اقرأ في هذا المقال
- ما هي قدرة القناة
- أساسيات قدرة القناة
- أنواع قنوات الاتصال
- كيفية حساب قدرة القناة
- الحد الأقصى لمعدل البيانات وقدرة القناة للقنوات الصامتة والصاخبة
- نظريات حساب قدرة القناة
- تطور قدرة القناة
تُعد قدرة القناة هي الحد الأقصى لمعدل المعلومات الذي يمكن أن ترسله القناة، كما يتم قياسه بالبت في الثانية، وتعد قدرة القناة قيمة تقريبية لأنّ القياس يأخذ في الاعتبار فقط كمية البيانات المنقولة بالكامل، ولكنّه يترك جودة اتصال الحساب خارج الحساب.
ما هي قدرة القناة
قدرة القناة: هي الحد الأقصى لكمية الحركة أو الإشارة التي قد تمر عبر قناة بنية أساسية معينة هي سعة القناة، كما يمكن استخدامه لتقييم قدرة القناة أو القناة في علوم الكمبيوتر والهندسة الكهربائية وغيرها من المجالات.
أساسيات قدرة القناة
يمكن اعتبار عرض النطاق الترددي بمثابة مجموعة فرعية من مصطلح قدرة القناة، وعند قياس النطاق الترددي يؤخذ في الاعتبار الحد الأقصى لحجم المعلومات التي يمكن نقلها بدقة لكل وحدة زمنية، وعلى سبيل المثال قد تكون سعة القناة عالية جداً ولكن جودة الإشارة المنخفضة تجعل النطاق الترددي منخفضًا أيضًا.
جعلت المزايا الواضحة لتحليل تحليل القناة هذه الكلمة مصطلحاً مألوفاً في عالم تكنولوجيا المعلومات كما قد يتم تكليف المهندسين بتحديد مقدار البيانات، والتي يمكن أن تتدفق عبر شبكة ألياف بصرية معينة أو مقدار البيانات التي يمكن أن تمر عبر شبكة “WAN” مع مكونات سلكية ولاسلكية، كما قد تختلف صعوبة تحديد سعة القناة ومستوى الدقة المطلوب وفقاً لمتطلبات النظام.
قد يركز المهندسون على قسم معين من الشبكة يعتبر “عنق الزجاجة” أو تقدير سعة القناة القياسية لأسباب أوسع، كما يمكن للمهندسين وغيرهم استخدام أدوات مثل نظرية “شانون-هارتلي” لتحديد حجم القناة، حيث توجد عوامل التخفيف وفي هذه الحالة يكون حجم القناة العليا بعد حساب مستوى معين من إشارة الصوت.
- “WAN” هي اختصار ل “wide area network”.
أنواع قنوات الاتصال
أولاً: قناة بسيطة
يمكن إرسال الإشارات بطريقة واحدة فقط باستخدام اتصال اتصال بسيط، ونتيجة لذلك يمكن استخدام عرض النطاق الترددي الكامل للقناة أثناء الإرسال.
ثانياً: قناة أحادية الاتجاه
يمكن لقناة اتصال أحادية الاتجاه إرسال إشارات في كلا الاتجاهين في وقت واحد ولكن في اتجاه واحد فقط، كما يمكن اعتبارها قناة اتصال بسيطة ذات اتجاه إرسال قابل للتحويل.
ثالثاً: قناة ثنائية الاتجاه
يمكن لوصلة اتصال ثنائية الاتجاه إرسال إشارات في كلا الاتجاهين في نفس الوقت، كما تم تحسين كفاءة الاتصال بشكل كبير باستخدام قنوات اتصال ثنائية الاتجاه.
كيفية حساب قدرة القناة
تزداد قدرة وسيط الإرسال مع زيادة طوله، حيث يعتمد أيضاً على منطقة المقطع العرضي للوسيط، وإذا كان عرض النطاق الترددي “1 بت في الثانية” فقد يستغرق الأمر “1 بت كل ثانية”، كما ستتقدم كل ثانية بحيث يمكن للبت التالي أن يأخذ المنطقة ونتيجةً لذلك فإنّ تأخير الانتشار هو المرة الأخيرة التي يشغل فيها كل البتات، وهناك عاملين يحددان سعة القناة هما:
- عرض النطاق.
- تأخير في التكاثر.
وفي حالة الإرسال أحادي الاتجاه تكون سعة الشبكة مساوية لعرض النطاق مضروباً في تأخير الانتشار، أمّا في حالة الإرسال المزدوج الكامل تكون السعة ضعف مضاعفة عرض النطاق وتأخر الانتشار.
الحد الأقصى لمعدل البيانات وقدرة القناة للقنوات الصامتة والصاخبة
يتحكم معدل البيانات في سرعة نقل البيانات، وأحد الاعتبارات المهمة للغاية في اتصال البيانات هو مدى السرعة التي يمكن بها إرسال البيانات، أي بالبت في الثانية عبر قناة، حيث يعتمد معدل البيانات على 3 عوامل:
- النطاق الترددي المتاح.
- عدد المستويات في الإشارة الرقمية.
- جودة القناة أي مستوى الضوضاء.
نظريات حساب قدرة القناة
كما تم تطوير صيغتين نظريتين لحساب معدل البيانات وهي واحدة بواسطة “Nyquist” لقناة بلا ضوضاء والأخرى بواسطة “Shannon” لقناة صاخبة.
أولاً: قناة بلا ضوضاء أي معدل بت نيكويست
بالنسبة للقناة الخالية من الضوضاء تحدد صيغة معدل بت “Nyquist” الحد الأقصى لمعدل البت النظري:
BitRate = 2 * Bandwidth * log2(L)
وفي المعادلة أعلاه يكون عرض النطاق الترددي هو عرض النطاق الترددي للقناة، و”L” هو عدد مستويات الإشارة المستخدمة لتمثيل البيانات ومعدل البت هو معدل البت بالبتات في الثانية، وعرض النطاق الترددي هو كمية ثابتة، لذلك لا يمكن تغييرها، وبالتالي فإنّ معدل البيانات يتناسب طردياً مع عدد مستويات الإشارة.
ملاحظة:قد تؤدي زيادة مستويات الإشارة إلى تقليل موثوقية النظام.
ثانياً: قناة صاخبة أي قدرة شانون
في الواقع لا يمكن أن يكون لدينا قناة صامتة والقناة دائماً صاخبة وقدرة شانون المستخدمة لتحديد أعلى معدل بيانات نظرياً لقناة صاخبة:
السعة = عرض النطاق الترددي * log2 (1 + SNR)
وفي المعادلة أعلاه يكون عرض النطاق الترددي هو عرض النطاق الترددي للقناة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء “SNR”، وهي نسبة الإشارة إلى الضوضاء والسعة هي سعة القناة بالبتات في الثانية، وعرض النطاق الترددي هو كمية ثابتة لذلك لا يمكن تغييرها، ومن ثم فإنّ سعة القناة تتناسب طردياً مع قوة الإشارة، مثل “SNR = (قوة الإشارة) / (قوة الضوضاء)”.
وعادة ما يتم التعبير عن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S / N) بالديسيبل (ديسيبل) المعطاة بالصيغة:
10 * log10(S/N)
كما تستخدم القنوات السرية في النقل السري للمعلومات، كما يحمي التشفير الاتصالات فقط من فك تشفيرها من قبل أطراف غير مصرح لها، في حين تهدف القنوات السرية إلى إخفاء وجود الاتصال ذاته، وفي البداية تم تحديد القنوات السرية على أنّها تهديد أمني للأنظمة المتجانسة أي الحواسيب المركزية، وفي الآونة الأخيرة تحول التركيز نحو القنوات السرية في بروتوكولات شبكة الكمبيوتر.
يبدو الكم الهائل من البيانات والعدد الهائل من البروتوكولات المختلفة في الإنترنت مثالياً كوسيلة ذات نطاق ترددي عالٍ للاتصال السري، كما يتم استخدام طريقة مسح للتقنيات الحالية لإنشاء قنوات سرية في بروتوكولات الشبكات والتطبيقات المنتشرة على نطاق واسع، حيث تتوفر طرق شائعة لاكتشافها وإزالتها وتحديد السعة المطلوبة لتحسين الأمان في شبكات الكمبيوتر المستقبلية.
تطور قدرة القناة
في وقت مبكر من عام 1924م، أدرك هنري نيكويست مهندس “AT&T” أنّه حتى القناة المثالية لها قدرة نقل محدودة، واشتق معادلة تعبر عن الحد الأقصى لمعدل البيانات لقناة ذات عرض نطاق محدود بلا ضوضاء، وفي عام 1948م حمل كلود شانون أعمال نيكويست إلى أبعد من ذلك وامتد إلى حالة القناة الخاضعة للضوضاء العشوائية أي الديناميكية الحرارية أي شانون عام 1948م.
سعة القناة أو الحد الأقصى لمعدل البيانات -أي قصى معدل بت في الثانية يمكن من خلاله إرسال البيانات عبر ارتباط أو قناة اتصال معينة، كما يتم نقل المعلومات عن طريق تغيير قيم الإشارة في الوقت المناسب، ونظراً لأنّ تردد الإشارة هو مقياس مباشر لمعدل التغيير في قيم الإشارة فكلما زاد تردد الإشارة زاد معدل البيانات القابل للتحقيق أو معدل نقل المعلومات.
يمكن توضيح ذلك من خلال أخذ مثال كل من الإشارات التماثلية والرقمية، وإذا تم أخذ تقنيات ترميز خط النقل التناظري مثل “Binary ASK” أو “Binary FSK” أو “Binary PSK” فسيتم نقل المعلومات عن طريق تغيير خاصية الموجة الحاملة عالية التردد، وإذا تم زيادة تردد الموجة الحاملة هذه إلى قيمة أعلى فسيؤدي ذلك إلى تقليل الفترة الزمنية للبتات “T (= 1 / f” ، مما يمكن من نقل المزيد من البتات في الثانية.
- “FSK” هي اختصار ل “Frequency Shift Keying”.
- “ASK” هي اختصار ل “Amplitude Shift Keying”.
- “PSK” هي اختصار ل “Phase Shift Keying”.
