Table of Contents
فهم المنهاج المسمى Spread Spectrum في مجال الاتصالات الساتلية
وقد برزت شبكة الإنترنت الساتلية كهيكل أساسي حاسم لإيصال وصلات النطاق العريض إلى المناطق التي لا يمكن أن تصل فيها الألياف الأرضية أو الكابلات إلى المستوى الاقتصادي، ومن الشبكات البحرية والطيرانية إلى المجتمعات الريفية وعمليات استعادة القدرة على العمل بعد الكوارث، يجب أن تتغلب النظم الساتلية على المسافات الهائلة، وتكثيف الإشارات، وتهيئة بيئة عدائية كهرومغناطيسية، وفي قلب النقل الحديث للبيانات الساتلية ذات السرعة العالية، تكمن
إن الطيف المُتَرَك ليس أسلوباً واحداً بل هو عبارة عن أسرة من تقنيات العزل التي تنقل عن قصد إشارة على عرض النطاق الترددي أوسع بكثير من الحد الأدنى الذي تتطلبه المعلومات التي يجري إرسالها، وفي حين أن هذا قد يبدو عكسياً، يُدرِج نهج الطيف الثمين فوائد استثنائية في رفض التدخل والأمن والإمكانيات المتعددة، فإن الأساس النظري مستمد من Shannon-Hartley theorem
وتستكشف هذه المادة المبادئ الكامنة وراء الطيف المنتشر، وهما التنفيذان الرئيسيان - برنامج القفز السريع، وشبكة سبكتروم التتابع المباشر - وتطبيقاتهما المحددة في نظم الإنترنت الحديثة، كما تدرس كيفية تمكين هذه التقنيات من ارتفاع معدلات البيانات، ومقاومة التشويش، ودعم المستعملين المتعددين، والتكامل مع هياكل الجيل القادم مثل الشبكات غير الأرضية ذات الجيل الخامس.
مبادئ تكنولوجيا الرش
ويُركز نقل النطاقات التقليدية على الطاقة التي تستخدمها الإشارة إلى حد أدنى من النطاق الترددي، مما يجعلها عرضة للتدخل الضيقة، والتنصت، وتلاشى الإشارات، وينشر طيف السحب عن عمد الطاقة عبر نطاق الترددات الأوسع نطاقاً، ويخفض كثافة الطاقة الضئيلة بحيث تظهر حتى كضوضاء خلفية للمستقبلين غير المقصودين، ويعرف أن الإشارة الأصلية قد تسترد.
وتشمل المعايير الرئيسية مكاسب التجهيز ]، التي تعرف بأنها نسبة النطاق الترددي المنتقل إلى معدل بيانات النطاق الأساسي، ويزيد من مقاومة التدخل والتشويش، ولكنه يتطلب مزيدا من الترددات، أما بالنسبة للوصلات الساتلية العاملة في إطار الترددات المزدحمة مثل كو (12-18 GHz) و(26-40 GHz ter)، فإن الطيف المتاخم يتيح التعايش
كما يدعم الطيف المُنقَّد ]code-division multiple access (CDMA)]، حيث يتقاسم مستعملون متعددون في نفس الوقت نفس القناة الواسعة النطاق باستخدام رموز منفصلة لنشر الأوعية، وعلى عكس الوصول المتعدد من خلال التواتر والشعبة الزمنية (FDMA) أو الوصول المتعدد التوقيت (TDMA)، لا تتطلب آلية التنمية النظيفة تنسيقا دقيقا للتواتر أو الوقت، وتبسيط إدارة الشبكات الساتلية وتحسينها.
Sectrum (FHSS)
وفي محطة الاستقبال الميدانية، يتسارع تواتر الناقلات من خلال أجهزة التردد المرسل إليها بين مجموعة من الترددات المحددة مسبقاً وفقاً لتسلسل السحب المدوّنات المعروف لدى كل من جهاز الإرسال والاستقبال، ولا يمكن أن يتأثر وقت الإقامة في كل تردد، إلا باختصار، بتوقعات قصيرة، إذا كان هناك متدخل ضيق النطاق على تردد واحد، فإن هناك نقصاً صغيراً في البيانات المعطلة قد تأثر؛
وتستخدم نظم السواتل التي تستخدم محطة FHSS في كثير من الأحيان slow hopping] (رموز بيانات منفصلة لكل محل) أو ]fast hopping) (الخراطيم المتعددة الألوان للرمز) ويوفر التصاميم مزيجاً أعلى من الترددات في الجسم، ولكنه يتطلب المزيد من أجهزة التحكم في القوارض الصلبة وتشديدة.
مباشرة (Squence Spread Spectrum)
وينشر نظام إدارة الدعم الميداني الإشارة بتكثيف كل بيانات مع رمز ضوضاء عالية الجودة، ويحتوي تسلسل الرقاقة الناتج على عرض نطاق واسع يساوي معدل الرقاقة، الذي يزيد كثيراً عن معدل البيانات الأصلي، ويستخدم في جهاز الاستقبال نسخة متزامنة من نفس رموز PN الرمز لتسليط الإشارة، مما يؤدي إلى تداعيات الطاقة الواسعة النطاق التي توزع إلى نطاق ضيق.
وتعتمد شبكة الـ دي إس إس إس إس إس في الاتصالات الساتلية على نطاق واسع من أجل قوتها من التشويش المتعدد التعاطف - مشكلة مشتركة في وصلات السواتل عندما تسبب التأملات من المباني أو التضاريس أو الجسم الساتلي نفسه تأخيرا في الحصول على الإشارة، وتسمح خصائص الترميز الآلي للرمز الموزع للمستقبل بحل المكونات المتعددة التعاطفات ودمجها بصورة بناءة باستخدام جهاز استقبال للزجاجات، وتحسين ميزانية الوصلة، وتمكين من زيادة معدلات البيانات.
Processing gain] in DSSS is typically expressed as 10 log10(chip rate / data rate). For a satellite internet service offering 100 Mbps with a fr rate of 1.2288 Gcps (similar to 3G cellular), the processing gain is about 10.9 dB-enough to overcome significant interference and maintain link closure under challenging conditions.
لماذا ينشر سبيكتروم هو أساسي للإنترنت بواسطة السواتل
ويواجه الإنترنت الساتلية السريعة تحديات فريدة توزع الطيف مباشرة، ويستلزم التأخير الطويل في النشر )من ٢٥ إلى ٤٠ مترا إلى ساتل ثابت بالنسبة للأرض، أو ١ إلى ٤ مترات إلى سواتل مدار أرضي منخفض( مقترنا بالحاجة إلى ارتفاع منافذ الطيف إجراء عمليات تغيير وترميز قوية، ويسهم الطيف في عدة مجالات حاسمة:
Interference Mitigation in Shared Spectrum
يجب أن يتقاسم مشغلو السواتل مجموعات الترددات مع وصلات الموجات الدقيقة الأرضية، ونظم الرادار، وغيرها من الشبكات الساتلية، وتنشر إشارات الطيف، مع جهازها المنخفض للضغط، وتتسبب في الحد الأدنى من التدخل في نظم الترددات الضيقة، مع كونها قادرة على التدخل في نطاق ضيق من جهات أخرى، وهذه السمة حيوية بالنسبة لـ لقطع غيار مرخصة بدرجة متزايدة [FLT: G.
تعزيز الأمن وقلة احتمالات الاعتراض
ونظراً لأن إشارة الطيف المنتشرة تبدو ضوضاء واسعة النطاق لأي متلقي لا يعرف رمز الانتشار، فإنها تعرض احتمالية الاعتراض (LPI) و احتمال الكشف (LPD) [(FLPD) [(FLT:3])()
الكفاءة المتعددة في الوصول
(ب) آلية التنمية النظيفة القائمة على نظام إدارة الدعم الميداني تسمح لجميع المحطات الطرفية في شعاع ساتلي بأن تنقل في نفس الوقت دون تحديد مواعيد زمنية، وهذا من حيث التعددية الإحصائية هو مثالي لربط متغيرات شبكة المرور عبر الإنترنت، والبريد الإلكتروني، ومتوسط استخدام الوسائط الاجتماعية، منخفض ولكن طلبات الذروة الفريدة هي عالية.
(السلامة إلى (فايدينغ و دوبلر شيفت
وفي مجموعات السواتل ذات المدار الأرضي المنخفض، تشهد المحطات الطرفية تحولات سريعة في دوبلر مع مرور السواتل على ارتفاعات كبيرة، كما أن إشارات الطيف المنتشرة، ولا سيما مع إجراء تعديلات مباشرة، أكثر تسامحا مع دوبلر من الإشارات الضيقة الضيقة، لأن الخوارزميات المتزامنة يمكن أن تتبع مرحلة الرمز وتواتر الناقل بصورة مستقلة، علاوة على أن الترددات الواسعة النطاق تزيد من التنوع في الترددات، مما يقلل من أثر الطاعون الضيق.
التغلب على التحديات في مجال نقل البيانات الساتلية العالية السرعة
وفي حين أن نطاق [الطيف] يتيح فوائد كبيرة، فإن تنفيذه من أجل وصلات ساتلية عالية السرعة (مئات من طلقات النخيل إلى Gbps) يستحدث مبادلات في التصميم، وقد يتضارب نطاق التردد الواسع اللازم لتحقيق مكاسب عالية في التجهيز مع نطاق محدود، مثلاً، فإن إشارة الـ دي إس إس إس إس إس إس إس إس مع معدل رقائق واحد من طراز GHz ستشغل صفائحتين إذا استخدمت فيها زيادة في إطارات متعددة.
وثمة تحد آخر هو Energy amplifier nonlinearity].() وتظهر إشارات الطيف الخفيف ارتفاعاً في نسبة الطاقة إلى المتوسط، ولا سيما في نظم آلية التنمية النظيفة المتعددة الكلور، بينما تضغط الإشارات العالية على أجهزة التصفير الساتلية على متنها في التشبع، مما يتسبب في التشويه والارتداد الطيفي الذي يتداخل مع القنوات الرقمية المتاخمة.
إضافة إلى ذلك، يجب أن يكون التزامن في نظم الطيف المُنتشر دقيقاً للغاية، يجب أن تكون مرحلة الشفرة في جهاز الشرطة الوطنية مُتواءمة في جزء من الرقاقة، وبالنسبة لمعدلات الرقائق التي تبلغ 100 مكبس أو أعلى، هذا يتطلب دقة التوقيت على ترتيب ثانيات النانو، حيث يمكن للأجهزة اللاسلكية المُنتشرة بواسطة أجهزة تحديد المواقع وثبات الشفرة المغلقة أن تكون مُحدّة
التنفيذ العالمي الحقيقي في مجال الإنترنت بواسطة السواتل
(ج) استخدام شبكة الهواتف الفرعية المتعددة (IS-95) كشبكة متطورة لدعم البيانات الصوتية والبيانات ذات النطاق المنخفض ()
ستارلينك) ، يعمل بـ (ساكس)) يستخدم) (الترددات الفوقية للرؤية المتعددة في موقعه الخفيف و الوصلة العلوية بدلاً من الطيف المميز التقليدي)
وفيما يتعلق بالاتصالات الساتلية العسكرية والحكومية، ]Wideband Global SATCOM (WGS)] و] [تظهر هذه النظم ذات التردد العالي جداً [AEHF] تستخدم طيفاً واسعاً لمضاد الترددات وLPI.
الاتجاهات المستقبلية: Spread Spectrum and 5G Non-Terrestrial Networks
(ج) في حين أنَّ وصلات الإنترنت بواسطة 5G New Radio (NR) قد دفعت جهود التوحيد في الإصدار 17 من النظام العالمي لمراقبة المناخ وما بعده للشبكات غير الأرضية (NTN) وترمي وصلة الوصلات الجوية الوطنية إلى دعم الحمولة الشاملة ] (العملية الرئيسية]
ومن النهج الواعد ]spread-OFDM]، حيث تنتشر البيانات عبر مقدميها في مجال التردد، مما يوفر التنوع التواتري دون فرض عقوبة على جهاز سواتل DSSS.() وثمة نهج آخر هو الوصول المتعدد الهوتوغون (NOMA) مع مدونات للتكييف، مما يتيح وجود كثافة اتصالية أكبر.
كما تدخل في الميدان استخبارات فنية وتعلم آلات: فالشبكات العصبية يمكن أن تُنشر على الوجه الأمثل إنتاج الرموز من أجل تدني التصفيات في ظل ظروف القنوات المتغيرة ديناميا، أو أن تُنبأ بأنماط التدخل لاختيار أفضل تسلسلات التصفيق، ويمكن أن تؤدي نظم الطيف الذكية هذه إلى زيادة كبيرة في الكفاءة الطيفية مع الحفاظ على القوة التي تتطلبها الروابط الساتلية.
وأخيراً، ] مجال انتشار الكواشف مفهوم نظري ناشئ يجمع بين التوزيع الرئيسي الكمي والطائفة الموزعة لتوفير كل من نقل البيانات عالي الجودة والتشفير المأمون على نحو محتمل، وفي حين أن هذه النظم لا تزال في حالة تأهب، فإنها يمكن أن تجد تطبيقات في الشبكات الحكومية وشبكات السواتل المالية التي تتطلب أمناً غير مشروط.
خاتمة
وتظل تكنولوجيا الطيف الموسَّع حجر الزاوية في شبكة الإنترنت العالية السرعة، مما يتيح الاتصال الموثوق به عبر مسافات شاسعة في وجود التدخل، وتلافي التعددية، والتشويش المتعمد، ومن تقنيات التسلسل الأساسية إلى النظم الهجينية الحديثة التي تدمج نظامي الإدارة الذاتية وآلية التنمية النظيفة، فإن مبادئ نشر الإشارات على الترددات الواسعة النطاق تتيح القدرة على الصمود اللازمة للوصلات الساتلية.
For further reading, consult the IEEE Communications Magazine special issues on satellite communications, the ]NASA SmallSat Communications Guide], and 3GPP Technical Report 38.811 on Non-Terrestrial Networks.]