الاتصال النقطي

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الاتصال النقطي

اتصال نقطي

point-to-point communication - Communication point-à-point

الاتصال النقطي

رند القوتلي

أنماط الاتصال النقطي

نموذج قناة الاتصال النقطي

وسائط الاتصال النقطي

الاتصال الليزري النقطي

الاتصال النقطي والاتصال عن طريق المبدّلات

يُقصد بالاتصال النقطي أو الاتصال من نقطة إلى أخرى point - to - point communication تحقيق وصلة اتصال خاصة بين نقطتين أو نظامين، بحيث لا يشاركان أحداً في استخدام هذه الوصلة. وهذا التعريف معاكس لتعريف اتصال البث broadcasting communication الذي يحقق الاتصال من نقطة إلى عدد كبير من النقاط في آن واحد.

على سبيل المثال؛ يُعدّ الاتصال الهاتفي - باستخدام دارات الهاتف لتحقيق اتصال بين المشتركين - اتصالاً نقطياً لأن النظام يخصص وصلة مادية خاصة بين نقطتي الاتصال، مع العلم أن هذه الوصلة تتشارك مع اتصالات أخرى عند تحقيق الاتصال بين مقسم وآخر، ولكن يمكن عدّ الدارة غير مشاركة لاتصالين أو أكثر في آن واحد. في حين لا يعدّ الاتصال من طرف إلى طرف end-to-end communication في الشبكات الحاسوبية السلكية - الذي يحقق الاتصال من نقطة إلى نقطة أخرى - اتصالاً نقطياً لأن جميع النقاط تتشارك في موارد الاتصال من مسيّرات ومبدّلات وقنوات اتصال.

في عام 1876 استطاع العالم غراهام بِل Graham Bell نقل إشارة الصوت بين نقطتين، يُعدّ ذلك أوَّل تحقيق للاتصال النقطي، وقد أدى ذلك لاحقاً إلى ظهور الاتصالات الهاتفية. وفي عام 2003 استُخدم مصطلح الاتصال النقطي للتعبير عن الاتصال اللاسلكي لنقل المعلومات على شبكة الإنترنت أو نقل الصوت عبر الإنترنت voice over IP، وذلك باستخدام الموجات الراديوية في مجال الترددات العالية جداً gigahertz. واستُخدم هذا المصطلح أيضاً في تقنيات الاتصال اللاسلكي الليزري، حيث يستخدم الشعاع الليزري في نقل المعلومات بين نقطتين واقعيتين ضمن خط النظر line of sight.

أنماط الاتصال النقطي:

يمكن تقسيم أي نظام اتصالات نقطي إلى ثلاثة أنماط:

1 - الاتصال المفرد simplex: وهو نظام اتصال بسيط أحادي الاتجاه من نقطة إلى أخرى، حيث يقوم المرسل (المتكلم مثلاً) بإرسال الإشارة عبر السلك الوحيد إلى الطرف الثاني أي المستقبِل (المستمع مثلاً). ومثال ذلك جهاز إنذار من الحريق، حيث يقوم بنقل إشارات إنذار الحريق إلى قسم الإطفاء (الشكل 1- أ).

2 - الاتصال نصف المزدوج half -duplex: وهو نظام اتصالات من نقطة إلى أخرى باتجاهين وعبر قناة اتصال واحدة، ولا يمكن في هذا النمط إجراء الإرسال والاستقبال بالوقت نفسه. ومن أشهر الأنظمة المستخدمة أجهزة اللاسلكي التي تستخدمها الشرطة talky-walky (الشكل (1- ب).

3 - الاتصال المزدوج full duplex: هو نظام اتصالات من نقطة إلى أخرى وباتجاهين عبر قناتي اتصالات، بحيث يقوم كل طرف بالإرسال والاستقبال في آن واحد. ومثال ذلك نظام الهاتف (الشكل 1- ج).

الشكل (1) أنماط الاتصال النقطي

نموذج قناة الاتصال النقطي:

يمكن التعبير عن معظم قنوات الاتصال النقطي كالقنوات الهاتفية، والقنوات المكروية الثابتة بدقة باستخدام نموذج تمرير ضجيجي تراكمي bandpass additive noise وفق النموذج المبين في الشكل (2.(

حيث

الشكل (2) نموذج قناة اتصال نقطي

- إشارة المعلومات (S(t: إشارة حقيقية معدّلة modulated باستخدام تردد حامل fc.

- الإشارة y(t): إشارة معلومات متأثرة بقناة الاتصال، حيث يمثل المرشح h(t) نموذج قناة الاتصال الذي يمثل التشويه distortion الذي يمكن أن تضيفه قناة الاتصال. ويمكن الحصول على الإشارة y(t) باستخدام جداء الطي وفق المعادلة:

y(t) = h(t) * s(t) = ∫ h(τ) s(t-τ) dτ (1)

- الإشارة w(t): تمثل الضجيج المضاف إلى إشارة المعلومات المرسَلة. وهي إشارة ضجيج قد تكون بيضاء (أي تنتشر على كامل المجال الترددي)، أو غوصية (أي موزّعة غوصياً). ويسمى عندئذٍ الضجيج الأبيض الغوصي الجمعي adaptive white Gaussian noise (AWGN).

- الإشارة r(τ): الإشارة المستقبَلة.

وسائط الاتصال النقطي:

يتم الاتصال النقطي باستخدام قناة اتصال سلكية أو لاسلكية. يستعمل الاتصال السلكي مجموعة من الوسائط منها: الكبول الهاتفية المجدولة twisted pair، أو كبول الشبكات المحلية network twisted pairs cables، أو الكبول المحورية coaxial cables، أو الألياف البصرية optical fibers، ويعتمد المصمِّم في اختياره نوع الكبول السلكية المستخدمة تبعاً لعرض مجال إشارة المعلومات (أو النطاق الترددي الذي تغطيه إشارة المعلومات)، والمسافة بين نقطتي الاتصال.

أما الاتصال اللاسلكي فيعتمد على الاتصال الراديوي بين نقطتين radio transmission، إذ تُستعمل الموجات الراديوية لحمل المعلومات من نقطة إلى أخرى عبر الهواء أو الفراغ لاسلكياً.

يتأثر الاتصال الراديوي النقطي بعدة عوامل، أهمها: عوامل الجو، مثل درجة الرطوبة (أو بخار الماء) في طبقة التْروبوسفير troposphere (الطبقة السفلى من الغلاف الجوي)، أو بتأثير العوالق والشوارد في الطبقة العليا من التروبوسفير نتيجة تأثير أشعة الشمس. وكما في حالة الأشعة الضوئية تتأثر الإشارات الراديوية بالانعكاس reflection والانكسار refraction، والانتثار scattering، والامتصاص absorption، والاستقطاب polarization في طبقات الجو، وهذا ما يؤدي إلى تغيّرها وانتشارها على نحو يشابه الأشعة الضوئية. يبين الشكل (3) طرق انتشار الموجات الراديوية في الغلاف الجوي حيث يُلحظ الفرق بين الاتصال المباشر والاتصال عبر طبقات الجو (غير المباشر)، وتتعلق المسافة التي تقطعها الموجة الراديوية من نقطة إلى أخرى تبعاً لتردد الإشارة الراديوية المنتشرة (تردد الحامل)، ففي الترددات المنخفضة (أقل من 2MHz) تنتشر الإشارات الراديوية بمحاذاة سطح الأرض حيث تتبع ميلان الأرض، بسبب انحرافها في طبقات الجو (وتكون طبقات الجو عندئذٍ دليلاً للموجة الراديوية)، في حين تنعكس ترددات الإشارة الراديوية المحصورة بين 1 و 30 MHz بين الطبقة F1/ F2 في طبقة الإيونوسفير في الغلاف الجوي، وهذا ما يساعد على انتشار الإشارة إلى مسافات بعيدة جداً، وتعد الطبقة F - التي تسمى طبقة أبليتون Appleton - الطبقة الأكثف، وتقع على ارتفاع 200 - 500 km من سطح الأرض.

الشكل (3) أنواع الاتصال الراديوي

وعند إرسال إشارة ذات ترددات عالية تصبح الإشارة أكثر عرضة للامتصاص في طبقات الجو السفلى، إذ يصبح أي عائق بمنزلة جدار يمنع الإشارة من الانتشار.

الاتصال الليزري النقطي:

يعتمد الاتصال الليزري اللاسلكي النقطي على استخدام الشعاع الليزري لنقل المعلومات لاسلكياً بين نقطتين عبر الغلاف الجوي، حيث يعمل على نحو مماثل لاستخدام الألياف البصرية optical fiber، لكنه يختلف بإرسال الشعاع الليزري عبر الهواء مع وجود خط نظر (اتصال مباشر) بين المرسل والمستقبِل. تتيح هذه الطريقة للمستخدم إمكانية إنشاء قناة اتصال نقطي من دون الحصول على الموافقات المطلوبة لاستخدام المجال الترددي في بلد ما، والتخلص من مشكلات حفر الألياف البصرية وتمديدها بين نقطتي الاتصال.

يتألف نظام الاتصال الليزري النقطي من مرسِل ومستقبِل وقناة اتصال، كما هو مبيّن في الشكل (4). ويتألف المرسل من مولد ليزر تحت الأحمر IR Laser (للإشعاع غير المرئي)، أو مولد ليزر مرئي، ومعدِّل إشارة ليزرية، ومن عدسة لتركيز الشعاع الليزري وتوجيهه. ويتعلق البعد بين نقطتي الاتصال R باستطاعة الشعاع الليزري المستخدم. وتُحسب الاستطاعة المستقبلة Pr باستخدام العلاقة التالية:

الشكل (4) نظام اتصال ليزري نقطي

حيث Pt استطاعة الإشارة المرسلة، و T معامل الإرسال الضوئي، و m معامل الامتصاص في الغلاف الجوي، و Dr نصف قطر عدسة المنظار في المستقبِل. وتُختار قيمة الاستطاعة المرسلة بحيث تعطي قيمة مقبولة لنسبة الإشارة إلى الضجيج SNR عند طرف الاستقبال.

يُستخدم الاتصال الليزري النقطي في كثير من التطبيقات لنقل إشارة الصوت أو الفيديو، كما يُستخدم بكثرة لنقل إشارة المعلومات الرقمية بين نقطتين تقعان على مسافة تصل إلى km 2 أو أكثر. ولكنه يتأثر بالأحوال الجوية، وتغيرات درجات الحرارة وصفاء الهواء من العوالق والشوائب.

الشكل (5) الاتصال النقطي في الشبكات

الاتصال النقطي والاتصال عن طريق المبدّلات:

يبيّن الشكل (5) الاتصال النقطي لستة مشتركين (ست عقد)، كل عقدة هنا متصلة ببقية العقد الخمس لتحقيق اتصال نقطي بين جميع المشتركين. ويُلاحظ أن عدد الوصلات الكلي هو 15 وصلة. وبافتراض أن عدد العقد هو n عقدة، فإن هذه العقدة سوف تتصل ببقية العقد بـ n-1 وصلة. والعقدة التالية تحتاج بدورها إلى n-2 وصلة، ومن ثمّ تحتاج شبكة مؤلفة من n عقدة إلى L وصلة تعطى بالعلاقة:

تسمى الشبكة ذات الاتصال النقطي بين جميع نقاطها بالشبكة الكاملة الوصلات. ومن الملاحظ أن عدد الوصلات يزداد ازدياداً كبيراً مع زيادة عدد العقد. فمثلاً؛ إذا وصل عدد العقد إلى 1000 يصبح عدد الوصلات 499500 وصلة، وهذا يجعل تحقيق الشبكة عملياً أمراً صعباً. وللتخلص من هذه المشكلة يمكن استخدام المبدّلات switches أو المقاسم التي توفر الاتصال الفيزيائي بين نقطتين بحيث يجري الاتصال بين العقدة وبين المقسم أو المبدل فقط، ويقوم المبدل بتحقيق الاتصال النقطي بين عقدتين عن طريق الاتصال بمبدّل آخر أو بعقدة أخرى مباشرةً.

مراجع للاستزادة:

- E.F. Chaponniere, P. Black, J. M. Holtzman and D. Tse, Transmitter directed, multiple receiver system using path diversity to equitably maximize throughput, U.S. Patent No. 6449490, September 10, 2002.

- K.K. Sharma, Col. S. K. Razdan, Shammi Wadhwa, Rachna Deepanshu, R. K. Sharma, CO2 Laser Division, Laser Science and Technology Center, Defense R & D Organization Metcalfe House, Delhi 110054, India, 2009.

- P. Dayal and M. Varanasi, An optimal two transmit antenna space-time code and its stacked extensions, Proceedings of Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, CA, November 2003.