC ، فإنه يحتفظ باستخدامه الحصري. ونتيجة لذلك ، فإن الشبكات التي تعمل على نطاقات مرخصة تواجه القليل من التداخل. يتيح ذلك لمقدمي الخدمة إنشاء خدمة سريعة وموثوقة ، لكن ذلك يأتي بتكلفة.

تسمح محطات LAA مثل هذه الموجودة في حرم UChicago لمقدمي الخدمة الخلوية بالوصول إلى نفس نطاقات الطيف المشتركة المستخدمة لشبكة Wi-Fi. مصدر الصورة: مونيشا غوش

قال غوش: "في السنوات الخمس الماضية ، نما العالم الخلوي من حيث عدد المستخدمين وكمية البيانات التي يحتاجون إليها". "بدأ مقدمو الخدمات الخلوية في النقص في الطيف ، والطيف المرخص يكلف المليارات."

لتحسين النطاق الترددي دون كسر البنك ، بدأ هؤلاء المزودون أيضًا في استخدام الطيف غير المرخص عبر الشبكات الخلوية باستخدام وضع يسمى الوصول المساعد المرخص (LAA) ، والذي يعمل على نفس النطاقات المستخدمة لشبكة Wi-Fi. شرعت مجموعة Ghosh في دراسة كيفية تأثير هذا الاستخدام المشترك للطيف غير المرخص ، المسمى التعايش ، على مستخدمي Wi-Fi والمستخدمين الخلويين.

قال غوش: "لقد وجدنا بالفعل محطة LAA تقع في حرم UChicago ، على عمود أمام المكتبة ، وفي هذا الحرم الفضائي الخارجي ، يتم أيضًا استخدام شبكة Wi-Fi". "لقد وفر ذلك منصة تجريبية في الفناء الخلفي لمنزلنا ، لذلك بدأنا في إجراء القياسات."

جالسًا على مقعد خارج المكتبة ، قام طالب دراسات عليا في علوم الكمبيوتر محمد روشمان وباحث ما بعد الدكتوراه فانلين ساتيا بإعداد خمسة أجهزة كمبيوتر محمولة وهواتف ذكية ، واستخدما هذه للوصول إلى شبكات Wi-Fi المحلية أو الاتصال بـ LAA باستخدام البيانات الخلوية. كما تمكنوا من الوصول إلى أنواع مختلفة من البيانات لتنويع الطلب على هذه الشبكات ، من منخفض (مثل الوصول إلى نص على موقع ويب) إلى مرتفع (دفق فيديو). تم تجهيز كل جهاز بتطبيقات سمحت للمجموعة بقياس جودة اتصال كل شبكة.

من خلال الوصول إلى شبكات متعددة في وقت واحد ، وجدت المجموعة أن المنافسة تقلل الأداء - مما يقلل من كمية البيانات المرسلة وسرعة الإرسال وجودة الإشارة.

"إذا بدأ الجميع في استخدام الطيف في نفس الوقت ، فسيؤدي ذلك إلى حدوث تداخل ولن تمر معلومات أحد."

- بحث البروفيسور مونيشا غوش

كانت هذه المنافسة ضارة بشكل خاص بشبكة Wi-Fi. عندما كان LAA أيضًا قيد الاستخدام النشط ، انخفضت البيانات المرسلة بواسطة مستخدمي Wi-Fi بنسبة تصل إلى 97٪. على العكس من ذلك ، أظهرت بيانات LAA انخفاضًا بنسبة 35 ٪ فقط عندما كان Wi-FI قيد الاستخدام أيضًا.

أوضح Ghosh أن عدم التوافق بين Wi-Fi و LAA يرجع جزئيًا إلى البروتوكولات المختلفة التي يستخدمها كل منهما للتعامل مع حركة المرور الكثيفة على الإنترنت.

قال غوش: "إذا بدأ الجميع في استخدام الطيف في نفس الوقت ، فسيؤدي ذلك إلى حدوث تداخل ولن تمر معلومات أحد". "لكن شبكة Wi-Fi والخلية طورتا آليات مختلفة جدًا للتعامل مع هذه المشكلة."

نظرًا لأن شبكة Wi-Fi تعتمد حصريًا على الأطياف غير المرخصة ، فإنها تستخدم بروتوكولًا مصممًا للطلب غير المتوقع. هذا البروتوكول ، المسمى الاستماع قبل الحديث ، يحاكي تفاعلات مجموعة من رواد الحفلات المهذبين. يستمع المشاركون وينتظرون فجوة في المحادثة للتحدث. إذا بدأ شخصان التحدث في وقت واحد ، يتراجع أحدهما بأدب للسماح للآخر بالتحدث ، ثم يرن بعد ذلك. وبالمثل ، إذا حاول العديد من مستخدمي Wi-Fi الوصول إلى الشبكة مرة واحدة ، فسيتم تعيين وقت انتظار قصير لكل منهم ، كما أن العشوائية بين أوقات الانتظار هذه تقلل من احتمال حدوث تصادم.

يستخدم طالب الدراسات العليا محمد روشمان أجهزة متعددة لاختبار أداء شبكات Wi-Fi المحلية و LAA. مصدر الصورة: مونيشا غوش

في المقابل ، يمكن لمقدمي الخدمة الخلوية التنبؤ بالطلب بناءً على الوصول الخلوي ، وبالتالي تخصيص وقت إرسال محدد لكل مستخدم. وبالتالي ، فإن مستخدمي LAA يشبهون المتحدثين في ندوات مجدولة بإحكام أكثر من كونهم في حفلة غير رسمية.

تسبب هذا الاختلاف في البروتوكولات في مشكلة صغيرة عندما تم تقييد مقدمي الخدمة الخلوية على الأطياف المرخصة ، ولكن نظرًا لانتقالهم إلى الأطياف غير المرخصة ، فإن معلمات الوصول إلى القناة التي يستخدمها LAA تجعل من الصعب على مستخدمي Wi-Fi الحصول على وصول متساوٍ إلى الوسيط. على الرغم من حقيقة أن LAA قد عدل مؤخرًا الجدول الزمني الضيق المستخدم في النطاقات الخلوية لتنفيذ الاستماع قبل الحديث ، إلا أنه لا يزال يعمل بمعايير مختلفة. يتمثل أحد الاختلافات الجوهرية في المدة التي يحتفظ بها كل نظام بالوسيط بمجرد وصوله: يمكن لـ LAA الإرسال لمدة تصل إلى 10 مللي ثانية ، في حين أن عمليات إرسال Wi-Fi تصل إلى 4 مللي ثانية فقط.

لا تحدث المنافسة في الطيف المشترك بين مزودي شبكات Wi-Fi وشبكات الجوّال فحسب ، بل تحدث أيضًا داخل كل نوع شبكة.

قال غوش: "في تجاربنا ، قارنا التعايش بين شبكات Wi-Fi / Wi-Fi وتعايش Wi-Fi / LAA". "التعايش بين Wi-Fi / Wi-Fi ليس سيئًا للغاية بسبب إجراء الاستماع قبل التحدث ، لذلك استخدمنا هذا كمعيار للعدالة. لكن شبكة Wi-Fi / LAA تتصرف بشكل أسوأ ، وقد فوجئنا بمدى سوء السلوك ".

في الدراسات المستقبلية ، تأمل أيضًا في دراسة كيف تتنافس شبكات LAA المزودة من قبل مزودي خدمات خلوية مختلفة مع بعضها البعض.

بالإضافة إلى ذلك ، نصحت غوش الوكالات التنظيمية حول كيفية مواءمة بروتوكولات الشبكة بشكل أفضل بناءً على بحثها.

وقد أدت هذه التغييرات إلى تعايش أفضل وآليات مشاركة أفضل. قالت "ولكن لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه".

المرجع: "العقد المخفية في تعايش LAA و Wi-Fi: دراسة قياس الانتشار الحقيقي" بقلم فانلين ساتيا ومحمد إقبال روشمان ومونيشا غوش.
PDF

تم تقديم البحث في 18 يونيو 2021 ، في مؤتمر IEEE الدولي للاتصالات (ICC 2021) ورشة عمل حول مشاركة الطيف الترددي.