اتصال کوتاه

.

.

توجه: این مقاله 20 سالی عمر دارد و ممکن است برخی اطلاعات آن به روز نباشد، اما برای آشنایی با روند رشد و توسعه‌ی یک فن‌آوری در طول زمان، سودمند است.
.

هنگامی که در یک کانال مخابراتی پهنای باند مشخصی تعیین شده باشد، طبق نظریه‌ی شانون¹، تنها مقدار مشخصی از اطلاعات در هر زمان قابل انتقال است. اما این محدودیت را می‌توان با یک ترفند برطرف کرد، و آن استفاده از چندین کانال به صورت موازی است. برخلاف فرضیات قبلی، این کانال‌ها حتی می‌توانند در همان پهنای باند فرکانسی قرار داشته باشند، به شرطی که در فضای سه‌‌بُعدی به صورت متفاوت منتشر شوند. سپس در گیرنده، با استفاده از چندین آنتن و پردازش سیگنال مناسب، این کانال‌ها از هم جدا می‌شوند. به این ترتیب، میزان بازدهی پهنای باند می‌تواند بیش از یک مرتبه افزایش یابد.
.

پهنای باند انتشار امواج رادیویی به یک کالای کمیاب تبدیل شده است. نه تنها تعداد بیشتری از کاربران خواهان استفاده از باندهای فرکانسی موجود هستند، بلکه هر یک از آن‌ها نیز می‌خواهند اطلاعات بیشتری را به‌صورت مداوم در داخل این باندهای فرکانسی انتقال دهند و انتظارات بالاتری در مورد کیفیت انتقال، مانند نرخ خطای بیت²، دارند. این روند نمی‌تواند بی‌پایان ادامه یابد. باندهای فرکانسی در دسترس به‌تدریج به حداکثر ظرفیت خود می‌رسند و خطر یک "سکته داده‌ای" در پیش است.

ارزش نجومی این باندها، از جمله در مبالغ میلیاردی که در حراج‌های آن‌ها از طرف شرکت‌های اوپراتوری به دولت‌ها پرداخت می‌شود، به وضوح دیده می‌شود. این هزینه‌های سنگین اوپراتورها را مجبور می‌کند تا با استفاده از تمام ترفندهای ممکن، این باندها را تا نهایت ممکن مورد بهره‌برداری قرار دهند. چندین بار به نظر رسید که مرز فیزیکی انتقالِ داده به حد نهایی خود رسیده است - تا زمانی که یک مخترع با یک نوآوری چشمگیر دوباره این مرزها را کمی جابجا کرد.

دقیقاً همین اتفاق اخیراً دوباره در ابتدای قرن اخیر رخ داد: در آزمایشگاه‌های بل در موری هیل، نیویورک، که به نام دومین مخترع تلفن، الکساندر گراهام بل، نام‌گذاری شده‌اند. بل از سال ۱۸۷۶ در آمریکا توانست مردم را به این فناوری علاقه‌مند کند و به ثروت عظیمی دست یابد. (اولین مخترع تلفن، فیلیپ ریس آلمانی، در سال ۱۸۶۱ نتوانست آن را تجاری کند.) کارکنان این مؤسسه تحقیقاتی، که در سال ۱۹۲۵ تأسیس شد، از همان ابتدا با جاه‌طلبی تلاش کردند که از نظر فناوری در بالاترین سطح جهانی باقی بمانند. یازده جایزه نوبل و ده‌ها هزار ثبت اختراع از نتایج این تلاش‌ها است.

روش‌های مرسوم برای انتقال چندین کانال خبری بر روی یک مسیر به شرح زیر است:

• مالتی‌پلکس فضایی³: بسیار قدیمی، شامل استفاده از سیم‌های متعدد روی تیرهای تلگراف یا در یک کابل.
• مالتی‌پلکس فرکانسی⁴: آنالوگ، که برای چندین دهه روش غالب بود.
• مالتی‌پلکس زمانی⁵: دیجیتال، که امروزه به‌طور گسترده غالب است.
• مالتی‌پلکس کد⁶: مدولاسیون طیف گسترده، دیجیتال، که هنوز نسبتاً جدید است، اما در برخی سیستم‌ها در حال استفاده است.

.

تصویر ۱. استفاده از چندین آنتن فرستنده و چندین آنتن گیرنده این امکان را فراهم می‌کند که بازدهی پهنای باند تا یک مرتبه بزرگی افزایش یابد. پیش‌شرط این کار، وجود مسیری با بازتاب‌های قوی در انتقال است.

.

بازتاب‌های جداگانه باید به‌طور زمانی دقیق روی یکدیگر قرار گیرند، به‌طوری که برای یکی از سیگنال‌های همپوشانی‌شده، فازها به‌درستی هم‌افزا شوند. سپس، سیگنال حاصل در شدت خود تقویت می‌شود. برای سیگنال‌های دیگر، فازها هماهنگ نیستند و در نتیجه تضعیف شده و به صورت نویز پس‌زمینه ظاهر می‌شوند. هر چه فاصله آنتن‌های گیرنده بیشتر باشد، یعنی هر چه کمتر سیگنال‌های آن‌ها با یکدیگر تداخل داشته باشند، جداسازی بهتر خواهد بود.

بخش مهمی از محاسبه، تخمین کانال است. برای این منظور، بخشی از ظرفیت انتقال به «یادگیری» خصوصیات کانال اختصاص داده می‌شود. مزیت اصلی در مقایسه با سیستم‌هایی که در یکی از دو انتهای کانال فقط یک آنتن دارند این است که اکنون مقدار اطلاعات قابل انتقال در هر پهنای باند فرکانسی تقریباً به‌صورت خطی با تعداد آنتن‌های فرستنده و گیرنده افزایش می‌یابد — که بسیار بهتر از افزایش لگاریتمی است. تصویر ۲ این ارتباط را نشان می‌دهد.

.

تصویر ۲. با استفاده از تنوع آنتن‌ها در هر دو انتهای مسیر انتقال، بازدهی پهنای باند به‌صورت خطی با تعداد آنتن‌ها افزایش می‌یابد. در حالی که با تنوع آنتن فقط در یک سمت، افزایش بازدهی تنها به‌صورت لگاریتمی خواهد بود.

.

این نمودار نشان می‌دهد که با افزایش تعداد آنتن‌ها در هر دو طرف، میزان بهره‌وری پهنای باند به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، و این افزایش به‌صورت خطی خواهد بود، در حالی که اگر فقط در یک طرف از تنوع آنتن استفاده شود، این افزایش تنها به‌صورت لگاریتمی خواهد بود.

.

20 برابر بیتِ بیشتر در هر هرتز

این سیستم با نام BLAST⁷شناخته شد و مخترع آن جرارد فوشینی⁸ است. رینالدو والنزوئلا⁹، مدیر گروه تحقیقاتی BLAST  در آزمایشگاه‌های بل (تصویر ۳)، می‌گوید: «در سیستم سلولی ایالات متحده، در ابتدا 30 کیلوهرتز برای کانال آنالوگ در نظر گرفته شده بود. در انتقال به ارتباطات دیجیتال، این باند به سه قسمت تقسیم شد و به هر قسمت حدود 10 کیلوبیت بر ثانیه برای یک کانال صوتی اختصاص یافت. اما با سامانه‌ی BLAST اکنون توانسته‌ایم 624 کیلوبیت بر ثانیه را از طریق همان باند 30 کیلوهرتز منتقل کنیم - با نرخ خطای بیت کاملاً قابل‌قبول. این بدان معناست که اکنون بارگذاری 62 کانال صوتی ممکن است، در حالی که قبلاً فقط سه کانال ممکن بود».

در سال‌های اخیر، سیستم‌های مختلفی از این نوع در آزمایشگاه‌های بل ساخته و در شرایط عملی سخت مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. بهترین این سامانه‌ها بازدهی پهنای باندی در حدود 30 تا 40 بیت بر ثانیه بر هرتز را نشان دادند، که ارقامی بی‌سابقه بوده و در عین حال، نسبت سیگنال به نویز کاملاً قابل قبولی داشتند. تطابق بین نظریه و آزمایش نیز بسیار خوب بود.

.

تصویر ۳. تیم BLAST. سرگروه رینالدو والنزوئلا (نفر جلو سمت راست): «با سیستم BLAST می‌توانیم روی ۳۰ کیلوهرتز پهنای باند، ۶۲ کانال صوتی با نرخ ۱۰ کیلوبیت بر ثانیه برای هر کانال را منتقل کنیم.»

.

در عمل، برخی محدودیت‌ها وجود دارند:

این اصل را تنها می‌توان به‌طور مؤثر در محدوده فرکانسی بین چند صد مگاهرتز تا چند گیگاهرتز به کار برد. در فرکانس‌های پایین‌تر، آنتن‌ها بیش از حد بزرگ و دست‌وپاگیر می‌شوند و در فرکانس‌های بالاتر، تلفات ناشی از شکست و بازتاب امواج به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابند، به‌طوری که عملکرد سیستم دیگر قابل‌اعتماد نخواهد بود.

سیستم BLAST شبکه‌های بی‌سیم ثابتی را ممکن می‌سازد که می‌توانند جایگزین شبکه‌های سیمی موجود شوند - نصب آن‌ها بسیار سریع‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است. این تکنولوژی نه تنها برای تأمین خدمات تلفنی در مناطق روستایی مفید است، بلکه در داخل ساختمان‌ها نیز می‌تواند کاربرد داشته باشد، جایی که دیگر نیازی به سیم‌کشی بین کامپیوترهای ثابت و سایر دستگاه‌ها نیست - و به این ترتیب، هزینه‌های بالای سیم‌کشی نیز ممکن است صرفه‌جویی شود.

این اصل برای تلفن‌های همراه و تلفن‌های خودرو چندان مناسب نیست: اولاً، چندین آنتن در اینجا دست‌وپاگیر خواهند بود؛ حداکثر دو آنتن برای کاربر قابل قبول است که این مقدار بازدهی زیادی نخواهد داشت. دوماً، تغییر موقعیت مکرر نیاز به تخمین و برآورد کانال جدید دارد، همانند سیستم‌های مخابرات سیار؛ این امر بخش قابل توجهی از ظرفیت به‌دست‌آمده را دوباره مصرف می‌کند. در حالی که برای ایستگاه‌های ثابت، این فرایند تنها یک‌بار انجام می‌شود.

در حال حاضر سیستم‌های BLAST را نمی‌توان خریداری کرد. تا زمانی که به تولید انبوه برسند، هنوز نیاز به کار توسعه‌ای بیشتری در جزئیات وجود دارد. اما حداقل، پایه و اساس این تکنولوژی گذاشته شده است.

تئوری‌پرداز اطلاعات، کلود شانون، حدود سال ۱۹۵۰ کشف کرد که برای "بازدهی پهنای باند" در یک کانال - میزان اطلاعات قابل انتقال به بیت بر ثانیه در تناسب با پهنای باند استفاده شده به هرتز - یک حد مشخص و غیرقابل‌افزایش وجود دارد. با این حال، موفق شده‌اند به نوعی این قانون را دور بزنند و به این ترتیب مقدار بیشتری از اطلاعات را از طریق همان باند فرکانسی منتقل کنند. تئوری اطلاعات شانون تنها به ارتباط نقطه‌به‌نقطه اشاره می‌کند. ایده جدید از آزمایشگاه‌های بل از این فراتر می‌رود و بر اساس ارتباط حجم‌به‌حجم است که فضا را به عنوان بعد سوم به زمان و فرکانس اضافه می‌کند.

این تقریباً یک نوع جدید از مالتی‌پلکس فضایی است که از طریق الگوریتم‌های پیچیده‌ی پردازش در پردازنده‌های سیگنال بسیار یکپارچه¹⁰ ممکن شده است.

.

استفاده هدفمند از اکوها

اساس این روش، شناخت این واقعیت است که یک ارتباط واقعی رادیویی در باند فرکانسی UHF به ندرت به شکل یک کانال مستقیم بین فرستنده و گیرنده، مانند یک کابل، است. بلکه امواج تقریباً همیشه در مسیر خود از روی چندین شیء به سمت گیرنده بازتاب پیدا می‌کنند. در گیرنده، ابتدا سیگنال اصلی دریافت می‌شود و سپس مجموعه‌ای از اکوها با تأخیرها و شدت‌های مختلف سر می‌رسند. در سیستم‌های سنتی، انتشار چندمسیره، انتقال را مختل می‌کند، زیرا اکوهای سیگنال اصلی در زمان‌های مختلف به گیرنده می‌رسند و با یکدیگر تداخل می‌کنند که ممکن است موجب کاهش یا حتی از بین رفتن سیگنال شوند. در تلفن‌های همراه، این اکوها با محاسبات پیچیده در پردازنده‌های سیگنال بسیار یکپارچه ترکیب می‌شوند تا دوباره فازهایشان همخوان شوند و نسبت سیگنال به نویز افزایش یابد. اما این فرآیند نیاز به «تخمین/برآورد کانال¹¹» دائمی دارد که بخش قابل توجهی از پهنای باند انتقال را مصرف می‌کند.

این دقیقاً جایی است که فرصت استفاده از ابعاد فضا به روشی جدید وجود دارد. این «تنوع آنتن¹²» نامیده می شود.

اولین قدم این است که یک آرایه از چندین آنتن را به جای یک آنتن منفرد تنظیم کنید که همه آنها به اندازه کافی از هم فاصله داشته باشند، چه در فرستنده و چه در گیرنده. اکثر سیستم‌های G3 در حال حاضر از چنین آرایه‌های آنتنی در ایستگاه‌های پایه‌ی ارسال/دریافت¹³ استفاده می‌کنند. این موضوع نسبت سیگنال به نویز را افزایش می‌دهد، اما فقط متناسب با لگاریتم تعداد آنتن‌ها. بنابراین موفقیت این روش با هزینه‌ها رابطه مطلوبی ندارد.

ایده پیشگامانه‌ی آزمایشگاه بل، تنوع آنتن در هر دو انتهای پیوند انتقال است (تصویر 1). این ترکیب، امکان پخش چندین ایستگاه مجاور را روی یک فرکانس فراهم می‌کند.

تنها نکته مهم این است که آنتن‌ها در موقعیت‌های مختلف قرار داشته باشند تا انتشار از آنها از نظر مکانی متفاوت باشد. در یک گیرنده‌ی معمولی با تنها یک آنتن، این امر منجر به سردرگمی کامل آنها می‌شود و دیگر نمی‌توان آنها را از هم جدا کرد. با این حال، اگر گیرنده را به چندین آنتن نیز مجهز کنید، تمام کانال‌های انتقال را می‌توان با ترکیب با پردازش مناسب سیگنال، به صورت جداگانه فیلتر کرد. این کار هر چه انعکاس بیشتر امواج بین فرستنده و گیرنده باشد، بهتر انجام می‌گیرد. مطالعات کامل ریاضی ثابت کرده است:

اگر الگوهای بازتابی¹⁴ برای هر جفت فرستنده و گیرنده به اندازه کافی متفاوت باشد، می‌توان همه‌ی آنها را با استفاده از پردازش سیگنال مناسب از یکدیگر جدا و تفکیک کرد، حتی اگر در یک باند فرکانسی باشند. کافی است که هر کانال مشخصه «اثرانگشت بازتابی» خود را داشته باشد - بسیار شبیه به سامانه‌های مالتی‌پلکس کد (CDMA). هر آنتن در ابتدا همه‌ی کانال‌های ارسالی را دریافت می‌کند، اما همپوشانی برای هر کدام شکل متفاوتی دارد. به این ترتیب، ظرفیت کانال به نسبت پهنای باند استفاده‌شده چند برابر می‌شود.

مقدار اعمال محاسباتی برای این پردازش‌ها بسیار قابل توجه است. این فرآیند پس از آن که پردازنده‌های سیگنال نیرومند به بازار عرضه شدند، به طور مشخص امکان‌پذیر شد. علی‌رغم این که این فناوری با هزینه‌های گزاف برای تلفن‌های همراه توسعه یافته است، اکنون با هزینه کم در دسترس عموم قرار دارد.

.

.

نوشته: هلموت لِمِّه  Helmuth Lemme

.

.

پانویس‌ها: