شبکه توزیع مخابراتی و دادهای شهری

درگذشته‌های نه‌چندان دور مردم برای ارسال پیام از روش‌هایی مثل آتش و کبوتر نامه‌بر استفاده می‌کردند. البته برخی افراد هم سعی می‌کردند به کمک نامه پیام خود را به مقصد برسانند (اگر به تاریخ نگاهی بیندازیم سیستم چاپار را خواهیم دید که نمونه‌ای سرعت انتقال پیام در مسافت‌های طولانی بود!!!). در این دوره، ارتباط واقعا زمان زیادی را از مردم می‌گرفت و شاید حتی برخی اثر بخشی برخی اخبار از بین می‌رفت. مثلا اگر شما می‌خواستید به عمویتان که در اصفهان است، از تهران خبر دهید که قصد سفر دارید؛ تا این نامه به دست عمو شما برسد و جواب او را بگیری احتمالا شما از سفر خود بازمی‌گشتید. به نظر کافی است. بیایید سراغ اصل داستان که شکل گیری مخابرات سیستماتیک است برویم.

شکل‌گیری مخابرات سیستماتیک را می‌توان به سه مرحله مختلف تقسیم کرد.

• مخابرات نوری: 

اولین سیستم‌های انتقال اطلاعات استفاده از نور فانوس‌های پیوسته بودند. این نورها پیام‌های خاصی را به حکومت هر کشور منتقل می‌کردند.

• مخابرات الکتریکی: 

از حوالی سال ۱۷۸۰ یک فیزیکدان سوئیسی به تحقیق روی رسانا پرداخت. او توانست به کمک ۲۴ سیم رسانا، فرآیند انتقال پیام را بین دو دستگاه انجام دهد. این سازه پایه و اساس تلگراف‌هایی بود که در سال‌های بعدی یعنی حدود سال‌های ۱۸۳۰ ساخته شدند.

• مخابرات تصویری: 

با پیشرفت تکنولوژی و ساخت امکانات فیلم برداری، این نیاز به وجود آمد که امنیت مراکز مختلفی از جمله مراکز نظامی بهبود یابد. به همین خاطر مخابرات تصویری با این ویژگی که بتوان تصاویر را از طریق تلویزیون‌ها و راه‌های ارتباطی دیگر ارسال کرد، به وجود آمد. 

تا اینجا متوجه شدیم که تحت هر عنوان و دلیلی که باشد، باید اطلاعاتی از مبدا به مقصد منتقل شود تا یک شبکه مخابراتی شکل بگیرد. بیایید کمی جزئی‌تر به این سیستم نگاه کنیم.

اجزا یک شبکه مخابراتی

شبکه‌های مخابراتی به طور کلی از ۷ بخش تشکیل می‌شن. این ۷ بخش به ترتیب زیر هستن:

• منبع اطلاعات (Information Source):

همانطور که پیشتر بیان کردیم، مخابرات یعنی ارسال اطلاعات. پس پیش از هر چیز ما به یک منبع اطلاعاتی و اولیه نیاز داریم. این منبع اطلاعاتی می‌تواند پیامکی باشد که به یک فرد ارسال می‌کنید یا فیلم دوربین‌های مدار بسته باشد یا حتی مکالمه شما با دوست‌تان. هرچند تفاوت‌هایی بین روش انتقال دیتا در هر یک از حالات فوق وجود دارد ولی در کل شبکه‌های مخابراتی منبع اطلاعاتی نیاز داریم.

• ترانسدیوسر ورودی (Input Transducer)

فرض کنید بین شما و دوستتان چند کیلومتر فاصله است. اگر بخواهید با او ارتباط برقرار کنید دیگر نمی‌توانید با صحبت یا داد زدن این کار را انجام دهید. اگر به چند سال قبل برگردیم احتمالا پیشنهاد می‌شد از کد مورس یا فانوس استفاده کنیم تا مفاهیمی را به فاصله دور منتقل کنیم. ترانسدیوسرها هم تقریبا کاری مشابه این روش انجام می‌دهند. چطور؟

این فناوری، اطلاعات را به انواعی از انرژی مثل سیگنال نوری یا الکتریکی تبدیل می‌کند تا امکان طی کردن مسافت‌های طولانی  را برای پیام فراهم کند. برای فهم بهتر این فناوری می‌توانید به یک میکروفون نگاه کنید. این وسیله صوت شما را به موج الکتریکی تبدیل می‌کند و به پخش‌کننده یا اسپیکر منتقل می‌کند.

• فرستنده (Transmitter)

اگر نظر من را بخواهید مهم‌ترین بخش یک سیستم مخابراتی فرستنده آن است. فرستنده  مخابراتی وظیفه دارد امواج الکتریکی را به سیگنالی تبدیل کند که قرار است در کانال‌های مخابراتی یا واسط‌های مخابراتی منتقل شود.

آشنایی با صنعت تلکام

اهمیت این فرستنده‌ها آن‌جا بیشتر به چشم می‌آید که هر نهاد حکومتی و هر کشوری فرکانس خاصی را برای پیام‌های مخابره شده‌اش انتخاب می‌کند. بنابراین اگر اتفاقی بیفتد  که این پیام‌ها در فرکانس‌های مشخص منتقل نشوند، نویز یا اختلال در سایر شبکه‌ها ایجاد می‌شود.

مدولاسیون فرآیندی کاملا سیستماتیک است که در آن سیگنال پیام به سیگنال حامل تبدیل می‌شود. در این مسیر باید دامنه، فاز، فرکانس سیگنال به یک سیگنال بالاتر تبدیل شود. علاوه بر فرآیند مدولاسیون فرستنده باید:

1.  نویز‌های موجود را فیلتر کند،

2. سیگنال ارسالی را تقویت کند،

3. سیگنال ایجاد شده را برای گیرنده ارسال کند.

• کانال مخابراتی (Communication Channel)

کانال‌های مخابراتی همان واسط‌هایی هستند که از طریق آن پیام بین فرستنده و گیرنده منتقل می‌شود. مثلا در مخابرات بی سیم اتمسفر کانال مخابراتی است و برای تلفن‌های ثابت خطوط سیمی یا کابل‌ یا حتی فیبر‌های نوری.

• گیرنده (Receiver)

عملکرد اصلی گیرنده تبدیل سیگنال حامل دریافت شده به پیام ارسال شده است. در این فرآیند باید عمل دمودلاسیون انجام شود تا پیام ارسال شده استخراج گردد.

• ترانسدیوسر خروجی (Output Transducer)

همانطور که ترانسدیوسر ورودی پیام را به موج الکتریکی یا نوری تبدیل می‌کرد، این فرآیند در گیرنده به صورت عکس انجام می‌شود. به طور مثال به همان میکروفون بازگردیم: صدای شما پس از تبدیل شدن به موج الکتریکی از طریق کانال مخابراتی فیزیکی که همان سیم میکروفون است (یا شاید به صورت وایرلس و از طریق اتمسفر) به گیرنده خود در اسپیکر منتقل می‌شود. آنجا ترانسدیوسر خارجی پیام استخراج  شده از سیگنال حامل را به پیام صوتی اولیه (منبع) تبدیل می‌کند.

• مقصد (Destination)

طبیعتا قرار بود پیام ما از منبع به مقصدی منتقل شود تا هدف سیستم مخابراتی محقق شود. در مثال میکروفون، بلندگوها همان مقصد هستند و هدف بلند کردن صدا یا تقویت صوت در اسپیکر محقق می‌شود.

این ۷ بخش سیستم مخابراتی زمانی کارآمد می‌شوند که اختلالی در پیام ارسال شده تا دریافت در مقصد و تحقق هدف پیام ایجاد نشود.

نویز یا اختلال شبکه مخابراتی

نویز هر چیزی است که جلوی انتقال صحیح سیگنال را بگیرد یا آن را مخدوش کند. رایج‌ترین این اختلالات در گیرنده رخ می‌دهد اما نمی‌توان از نویزهای ایجاد شده در کانال مخابراتی چشم‌پوشی کرد. دسته اول اختلالات نویز جمع شده با سیگنال است. این نویزها که گاها با نام نویز حرارتی هم شناخته می‌شوند، همان اختلالات ایجاد شده در گیرنده هستند که به واسطه فعالیت لوازم الکتریکی یا شاید محیط‌اند.

در برخی کانال‌های مخابراتی هم چنین نویزی ایجاد می‌شود. به طور مثال در کانال‌های یونوسفریک (Ionospjeric) که در ارتباطات رادیویی با طول موج کوتاه و مسافت‌های طولانی استفاده می‌شود، بین انتقال سیگنال‌ها ممکن است فاصله بیفتد؛ دلیل این اختلال نشر چندگانه سیگنال است. از طرفی نباید وجود پدیده‌های طبیعی مثل رعد و برق، رطوبت هوا یا حتی وجود موانع طبیعی در طول کانال مخابراتی را نادیده گرفت.

تا اینجا به طور کلی با شبکه مخابراتی ایجاد شده برای انتقال پیام در گیرنده و فرستنده‌های ثابت مثل تلویزیون یا حتی میکروفون آشنا شدیم؛ ولی مخابرات به اینجا ختم نمی‌شود. با پیشرفت روز‌افزون تکنولوژی و همه‌گیر شدن تلفن‌های همراه، نیاز جهان به ایجاد شبکه مخابراتی همراه یا سیار افزایش یافت. این افزایش تقاضا به حدی بود که در سال ۲۰۱۰ میزان کاربران تلفن همراه در جهان حدود ۵ میلیارد نفر تخمین زده می‌شد.

مخابرات سیار

همونطور که بالاتر گفتیم مخابرات سیار به تلفن‌های همراه مربوط می‌شود. به تبع با پیشرفت این وسیله‌های ارتباطی شبکه مخابراتی اونا هم گسترده‌تر و پیشرفته‌تر شدند. سیر رشد این مخابرات رو میشه به ۶ نسل مختلف نسبت داد. این ۶ نسل همان علامت‌هایی هستند که حین کار با تلفن همراه‌تان  کنار علامت آنتن دیده‌اید.

نسل اول | گذشته‌ای انقلابی

سیستم‌های مخابراتی نسل اول بر اساس استانداردهای آنالوگ پایه‌گذاری شدند. این سیستم‌ها اساس فعالیت سیستم‌های مخابراتی امروز را فراهم کرده‌اند. این تکنولوژی که در سال‌های ۱۹۷۹-۱۹۸۰  معرفی و بهره‌برداری شدند، تنها سرعت انتقال دیتای حدود ۲.۴ کیلوبایت بر ثانیه را عرضه می‌کردند. این شبکه چند مشکل اساسی به همراه داشت:

1. امنیت این شبکه چندان قابل قبول نبود؛

2. حین ارتباط دو دستگاه اختلاف زمان و باگ وجود داشت؛

3. کیفیت پیام‌های ارسال شده در همه نقاط یکسان نبود.

با بررسی این مشکلات و تلاش محققان در خصوص رفع آن‌ها، نسل دوم مخابرات سیار معرفی و راه‌اندازی شد.

نسل دوم | گامی به سوی آینده

نسل دوم مخابرات سیار که با نماد ۲G آن را دیده‌اید، اولین قدم در راستای تبدیل مخابرات آنالوگ به دیجیتال بود. این نسل به طور کلی ۳ ویژگی مهم داشت:

1. همانطور که اشاره کردیم، تبدیل مخابرات آنالوگ به دیجیتال فاز اول این نسل بود؛

2. قابلیت ارسال پیامک و پیام‌های تصویری که احتمالا آن را با نام MMS به خاطر دارید فراهم شد؛

3. اولین اقدامات در راستای بهبود عملکرد پهنای باند  برداشته شد.

نسل دوم مخابرات سیار تاکید زیادی بر ایجاد ارتباط شبکه‌ای بین تلفن‌های همراه داشت. اگر به تاریخچه این نسل از مخابرات نگاهی بیندازیم،  خواهیم دید تحقیق در مورد شبکه‌های مخابراتی ۴ فاز اصلی را در این نسل پدیدار کرد:

1. GSM: در این فاز سرعت انتقال اطلاعات و مکالمات از ۲.۴ کیلوبایت افزایش یافته و به ترتیب به ۹.۶ و ۱۳ کیلوبایت بر ثانیه رسید. هرچند این پیشرفت واقعا چشمگیر بود ولی نتوانست نیاز مخاطبان را برطرف کند؛ به همین سبب فاز دوم این نسل اجرایی شد.

2. HSCSD: دو بخش اصلی در این فاز به شبکه‌های مخابراتی اضافه شد. اول اینکه سرعت انتقال اطلاعات به ۵۷.۶ کیلوبایت بر ثانیه رسید. دوم آنکه برای اولین بار امکان فشرده سازی اطلاعات حین انتقال اطلاعات فراهم شد. با وجود این پیشرفت‌ها باز هم مخاطبان نیازهای عمده‌ای برای برقراری ارتباط داشتند. مثلا می‌خواستن عکس و فیلم‌هایشان را با هم به اشتراک بگذارند. این نیازها مسبب استارت فاز ۳ بود.

3. GPRS: در این فاز بود که امکان ارسال فیلم و عکس در قالب MMS برای کاربران فراهم شد. البته پیشرفت‌هایی هم در خصوص افزایش سرعت انتقال داده تا مرز ۱۷۱.۲ کیلوبایت بر ثانیه را تجربه کردیم. تقریبا برای مدتی نیاز همه کاربران مرتفع شد ولی باز هم کمال‌گرایی به سراغ محققان رفت.

4. EDGE: در این فاز تمرکز اصلی بر افزایش سرعت انتقال داده بود؛ به حدی که ۴ الی ۵ برابر سرعت آن افزایش یافت. دلیل نام‌گذاری این فاز به این خاطر بود که مرز بین سرویس‌های تلفن همراه و سخت افزارهای موجود در این تلفن‌ها تقریبا وضع شد. این گام ما را به سمت نسل سوم شبکه‌های مخابراتی سوق داد.

نسل سوم | تحقق یک رویا

با گذر زمان نیاز کاربران از تماس‌های روزمره بیشتر شد. آن‌ها می‌خواستند تماس‌های دوربرد یا حتی تصویری را تجربه کنند. حتی برخی نگران امنیت اطلاعات خود بودند. به همین دلیل سخت‌افزارهای قبلی دیگر کارایی خود را نداشتند و نیاز جهانی مبنی بر تغییر زیرساخت پدیدار شد. علاوه بر این نیاز استانداردهایی  در اروپا تحت نام ۳GPP تصویب شد که سر منشا استانداردهای نسل سوم بود.

در نسل سوم بیشتر تمرکز بر بهبود نرم‌افزاری تلفن‌های همراه و سپس بهبود سرعت انتقال دیتا با کمک تغییر زیرساخت بود. در انتهای نسل سرعت‌های باور نکردنی در آپلود و دانلود داده (به ترتیب ۲۲ و ۵۶ مگابایت بر ثانیه) پدیدار شد. 

از مهم‌ترین تغییرات این نسل تغییر مدولاسیون و روند فشرده سازی داده بود تا این سرعت محقق شد. هرچند این نسل پیشرفت‌های شگرفی داشت ولی باز هم برخی مشکلات را برای کاربران ایجاد می‌کرد. مثلا هزینه تهیه این شبکه و به‌ تبع استفاده از اون زیاد بود. گاهی هم بین شبکه‌های مختلف مخابراتی اختلال ایجاد می‌شد. به همین دلیل نیاز بود تا این تکنولوژی پیشرفت کنه و به نسل بعدی قدم بذاره.

نسل چهارم | تجربه شیرین زندگی دیجیتال

در این نسل هنوز هم استانداردهای ۳GPP مورد استفاده بودند ولی تغییرات بنیادی در معماری آنتن‌ها (فرستنده‌ها و گیرنده‌ها)، رخ داد. تغییرات ایجاد شده در این نسل سبب شد:

1. تاخیر انتقال داده به حداقل برسد

2. سرعت انتقال داده تا مرز ۱ گیگابایت (در آخرین فاز این نسل که با نام Gigabit LTE عرضه شد) افزایش یافت.

3. امکان اشتراک گذاری تصاویر تلویزیونی در تلفن همراه فراهم شد.

در نسل چهارم مخابرات سیار فرکانس امواج تا حدود ۶ گیگاهرتز برده شد. دلیل این ترقی هم همین بود. این تکنولوژی تا حوالی سال ۲۰۲۰ مورد قبول جهانیان بود ولی با کمی تغییر در گیرنده‌ها و فرستنده‌ها امکان افزایش این بازه از فرکانس فراهم شد.

نسل پنجم | دروازه‌ای به سوی شهرهای هوشمند

در نسل پنجم مخابرات سیار با استفاده از هوا به عنوان فضای انتقال داده و کمک گرفتن از رابط‌های رادیویی به همراه تکنیک‌های مدولاسیون جدید، امکان افزایش فرکانس سیگنال‌ها تا ۱۰۰ گیگاهرتز به وجود آمد. از طرفی آنتن‌های به کارگرفته شده در این نسل قادر هستند تا حدود یک میلیون وسیله در هر کیلومتر مربع را پوشش دهند. این درحالی است که در نسل چهارم این عدد تنها ۴۰۰۰ تلفن همراه بود.

علاوه بر تمام این موارد، نسل پنجم مخابرات سیار دروازه‌ای جدید به دنیای اینترنت اشیا باز کرد. اینترنت اشیا به طور خلاصه به معنی متصل کردن تمام وسایل و امکانات زندگی بشر به یکدیگر است.

 همانطور که می‌بینید پس از نسل چهارم دیگر خبری از تغییرات شگرف نیست و تنها محققان به دنبال کاهش تاخیر در انتقال اطلاعات هستند. هرچند این تغییرات نیازمند تلاش بسیار و تهیه زیرساخت‌های مناسب هستند ولی باز هم تغییرات انقلابی به شمار نمی‌روند.

نسل ششم | آینده‌ای برای دنیای دیجیتال

پس از تکمیل نسل چهارم و پنجم بازی‌های آنلاین، تماس‌های تصویری و حتی ویدیو کنفرانس‌های آنلاین به راحتی و در هر نقطه جهان امکان‌پذیر بودند. با این حال ایجاد فضاهای مجازی جدید و حرکت کاربران به سمت دنیای دیجیتال از قبیل متاورس، کاهش تاخیر انتقال دیتا را به امری لازم‌الاجرا تبدیل کرد.

به همین دلیل هم نسل ششم مخابرات سیار در دست اجرا قرار گرفت. پیش‌بینی می‌شود با توجه به روند گذشته تا سال ۲۰۳۰ شاهد ظهور و اجرای این نسل‌ از مخابرات سیار باشیم.

منبع: hamrah.academy