وفي عصر أصبحت فيه الاتصالات اللاسلكية أساسية مثل الكهرباء، فإن القدرة على التواصل مع الأجهزة التي لا حصر لها دون تدخل متبادل لا تقل عن السحر الهندسي، وتكنولوجيا الطيف المتفرقة هي التقنية الأساسية التي تجعل هذا التعايش ممكنا، وقد تطورت أصلا للاتصالات العسكرية لمقاومة التشويش والتنصت، وتطورت الطيف إلى العمود الفقري للمعايير اللاسلكية الحديثة مثل الواي فاي، وبلوتووث، والعديد من البروتوكولات التي لا تتوافق مع المعايير.

ما هو سبيد سبيكتروم؟

يشير الطيف المُنتشر إلى أسرة من تقنيات العزل حيث تنتشر الإشارة المُرسلة على نطاق الترددات أوسع بكثير من الحد الأدنى من النطاق الترددي اللازم لنقل المعلومات، ويبدو هذا في البداية مُهدرًا، لكن التقنية تتيح فوائد عميقة:

  • Interference resistance:] By spreading energy across a wide band, narrowband interferers only affect a small portion of the signal, which can be recovered via the despreading process.
  • Multiple access:] Multiple users can share the same spectrum concur by using different spreading codes (code-division multiple access).
  • Security and low probability of intercept:] The signal appears as noise-like to receivers not knowing the spreading code.

والأساس النظري للطيف المنتشر يكمن في نظرية شانون - هارتلي التي تنص على زيادة القدرة على نطاق الترددات، ويتيح نشر الإشارة تشغيلها بمعدل أقل من الإشارة إلى الأرقام، وذلك بالنسبة لنفس معدل البيانات.

تاريخ موجز لسبريد سبيكتروم

وقد تم رائد مفهوم الطيف الممتد خلال الحرب العالمية الثانية من قبل ممثل هيدي لامار ومركب جورج أنتيل، وقد بُتحت براءات اختراع نظام لرسم الترددات لتوجيه الطوربيدات بأمان، باستخدام لفة بيانو لتزامن تواتر القفز بين جهاز الإرسال والاستقبال، وقد وضع هذا الاختراع، على الرغم من مضي عقود على وقته، الأساس لطيف الانتشار الحديث.

وخلال الحرب الباردة، كانت مجموعة الانتشار المباشر في الولايات المتحدة من أجل الاتصالات الآمنة، حيث ظلت التكنولوجيا مصنفة حتى الثمانينات عندما سمحت لجنة الاتصالات الاتحادية بعمليات واسعة النطاق غير مرخص بها في إطار النطاقات الصناعية والعلمية والطبية، وحفزت هذه الحركة التنظيمية تطوير شبكات محلية لاسلكية التردد (WLANs) وشبكة محلية أكثر تواترا (WLGANs) وشبكة المناطق الشخصية (WP.

أنواع تقنيات الرش

وهناك طريقتان رئيسيتان من الطيف الممتد، إلى جانب نهج الهجينة والنهج ذات الصلة:

Sectrum (FHSS)

وفي محطة الاستقبال الخاصة بشبكة المعلومات والاتصالات، تتغير سرعة وتيرة الناقلات وفقاً لتسلسل السودوراندوم المعروف لدى جهاز الإرسال والاستقبال، وتشغل الإشارة قناة ضيقة مختلفة في كل طابق، ولكنها تُنظر إليها بمرور الوقت عبر نطاق القفز الكامل، وشركة بلو توتوث هي أبرز تطبيقات المستهلكين في محطة الإنقاذ: وهي تُحدث بين 79 قناة في إطار المقياس 2-4 GHz بمعدل 600 1 كيلوغرام.

مباشرة (Squence Spread Spectrum)

وتضاعف دائرة خدمات الدعم الميداني إشارة البيانات من خلال رمز ضوضاء عالية الجودة، ينشر نطاق الإشارة، ويربط جهاز الاستلام الإشارة الوارد بنسخة متزامنة من نفس الرمز لتحل محله إلى الإشارة الأصلية ذات النطاق الضيق، ويعادل معدل البرمجيات المزودة بمقياس للجرعات (رمز PNCD) إلى معدل البيانات الذي يستخدمه جهاز الإبلاغ العالمي (DSS).

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) and Spread Spectrum

وعلى الرغم من أن نظام إدارة المعلومات الإدارية المتكامل ليس أسلوباً كلاسيكياً في الطيف، فهو يشاطر روح نشر البيانات عبر ناقلات متعددة، ويقسم المكتب الطيف المتاح إلى العديد من أجهزة النقل الفرعي، التي تحمل كل منها تدفقاً منخفضاً من البيانات، ولأن مدة الرمز طويلة مقارنة بالتأخيرات النمطية المتعددة الملامح، فإن نسبة استخدام القوة الداخلية في كثير من الأحيان تضعف وتضيق نطاق التدخل.

التقنيات الهجينة

وتجمع بعض النظم بين البرمجيات المفتوحة المصدر والمصرف الصحي والأمن، مثل الطبعة البدنية للمحطة 802.11 التابعة للشبكة الأوروبية للطاقة الذرية (التي تستخدم اليوم استخداماً حقيقياً) أو أجهزة لاسلكية عسكرية تُقحم إشارات مباشرة لتعزيز احتمالية الاعتراض المنخفضة.

كيف أنسب حشرات سبيكتروم يمكن أن تكون موجودة

والتعايش يعني تكنولوجيات لاسلكية متعددة تعمل في نفس النطاق الترددي دون أن يتسبب في تدهور غير مقبول للأداء بالنسبة لبعضها البعض، وتستضيف فرق الرصد الدولي، ولا سيما مجموعة الـ 2.4 GHz، مجموعة متنوعة لا تصدق من التكنولوجيات: Wi-Fi، و Bluetooth، وZigbee، وTread، و Z-Wave، وأجهزة الهاتف اللاسلكي، وأفران الموجات الدقيقة، وحتى بعض مرصدات الأطفال.

آليات التعايش

الحد من كثافة قوة بيك

ومن خلال نشر السلطة المبثوثة على نطاق أوسع، فإن كثافة الطاقة في الغلاف الجوي أقل، أما أجهزة الاستقبال الأخرى التي لا تُستخدم في الرمز المُنتشر فهي لا ترى سوى ارتفاع طفيف في الحد الأدنى للضوضاء، وليس ذروة قوية يمكن أن تُشبع أجهزة الاستنشاق الأمامية، وهذا " 8220؛ والإنذار بالرقم 8221؛ وتُقلل الممتلكات من التدخل في أجهزة استقبال النطاقات الضيقة.

التنوع في حالات الطوارئ

وتشغل نظم خدمات الدعم الميداني باستمرار تواترها الناقل، وإذا شغل جهاز إرسال آخر (قناة قناة ويف)، فإن جهاز النقل لا يبقى إلا هناك لجزء من الثانية قبل الانتقال إلى قناة واضحة، ولا يمكن أن يحدث فقدان الحزم إلا عندما يتزامن العرض مع متدخل دائم، ويمكن لآليات تصحيح الأخطاء أن تسترد من الاصطدامات العرضية، مما يجعل البرمجيات المتحركة ذات الصلة تتفاعل مع الازرق.

الفصل بين القانون والقاعدة في إدارة الدعم الميداني/وزارة الشؤون الإنسانية

(د) نظم إدارة الدعم الميداني التي تستخدم آلية التنمية النظيفة تسمح للمرسلين المتعددين بالعمل بنفس التردد في الوقت نفسه عن طريق تعيين رموز مختلفة للانتشار الحاد أو شبه الشغب، ويمكن للمتلقي أن يستخرج الإشارة المقصودة منه بالربط مع الشفرة الصحيحة مع معالجة الإشارات الأخرى على أنها ضوضاء، وهذا هو الأساس الذي تقوم عليه الشبكات الخلوية الثلاثية، حيث يتواصل العديد من الأيدي مع محطة قاعدية تستخدم فيها أجهزة الإنذار بالسلاسل.

دور بروتوكولات مراقبة الوصول المتوسطة

ولا يكفي الطيف المُنقَّب وحده؛ فبروتوكولات المُخَلِّق ضرورية لتركيب الوصول إلى الوسيط المشترك، وتستخدم الشبكة العالمية للشبكة العالمية للسواتل وسائل متعددة للوصول إلى تجنب الاصطدام (CSMA/CA)، حيث يستمع جهاز ما قبل نقل واستخدام أجهزة توقيت احتياطية للحد من الاصطدامات.

Coexistence in the 2.4 GHz Band: A Practical Case Study

وربما تكون مجموعة الـ 2-4 من طراز GHz ISM هي أكثر شرائح الطيف التي يستخدمها المستهلكون، وقد تحتوي الأسرة المعيشية النموذجية على جهاز توجيه في الشبكة العالمية، وعلى عدة أجهزة بلوتون (الهاتف، والمكبر، واللوحة، والفئران)، ومركز الضوء الذكي في زغبي، وفرن الموجات الدقيقة، وهاتف لاسلكي، وفهم كيف يمكن أن يتعايش هذا الطيف مع بعضها البعض.

التعايش بين الواي فاي وبلوتوث

ويستخدم جهاز الاتصال اللاسلكي (Blub/g/n) عادة، باستخدام شبكة الـ DSSS أو مكتب إدارة الشؤون الإدارية مع استخدام 20 ميغاهيرتز أو 40 ميغاهيرتز في قناة مكسيكيـة مضبوطة، ويستخدم بلوتون فاسدة الـ (Blubdi) في 79 قناة/Mz، ويسمح بتخطيط رقائق الـ (BBBFoth) في قناة واقية من طراز WHZ.

Zigbee and Wi-Fi Coexistence

ويستخدم جهاز تحديد المواقع (Higbee 802.15.4) في نطاق الترددات 2 GHz باستخدام نظام إدارة الدعم الميداني في إطار نظام إدارة العمليات (O-QPSK) وينقل في 16 قناة من طراز MHz كل منها مقسمة إلى 5 ميغاهيرتز، ويقل معدل البيانات المنخفض (250 كيلوبايت) ودائرة العمل المنخفضة إلى درجة أقل عدوانية من جهاز الاتصال اللاسلكي، ولكن التدخل من شبكة وي فيزيغ يمكن أن يؤثر تأثيراً شديداً.

ميكروويف

وينطلق الفرن ذو الموجات الدقيقة بقوة، ويتوقف التدخل في النطاق الضيقة دون تغيير على 2.45 غيهرتز (التواتر المتصاعد للجزيئات المائية) ولا يمكن أن يشغل التدخل إلا عدة ميغاهرتز، ولا يمكن للقفز على ترددات بلو توتوث أن يتجنب ذلك بالقفز إلى قنوات أخرى (باستثناء القنوات التي تصادف تسرب الفرن).

مزايا وقيود المنارة

المزايا

  • Interference rejection:] Processing gain provides immunity to narrowband interferers.
  • Multiple access capability:] Code-division schemes allow many users concur.
  • Low probability of intercept/detection:] Spread signals appear as noise to unintended receivers.
  • Graceful degradation:] As interference increases, the system’s throughput or voice quality gradually decreases rather than drop off abruptly.
  • Good multipath performance:] In DSSS, reflected signals that arrive with delay can be resolved using rake receivers, turning multipath from a detriment into a source of diversity.

القيود

  • (ب) عدم كفاءة استخدام الترددات الوسيطة عندما يكون المستخدمون قليلين: ] Spreading wastes spectral resources if the objective is high top data rate for a single user. Modern systems use OFDM without spreading to achieve high spectral efficiency, then re-introduce spreading for capacity (like CDMA) only when needed.
  • Near-far problem in DSSS/CDMA:] A strong transmitter close to the receiver can overwhelm the weak signal from a far transmitter unless power control is employed. Cellular CDMA solved this with fast closed-loop power control.
  • Synchronization complexity:] Receivers must acquire and track the spreading code, which requires sophisticated correlators and acquisition algorithms.
  • Regulatory constraints:] Some bands require the use of specific spread spectrum techniques (e.g., the 2.4 GHz ISM band originally mandated spread spectrum or frequency hopping), but later rules allowed OFDM and other modulations.

الاتجاهات المستقبلية: نشر الحشرة فوق التعايش

وتتواصل تطور مبادئ الطيف الممتد، ففي 5 زاي و6 زاي، يمكن اعتبار أن المضخة الضخمة من طراز MIMO وأجهزة التشفير الجوي شكلاً من أشكال الانتشار المكاني، وتستخدم النظم الإذاعية المعرفية طيفاً موزعاً لتجميع مساحات بيضاء مجزأة. أولوترات (UWB) وتبث التكنولوجيا بنبضات قصيرة جداً عبر نطاق واسع (500).

وتثير شبكة الإنترنت في الأمور اهتماماً بالشبكات ذات النطاق المنخفض في المناطق الواسعة مثل لورا، التي تستخدم تقنية النطاق الممتد من الطيف إلى المدى الطويل، والاتصالات ذات الطاقة المنخفضة، وتصنف دائرة الأمن العام البيانات على أنها الكيكات العالية أو ذات الكعب السفلي التي تنشر الطاقة على مر الزمن والتواتر، وتوفر زيادة كبيرة في التجهيز من أجل التغلب على التداخل والفقد.

وأخيرا، يتطلب تقاسم الطيف بين النظم المرخصة وغير المرخصة (مثلا، 5 زاي في نطاق التردد 6 GHz، أو CBRS في 3.5 GHz) تقنيات تعايش متطورة تستعيير من فلسفة الطيف الممتدة)(6212)؛ والتسجيل قبل الكلام، واختيار القنوات، ومراقبة الطاقة التكييفية، والرؤية الأساسية التي تتقاسم مجموعة واسعة النطاق أقوى من القتال على فترات ضيقة لا تزال ذات أهمية كما كانت عليه في أي وقت مضى.

خاتمة

إن تكنولوجيا الطيف المنتشرة ليست مجرد فضول تاريخي؛ بل هي المُمكنة غير المرئية للعالم اللاسلكي الذي نعيش فيه، ومن خلال نشر إشارات متعمدة على نطاق واسع، أنشأ المهندسون نظما يمكن أن تتعايش في نفس الطيف دون تدخل مدمر، ومن خلال استخدام أجهزة البث الشبكي ذات الترددات العالية إلى أجهزة البرمجيات اللاسلكية التي تُبث على نطاق واسع، من حيث تكيف الهياكل الأساسية التي تُرسلها شركة زيغبي إلى

For further reading, see the FCC rules on spread spectrum in the ISM bands, the IEEE 802.11 standard, and the Bluetooth Core specification.]