الاتصالات المتنقلة - Cellular Communications

تستخدم تقنية الهاتف المحمول أو الاتصالات المتنقلة على نطاق واسع منذ أوائل الثمانينيات، ومنذ تقديمه لأول مرة ازداد استخدامه بسرعة كبيرة لدرجة أنّ نسبة كبيرة من سكان العالم يمكنهم الوصول إلى التكنولوجيا، كما كانت صناعة الاتصالات المتنقلة محركاً رئيسياً في نمو صناعات الراديو والإلكترونيات.

ما هي الاتصالات المتنقلة – Cellular Communications؟

الاتصالات المتنقلة (Cellular Communications): هي شكل من أشكال تكنولوجيا الاتصالات التي تتيح استخدام الهواتف المحمولة، أمّا الهاتف المحمول هو راديو ثنائي الاتجاه يتيح الإرسال والاستقبال في وقت واحد، كما يعتمد الاتصال الخلوي على التقسيم الجغرافي لمنطقة تغطية الاتصالات إلى خلايا وداخل الخلايا، بحيث يتم تخصيص عدد معين من الترددات أو القنوات لكل خلية تسمح لعدد كبير من المشتركين بإجراء محادثات في وقت واحد.

تطوير الاتصالات المتنقلة:

على الرغم من أنّ المفاهيم الأساسية لتكنولوجيا الاتصالات المتنقلة قد تم اقتراحها في الأربعينيات من القرن الماضي، إلّا أنّه لم يتم نشر التكنولوجيا والأنظمة الراديوية حتى منتصف الثمانينيات للسماح بتوافرها على نطاق واسع، وكثُر استخدام أنظمة الاتصالات المتنقلة بسرعة، ومثال على نمو أنظمة الاتصالات المتنقلة حدث في عام 2004م عندما أعلنت (GSMA) في المؤتمر العالمي للجوال أنّ هناك أكثر من مليار مشترك في الهاتف المحمول (GSM) استغرق الأمر 12 عاماً منذ إطلاق الشبكة الأولى.

ثم بحلول عام 2015م، كان أكثر من (7 مليارات) اشتراك في الهاتف المحمول لجميع التقنيات نشطة، كما يُعد هذا إنجازاً كبيراً عندما يتم إدراك أنّ عدد سكان العالم كان يزيد قليلاً عن 7 مليارات، ممّا يعني أنّ العديد من الأشخاص لديهم أكثر من اشتراك واحد على الرغم من أنّ اختراق السوق كان واضحاً للغاية.

أجيال الاتصالات المتنقلة:

كان لكل جيل من جيل الهواتف المحمولة أهدافه الخاصة وكان قادراً على توفير مستويات مختلفة من الوظائف، وقد يكون هناك العديد من المعايير المتنافسة المختلفة داخل الأجيال المختلفة وبالنسبة للاتصالات الخلوية من الجيل الثالث كان هناك معياران رئيسيان، ولكن بالنسبة إلى الجيل الرابع كان هناك معيار واحد فقط حيث كان هناك إجماع عالمي على النظام الذي يجب استخدامه وهذا ما سهل التجوال العالمي.

مفاهيم الاتصالات المتنقلة الرئيسية:

تعتمد تقنية الاتصالات المتنقلة على مفهوم استخدام عدد كبير من المحطات القاعدية التي تغطي كل منها منطقة أو خلية صغيرة، ومع اتصال كل محطة أساسية بعدد معقول من المستخدمين فهذا يعني أنّ النظام بأكمله يمكنه استيعاب عدد كبير من الاتصالات، ومستويات استخدام التردد جيدة.

1. الهاتف المحمول أو معدات المستخدم – Mobile handset or user equipment:

معدات المستخدم أو الهاتف المحمول هو عنصر من عناصر نظام الاتصالات المتنقلة الذي يراه المستخدم، كما يتصل بالشبكة ويمكّن المستخدم من الوصول إلى خدمات الصوت والبيانات، بحيث يمكن أن تكون معدات المستخدم (dongle) تُستخدم للوصول إلى البيانات الموجودة على جهاز كمبيوتر محمول أو يمكن أن تكون مودماً على شكل آخر من الأجهزة.

كما بدأ استخدام الاتصالات المتنقلة لإنترنت الأشياء وتطبيقات إنترنت الأشياء، ونتيجةً لذلك يمكن توصيله بعداد ذكي لإرسال قراءات العداد تلقائياً أو يمكن استخدامه لأي واحد من مجموعة تطبيقات أخرى.

2. شبكة الوصول إلى الراديو – Radio access network RAN:

تقع شبكة الوصول اللاسلكي في محيط نظام الاتصالات المتنقلة، كما يوفر رابطاً إلى معدات المستخدم من الشبكة الخلوية، وهي تتألف من عدد من العناصر وتشمل على نطاق واسع المحطة الأساسية ووحدة التحكم في المحطة الأساسية، ومع تقدم تكنولوجيا الاتصالات المتنقلة تتغير المصطلحات المستخدمة وما تحتويه بالضبط، لكن وظيفتها الأساسية تبقى كما هي.

3. الشبكة الأساسية – Core network:

الشبكة الأساسية: هي محور نظام الاتصالات المتنقلة، حيث يدير النظام العام بالإضافة إلى تخزين بيانات المستخدم وإدارة التحكم في الوصول والارتباطات بالعالم الخارجي.

نظام الخلية لإعادة استخدام التردد:

الطريقة المستخدمة هي تمكين إعادة استخدام الترددات، ولن يكون لأي جهاز إرسال لاسلكي سوى منطقة تغطية معينة، وبعد ذلك ينخفض ​​مستوى الإشارة إلى مستوى محدود لا يمكن استخدامه تحته ولن يتسبب في تداخل كبير مع المستخدمين المرتبطين بجهاز إرسال لاسلكي مختلف، وهذا يعني أنّه من الممكن إعادة استخدام قناة مرة واحدة خارج نطاق جهاز الإرسال اللاسلكي.

ينطبق الشيء نفسه أيضاً في الاتجاه العكسي لجهاز الاستقبال، حيث سيكون قادراً فقط على استقبال الإشارات عبر نطاق معين، وبهذه الطريقة يمكن ترتيب تقسيم منطقة إلى عدة مناطق أصغر كل منها مغطاة بمحطة إرسال أو مستقبل مختلفة.

تُعد هذه المناطق بشكل ملائم بالخلايا، وتنتج اسم تقنية “خلوية” مستخدمة اليوم، وغالباً ما يتم عرض هذه الخلايا بشكل تخطيطي كأشكال سداسية تتلاءم معاً بشكل ملائم، كما أنّه من الصعب جداً تحديد الحافة الدقيقة للخلية، وتنخفض قوة الإشارة تدريجياً وينخفض ​​أداء الخلية نحو حافة الأداء، ولأنّ الهواتف المحمولة نفسها سيكون لها مستويات مختلفة من الحساسية؛ فإن هذا يضيف مزيداً من اللون الرمادي لحافة الخلية، لذلك ليس من الممكن أبداً وجود فاصل حاد بين الخلايا وفي بعض المناطق قد تتداخل بينما في مناطق أخرى سيكون هناك ثقب في التغطية.

مجموعات الخلايا في نظام الاتصالات المتنقلة:

عند تصميم تقنية البنية التحتية لنظام خلوي، يتم تقليل التداخل بين القنوات المجاورة عن طريق تخصيص نطاقات تردد أو قنوات مختلفة للخلايا المجاورة، بحيث يمكن أن تتداخل تغطيتها قليلاً دون التسبب في تداخل، وبهذه الطريقة يمكن تجميع الخلايا معاً في ما يسمى الكتلة.

غالباً ما تحتوي هذه المجموعات على سبع خلايا، لكن التكوينات الأخرى ممكنة أيضاً، أمّا الرقم سبعة هو رقم مناسب ولكن هناك عدداً من المتطلبات المتضاربة التي يجب موازنتها عند اختيار عدد الخلايا في الكتلة لنظام خلوي:

• الحد من مستويات التداخل.

• عدد القنوات التي يمكن تخصيصها لكل موقع خلية.

من الضروري التقليل والتخلص من التداخل بين الخلايا التي لها نفس التردد، كما إنّ طوبولوجيا تكوين الخلية لها تأثير كبير على هذا، وكلما زاد عدد الخلايا في الكتلة زادت المسافة بين الخلايا التي تشترك في نفس الترددات، كما قد يكون من الجيد اختيار عدد كبير من الخلايا في كل مجموعة، ولا يوجد سوى عدد محدود من القنوات المتاحة، ممّا يعني أنّه كلما زاد عدد الخلايا في الكتلة قل العدد المتاح لكل خلية، وهذا يقلل من السعة، وممّا يعني أنّ هناك توازناً يجب تحقيقه بين عدد الخلايا في الكتلة ومستويات التداخل والسعة المطلوبة.

حجم الخلية في نظام الاتصالات المتنقلة:

يمكن أن يساعد عدد الخلايا في الكتلة في النظام الخلوي في التحكم في عدد المستخدمين الذين يمكن استيعابهم، ومن خلال جعل جميع الخلايا أصغر فمن الممكن زيادة السعة الإجمالية للنظام الخلوي، ومع ذلك يلزم وجود عدد أكبر من مستقبلات المرسل أو المحطات القاعدية إذا تم تصغير الخلايا وهذا يزيد التكلفة على المشغل.

• خلايا الماكرو (Macro cells): هي خلايا كبيرة تُستخدم عادةً للمناطق النائية أو قليلة السكان، كما قد يكون قطرها (10 كيلومترات) أو ربما أكثر في القطر.

• خلايا الميكرو (Micro cells): هي الخلايا التي توجد عادةً في المناطق المكتظة بالسكان، والتي قد يبلغ قطرها حوالي كيلومتر واحد.

• خلايا بيكو (Pico cells): تُستخدم الخلايا البيكو عموماً لتغطية مناطق صغيرة جداً، مثل مناطق معينة من المباني أو ربما الأنفاق حيث لا يمكن التغطية من خلية أكبر في النظام الخلوي، أمّا بالنسبة للخلايا الصغيرة فأنّ مستويات الطاقة المستخدمة من قبل المحطات القاعدية أقل بكثير والهوائيات ليست في وضع يسمح لها بتغطية مناطق واسعة، وبهذه الطريقة يتم تقليل التغطية وتقليل التداخل مع الخلايا المجاورة.

• الخلايا الانتقائية (Selective cells): في بعض الأحيان يمكن استخدام الخلايا المسماة بالخلايا الانتقائية حيث لا تكون التغطية الكاملة بزاوية (360 درجة) مطلوبة، كما يمكن استخدامها لملء فجوة في التغطية في النظام الخلوي أو لمعالجة مشكلة، مثل مدخل النفق.

• خلايا المظلة (Umbrella cells): وهي نوع آخر من الخلايا يُستخدم أحياناً في حالات، مثل تلك التي يعبر فيها طريق شديد الاستخدام منطقة توجد بها خلايا صغيرة، أمّا في ظل الظروف العادية قد يؤدي هذا إلى عدد كبير من عمليات التسليم، حيث أنّ الأشخاص الذين يقودون على طول الطريق سيعبرون بسرعة الخلايا الصغيرة.

تقوم الخلية الشاملة على تغطية الخلايا الدقيقة، لكن تستخدم قنوات مختلفة لتلك المخصصة للخلايا الدقيقة، ومع ذلك فإنّه يمكن هؤلاء الأشخاص الذين يتحركون على طول الطريق من التعامل معهم بواسطة خلية مظلة، وتجربة عمليات تسليم أقل ممّا لو اضطروا إلى الانتقال من خلية صغيرة إلى أخرى.