هذه هي المقالة الثانية ضمن سلسلة مقالات “في الطريق إلى الجيل الخامس” التي تهدف إلى شرح تدرّج تقنيات الاتصالات منذ الجيل الأول وصولًا إلى تقنيات الجيل الخامس المُستقبلية. في المقال السابق مررنا بشكلٍ سريع على أجيال تقنيات الاتصالات، بدءًا من الجيل الأول وحتى الجيل الرابع. وسنقوم اليوم بشرح مُبسّط لبعض أساسيات نُظُم الاتصالات الخليوية.

هذه السلسلة بقلم المهندس نضال أسامة ظريفة، أكاديمي في جامعة Duisburg-Essen الألمانية، متخصّص في علم الاتصالات النقّالة ويعمل كباحث علمي في مشاريع الاتحاد الأوروبي لأبحاث الجيل الخامس.

في الطريق إلى الجيل الخامس – أساسيّات 1

في المقال الثاني من سلسلة “في الطريق إلى الجيل الخامس”*، وقبل الدخول في آخر أبحاث الجيل الخامس سأقوم بشرح نظري مبسّط لأهم المفاهيم النظرية لنظام الاتصالات الخليوية. ما هي الموارد الفيزيائية للنظام؟ كيف لعدّة مستخدمين أن يدخلوا إلى شبكته؟  كيف يمكن للمستخدم أن يتكلّم ويستمع في نفس الوقت؟

الموارد الفيزيائية لنظام الاتصالات

تمتلك أنظمة الاتصالات الخليوية  أربعة موارد أساسية:

1- النطاق التردّدي Frequency band

يعتبر النطاق التردّدي للإشارة الراديوية مقاسأً بالميجا هرتز MHz أهم  مورد من موارد نظام الاتصالات وأكثرها تكلفة، حيث تُدفع مبالغ كبيرة للحصول على ترخيص استخدام نطاقات معينة، ممّا دعا الحكومات إلى القيام بمزادات علنية يشارك بها مشغّلو الشبكات والمستثمرون لحجز النطاقات التردّدية المطلوبة.

ليتمكّن القارئ من تقدير تكلفة ترخيص النطاق التردّدي يكفي أن نقول أنّه في بعض البلدان تقارب هذه التكلفة لوحدها مجموع التكاليف التشغيلية الأخرى كاملةً للمشغّل، ولهذا فإن الطيف التردّدي يعتبر ثروة طبيعية تحتسبها الحكومات الوطنية مع بقية الثروات الطبيعية الأخرى كالنفط والخامات كجزء من الدخل القومي، ويحرص المشغّل صاحب الترخيص على استثمار النطاق المرخّص بأعلى فعّالية ممكنة لتحقيق أقصى عائد ربحيّ منه.

2- الحيّز الزمني Time slot

نظراً للتكلفة المرتفعة للنطاق التردّدي يمكن تقسيم استخدام التردّد في الزمن، أي السماح باستخدام النطاق من عدة مستخدمين في أوقات متباينة.

3- الفضاء أو المسار الراديوي Space/Radio path

يمكن أيضاً تقسيم استخدام التردّد ضمن الفضاء أي ضمن مساحات ومناطق مختلفة. التطبيق الأوضح لذلك هو تقسيم مناطق التغطية إلى خلايا لكل منها تردّد مختلف وبالتالي يمكن لخليتين غير متجاورتين استخدام نفس النطاق التردّدي.

كما يمكن زيادة تقسيم الفضاء إلى قطّاعات باستخدام هوائيات موجّهة بزوايا معيّنة لزيادة إمكانية إعادة استخدام التردّدات في الخلايا بأقلّ تداخل Interference ممكن.

4- الاستطاعة Power (الرمز)

تمثّل الاستطاعة التي تحملها الإشارة الراديوية رابع الموارد الفيزيائية لنظام الاتصالات الخليوي، حيث يمكن تقسيمها بين المستخدمين المتصلين في نفس التردّد والزمن والفضاء بغية رفع فعّالية استخدام النطاق التردّدي. يتمّ تحقيق ذلك عن طريق توزيع رموز Codes خاصة للمستخدمين كما سيُشرح لاحقاً.

إذاً بوجود هذه الموارد الفيزيائية الأربعة يمكن لنظام الاتصالات أن يقوم بتزويد خدمة النفاذ المتعدد للمستخدمين مع ضمان أعلى فعّالية استخدام للنطاق التردّدي وذلك بتخصيص الموارد Resource allocation بطريقة فعّالة، ولكن كيف يتم تحقيق ذلك تقنياً؟

لفهم ذلك ليسمح لي القارئ أن أدعوه إلى حفل يحضره عدد كبير من الأشخاص، وهنا يبرز السؤال: كيف يمكن لكل زوج منهم أن يقوم بالحديث (الاتصال) مع شريكه دون التشويش على (التداخل مع) أحاديث الأزواج البقية؟

هذا ممكن بأربع طرق هي:

1- تقنية النفاذ المتعدّد بتقسيم التردّدFrequency Division Multiple Access FDMA

يمكن بهذه الطريقة وضع كلّ زوج في غرفة، أي أن كل غرفة تحوي شخصين فقط يتحدّثان مع بعضهما كلّ الوقت وكيفما يريدان.

تقنياً يتمّ تقسيم النطاق التردّدي المرخّص إلى مجموعة قنوات التردّدية حيث يخصّص لكلّ اتصال قناة محدّدة مستقلّة عن باقي القنوات بحيث يمكن استخدامها من قبل المتّصل بشكل دائم.

2– تقنية النفاذ المتعدّد بتقسيم الزمنTime Division Multiple Access TDMA

لكنّ، وكما ذُكر آنفاً، فإنّ حجز غرفة (قناة تردّدية) لكل زوج (اتصال) سيتطلّب كلفة ماديّة كبيرة لأنّنا سنحتاج إلى عدد كبير من الغرف (النطاقات التردّدية)، ولتفادي ذلك يمكن لعدّة أزواج أن يتشاركوا غرفة واحدة بحيث يتمّ تنظيم دور الكلام بينهم.

تقنيا ذلك يعني تقسيم الزمن بين المشتركين على نفس التردّد بحيث يستطيع المستخدم أن يرسل على القناة التردّدية لفترة قصيرة ثمّ يتوقّف ليفسح الدور لغيره من المشتركين، هذا التوقّف من رتبة الميللي ثانية msec (واحد على ألف جزء من الثانية) بحيث لا يشعر المتحدّث بهذا الانقطاع.

3- تقنية النفاذ المتعدّد بتقسيم الفضاءSpace Division Multiple Access SDMA

لكنّ ذلك أيضاً لن يكون كافياً لخدمة أكبر عدد من المشتركين، كما أنّه يؤثر مباشرةً على السرعة التي يستطيع المستخدم أن يأخذها من الشبكة نتيجة التوقّف لانتظار دوره القادم.

لذلك لجأ الباحثون إلى تطوير تقنية جديدة تستطيع أن تحدد مسار الإشارة بين المتصل وشريكه بشكل يمنع التداخل مع الأزواج الأخرى. مثلا يمكن لكل زوج أن يلعب لعبة الكأسين والخيط ليتكلمان مع بعضهما في نفس الغرفة (التردّد) ونفس الوقت برفقة بقية الأزواج أو مثلاً أن يقف الأزواج بطريقة تتفادى التداخل كما في الشكل.

تقنيّاً عمل الباحثون على تطوير هوائيات موجّهة بدقّة لتحدّد حزمة الإشارة المرسلة إلى مستخدم ما، كما طوّروا تقنيات متقدّمة (هوائيات ذكية Smart Antenna) لملاحقة المستخدم المتحرّك لضمان وصول حزمة الإشارة إليه بشكل دائم. سنتحدث في مقال لاحق عن الهوائيات الذكية وتوجيه الحزم Beamforming والتي من المقرّر استخدامها في الجيل الخامس.

4- تقنية النفاذ المتعدّد بتقسيم الرمز Code Division Multiple Access CDMA

إذاً قبلت مشكوراً الدعوة لكنك دخلت متأخراً إليها لتجد أن الحفل يضم فيه مختلف الجنسيات، ضجيج عالٍ والجميع يتكلم في نفس الغرفة وبنفس الوقت، لكن أول ما سيلفت انتباهك ويميّزه سمعك هو من يتكلّم باللغة العربية. وبالطبع سيكون الأمر أفضل كذلك إذا كان هناك نوع من التنظيم لمستوى الأصوات بمختلف اللغات (طاقة كلّ صوت).

تقنياً يمكن للمستخدمين أن يتّصلوا على نفس التردّد وبنفس الوقت طالما أنّ لكلّ منهم رمز (code) يميّزه ويميّز شريكه دوناً عن الآخرين، ولتحقيق ذلك يتمّ توليد رموز (سلسلة من البتات) متعامدة (أي التي حاصل ضرب كل زوج منها يساوي الصفر) واستخدامها في نقل البيانات لمختلف المستخدمين، إلا أنّه عملياً من الصعب تحقيق التعامد بشكل كامل، وبالتالي فإن حاصل ضرب رمزين لا يساوي الصفر إنّما يساوي كمّية طاقة صغرى تؤدّي إلى التداخل بين المستخدمين، ولهذا يعتمد هذا النظام على عملية تنظيم طاقة الرموز لتقليل التداخل المذكور قدر الإمكان.

تمّ استخدام هذه التقنية في أنظمة الجيل الثاني في أمريكا IS-95 و CDMA2000 كما ذكرنا في المقال السابق كما تم استخدامها في نظام الجيل الثالث UMTS.

إذاً هذه هي تقنيات النفاذ المتعدّد الأساسية، والتي من الممكن أيضاً أن تُستخدم بشكل مركّب لتحسين سعة النظام، وأدّت عمليات التهجين بين بعض التقنيات السابقة إلى اختراع تقنيات متقدمة للنفاذ المتعدّد، نذكر منها التقنية الثورية الأهمّ وهي OFDMA.

النفاذ المتعدّد باستخدام الحوامل التردّدية المتعامدة Orthogonal Frequency Division Multiple Access

في العام 1966 تم إصدار أوّل ورقة بحثية وبراءة اختراع لهذه التقنية من مختبرات بل Bell Labs، احتوت الورقة العلمية على الوصف الرياضي الكامل لهذه التقنية لكن الذي أعاق تنفيذها عمليّاً أنها تقنية رقمية (الثورة الرقمية بدأت نظريا في الخمسينيات من القرن الماضي لكنها لم تطبّق عملياً إلى منتصف الثمانينيات نتيجة الحاجة إلى بلوغ حد معين من تطور الدارات الالكترونية ومرشّحات الإشارة) احتاجت إلى عشرين سنة أخرى لكي تستطيع الظهور إلى العلن مع انتشار معالجات رقمية قادرة على تنفيذ عملياتها الحسابية المعقدة نسبيّاً (ساعد تطوير خوارزمية تحويل فورييه السريع FFT على تطبيق هذه التقنية تجاريّاً).

بالمبدأ تعتمد التقنية على تجزيء الإشارة المراد إرسالها إلى عدّة أجزاء كلّ منها يتم إرساله على قناة تردّدية ضيقة تسمّى حامل carrier بحيث يكون هذا الحامل متعامد مع الحوامل المجاورة على طرفيه. القصد من التعامد هنا أن الحامل يكون له قيمة عظمى حين يكون للحاملين المجاورين قيمة صفرية كما في الشكل.

لهذه التقنية نموذج رياضي مهم جداً لكي يتمّ فهم خاصية التعامد بين الحوامل والتقنية بشكل عام، إلا أنّه يمكن للقارئ غير التخصّصي أن يكتفي بالشرح الفيزيائي أعلاه، لكن يكفي أن نعرف عموماً أن فوائد هذه التقنية كبيرة منها تقليص النطاق التردّدي الكلي المطلوب (تداخل الحوامل أصبح ممكناً نتيجة التعامد فيما بينها) وتقليل التداخل بين الإشارات وبين المستخدمين أيضاً وتقليل الآثار السلبية أثناء انتشار الإشارة في البيئة الراديوية كالخفوت وانتقائية التردّد.

في أواخر تسعينيات القرن الماضي اعتُمِدت تقنية OFDM لأوّل مرّة في البث الإذاعي والتلفزيوني الرقمي DAB و DVBوفي تقنية الاشتراك الرقمي ADSL، ثم في أنظمةWiFi و WiMax.

ترافق إثبات هذه التقنية لفعّاليتها في هذه الأنظمة مع بدء تطوير الجيل الرابع لأنظمة الاتصالات LTE ممّا شكّل إجماعاً كاملاً من قبل الهيئات العلمية على أن الجيل القادم سيكون قائماً على OFDM.

ازدواجية الاتصال Duplex communication

بقي السؤال الأخير في المقدّمة ” كيف يمكن للمستخدم أن يتكلّم ويستمع في نفس الوقت؟”

حقيقةً حتّى سنوات قريبة، كان الباحثون يؤكّدون أنّه على نظام الاتصالات أن يفصل بين الإشارة المرسلة والإشارة المستقبلة  لكي يستطيع القيام بالعملين معاً ويتجنّب التداخل بينهما، خاصة أنّ طاقة الإشارة التي على الجهاز أن يستقبلها عادةً ما تكون أقلّ بمليارات الأضعاف من الإشارة التي يجب أن يرسلها. تخيّل نفسك تحاول سماع الهمس الآتي من شخص بعيد وفي نفس الوقت يجب عليك أن تصرخ بصوت مرتفع جدّاً.

يمكن عملياً أن نقوم بالفصل بين الإشارتين في المجال التردّدي أو الزمني:

1- الازدواجية بتقسيم التردّد FDD Frequency Division Duplex

تعني هذه التقنية أن الإرسال يتم على تردّد مختلف عن تردّد الاستقبال بفرق بين التردّدين تسمى المسافة التردّدية Duplex Distance. في هذه الطريقة يتم الإرسال والاستقبال بشكل دائم ودون توقف.

أهم الأنظمة التي استخدمت الازدواجية بتقسيم التردّد نظام الجيل الثاني GSM ونظام الجيل الثالث UMTS حيث تم تخصيص نطاق تردّدي للوصلة الصاعدة ونطاق تردّدي آخر للوصلة الهابطة.

2- الازدواجية بتقسيم الزمن TDD Time Division Duplex

في هذه التقنية يقوم الجهاز بالإرسال والاستقبال على نفس التردّد بتقسيم زمني بينهما، أي يرسل في حيز زمني ثم يتوقف ليستقبل في الحيز الزمني الثاني وهكذا، حيث لا يشعر المستخدم بهذه الانقطاعات السريعة.

في الجيل الرابع تم إصدار نظامين معياريين أحدهما يستخدم هذه التقنية LTE-TDD والآخر يستخدم تقنية تقسيم التردّد LTE-FDD.

لكلّ تقنية منهما محاسن ومساوئ من ناحية تعقيد الخوارزميات والدارات الالكترونية والأداء في ظروف الاتصال المختلفة لكن في الحالتين فإن النظام يؤمن اتصال باتجاهين Full Duplex، كما يمكن استخدام كليهما معاً أي أن يقوم النظام بالفصل بين إشارتي الاستقبال والإرسال في كلا المستويين الزمني والتردّدي، وذلك يقلّل من فعالية استخدام النطاق التردّدي إلا أنّه يجعل الدارات الالكترونية أبسط بكثير كما الحال في أجهزة الجيل الثانيGSM ، إضافة إلى أنّه يتيح للنظام تصغير المسافة التردّدية Duplex distance وهذا الأمر مرغوب جدّاً في أنظمة الراديو الإدراكيةCognitive Radio )والتي سنتحدث عنها في مقال لاحق لأهميتها كتقنية مستقبلية في الجيل الخامس).

الجدير بالذكر أن مصطلح „Full Duplex“ تم استخدامه تقليدياً للدلالة أنّ الاتصال له اتجاهين (بهذا المعنى فإن أنظمة الجيل الثاني والثالث والرابع بكلا إصداريه هي أنظمة Full Duplex حيث يكون الفصل بين إشارتي الإرسال والاستقبال في التردّد أو الزمن) إلّا أنّه في السنوات الأخيرة تمّ استخدام المصطلح ليحمل معنى أن النظام يرسل ويستقبل بنفس التردّد والزمن (بعض الأبحاث أطلقت عليه مصطلح أدقّ وهو In band Full Duplex أي أن اشارتي الاستقبال والإرسال يتشاركان نفس الحزمة التردّدية Band) وبهذا المعنى فإنّه حتّى اليوم لا يوجد نظام اتصالات عملي يعمل كنظام Full Duplex (نتيجة ما يسمّى التداخل الذاتي Self interference الذي لا نستطيع أن نلغيه بشكل كامل رغم كل التقدم التقني الهائل الذي وصلنا إليه، وسنشرح في مقال قادم عن هذه التقنية كونها من أهم التقنيات المرشّح استخدامها في الجيل الخامس).

خاتمة

آمل أنّ المقال قد حمل للقارئ بعض المتعة أثناء قرائته رغم أنه تحدّث عن مبادئ نظرية ربّما يجدها البعض جافة، لكنّ فهمها أساسي وجوهري في طريقنا نحو الجيل الخامس.

تمّ في هذا المقال تسليط الضوء على أهم المصطلحات والمبادئ الأساسية في نظام الاتصالات اللاسلكي، حيث عرفنا ما هي الموارد الفيزيائية الأساسية لنظام الاتصالات الخليوي وما هي تقنيات النفاذ المتعدد التي تستخدم لاستغلال هذه الموارد بشكل فعّال، كما تحدّث المقال عن تقنية الحوامل التردّدية المتعامدة والتي كانت خطوة ثورية في تقنيات النفاذ المتعدّد. وأخيراً عرض المقال مبدأ الازدواجية في الاتصالات وكيف يتم تحقيق ذلك.

في المقال القادم سنكمل بعض الأساسيات النظرية يلي ذلك مجموعة مقالات عن أهم التقنيات التي يتم بحثها الآن في المختبرات لاستخدامها في الجيل الخامس.

*ملاحظات لازمة قبل البدء

– هدف السلسة محاولة تدارك الفقر الشديد للانترنت بالمحتوى العربي التقني، فمن المحزن مثلاً أنّه لا يوجد حتى الآن في موسوعة ويكيبيديا صفحة عربية عن OFDM وهي أهم تقنية اعتمدتها الغالبية المطلقة من أنظمة الاتصالات منذ أواخر القرن الماضي وحتى اليوم.

– تتوجّه السلسلة بشكل رئيس إلى القارئ المهتم بالشؤون التقنية، وإلى طلّاب الهندسة في الاختصاصات التقنية المختلفة كتمهيد وشرح مبسّط لما يدرسونه مع ربط هذه المعلومات النظرية بصناعة الاتصالات وسوقها العالمية وأبحاثها المستجدّة، كما آمل أن تكون هذه المقالات كاستذكار لطيف وممتع للخرّيجين من أصحاب الاختصاص، إلا أنّها بالطبع لا يجب أن تثني طالب الجامعة عن تطوير مهارات اللغة الانجليزية للتعمّق في الاختصاص وملاحقة أحدث أبحاثه وتقنياته، بل وأشجّعه على الاستزادة من الانترنت عمّا أورده من تقنيات وأفكار ضمن المقال.

– أعتمد في غالبية المقالات التي أقوم بكتابتها على المعرفة المتراكمة التي أمتلكها نتيجة دراستي في هذا الاختصاص، أيّ بالعموم لا يوجد مراجع محدّدة أعتمد عليها أثناء الكتابة، وإن اعتمدت مستقبلاً على أيّ منها فالأمانة العلمية تحتّم الإشارة إليه.

– أنصح طلّاب هندسة الاتصالات والشبكات في الصفوف المتوسطة والعليا وكذلك المهندسين المختصّين والتقنيين المهتمّين بكتاب: “نظم الاتصالات الخلوية (أسس ومبادئ)”  للدكتور هشام عرودكي-2013، وهو كتاب أقلّ ما يقال عنه أنّه حتميّ في هذا المجال. شكّل الكتاب حين صدر طفرة حقيقية في المحتوى العربي لهندسة الاتصالات من ناحية المحتوى والشرح والأسلوب اللغوي، إضافة إلى الجهد العظيم الذي بذله مؤلّفه في تعريب المصطلحات التقنية حيث استفاد من عديد المصادر والهيئات، وبذلك استطاع الموازنة بين الترجمة الحرفية التي تسيء أحياناً للمعنى وبين الفهم الفيزيائي الذي يحمله المصطلح في أصله الانجليزي. وقد حرصتُ على استخدامي نفس الترجمة التي أوردها د. عرودكي في سلسلة المقالات هذه، كما حاولت اتباع منهجه في تعريب ما نقصني من مصطلحات لم ترد في كتابه.

المقال الأول: في الطريق إلى الجيل الخامس – تمهيد