[التكنولوجيا والمستقبل] الاتصالات اللاسلكية

برج الراديو
http://www.extremetech.com/wp-content/uploads/2011/12/tower-1024x682.jpg
ECOVACS

في هذه الأسابيع ، واجهنا رحلة طويلة نحو قلب أجهزتنا واليوم ، أخيرًا ، نحن على بعد خطوة واحدة من الهدف الطموح. قبل تحليل شركة نفط الجنوب و رامات التي تسمح لأجهزتنا "بالتفكير" ، ومع ذلك ، يجب أن نتوقف نهائيًا ولكن أساسيًا.

إذا تحدثنا بالفعل عن أطراف وحواس أجهزتنا الطرفية ، في الواقع ، فإننا لم نول الاهتمام المناسب لقدرتها على التفاعل مع بقية عالم الكمبيوتر. أنظمة اتصالات لاسلكيةمن ناحية أخرى ، فقد حفزوا تطوير الهواتف المحمولة (أسلاف الهواتف الذكية) ، فهي أساس العديد من الوظائف اجتماعي مرغوب فيه من قبل المستهلكين ، وبالتالي يستحق اهتمامنا.

جان التقييم التقني
هاتف محمول من 1980s ، في مكتب Lost Property Property في شارع بيكر.

اليوم سنرى المبادئ التي تجعلها ممكنة تبادل البيانات بين الأجهزة ، وتناول عاداتنا القديمة ، سنركز على تكنولوجيات الحالية و بروتوكولات تستخدم على نطاق واسع. الخميس ، ومع ذلك ، سيكون كالمعتاد المكرسة ل المنظورات المستقبلية و المزيد من الأفكار المبتكرة والتي تمثل ، بطرق مختلفة ، فرصًا صالحة للهواتف الذكية في المستقبل.

مبادئ wirless

محطاتنا ليست قادرة فقط على تحليل البيئة المحيطة عبر أجهزة الاستشعار الخاصة بها ، ولكن يمكنها أيضًا التواصل مع بعضهم البعض ومع ديل بنية التحتية التي تسمح بالوصول إلى الإنترنت وإلى شبكة الهاتف. كل هذا ، بالطبع ، دون أن يكون هناك واحد اتصال ميكانيكي (أي كابل) الذي يربطهم بأجهزة أخرى.

الآلية الفيزيائية في جذر التقنيات اللاسلكية مشابهة جدًا من الناحية المفاهيمية لتلك التي تجعل الاتصال البشري ممكنًا وتستند ، في الواقع ، إلى تعديل من الأمواج لنقل المعلومات. على عكس عالم الحيوان الذي يستخدم الصوت ، فإن هواتفنا الذكية تعتمد على الأمواج مغنطيسي كهربائي والتي يمكن أن تندرج حسب فئات التردد موجات الراديو وفي حالات نادرة ، الأشعة تحت الحمراء.

موجة كهرومغناطيسية
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Onde_electromagnetique.svg

من العدل أن نلاحظ أن هذه الموجات تتكون من اهتزازات ذاتية الانتشار (احترامًا لقوانين ماكسويل) للمجالات الكهربائية والمغناطيسية والتي ، على عكس الصوت ، يمكن أن تنتقل أيضًا في الفراغ. ثم يحدث انتشار هذه الموجات في الاتجاه عمودي مقارنة بتلك التي تتقلب فيها المجالات: نحن نواجه حالة موجات مستعرضة.

ومع ذلك ، عند العودة إلى التقنيات اللاسلكية المنتشرة في المجال المتنقل ، يجب أن نلاحظ أن هذه التقنيات تستخدم واحدة جزء ضيق جدا من الطيف الكهرومغناطيسي. كما ترون من الصورة ، في الواقع ، يتضمن الأخير أيضًا ضوءًا مرئيًا وإشعاعًا أكثر نشاطًا (خطيرًا بالتأكيد) وموجات منخفضة التردد جدًا.

الطيف الكهرومغناطيسي
http://www.gsma.com/publicpolicy/wp-content/uploads/2012/04/electromagneticspectrum.gif

النطاقات المستخدمة بالفعل من قبل التكنولوجيا الفردية ، إذن ، ليست سوى جزء صغير جدًا من المناطق التي حددناها للتو. استخدام قنوات مختلفة لكل بروتوكول ، في الواقع ، تمليه الحاجة إلى تجنب التداخل بين الإرسالات ، من التوافر القانوني ، وقبل كل شيء ، من إرادة تحسين الإشارة والطاقة مستعمل حسب المسافة والعقبات الموجودة بين الأجهزة المعنية.

الترددات حولها 1-2 غيغاهرتز، على سبيل المثال ، فهي مثالية للاستخدام على مسافات متوسطة إلى طويلة والتغلب على العقبات بسهولة كافية ، في حين أن تلك 2.4 GHz و 5GHz كانت مفضلة لتغطية مناطق أكثر محدودية. أخيرا ، يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء فقط المدى القصير (يجب أن تكون الأجهزة في مرأى من بعضها البعض) ويتم الآن تحويلها إلى سيطرة الأجهزة الإلكترونية. على الرغم من أن جميع التقنيات المستخدمة في المجال اللاسلكي تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية ، فمن الواضح أن التردد يلعب دورًا مهمًا للغاية في تحديد الاحتمالات النظرية لمعيار الاتصال.

تعديل
http://www.ni.com/cms/images/devzone/tut/dhall_analog_modulation.JPG

يتطلب نقل المعلومات أيضًا نظام تعديل يقوم بتعديل الموجة الحاملة (الناقل) بناءً على الرسالة المراد إرسالها ، فإنها ترسل إشارة يمكن تفسيرها بواسطة جهاز الاستقبال. نظرًا لأن أجهزتنا يجب أن تكون قادرة على كل من الاستقبال والإرسال ، فنحن بحاجة أيضًا إلى تقنية تقوم بتبادل البيانات ثنائية الاتجاه (دوبلكس).

سيتم توضيح التفاصيل المتعلقة بأنواع التعديل المستخدمة عندما نواجه تقنية جديدة ، ولكن يمكننا بالفعل إخبارك بأن أنظمة الطباعة على الوجهين الأكثر استخدامًا حاليًا هي من النوع جبهة الدفاع عن الديمقراطية (تقسيم التردد على الوجهين) ه TDD (تقسيم الوقت على الوجهين). الأول ، على وجه الخصوص ، يستخدم اثنين من النطاقات الفرعية تردد مخصص لاستقبال وإرسال البيانات على التوالي ، بينما يستخدم الثاني نطاقًا واحدًا و يتناوب مع مرور الوقت تحميل للتنزيل.

FDD TDD

نذكرك ، في هذا الصدد ، أنه ممكن دائمًا ، وفقًا لنظرية فورييه، تتحلل في تردد أي إشارة دورية. وهذا يعني ، من الناحية العملية ، أن الموجات الكهرومغناطيسية التي هي مجموع الترددات المختلفة يمكن أن تكون تتحول إلى مكوناته وهذا ، من ناحية أخرى ، باستخدام فكرة جيدة مرشح ممس من الممكن عزل نطاق تردد في اتجاه مجرى الهوائي دون تدخل من بقية الطيف (ترددات متعامد).

سى دى ام ايه
http://www.umtsworld.com/technology/images/freqs.jpg

وأخيرًا ، ستكون التكنولوجيا التي تسمح بها ضرورية لمزيد من المحطات استخدام نفس معيار الاتصال دون التداخل مع بعضها البعض ، أي نظام الوصول إلى قنوات متعددة. هذا ممكن ، مرة أخرى ، من خلال التقسيم إلى نطاقات تردد فرعية (FDMA، تقسيم التردد متعدد الوصول) ، وذلك بفضل توزيع وقت الوصول إلى القناة (TDMA، الوصول المتعدد بتقسيم الوقت) ، من خلال اكتشاف الناقل (CSMA، حاملة بمعنى الوصول المتعدد) أو استخدام "لغات مختلفة" مع سى دى ام ايه (الوصول المتعدد بتقسيم الرمز ، اليوم الأكثر انتشارًا) الذي التقينا به بالفعل نتحدث عن GNSS.

الشبكات الخلوية

سيكون لمعايير الاتصالات اللاسلكية ، كما قلنا ، خصائص مختلفة حسب الاستخدام الذي ولدت فيه. الحاجة إلى الجمع بين عالية تغطية الإقليم مع سرعة انتقال كبيرةعلى وجه الخصوص ، كان يمثل واحدة التحدي التكنولوجي لا غير مبالين لصناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية التي تم حلها فقط مع ظهور الشبكات الخلوية.

الفكرة وراء هذه التقنيات هي تلك قسم ثانية الإقليم في مختلف خلايا، والتي سيتم بعد ذلك تغطيتها بشكل فردي عبر أبراج الراديو. وبهذه الطريقة ، من الممكن ، بافتراض أن الأبراج المختلفة لا تتدخل أكثر من اللازم ، مما يقلل من الطاقة المطلوبة لنقل البيانات (المحطة الوحيدة لها مساحة محدودة للخدمة) ، وفي الوقت نفسه ، تعمل بشكل كبير على تحسين إتاحة النطاق: المطاريف مدمن مخدرات لخلايا مختلفة ، في الواقع ، يمكنهم استخدام نفس القناة دون تدخل.

خلوي
http://www.fastweb.it/adsl-fibra-ottica/rete-mobile/rete-cellulare_1.jpg

بعد ذلك ، سيتم توصيل أبراج الراديو ببعضها البعض الجسور اللاسلكية أو الألياف البصرية، والبنية التحتية بأكملها لديها نقاط وصول مختلفة إلى الكلاسيكية شبكة الهاتف و الإنترنت. باستخدام رمز التعريف (في SIM) ، وأخيرا ، يمكن التعرف على كل جهاز من قبل الشبكة ، وعند الضرورة ، يمكن أن تنفذ تغيير الخلية دون انقطاع الخدمة.

اليوم هم موجودون معايير مختلفة للشبكات الخلوية التي ، كما هو طبيعي ، طبقت بمرور الوقت بسبب التطور التكنولوجي الطبيعي. ومن المثير للاهتمام ، في هذا الصدد ، أن أبراج الراديو عادة ما تكون قادرة على التعامل مع بروتوكولات لاسلكية متعددة في وقت واحد لضمان ذلك التوافق مع أكثر الأجهزة البالية.

الأجيال الخلوية
https://bytebeats1.files.wordpress.com/2011/07/1g.jpg

التكنولوجيا الخلوية الأكثر استخدامًا في العالم ، على سبيل المثال ، هي التقنية القديمة جي إس إم (النظام العالمي للاتصالات المتنقلة) ، مؤلف أول انتشار حقيقي للهاتف المحمول. تتطلب هذه المواصفة القياسية أن تقوم الأبراج بتقسيم النطاق المعين (الموجودين إلى 900 MHz و 1800 MHz في أوروبا و 850 MHz و 1900 MHz في أمريكا) من خلال FDMA، ومن ثم يتم تقسيم كل قناة بين أطراف متعددة مع TDMA.

ثم ينص البروتوكول على أن الإرسال هو FDD ويحدث مع قفز التردد، تقنية انتشار الطيف والذي يسمح ، من خلال تغيير القناة الفرعية بشكل متكرر ، بتقليل التداخل وتحسين الإشارة باستخدام نفس الطاقة. أخيرا ، التعديل هو من النوع GMSK (مفتاح التحول الأدنى الغاوسي) ويعمل عن طريق تغيير تردد الموجة الحاملة ، من أجل الحصول على تناوب بين ترددين محددين جيدًا.

GMSK
http://sna.csie.ndhu.edu.tw/~cnyang/mobile/img083.gif

يمكن للخلايا الفردية أن يكون لها نصف قطر أقصى من 35 كم، وكل ناقل لديه 8 فتحة الوقت، أي أنه يمكن استخدامه لثمانية محادثات في نفس الوقت. التضحية بالجودة ، علاوة على ذلك ، من الممكن استخدام نفس التوقيت لإرسال البيانات وتلقيها ، وترك قناة FDD مجانية للأجهزة الأخرى.

يوفر GSM أيضًا القدرة على إرسال رسائل نصية (SMS) ، ويتم ضغط الصوت باستخدام خوارزمية ترميز تنبئي خطي (لمزيد من التفاصيل نوصي بقراءة مقالة الواقع). ال جي بي آر إس (خدمة حزم الراديو العامة) ، ثم أضاف القدرة على الوصول الإنترنت (WAP) ، لإرسال رسائل الوسائط المتعددة (MMS) والقيام بها مكالمات جماعية.

جي بي آر إس
http://www.conniq.com/images/Access_GPRS.gif

تكون بنية الإرسال هي نفسها في هذه الحالة ، مع الاختلاف الوحيد الذي لا يستخدم النطاق في المحادثات ولكن من أجل التبادل حزم البيانات. اعتمادا على المسافة من البرج ، علاوة على ذلك ، يتم استخدامها أنظمة الترميز المختلفة يمكن أن يميز متانة الإشارة أو له سرعة: في حالة المسافات المنخفضة ، على سبيل المثال ، المعدل النظري هو 21,4 kbit / s ، والذي ينخفض ​​إلى 9,05 kbit / s فقط في حالة الخلية البعيدة.

وهناك تطور آخر لل GSM ، في النهاية ، يتميز بهEDGE (معدلات البيانات المحسّنة لتطور GSM) التي ضاعفت سرعة اتصال GPRS ثلاث مرات ، مما يتيح لك استخدام جميع ميزات الإنترنت العادية ، بما في ذلك مكالمات الفيديو. تم تحقيق هذا التحسين من خلال استخدام التعديل 8-PSK (مفتاح إزاحة الطور) الذي يسمح باستخدام ثمانية تكوينات مختلفة لطور الموجة الحاملة لإرسال 3 بتات في المرة الواحدة.

8-PSK
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/11/8PSK_Gray_Coded.svg/2000px-8PSK_Gray_Coded.svg.png

ثم حدثت قفزة نوعية هائلة مع أحدث الشبكات UMTS (النظام العالمي للاتصالات المتنقلة) ، مع الحفاظ على نفس الشبكة الأساسية ، مع استخدام البروتوكول W-CDMA (الوصول المتعدد بتقسيم رمز النطاق العريض) لتحقيق سرعات نقل جيدة. يعتمد هذا النظام على استخدام قنوات 5 MHz لإرسال CDMA ، والتي يمكن استخدامها في كليهما جبهة الدفاع عن الديمقراطية في ذلك TDD (فقط في آسيا).

تختلف نطاقات التردد المستخدمة اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على البلد ، وفي إيطاليا 2100 ميغاهيرتز ومنذ عام 2014 ، أ 900 ميغاهيرتز. مرة أخرى ، تنتشر تكنولوجيا الطيف ، هذه المرة من النوع تسلسل مباشروالتي تعمل (على غرار ما رأيناه بالفعل في حالة اتصالات GPS) من خلال تقديم كود عالي التردد معروفة من كل من جهاز الإرسال ومن البرج.

DSSS
http://ironbark.xtelco.com.au/subjects/DC/lectures/22/ss_dsss_example.png

تعديل ، إذن ، يمكن أن يحدث في QPSK (مفتاح إزاحة الطور التربيعي) الذي يستخدم أربعة تكوينات مراحل مختلفة موجة لنقل البيانات (التي سيتم إرسالها 2 بت في كل مرة) أو في QAM (تعديل السعة التربيعية). النظام الأخير ، على وجه الخصوص ، يضيف تشكيل السعة من اثنين من شركات الطيران في المرحلة المعارضة للحصول على إشارة معدلة في السعة والطور. وبهذه الطريقة ، يمكن الحصول على عدد كبير من التكوينات الممكنة التي يمكن أن تكون في هذه الحالة 16 أو 64.

حتى معيار UMTS شهد تطورًا بمرور الوقت ، تميز بالإصدار المستمر للإصدارات الجديدة. وبالتالي زادت سرعة الاتصال من 384 كيلوبت / ثانية إلى 99.3 ميغابت / ثانية أكبر بكثير HSDPA و 337.5 ميجابت / ثانية من HSPA +. تم الحصول على هذه السرعات المذهلة باستخدام التعديل 64-QAM يحيط بها MIMO (متعددة المدخلات والمخرجات المتعددة) ، أي من استخدام المزيد من الهوائيات في نفس الوقت لتحسين جودة الإشارة ، و رباعية موبايل، أي استخدام أربعة نطاقات تردد في نفس الوقت.

خلية رباعية
http://www.unwiredinsight.com/wp-content/uploads/2014/05/hsdpa-multiflow.png

عند هذه النقطة انتشار واسع للأجهزة LTE و تغطية جيدة للمنطقة يمكنهم دفعنا للحديث عن هذه التكنولوجيا الجديدة ، ولكن بما أن العديد من الوعود التي قطعتها 4G ليست حقيقة ، فإننا نفضل تأجيل الموضوع إلى المقالة التالية من الخميس.

الشبكة في المنزل وفي المكتب: WiFi

نزول السلم نجد الشبكات المحلية (WLAN) ، والتي تغطي مساحة أصغر بكثير من تلك الخلوية وهي مصممة لتقديم اتصالات النطاق العريض لعدد أقل من المستخدمين. التكنولوجيا التي تهيمن على هذا القطاع ، كما تعلمون بالتأكيد ، هي WiFi بناءً على مواصفات المعيار IEEE 802.11 والعديد من الاختلافات.

هذه التقنية ، بخلاف تلك الخاصة بالشبكات الخلوية ، تستخدم نطاقات تردد لا تخضع للترخيص بموجب القانون متاح مجانا استخدام المواطنين العاديين للاتصال منخفض الطاقة (EIRP ليس أعلى من 20dBm). هذا هو على وجه الخصوص قنوات 14 واسع 20 ميغاهرتز حولها 2.4 غيغاهرتز و قنوات 42 حول 5.4 غيغاهرتز، والتي غالبًا ما يكون جزء منها فقط متاحًا بالفعل في مختلف البلدان.

العصابات واي فاي
http://www.moonblink.com/store/misc_images/80211-frequency-channel-map.JPG

يكفل نظام التعايش بين عدة أجهزة على نفس الشبكة هذه المرة ODFM (تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد) الذي يتألف من تقسيم نطاق التردد إلى a عدد كبير جدا من القنوات الفرعية. باستخدام تحويل فورييه السريععندئذٍ ، يمكن للأجهزة المتصلة بالشبكة تحديد وإرجاع إشارة الترددات الفردية التي ، كونها غير مرتبطة بشكل كامل تقريباً ، ستنقل المعلومات بشكل مستقل.

بعد ذلك ، في القناة الفرعية المفردة ، سيتم استخدام تعديل النوع PSK o QAM، اعتمادا على متغير وأي فأي المستخدمة ، وقبل كل شيء ، من جودة من الإشارة الكهرومغناطيسية. يسمح PSK ، على وجه الخصوص ، بسرعات اتصال منخفضة وهو محجوز لحالات الإشارة المتدهورة ، في حين أن سيتم اختيار QAM في ظل ظروف مثالية.

ODFM
http://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/89600b/webhelp/subsystems/wlan-ofdm/Content/resources/image/ofdm%20freq-time%20representation.png

بروتوكول الواي فاي الأكثر انتشارا اليوم هو بالتأكيد ذلك 802.11G، والتي تعمل فقط في قنوات 2.4 GHz وتسمح بأقصى سرعة لـ 54 Mbit / s ، ولكن أيضًا 802.11n الذي خلفها ، والذي قدم MIMO واستخدام القنوات من 40 ميغاهرتز ، حققت انتشار جيد. هذا البروتوكول الأخير ، بعد ذلك ، زاد عدد القنوات الفرعية ، مصمم للعمل على القنوات أ 5.4 غيغاهرتز وأخيرا وليس آخرا، قدم تكوين الشعاع مما يسمح بنقل الإشارة للإشارة مع تداعيات واضحة على الاستهلاك والتغطية.

وأخيرًا ، تتوافق جميع أحدث الهواتف الذكية مع المعيار 802.11ac والتي ، كالعادة ، تمثل التطور الطبيعي لـ 802.11n: القنوات تمرر إلى 80 ميجا هرتز أو 160 ميجا هرتز، تتطور تقنية MIMO إلى MU-MIMO (والتي هي قادرة على العمل مع أجهزة متعددة في وقت واحد) ، والتشكيل يصل في 256-QAM. التطور الطبيعي للتكنولوجيات السابقة ، لذلك يسمح في أحدث نسخة له بسهولة إدخال ترتيب جيجابت / ثانية.

الشبكات الشخصية: البلوتوث والأشعة تحت الحمراء

نغلق هذه المقالة بشبكات WPAN (شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية) ، أي تلك الشبكات التي تم إنشاؤها لتوصيل عدد صغير جدًا من الأجهزة poco بعيدة عن بعضها البعض. المعيار الأكثر شيوعًا لهذه الوظيفة اليوم هو بالتأكيد بلوتوث التي ، باستخدام نفس النطاق من 2.4 غيغاهرتز من واي فاي ، يمكن توصيل الأجهزة أقل من 10 متر مع انخفاض استهلاك الطاقة بشكل يبعث على السخرية.

وصلت هذه التكنولوجيا الآن نسختها 4.2 وبمرور الوقت ، جمعت عددًا كبيرًا جدًا من لمحات ضروري للعديد من الاستخدامات الممكنة التي يفسح لها المجال. لذلك ، يوجد وضع خاص للاستخدام مع سماعات الرأس اللاسلكية ، وآخر للماوس ولوحة المفاتيح ، وآخر مخصص لتبادل البيانات (والذي يحدث بالفعل في أحدث الإصدارات باستخدام 24 ميغابت / ثانية) وما إلى ذلك.

ملامح بلوتوث
http://flylib.com/books/4/215/1/html/2/files/12fig11.gif

يجب أن نشير أيضًا إلى أن مواصفات البلوتوث الحالية تتضمن فعليًا بروتوكولين مختلفين غير متوافقين مع بعضهما البعض. أول واحد ، والتي تستمد مباشرة من المعيار الأصلي ، ويستخدم قنوات 79 من 1 MHz تدار عن طريق قفز التردد مع التعديل GFSK (مفتاح تحويل التردد الغوسي) أو اكتب PSKبينما يأتي الثاني من Wibree نوكيا ومخفي تحت اسم بلوتوث منخفضة الطاقة (o سمارت).

هذا الأخير ، على وجه الخصوص ، يستخدم قنوات 40 من 2 ميغاهيرتز مع انتشار الطيف من نوع تسلسل مباشر، مما لا يتوافق مع البروتوكول الكلاسيكي. ومع ذلك ، ترتبط مزايا هذه التقنية ، التي تعد جزءًا من المعيار بدءًا من الإصدار 4.0 ، بـكفاءة الطاقة التي ، في المستقبل ، سوف تصبح ذات أهمية متزايدة مع وصول الإنترنت سيئة السمعة من الأشياء.

بلوتوث الذكية
http://m.eet.com/media/1177881/3%20flavorsl.jpg

ننتهي من هذه المقالة نقلا عن تلك أيضا أنظمة الأشعة تحت الحمراء أنه بمجرد أن يتم تعيينهم للاتصال بين الهواتف المحمولة ، فقد تم استبدالهم اليوم عن طريق البلوتوث ، وعند وجودهم ، يتم هبوطهم إلى وظيفة التحكم من بعد. عدد قليل من الهواتف الذكية مجهزة الصمام الأشعة تحت الحمراءفي الواقع ، ليس لديهم الضوئي أنه سيكون من الضروري تبادل البيانات ، وبالتالي استخدام هذا المكون فقط للتحكم في الأجهزة الأخرى.

ينتهي الجزء الأول من تعييننا مع التكنولوجيا اللاسلكية هنا ، ونحن نتطلع إلى رؤيتكم يوم الخميس المقبل LTEمن تطوراته واي ماكسمن NFC والعديد من التقنيات الأخرى!