التكنولوجيا والعلوم التطبيقية

طرق إرسال المعطيات في أنظمة الاتصالات اللاسلكية

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

التكنولوجيا والعلوم التطبيقية

كيف تُرسل المعطيات في أنظمة الاتصالات اللاسلكية وما الذي يقيد السرعة التي يمكن إرسالها بها؟ نبدأ بمراجعة تاريخ تزايد السرعة خلال الخمسين سنة الماضية، وبمناقشة الانتقال من الإلكترونات إلى الفوتونات. ثم نُوجز تاريخ احتباس الضوء في نوافير الماء حتى الألياف الضوئية. ونناقش أخيراً تصنيعها.

تُرسِل محطة إرسال تضمين السعة راديوي (AM) عند تردد مُخصّص يسمى التردد الحامل مثل التردد f1= 700 كيلوهرتز (KH2). ومن أجل إرسال معلومات، مثل مدونة موسيقية A عند تردد f2= 440 كيلوهرتز (KH2)، يُصار إلى تضمين سعة التردد الحامل على تردد المدونة.

تشتمل الإشارة الناتجة على ترددات تمتد من التردد الحامل إلى زائد أو ناقص تردد التضمين ويسمى هذا الحيز بعرض الحزم. يتألف صوت الإنسان من حيز ترددات يمتد حتى حوالي 4000Hz ، وتمتلك، هكذا، محطة إرسال راديوية أو إشارة هاتفية عرض نطاق قدره 8000 Hz.

يُحوِّل الميكروفون في الهاتف صوت الإنسان إلى فولطية تتغير مع الزمن. وتقوم أنظمة الاتصالات الحديثة بتحويله بدورها إلى إشارة رقمية تتألف من سلاسل من النبضات تٌمثل آحاداً و أصفاراً، ويساوي عرض حزام الإشارة الهاتفية الرقمية1 ميغا هرتز.

ما هي حدود سرعة إرسال المعطيات؟ طُرح هذا السؤال لأول مرة في منتصف سنوات اﻠ 1980 بالنسبة للسرعة العظمى للإرسال التلغرافي. والإشارة التلغرافية هي عبارة عن شكل من تضمين السعة تكون فيه السعة المضمنة قطاراً من النبضات. فما هو عدد النبضات التي يمكن إرسالها في زمن معين؟ يمكن للنبضات المنفردة أن تكون أقصر وأن تتقارب فيما بينها، لكن يجب أن يكون هناك حد لذلك.

وفوق هذا الحد، لا يمكن للمُستقبِل في الطرف الآخر للخط أن يفصل جيداً بين النبضات. في عام 1928، وسّع هاري نايكست (Harry Nyquist) العامل في مختبرات بل تحليل الإشارات التلغرافية ليشمل نبضات اعتباطية الشكل (Nyquist 1928)، وبرهن أنه إذا نَقل خط تلغراف إشارات تصل تردداتها إلى التردد الأعظمي W، فإن سرعة النبضات العظمى ستتحدد بضعف عرض الحزام W2.

 

لزيادة استطاعة شبكة الاتصالات اللاسلكية، ينبغي زيادة عرض الحزام وتردد الموجة الحاملة في نفس الوقت (يُصمَّم عادة عرض الحزام ليكون من مستوى 10% من التردد الحامل).

يعتبر تاريخ صناعة الاتصالات اللاسلكية خلال نصف القرن الماضي تاريخ تطوير أنظمة تعمل عند ترددات أعلى وأعلى من أجل زيادة عرض الحزام.

كان نظام هاتف منتصف القرن العشرين يُرسل المعلومات على زوج من أسلاك النحاس، وتزداد استطاعة زوج أسلاك النحاس مع تردد الموجة الحاملة، لكن ضياعات إشعاعية ترافق زيادة التردد، وتساوي النهاية العملية للضياع الإشعاعي القابل للسيطرة حوالي1 ميغا هرتز.

يمكن زيادة حيز التردد بالتحول من زوج أسلاك النحاس المجدولة إلى الكابل المحوري حيث يوضع سلك مركزي في ناقل إسطواني خارجي متمركز معه. إن ذلك يوسع حيز الترددات حتى حوالي  100 ميغا هرتز.

تتمثل المرحلة التالية في الانتقال إلى الترددات الميكروية التي توسع الحيز إلى  100 غيغا هرتز. وإذ تتخامد الإشارات الميكروية بواسطة الهواء، فإن ذلك يحدد المسافة بين أبراج الخطوط الميكروية.

كان ينبغي تطوير نظام يمكنه إرسال المعلومات بوثوقية على مسافات كبيرة، وفي القرن التاسع عشر، كان ج. ج. تومسون (J. J. Thomson) ولورد رايلي (Lord Rayleigh) قد بينا أن الأمواج الكهرطيسية يمكن أن تنتشر داخل أنبوب معدني مجوف يسمى دليل (مرشد) الأمواج (Wave guide).

 

وفَّر تطوير الرادار خلال الحرب العالمية الثانية المهارة في تصميم واستعمال دليل الأمواج من أجل نقل الإشارات الميكروية. وفي سنوات اﻠ 1970، بُذلت جهود بطولية لتطوير مرشدات أمواج يمكنها نقل الإشارات اللاسلكية على مسافات طويلة عند ترددات قدرها 100 غيغا هرتز. أقامت شركة AT&T نظام دليل موجة من نيويورك إلى واشنطن كان يعتبر تحدياً هندسياً.

على مدار فترة عشرين سنة بعد الحرب العالمية الثانية، زادت شركات الاتصالات اللاسلكية عرض الحزام المتوفر من آلاف الهرتزات إلى عشرات الغيغا هرتز، لكنها كانت مهمة مرعبة في تنفيذ أنظمة دليل موجة عبر البلاد، إذا لم نقل بين القارات. وللاستجابة إلى الطلب، كان ينبغي استنباط طريقة جديدة لزيادة التردد وعرض الحزام.

لحسن الحظ، برهنت الأعمال في هذا الوقت لدى مختبرات الاتصالات اللاسلكية المعيارية في بريطانيا ولدى شركة كورنينغ (Corning) للزجاج في أميركا جدوى نقل المعلومات على شكل أمواج ضوئية عبر ألياف كوارتز، بدلاً من استعمال الالكترونات من أجل نقل المعلومات عبر أسلاك نحاسية. إن ذلك يزيد التردد بمستوى عدة مراتب (50 THz) وبنفس الوقت يزيد عرض الحزام المتوفر من أجل الإرسال الموثوق لإشارات الاتصالات اللاسلكية على مسافات طويلة.

التقدم العلمي
‫‪اللقاحات القابلة للأكل..
اللقاحات القابلة للأكل تعد بديلا مناسبا للحصول على لقاحات آمنة وفعالة، وهي لقاحات تحتوي على مولد ضد صالح للتناول دول عدة تراهن على الطحالب الدقيقة المعدلة وراثيًا لتطوير لقاح لمرض كوفيد-19 صالح للأكل مستخدمة الهندسة الوراثية د. طارق قابيل أستاذ في كلية العلوم - جامعة القاهرة مصر
     منذ استشراء جائحة فيروس كورونا المستجد المسبب لجائحة كوفيد-19، هرعت كثير من المؤسسات الطبية وحكومات بعض الدول إلى تكثيف البحوث ودعم الدراسات الهادفة ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪إنشاء مستشفيات جديدة في ووهان
ع إبلاغ المستشفيات القائمة عن نقص في الأسرّة بسبب زيادة الطلب الناجم عن انتشار فيروس كورونا السريع، قررت الصين في 24 يناير البدء ببناء مستشفيات جديدة. بعد أقل من أسبوعين، فتحت أبواب المرافق الطبية الجديدة لاستقبال أول المرضى.
أنشئ مستشفيان جديدان في ووهان، عاصمة مقاطعة هوبي، في الأسبوع الأول من شهر فبراير. واستغرق الأمر أقل من أسبوعين للانتقال من وضع حجر الأساس في الموقع إلى البدء باستقبال أول المرضى. والمستشفيان الجديدان - مستشفى ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪لماذا تُسبب السمنةُ تفاقمَ مرض كوفيد-19؟
غطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر ومؤسسة هيسينغ-سيمونز Pulitzer Center.
بقلم:     ميريديث وادمان
ترجمة:  مي بورسلي
 
في ربيع هذا العام، بعد أيام من ظهور أعراض تشبه أعراض الإنفلونزا والحمى، وصل رجل إلى غرفة الطوارئ في المركز الطبي بجامعة فيرمونت Vermont Medical Center. كان شابا، في أواخر الثلاثينات من عمره، وكان يعشق زوجته وأطفاله الصغار. وكان يتمتع بصحة جيدة، وقد كرّس ساعات لا نهاية لها في إدارة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪الفيروس التاجي يثير التخمينات حول موسم الإنفلونزا
قلم:    كيلي سيرفيك
ترجمة: مي بورسلي
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر  Pulitzer Center ومؤسسة هايسنغ-سيمونز  Heising-Simons Foundation.
في شهر مارس 2020، بينما كان نصف الكرة الجنوبي يستعد لموسم الإنفلونزا الشتوي أثناء محاربة مرض كوفيد-19 COVID-19، وضعت شيريل كوهين Cheryl Cohen -عالمة الأوبئة، وزملاؤها في المعهد الوطني للأمراض المعدية National Institute for Communicable Diseases بجنوب إفريقيا اختصار: ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪كيف تقاوم العدوى باستعادة شباب جهازك المناعي
قلم:    غرايام لاوتون
ترجمة: محمد الرفاعي
اغسل يديك بعنايةٍ لعشرين ثانية، غطّ عطستك بمرفقك، تجنب ملامسة وجهك، ابقَ على مسافة مترٍ عن الآخرين، وكملجأ أخير ٍ، اعزل نفسك بعيداً عن الجميع لمدة أسبوعٍ مع ما تحتاج إليه من أغراض. وإذا أردت أن تتجنب فيروس كورونا المستجد، فكل هذه أفكارٌ جيدةٌ. لكن، في نهاية المطاف، خطُ الدفاع الذي يقف بينك وبين الإصابة بكوفيد 19 Covid-19 هو جهازك المناعي.
نعلم أن الجهاز المناعي يَضْعُفُ عندما نتقدم في ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪لقاح أكسفورد آمن ويحفز على الاستجابة المناعية
قلم:    كلير ويلسون، جيسيكا هامزيلو، آدم فوغان، كونارد كويلتي-هاربر، ليلى ليفربول
ترجمة: مي منصور بورسلي
آخر أخبار فيروس كورونا حتى 20 يوليو 2020 الساعة 5 مساء
 
لقاح أكسفورد المرشح للتطعيم ضد الفيروس التاجي يبدو آمنًا ويحفز على الاستجابة المناعية
اللقاح ضد الفيروس التاجي Coronavirus الذي طورته جامعة أكسفورد University of Oxford بالتعاون مع شركة الأدوية آسترازينيكا AstraZeneca آمنٌ وينشط الاستجابة المناعية لدى الأشخاص، ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪بطاريات نووية آمنة وطويلة الأمد قد تكون حقيقة واقعة قريبًا
قلم:    ديفيد هامبلينغ
ترجمة: مي بورسلي
في عام 1977 انطلق المسباران فوياجر Voyager لبدء ما سيثبت أنه أطول الرحلات التي قطعتها أجسام من الأرض على الإطلاق. حاليا، غادرت المركبتان المجموعة الشمسية والمسبار فوياجر 2 يرسل إلينا قياسات الفضاء بين النجوم. ومع تقدم الإنجازات، فإنها تُصنف من بين أعمق الإنجازات البشرية. ولكن نادرًا ما يُحتفى بأحد الجوانب الحاسمة لهذا النجاح: فمن المؤكد أن لدى هذين المسبارين بطاريات جيدة.
في ظروف الحياة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪مؤشر الابتكار العالمي 2020.. كوفيد-19 وتمويل الإبداع
أزمة كوفيد-19 ستؤثر في مجال الابتكار، وعلى قادته التصرف خلال الانتقال من مرحلة الاحتواء إلى مرحلة التعافي البحث العالمي المشترك عن حلول صحية للحد من تداعيات جائحة كورونا أظهر مدى قوة التعاون العالمي وأهميته  محمد الحسن كاتب علمي ومحرر، الكويت
    فيما كان العالم يسير بوتيرة متميزة في مجال الابتكار في السنوات القليلة الماضية، ويحقق إنجازات مهمة في هذا الشأن على صعيد معظم دول العالم، تغير المشهد كثيرا في الربع الثاني من العام ... (قراءة المقال)