ثالثاً: استخدام حيز الطيف الكهرومغناطيسي في الاتصالات

حقق الإنسان طفرة هائلة، في مجال الاتصالات اللاسلكية، تمثلت في استخدام الحيز الكامل للطيف الكهرومغناطيسي، الذي تختلف خواصّ انتشاره؛ ومن ثم، تتغير أساليب الاستخدام، والاستفادة منه، طبقاً لحيز الترددات المستخدمة؛ إذ لكلّ حيز من حيزات الطيف الترددي خواص محددة، هي التي تحدد صلاحيته للاستخدام. وهناك تقسيمات للطيف الكهرومغناطيسي، أكثرها انتشاراً ذاك المرتبط بتقنيات الاتصال (انظر جدول تقسيم الترددات اللاسلكية، طبقاً لتقنيات استخدامها).

1. الترددات المتناهية الانخفاض Extra Low Frequencies E L F

يغطي حيز الترددات من 3 هرتزات حتى 300 هرتز، وهو حيز ترددي بالغ الأهمية بالنسبة إلى القوات البحرية للدول العظمى، التي تستخدم أسطولاً من الغواصات الإستراتيجية، التي تكلف مهامَّ في أعماق المياه الدولية، وبعيداً جداً عن مياهها الإقليمية. إذ إن هذا الحيز، هو الوحيد، الذي يمكن من خلاله تحقيق الاتصال بالغواصات، وهي غاطسة إلى، عمق يبلغ 100 قدم، ولذلك فهو الوسيلة الأهم لإرسال الرسائل إلى أسطول الغواصات الإستراتيجية.

إحدى أهم المصاعب المرتبطة باستخدام الموجات ELF للاتصالات، أنه يجب أن يكون الهوائي ذا حجم كبير جداً. ونظام الاتصال الأمريكي بالموجات المتناهية الانخفاض، الذي بدأ العمل الفعلي، في عام 1989، يستخدم هوائيَّين: أحدهما، في ولاية ويسكنسن Wisconsin؛ والآخر، في ولاية ميتشجان Michigan؛ وكل هوائي، يشبه، في ظاهره، خطوط نقل الكهرباء ذات الضغط العالي، المركبة على أعمدة خشبية. ويتكون الهوائي المركب في ولاية ويسكنسن من خطَّين متوازيَين، يبلغ طولِّ كل منهما 22.5 كم. ويتكون هوائي ولاية ميتشجان من ثلاثة خطوط، يبلغ طول اثنَين منها 22.5كم؛ أما الثالث، فيبلغ 45كم.

وترددات الحيز E L F، ذات قدرة ضعيفة على نقل المعدلات العالية من المعلومات؛ لذلك، لا يمكن استخدامها في نقل رسائل طويلة، بالمعنى المتعارف عليه؛ وإنما تُستخدم فقط في إرسال رسائل قصيرة، لا تزيد على حرف واحد أو حرفَين، بأسلوب تقطيع الموجة المستمرة Interrupted Continuous Wave I C W، التي تستخدم في رسائل للتحذير، أو لتنبيه قائد الغواصة لاتخاذ الخطوات اللازمة للطفو والتأمين. ويستكمل هذا الحيز بالحيز VF 300 هرتز إلى 3 ك هرتز، ويسمى Voice Frequency؛ وتعمل فيه محطات الإذاعة العسكرية Military Broadcast.

2. الترددات المنخفضة جداً Very Low Frequencies VLF

يحقق حيز الترددات، من 3 إلى 30 كيلوهيرتزاً، اتصالات يداني مداها 8 آلاف كم؛ وتخترق موجات الاتصال المناطق الزراعية الكثيفة، والمياه إلى أعماق لا تزيد على بضعة أقدام. ويستخدم هذا الحيز في الملاحة بصفة أساسية، وتحقيق الاتصال بالغواصات الموجودة عند عمق قليل؛ ويعمل في مصلحة Marine Mobile، ولكن بمعدل نقل بيانات أعلى من ذاك الذي يمكن تبادله من خلال الموجات ذات الترددات المنخفضة للغاية. ومعظم محطات الإرسال، التي تعمل في الحيز V L F ، تتمركز على الأرض، قريباً من السواحل، ولكن بعض مراكز القيادة الإستراتيجية، المحملة على طائرات، يدخل ضمن مكوناتها محطات إرسال تردد V L F، تستخدم هوائياً سلكياً طويلاً، يسحب خلف الطائرة؛ وجهاز إرسال، قدرته تراوح بين 100 و200 كيلوات.

3. الترددات المنخفضة Low Frequencies LF

 يحقق حيز الترددات، من 30 إلى 300 كيلوهرتز، مسافة اتصال، تراوح بين 1500 و 8 آلاف كم. وهو يستخدم مع سفن السطح بصفة خاصة، كما يستخدم لأغراض الملاحة. وهو حيز من الترددات، يمكنه النفاذ من خلال المناطق الزراعية الكثيفة؛ وإنما بكفاءة أقل من الترددات E L F ، وV L F. وتستخدم محطات الإرسال L F ، التي تقع في مناطق ساحلية، قدرات إرسال، تراوح بين 50 و100 كيلووات.

4. الترددات المتوسطة Medium Frequencies M F

يحقق حيز الترددات، من 300 إلى 3 آلاف كيلوهرتز، انتشاراً بواسطة موجات، تتبع الانحناءات الأرضية؛ وموجات مباشرة، وموجات سماوية Sky Waves. ويمكن أن تحقق مسافة اتصال تراوح بين 160 كم و1600كم، بواسطة الموجات السطحية Surface Waves؛ وبين 1600 كم و4800 كم، بواسطة الموجات السماوية. ومن أهم استخدامات الترددات المتوسطة، تحقيق الاتصالات، والملاحة اللاسلكية، والإذاعة، باستخدام الإشارات ذات تعديل السعة. حيز التردد من 550 إلى 1600 كيلوهرتز، مخصص لاستخدام محطات الإذاعة، التي تعمل بأسلوب تعديل السعة[1] Amplitude Modulation AM. وحيز الترددات المتوسطة، يسمح بمعدل نقل للمعلومات، يُقدَّر بنحو 100 كلمة، في الدقيقة الواحدة؛ ويمكن استخدامها، بأسلوب القنوات المتعددة، في نقل الصوت، والتلكس؛ كما يمكن استخدام أجهزة تأمين المحادثات.

5. الترددات العالية High Frequencies H F

تنتشر الترددات من 3 إلى 30 ميجاهرتز، بواسطة الموجات الأرضية أو الموجات السماوية. وتحقق أولاهما مسافة انتشار تراوح بين 5 و500 كم؛ أمّا الثانية، فتمكن من الاتصال بأي مكان في العالم، ارتباطاً بالظروف الجوية والتردد المستخدم، وعوامل أخرى، مثل: معدل كسب الهوائي، وقدرة أجهزة الإرسال، وحساسية أجهزة الاستقبال البعيدة. وكثيراً ما تستخدم الترددات العالية في الاتصالات بعيدة المدى، وفي الإذاعة، باستخدام الموجات القصيرة؛ إضافة إلى تخصيص جزء من هذا الحيز لاتصالات الهواة. وتتراوح قدرات محطات الإرسال في هذا الحيز من واتَيْن اثنَين و100 كيلوات، ارتباطاً بالهدف من الاستخدام. ويصلح هذا الحيز للتغلب على مشاكل عدم الرؤية المباشرة.

تستوعب الترددات العالية التراسل، باستخدام الصوت، والتلكس، وأجهزة سرية المحادثات. كما يمكن تركيب أجهزة الاتصال، التي تعمل في هذا الحيز، في العربات، والسفن والطائرات؛ ويمكن استخدامها من خلال محطات اتصال ثابتة، أو أجهزة اتصال، يحملها أشخاص.

6. الترددات العالية جداً Very High Frequencies VHF

 تنتشر إشارات حيز الترددات، من 30 إلى  300 ميجاهرتز، في خطوط مستقيمة؛ لذلك، لا تُستخدم إلا في تحقيق الاتصال بين نقطتَين، بينهما خط رؤية مباشرة. وعلى الرغم من أن خاصية خط الرؤية المباشر، تحد من استخدام الترددات العالية جداً، في المناطق التي توجد بها عوائق؛ إلا أنها وسيلة الاتصال الأكثر فاعلية في تحقيق الاتصال عبر مسافات، تتراوح بين 40 و80 كم، ارتباطاً بطبيعة الأرض، وارتفاع الهوائي عن سطح الأرض، و من دون استخدام أسلوب إعادة الإذاعة.

ويمكن، باختيار مواقع ملائمة، لمحطات إعادة الإذاعة، على مسار محدد، تحقيق اتصال بعيد المدى، باستخدام الترددات العالية جداً؛ وذلك من خلال إنشاء عدد من المحطات، يتحقق لكلّ منها خاصية خط الرؤية المباشرة للمحطة التالية. وتراوح قدرة محطات الإرسال، التي تعمل في هذا الحيز، بين 0.25 وات للأجهزة التي تُحمل في اليد، و120 واتا لمحطات ذات 12 أو 24 قناة اتصال.

تعمل أجهزة الاتصال، في هذا الحيز، محمولة بواسطة الأشخاص أو العربات والطائرات؛ ويمكن استخدامها، بسهولة، في تحقيق الاتصال أثناء الحركة. أمّا الأجهزة ذات القنوات المتعددة، فتستخدم عادة من على سطح السفن، أو تجهز داخل عربات نقل ثقيلة؛ وهي تحتاج إلى توجيه دقيق للهوائيات. ويستخدم هذا الحيز في أجهزة الرادار، وشبكات الاتصال للشرطة، التي تستخدم تعديل التردد Frequency Modulation FM؛ وفي معدات الملاحة اللاسلكية، والاتصالات متعددة القنوات ذات النطاق العريض، والإرسال التليفزيوني. يمكن لاتصالات هذا الحيز تبادل الرسائل الصوتية أو البيانات الرقمية، من خلال قناة واحدة، أو قنوات متعددة؛ ويراوح معدل نقل البيانات الرقمية بين 45.5 و 75 بت/ ثانية[2]، للمحطات المتحركة؛ وبين 1.2 و9.6 كيلو بت/ث، لكلّ قناة من قنوات الاتصال للمحطات الثابتة.

7. الترددات فوق العالية Ultra High Frequencies U H F

الحيز للترددات من 300 إلى 3000 ميجاهرتز، تنتشر موجاتها أساساً باستغلال إعادة الإذاعة من محطات موجودة على متن أقمار صناعية، ولتحقيق الاتصال من الأرض إلى الطائرات، أو العكس، وبين المواقع الأرضية، التي يربط بينها خط الرؤية المباشر. ومسافة الاتصال رهن بالأسلوب المستخدم، فالمسافة في حالة خط الرؤية المباشر، تراوح بين 25 و160 كم، طبقاً لطبيعة الأرض. أمّا الاتصال من الأرض إلى الطائرات، فيبلغ 500 كم. أمّا في حالة الاعتماد على الأقمار الصناعية، فيمكن تحقيق اتصال عبر آلاف الكيلومترات، طبقاً لارتفاع القمر، والقدرة المستخدمة، ونوعية الهوائيات. وتراوح قدرة محطات الإرسال المستخدمة في هذا الحيز بين 10 وألف وات لمحطات خط الرؤية المباشر، و10 آلاف وات للمحطات المستخدمة للأيونوسفير.

وتنتج أنظمة الاتصال في هذا الحيز، في معدات محمولة صغيرة، يسهل حملها في اليد، أو تجهيزها على عربات صغيرة أو في الطائرات. وهي تستخدم بكثرة لأغراض النجدة والإسعاف وشبكات الشرطة، والعديد من الاستخدامات العسكرية على المستويات المختلفة. هذا الحيز يلائم جميع أنواع الاتصالات، ويتحمل نقل بيانات رقمية، بمعدل يزيد على 2.4 كيلو بت/ ث، مع استخدام أجهزة سرية المحادثات، والشفرة، بتوسع. كما تصلح للاستخدامات المتحركة، والمواقع الثابتة. والاستخدام الرئيسي لحيز التردد U H F، هو الإرسال التليفزيوني، الذي ينتشر في جميع بلدان العالم؛ فضلا عن اتصالات الطائرات.

8. الترددات فائقة الارتفاع Super High Frequencies S H F

ويعُرف هذا الحيز باسم حيز الموجات المتناهية القصر Micro-Waves. وتستخدم الترددات من 3 إلى 30 جيجاهرتز، بصفة أساسية، في تحقيق الاتصالات التي تحتاج إلى نقل معدلات عالية من البيانات الرقمية، ومن خلال خط الرؤية المباشر، الذي يُستخدم في الاتصالات متعددة القنوات، أو الانعكاس من طبقات الجو العليا، أو باستخدام الأقمار الصناعية. وتراوح مسافة الاتصال، بين 60 كم، باستخدام الموجات الأرضية وخط الرؤية المباشر، ومسافة غير محدودة، عند استخدام الأقمار الصناعية، بأسلوب الموجات المباشرة. أمّا عند استخدام الانعكاس من طبقات الجو العليا، فتراوح مسافة الاتصال بين 160 كم و480 كم، طبقاً لعدد قنوات الاتصال المستخدمة؛ فكلّما ازداد عدد قنوات الاتصال الصوتي، انخفضت مسافة الاتصال. يسمح حيز الترددات فائقة الارتفاع، بتبادل إشارات ذات نطاق عريض، يمكنها استيعاب معدلات بيانات رقمية عالية، تبلغ حتى 250 كيلوبت/ ث، كما يمكنها نقل إشارات رقمية وتناظرية مختلطة.

9. الترددات المتناهية الارتفاع Extra High Frequencies E H F

يُعرف الحيز باسم الموجات الملّيمترية Millimeter Waves. ويمتد من 30 إلى 300 جيجاهرتز. وما زالت استخداماته، وخاصة تلك العسكرية، تتطور بسرعة كبيرة، وتتركز أعمال التطوير للاستخدام، في إنتاج أقمار صناعية، تعمل في مجال الاتصالات، باستخدام هذا الحيز؛ إضافة إلى ذلك، تستخدم رادارات الموجات الملّيمترية. هذا الحيز يتأثر انتشار موجات هذا الحيز، بالمياه العالقة في طبقات الجو المختلفة، بامتصاص الغازات، التي تكون الجو المحيط بالكرة الأرضية، لتلك الموجات. وثمة حيزات ترددية، يطلق عليها النوافذ Windows، يقلّ فيها تأثير هذه الظواهر؛ ويمكن عند العمل على تردداتها، تحقيق مسافات اتصال ملائمة. وتصلح ترددات هذا الحيز لنقل بيانات رقمية، يبلغ معدل تدفقها 100ميجابت/ث، باستخدام أجهزة سرية المحادثات؛ وتعمل في صورة قنوات مفردة، أو متعددة. تتميز الاتصالات في هذا الحيز بقدرة فائقة على مقاومة أعمال التداخل الإلكتروني المعادي، ودرجة وقاية ملائمة من النبضة الكهرومغناطيسية، التي تنشأ إثر الانفجار النووي.

10. الترددات الضوئية Optical Frequencies

ظهر أول عنصر منها، عام 1950، متمثلاً في كُبُول الألياف الضوئية، وطورتها المملكة المتحدة عام 1970. ووصلت إلى أفضل صناعة لها عام 1972. ويمكن إرسال 900 ألف قناة ضوئية رقمية من خلالها. وتُعَدّ هي الحل الأمثل والأكثر تطوراً للمواصلات السلكية، بل الحل الحقيقي لمشكلة نقل معدلات عالية جداً من البيانات، والذي يتحقق من خلال استخدام هذا النوع من الترددات. ولم يصبح ذلك ممكناً، إلا بعد اكتشاف خواصّ الألياف الضوئية Fiber Optics؛ فلسنوات عديدة، ثبت أن الموجات الضوئية، تصلح للاستخدامات، التي تحتاج إلى حيز إمرار عريض جداً Very Wide Bandwidth، وهو الشرط الملائم لنقل معدلات عالية من البيانات الرقمية. ويقع تردد الموجات الضوئية بين الترددات ¹³10هرتز و ¹⁶10 هرتز. والمشكلة الأساسية في هذا الحيز، أن تلك الموجات تعاني عوائق عديدة خلال انتشارها في الجو المحيط، تجعلها لا تصلح للاتصال، إلا عبر مسافات، لا تزيد على أمتار قليلة. وبعد اكتشاف الأدلة الموجية Wave Guides، المصنوعة من الألياف الضوئية، اكتُشفت إمكانياتها الضخمة في نقل الموجات الضوئية.

وتتميز قنوات الألياف الضوئية بسعة نطاقها الترددي، الذي يتجاوز بمئات المرات النطاق الترددي للكُبُول المحورية. وقد حدث تقدم كبير في تصنيع كُبُول الألياف الضوئية، وأصبحت نسبة الفقد في قوة الإشارة قليلة جداً؛ ما ساعد على استخدامها في الاتصالات عبر المحيط الأطلسي والمحيط الهادي،؛ إضافة إلى قدرتها على استيعاب حركة اتصالات كبيرة من المكالمات الهاتفية، وأعداد لا حصر لها من البرامج التليفزيونية وغيرها؛ إذ إن التداخل بين الإشارات فيها يقل كثيراً عنه في الكُبُول المحورية. والإشارة المرسلة خلال هذه القنوات، تكون في صورة شعاع ضوئي، مصدره صمام ضوئي مشع، أو شعاع ليزر، تتغير شدته، طبقاً للرسالة المراد نقلها؛ وفي جهاز الاستقبال، تُكشف شدة الضوء، بواسطة صمام ضوئي ثنائي كاشف Photodiode. ومن المتوقع أن تحل شبكات الألياف الضوئية محل جميع الشبكات السلكية النحاسية. وستستخدم في شبكات الإنترنت، بدلاً من الاتصالات اللاسلكية المتعددة المشاكل؛ ولتحقيق استقرار أكبر في تداول البيانات.

إضافة إلى حيز الإمرار العريض جداً، الذي توفره الألياف الضوئية، فإن الاتصالات، باستخدامها، توفر العديد من المميزات، من أهمها، صغر الحجم، وخفة الوزن، والمرونة؛ فتلك الألياف ذات قطر صغير جداً، يصل قطر كلّ 10 شعيرات منها إلى 1مم. ويمكن تجميع عدد ضخم جداً من تلك الألياف في كبل لا يزيد قطره على قطر الكبل المحوري التقليدي، حيث تجمع الشعيرات في كُبُول، بطول 3-7 كم، وسعة 4-144 شعيرة في الكبل الواحد. ويبلغ قطر الكبل 20 مم، يُدعم بالصلب والصفائح المعدنية؛ والألياف الضوئية ـ أو الألياف الزجاجية، وهو الاسم المرادف، تُعَدّ محصنة تماماً ضد المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية، وبذلك لا تتأثر بتتeمن أيّ تداخلات خارجية؛ إضافة إلى تحقيق الأمن والسرية، حيث يصعب التنصت على الإشارات المنتشرة خلالها. وهذه الخاصية ذات أهمية في الاستخدامات العسكرية.

العيب الرئيسي للألياف الضوئية، هو الصعوبات المرتبطة بتنفيذ الدوائر التي تستخدمها؛ إذ يلزم استخدام مكونات ذات مواصفات خاصة، تتحمل نقل معدلات البيانات العالية. كما أن سرعة أداء هذه المكونات، هي المحدد الأول، والوحيد، الذي يحكم خواصّ تلك الدوائر. إضافة إلى ذلك، ثمة صعوبة في ربط المكونات مع الألياف الضوئية، إلى جانب النفقة المرتفعة للمكونات الملائمة لاستخدام الألياف الضوئية في الاتصالات.

ولانتشار الموجات خلال الألياف الضوئية، خصائص محددة، فالشعاع الذي تقلّ زاوية سقوطه على مدخل الليفة الضوئية عن زاوية الاستقبال، ينتشر بسهولة داخل مادة القلب؛ أمّا الذي يسقط بزاوية أكبر من زاوية الاستقبال، فيتشتت تشتتاً شديداً خلال مادة الغلاف. ويتأثر مسار الشعاع داخل الليفة الضوئية بتردد الموجة الساقطة، وهو ما يطلق عليه أنماط الانتشار المختلفة Transmission Modes . ويطلق على الليفة الضوئية، التي تتميز بمسار واحد فقط لكلّ تردد، ليفة ضوئية أحادية النمط Mono-mode fiber ؛ أمّا تلك التي تحتمل أكثر من مسار لتردد معين، فيطلق عليها ليفة متعددة الأنماط Multi - mode fiber.

تتعرض الأشعة، التي تنتشر خلال الألياف الضوئية، لامتصاص مادة القلب لها. وهذا الامتصاص يقلّ مع ازدياد التردد؛ إلا أن تشتت الضوء، نتيجة للعيوب الداخلية للزجاج، وهو ما يطلق عليه تشتت ريلاي Rayleigh Scattering، يزيد مع ازدياد التردد.

وثمة ثلاثة أنواع مختلفة من الألياف: الألياف الضوئية ذات معامل الانكسار ذي التغير الحاد Stepped-index Fiber. وفي هذا النوع، يكون معامل انكسار مادة القلب، ومعامل مادة الغلاف ثابتَيْن؛ وهو يستخدم في الاتصالات متعددة الترددات، ويحدث تشوه ملحوظ للإشارات المنتشرة من خلاله. والنوع الثاني هو الألياف الضوئية ذات معامل الانكسار ذي التغير المتدرج Graded- Index – Fiber، ويقلّ معامل الانكسار كلما ازداد البعد عن مركز الليفة الضوئية، ويحدث تشوه متوسط للإشارة المنتشرة خلاله.

النوع الثالث من الألياف الضوئية، هو الألياف وحيدة النمط Mono-Mode Fiber، التي لا تسمح بمرور سوى شعاع واحد فقط. ويتميز هذا النوع بأن قطر مادة القلب فيه يقلّ كثيراً عن النوعَين السابقَين. كما أن له معامل انكسار ثابتاً، ويستخدم في الاتصالات ذات التردد الواحد؛ وهو أقلّ الأنواع الثلاثة، من حيث تشوه الإشارات المنتشرة خلاله. ونفقة إنتاج النوع الأول، هي الأقل؛ وتزيد في النوع الثاني؛ والنوع الثالث أكثرها نفقة. كما أن درجة تعقيد المعدات التكميلية لشبكة الاتصال، باستخدام الألياف الضوئية، تزداد كذلك في الاتجاه نفسه؛ والمتوقع، مع التقدم: العلمي والفني، أن تنخفض نفقة الألياف الضوئية أحادية النظام؛ إذ إنها هي أصلح الأنواع لتحقيق الاتصالات السريعة، ذات المعدلات العالية لنقل البيانات، ولمسافات اتصال بعيدة.