علل النقل

من ويكي الهندسة المعلوماتية
اذهب إلى: تصفح، ابحث

مسببات علل النقل

تعود أسباب علل النقل إلى وسيط النقل غير المثالي. وهذا يعني أن الإشارة عند بداية وسيط النقل ليست مطابقة لتلك التي عن نهايته.

أي : ما استقبل مختلف عما قد أرسل.

أسباب علل النقل الثلاث هي: التخامد Attenuation، التشويه Distortion، الضجيج Noise.

التخامد Attenuation

ويعني ضياعاً في الطاقة. عندما تنتقل الإشارة (بسيطة كانت أم مركبة) عبر وسيط، فإنها تخسر بعضاً من طاقتها للتغلب على مقاومة الوسيط. هذا ما يجعل السلك الناقل لإشارة كهربائية حاراً بعد مرور بعض الوقت، فبعض من الطاقة الكهربائية في الإشارة يتحول إلى حرارة.

للتعويض عن هذا الضياع، تستخدم المكبرات لتقوية الإشارة، يظهر الشكل التالي تأثير التخامد والتكبير.


الديسبل Decibel

لإظهار أن الإشارة قد خسرت أو اكتسبت طاقة، يستخدم المهندسون واحدة الديسبل dB، وهي تقيس القوة النسبية لإشارتين أو إشارة واحدة عند نقطتين مختلفتين.

لاحظ أن قيمة الديسبل سالبة إذا تخامدت الإشارة، وموجبة إذا كبرت.

dB=10 log_10⁡〖P_2/P_1 〗

حيث هي طاقة الإشارة عند النقطة 1، و هي طاقة الإشارة عند النقطة 2.

إذا عرّفنا الديسبل بالنسبة للجهد (الفولت):

dB=20 log_10⁡〖V_2/V_1 〗

مثال: بفرض أن إشارة تنتقل عبر وسيط، وتنخفض طاقتها إلى النصف، هذا يعني أن ، في هذه الحالة، يحسب التخامد (ضياع الطاقة) كالتالي:

10 log_10⁡〖P_2/P_1 〗=10 log_10⁡〖(0.5P_1)/P1〗=10 log_10⁡0.5=10(-0.3)=-3dB

قيمة الخسارة 3dB أي (-3dB) مساوية لخسارة نصف الطاقة.

بفرض أن إشارة تمر عبر مكبر وتزداد طاقتها عشر مرات. هذا يعني أن . في هذه الحالة يحسب التكبير (اكتساب الطاقة) كالتالي:

10 log_10⁡〖P_2/P_1 〗=10 log_10⁡〖(10P_1)/P_1 〗=10 log_10⁡10=10dB

أحد أسباب استخدام المهندسين للديسبل كمقياس للتغيرات التي تطرأ على قوة الإشارة، هو أن أرقام الديسبل يمكن أن تجمع (أو تطرح) عندما نقيس عدة نقاط (متتابعة) بدلاً من نقطتين فقط.

في الشكل التالي، تنتقل إشارة من النقطة 1 إلى النقطة 4. في هذه الحالة يمكن حساب قيمة الديسبل كما يلي:

dB=-3+7-3=+1


مثال: أحياناً يستخدم الديسبل لقياس قوة الإشارة بالميلي واط. في هذه الحالة، يشار إليه بـ dB_m ويحسب كالتالي:

dB_m=10 log_10⁡〖P_m 〗

حيث هي الطاقة بالميلي واط.

مثال : احسب طاقة الإشارة التي تملك الديسبل:

الحل:

dB_m=10 log_10⁡〖P_m 〗=-30⇒log_10⁡〖P_m 〗=-3⇒P_m=〖10〗^(-3) mW

مثال: يعرف الضياع في كابل عادة بـ: ديسبل لكل كيلومتر (dB/km)، إذا كانت قيمة هذا الضياع -0.3dB/km وكانت طاقة الإشارة في أول الكابل 2mW ما هي طاقتها عند 5km؟

الحل: الضياع في الكابل هو: 5×(-0.3)=-1.5dB، يمكننا حساب الطاقة كالتالي:

dB=10 log_10⁡〖P_2/P_1 〗=-1.5⇒P_2/P_1 =〖10〗^(-0.15)=0.71⇒P_2=0.71P_1=0.7×2=1.4mW


التشويه Distortion

يعني تغيير شكل الإشارة. يحدث التشويه في إشارة مركبة مكونة من عدة ترددات.

كل مكون من مكونات الإشارة له سرعة انتشار مختلفة عن الآخر عبر وسيط النقل، وهذا يعني أن له تأخيراً مختلفاً بالوصول إلى الهدف الأخير.

يمكن أن يسبب اختلاف التأخير اختلافاً في الطور إذا لم يكن مطابقاً لمدة الدور.

بعبارة أخرى، سيكون لمكونات الإشارة عند المستقبل أطوار مختلفة عما كانت عليه عند المرسل. وهذا يعني أن شكل الإشارة المركبة مختلف. يظهر الشكل التالي تأثير التشويه على إشارة مركبة:

الضجيج

هناك عدة أنواع من الضجيج: الضجيج الحراري Thermal Noise ، الضجيج التحريضي Induced Noise، التقاطع Crosstalk، الضجيج النبضي Impulse Noise، وكلها قد تعطب الإشارة.

الضجيج الحراري Thermal Noise:

تحدث الحركة العشوائية للإلكترونات في سلك إشارة إضافية لم ترسل من قبل المرسل.

الضجيج التحريضي Induced Noise:

ويأتي من مصادر مثل المحركات والأجهزة الأخرى. تعمل هذه الأجهزة كهوائي مرسل، ويعمل وسيط النقل كهوائي مستقبل.

التقاطع Crosstalk:

وهو تأثير سلك ما على الآخر. يعمل أحد السلكين كهوائي مرسل والآخر يعمل كهوائي مستقبل.

الضجيج النبضي Impulse Noise:

وهو ارتفاع حاد في الإشارة في وقت قصير جداً والذي يأتي من خطوط الطاقة والبرق وأمثالها.. يظهر الشكل التالي تأثير الضجيج على الإشارة:

نسبة الإشارة إلى الضجيج Signal-to-Noise Ratio (SNR):

لإيجاد الحد نظري لمعدل نقل البتات، علينا معرفة نسبة طاقة الإشارة إلى طاقة الضجيج. نسبة الإشارة إلى الضجيج تعرف كالتالي:

علينا اعتبار متوسط طاقة الإشارة ومتوسط طاقة الضجيج لأنهما قد يتغيرا مع الزمن.

يظهر الشكل التالي فكرة هذه النسبة:

SNR.png

عملياً إن SNR هو نسبة ما هو مطلوب (الإشارة) إلى ما هو مرفوض (الضجيج).

SNR أعلى يعني تأثير أقل للضجيج على الإشارة، وSNR أدنى يعني تأثير أعلى للضجيج على الإشارة.

بما أن هو نسبة بين طاقتين، فهو عادة يوصف بوحدة الديسبل ويعرف كما يلي:

مثال: طاقة إشارة ما هي 10mW وطاقة الضجيج هي 1μW ، ما هي قيمة كل من SNR و SNR_dB؟ الحل: SNR=10,000/1=10,000⇒SNR_dB=10 log_10⁡10,000=10 log_10⁡〖〖10〗^4 〗=40 مثال: من أجل قناة خالية من الضجيج: SNR=(signal power)/0=∞; SNR_dB=10 log_10⁡∞=∞ لا يمكن أبداً الوصول لهذه النسبة في الحياة العملية، فهي مثالية.

حدود معدل نقل البيانات

تمثل سرعة إرسال البيانات عبر قناة قضية هامة جداً في اتصالات البيانات، وتقدر بـ بت في الثانية bps. يعتمد معدل نقل البيانات على ثلاثة عوامل: 1. عرض الحزمة المتاح. 2. مستويات الإشارة المستخدمة. 3. جودة قناة النقل (مستوى الضجيج).

قناة خالية من الضجيج، معدل نايكويست لنقل البتات

من أجل قناة خالية من الضجيج، تعرّف معادلة معدل نايكويست لنقل البتات، الحد الأعظمي النظري الأعلى لمعدل نقل البتات:

BitRate=2×bandwidth×log_2⁡L

حيث bandwidth هو عرض حزمة القناة،

L هو عدد مستويات الإشارة المستخدمة لتمثيل البيانات،

BitRate هو معدل نقل البتات مقدراً بـ bps.

على الرغم من أن الفكرة صحيحة نظرياً، عملياً هناك حد، عندما نزيد عدد مستويات الإشارة، فإننا نفرض عبئاً على المستقبل.

إذا كان عدد المستويات في إشارة هو 2 فقط، يمكن للمستقبل أن يميز بسهولة بين 0 و1.

إذا كان عدد مستويات الإشارة هو 64، فيجب أن يكون المستقبل معقداً جداً ليميز بين 64 مستوًى مختلفاً.

بعبارة أخرى، زيادة عدد مستويات الإشارة يقلل من وثوقية النظام.

مثال: هل يتوافق معدل نايكويست لنقل البتات النظري مع معدل نقل البتات البديهي الموصوف في النقل باستخدام طريقة baseband؟

الحل: يتوافقان عندما يكون لدينا مستويان فقط.

قلنا أنه في النقل بطريقة baseband يكون معدل نقل البتات هو ضعف عرض الحزمة إذا استخدمنا التوفيقة الأولى فقط في الحالة الأسوأ.

لكن معادلة نايكويست أكثر عموماً مما استنتجناه بديهياً، يمكن تطبيقها على النقل بطريقة baseband وعلى النقل بطريقة broadband.

ويمكن تطبيقها أيضاً إذا كان لدينا مستويان للإشارة أو أكثر.

مثال: بفرض أن لدينا قناة خالية من الضجيج بعرض حزمة 3000 Hz، تنقل إشارة بمستويين، يمكن حساب معدل نقل البتات الأعظمي كما يلي:

BitRate=2×3000×log_2⁡2=6000 bps

لو أن نفس القناة تنقل إشارة بأربع مستويات (من أجل كل مستوى فإننا نرسل بتين)، فإن معدل نقل البتات الأعظمي هو:

BitRate=2×3000×log_2⁡4=12,000 bps

مثال: نريد إرسال 256 kbps عبر قناة خالية من الضجيج بعرض حزمة مقداره 20 kHz، كم مستوى للإشارة نحتاج؟

الحل: باستخدام معادلة نايكويست:

256,000=2×20,000×log_2⁡L⇒log_2⁡L=6.625⇒L=2^2.625=98.7 levels

بما أن النتيجة ليست من قوى العدد 2، علينا إما أن نزيد عدد المستويات أو نخفض معدل نقل البتات.

إذا كان لدينا 128 مستوى، معدل نقل البتات هو 280 kbps، إذا كان لدينا 64 مستوى، معدل نقل البتات هو 240 kbps.

قناة مع ضجيج، سعة شانون

في الحياة العملية، لا يمكننا الحصول على قناة خالية من الضجيج، فالضجيج موجود دائماً،

في 1944 قدم كلاود شانون Claude Shannon معادلة سميت سعة شانون، يمكنها تحديد أعلى معدل نقل بيانات نظرياً من أجل قناة مع ضجيج:

Capacity=bandwidth×log_2⁡(1+SNR)

حيث bandwidth هو عرض حزمة القناة،

SNR هو نسبة الإشارة إلى الضجيج،

Capacity هي سعة القناة مقدرة بـ bps.

لاحظ أنه لم نذكر مستوى الإشارة في معادلة شانون، وهذا يعني مهما يكن عدد المستويات التي لدينا، لا يمكننا الحصول على معدل نقل بيانات أعلى من سعة القناة.

بعبارة أخرى، المعادلة تعرف خاصّة من خواص القناة لا خاصة للناقل.

مثال: بفرض أن لدينا قناة ذات ضجيج عال، بحيث أن قيمة نسبة الإشارة إلى الضجيج تقريباً معدومة،

بعبارة أخرى، الضجيج قوي جداً مما أدى إلى تلاشي الإشارة. من أجل هذه القناة تحسب السعة كالتالي:

C=B log_2⁡(1+SNR)=B log_2⁡(1+0)=B log_2⁡1=B×0=0

هذا يعني أن سعة القناة معدومة بغض النظر عن عرض الحزمة،

بعبارة أخرى، لا يمكننا استقبال أي بيانات عبر هذه القناة.

مثال: يمكننا حساب أعلى معدل نقل بتات نظرياً من أجل خط هاتف عادي.

خط الهاتف عادة له عرض حزمة مساوٍ لـ 3000 Hz،

نسبة الإشارة إلى الضجيج هي عادة 3162.

من أجل هذه القناة تحسب السعة كالتالي:

C=B log_2⁡(1+SNR)=3000 log_2⁡(1+3162)=3000 log_2⁡3163=3000×11.62=34,860 bps

هذا يعني أن أعلى معدل نقل للبتات من أجل خط هاتف هو 34.860 kbps،

إذا أردنا إرسال البيانات بسرعة أكبر من هذه، يمكننا إما

  • أن نزيد عرض حزمة الخط
  • أو نحسّن نسبة الإشارة إلى الضجيج.

مثال: عادة تعطى نسبة الإشارة إلى الضجيج بالديسبل.

لنفترض أن SNR_dB=36 وأن عرض حزمة القناة هو 2 MHz، يمكن حساب سعة القناة النظرية كالتالي:

SNR_dB=10 log_10⁡SNR⇒SNR=〖10〗^(SNR_dB/10)⇒SNR=〖10〗^3.6=3981

C=B log_2⁡(1+SNR)=2×〖10〗^6×log_2⁡3982=24 Mbps

مثال: لأسباب عملية، عندما يكون SNR عالياً جداً، يمكننا اعتبار أن SNR+1≅SNR،

في هذه الحالات، يمكن تبسيط السعة النظرية للقناة إلى:

C=B×(SNR_dB)/3

مثلاً، يمكننا حساب سعة القناة النظرية للمثال السابق كالتالي:

C=2MHz×36/3=25 Mbps

باستخدام كلا الحدين (حد نايكويست وحد شانون)

عملياً، علينا استخدام الطريقتين معاً لمعرفة حدود ومستويات الإشارة. لنعرض ذلك بمثال:

لدينا قناة لها عرض حزمة مساوٍ لـ 1 MHz،

نسبة الإشارة إلى الضجيج مساوية لـ 63،

ما هو معدل نقل البتات المناسب؟ وما هو مستوى الإشارة المناسب؟

أولاً نستخدم معادلة شانون لحساب الحد الأعلى:

C=B log_2⁡(1+SNR)=〖10〗^6 log_2⁡(1+63)=〖10〗^6 log_2⁡64=6 Mbps


من أجل أداء أفضل، نختار قيمة أخفض، 4 Mbps مثلاً.

ثم نستخدم معادلة نايكويست لإيجاد عدد مستويات الإشارة:

4 Mbps=2×1 MHz×log_2 L⇒L=4

سعة شانون تعطينا الحد الأعلى، ومعادلة نايكويست تعطينا عدد مستويات الإشارة المطلوب.

الأداء Performance

أداء الشبكة (مدى جوتها) هو قضية مهمة في التشبيك Networking. وندرس فيه:

  • عرض الحزمة Bandwidth.
  • الإنتاجية Throughput.
  • زمن الوصول (التأخير) Latency (Delay).
  • جداء عرض الحزمة بالتأخير Bandwidth-Delay Product
  • عدم استقرار الإرسال Jitter.

عرض الحزمة Bandwidth

وهو أحد الخصائص التي تقيس جودة الشبكة.

لكن يمكن استخدام المصطلح "عرض الحزمة" في سياقين مختلفين مع قيمتي قياس مختلفتين: عرض الحزمة بالهرتز وعرض الحزمة بـ بت في الثانية.

عرض الحزمة بالهرتز:

ناقشنا هذا المفهوم سابقاً. عرض الحزمة بالهرتز هو مجال الترددات المحتواة في إشارة مركبة،

أو مجال الترددات التي يمكن لقناة أن تمررها.

مثلاً نقول أن عرض الحزمة لخط اشتراك هاتفي هو 4 kHz.

عرض الحزمة بـ بت في الثانية:

يصف المصطلح عدد البتات بالثانية (سرعة نقل البتات) التي يمكن لقناة أو رابط أو حتى شبكة أن تنقله.

مثلاً يمكن لأحدنا القول أن عرض الحزمة لشبكة إيثرنت محلية سريعة (أو الروابط في هذه الشبكة) هو 100 Mbps كحد أعلى. هذا يعني أن هذه الشبكة يمكنها إرسال 100 Mbps.

العلاقة بين عرض الحزمة بالهرتز وعرض الحزمة بالـ بت في الثانية  :

هناك علاقة واضحة بين عرض الحزمة بالهرتز وعرض الحزمة بـ بت في الثانية. بوضوح، زيادة في عرض الحزمة بالهرتز تعني زيادة في عرض الحزمة بـ بت في الثانية.

تعتمد العلاقة على نوع النقل، نقل بطريقة baseband أو نقل بالتحويل.

مثال: عرض الحزمة في خط اشتراك هاتفي هو 4 kHz للبيانات الصوتية.

عرض الحزمة لهذا الخط من أجل نقل البيانات يمكن أن يصل إلى 56,000 bps باستخدام جهاز تحويل (modem) معقد لتحويل الإشارة الرقمية إلى تماثلية.

مثال: إذا حسنت شركة الهاتف جودة الخط وحسنت عرض الحزمة إلى 8 KHz، يمكننا إرسال 112,000 bps باستخدام نفس التقنية المذكورة في المثال السابق.

الانتاجية Throughput

وهو مقياس سرعة إرسال البيانات عبر الشبكة،

على الرغم من أنه للوهلة الأولى يبدو أن عرض الحزمة بـ بت في الثانية والانتاجية هما الشيء نفسه، فإنهما مختلفان.

يمكن لرابط أن يكون له عرض حزمة B bps، لكن يمكننا إرسال T bps عبر هذا الرابط فقط،

بحيث تكون T دوماً أصغر من B.

بعبارة أخرى، عرض الحزمة هو مقياس لقدرة الرابط القصوى،

أما الإنتاجية هي المقياس الفعلي لسرعة إرسال البيانات.

مثلاً، لدينا رابط بعرض حزمة 1 Mbps، لكن الأجهزة الموصولة بنهاية الرابط تستطيع التعامل مع 200 kbps فقط. هذا يعني أننا لا نستطيع إرسال أكثر من 200 kbps عبر هذا الرابط.

تخيل طريقاً سريعاً صُمم لنقل 1000 سيارة بالدقيقة من نقطة إلى أخرى، لكنّ هناك منطقة ضيقة في الطريق، هذا الشكل قد يخفض السرعة إلى 100 سيارة بالدقيقة.

عرض الحزمة هو 1000 سيارة بالدقيقة، الانتاجية هي 100 سيارة بالدقيقة.

مثال: شبكة لها عرض حزمة 10 Mbps يمكنها وسطياً تمرير 12,000 إطاراً في الدقيقة فقط، وكل إطار يحمل وسطياً 10,000 بت. ما هي انتاجية هذه الشبكة؟

Throughput=(12,000×10,000)/60=2Mbps

الانتاجية هي تقريباً خُمس عرض الحزمة في هذه الحالة.

زمن الوصول (التأخير) Latency (Delay):

ويعرف الزمن اللازم لرسالة كاملة حتى تصل إلى الهدف بدءاً من لحظة إرسال البت الأول من قبل المصدر.

يمكننا القول أن زمن الوصول مؤلف من أربع مكونات:

  1. زمن الانتشار،
  2. زمن النقل،
  3. زمن الانتظار،
  4. زمن المعالجة.

Latency=PropagationTime+TransmissionTime+QueuingTime+ProcessingDelay

زمن الانتشار Propagation Time:

يقيس زمن الانتشار الزمن اللازم لانتقال بت واحد من المصدر إلى الهدف، ويحسب بتقسيم المسافة على سرعة الانتشار:

PropagationTimes=Distance/ProgpagationSpeed

تعتمد سرعة انتشار الإشارات الكهرومغناطيسية على الوسيط وعلى تردد الإشارة.

مثلاً في الخلاء، تكون سرعة الضوء 3×〖10〗^8 m/s، وهي أقل في الهواء، وهي أقل بكثير في كابل.

مثال: ما هو زمن الانتشار في كابل إذا كانت المسافة بين نقطتين هي 12,000 km؟

لنفترض أن سرعة الانتشار في الكابل هي 2.4×〖10〗^8 m/s

الحل:

PropagationTime=(12,000×1000)/(2.4×〖10〗^8 )=50 ms

يظهر المثال أن بتاً يمكن أن ينتقل عبر المحيط الأطلسي في 50 ميلي ثانية فقط إذا كان هناك كابل مباشر بين المصدر والهدف.

زمن النقل Transmission Time:

في اتصالات البيانات لا نرسل بتاً واحداً فقط، بل نرسل رسالة.

قد يحتاج البت الأول وقتاً مساوياً لزمن الانتشار ليصل لهدفه، وقد يأخذ البت الأخير الوقت نفسه.

ولكن، هناك فاصل زمني بين لحظة ترك البت الأول للمرسل ولحظة وصول البت الأخير إلى المستقبل.

البت الأول يترك أولاً ويصل أولاً،

البت الأخير يترك أخيراً ويصل أخيراً.

الوقت اللازم لنقل الرسالة يعتمد على حجم الرسالة وعلى عرض حزمة القناة.

TransmissionTime=MessageSize/Bandwidth

مثال: ما هو زمن الانتشار وزمن النقل لرسالة (بريد إلكتروني) حجمها 2.5 kbyte، إذا كان عرض حزمة الشبكة هو 1 Gbps؟

افترض أن البعد بين المرسل والمستقبل هو 12,000 km

وأن الضوء ينتقل بسرعة 2.4×〖10〗^8 m/s

الحل:

PropagationTime=(12,000×1000)/(2.4×〖10〗^8 )=50 ms

TransmissionTime=(2500×8)/〖10〗^9 =0.020 ms

لاحظ أنه في هذه الحالة: الرسالة قصيرة، وعرض الحزمة كبير، فالمعامل المسيطر هو زمن الانتشار وليس زمن النقل، أي يمكن إهمال زمن النقل.

مثال: ما هو زمن الانتشار وزمن النقل لرسالة (صورة) بحجم 5 Mbyte، إذا كان عرض حزمة الشبكة هو 1 Mbps؟

افترض أن المسافة بين المرسل والمستقبل هي 12,000 km

وأن سرعة الضوء هي 2.4×〖10〗^8 m/s

PropagationTime=(12,000×1000)/(2.4×〖10〗^8 )=50 ms

TransmisstionTime=(5,000,000×8)/〖10〗^6 =40 s

لاحظ أنه في هذه الحالة: الرسالة طويلة جداً، وعرض الحزمة ليس كبيراً، فالمعامل المسيطر هو زمن النقل وليس زمن الانتشار، أي يمكن إهمال زمن الانتشار.

زمن الانتظار Queuing Time:

وهو الزمن اللازم لكل جهاز وسيط أو جهاز نهائي لحفظ الرسالة قبل معالجتها.

زمن الانتظار ليس معاملاً ثابتاً، فهو يتغير مع الحمل المفروض على الشبكة.

عندما يكون هناك مرور ثقيل على الشبكة، يزداد زمن الانتظار. جهاز وسيط مثل الموجه (router)، يضع الرسائل القادمة في الانتظار ويعالجها الواحدة تلو الأخرى. إذا كان هناك الكثير من الرسائل، فعلى كل منها أن ينتظر.

جداء عرض الحزمة بالتأخير Bandwidth-Delay Product

عرض الحزمة والتأخير هما مقياسان هامان في أداء الرابط.

ولكن، المهم في اتصالات البيانات هو جداء الاثنين، جداء عرض الحزمة بالتأخير. لنفصل هذه القضية باستخدام حالتين نظريتين كمثالين:

الحالة الأولى:

لنفترض أن لدينا رابطاً ذا عرض حزمة مساوٍ لـ 1 bps (غير واقعي لكنه جيد لأغراض التوضيح).

لنفترض أيضاً أن تأخير الرابط هو 5 s (أيضاً غير واقعي).

نريد أن نرى ما الذي يعنيه جداء عرض الحزمة بالتأخير في هذه الحالة:

بالنظر إلى الشكل السابق، يمكننا القول أن هذا الجداء 1×5 هو عدد البتات الأعظمي الذي يملأ الرابط. لا يمكن أن يكون هناك أكثر من 5 بتات في أي لحظة على الرابط.

الحالة الثانية :

لنفترض أن لدينا عرض حزمة مساوٍ لـ 4 bps، كما في الشكل التالي:

يظهر الشكل أن عدد البتات الأعظمي هو: 4×5=20 بتاً على الخط.

السبب أنه في كل لحظة 1 s، هناك أربعة بتات على الخط، ومدة كل منها 0.25 s.

تظهر الحالتان السابقتان أن جداء عرض الحزمة بالتأخير هو عدد البتات التي تملأ الرابط.

هذا المقياس هام إذا أردنا إرسال بيانات بدفعات مفاجئة وسريعة، وأردنا انتظار التعرف على كل دفعة قبل إرسال التالية.

لاستخدام قدرة الرابط العظمى، علينا أن نجعل حجم كل دفعة مساوياً لضعف جداء عرض الحزمة بالتأخير. نريد ملأ القناة المزدوجة full-duplex (ذات الاتجاهين).

على المرسل أن يرسل دفعة بيانات بحجم: (2×bandwidth×delay) بتاً.

ثم ينتظر المرسل المستقبل حتى يتعرف على جزء من الدفعة قبل إرسال دفعة أخرى.

المقدار (2×bandwidth×delay) هو عدد البتات التي يمكن أن تكون قيد النقل في أية لحظة.

خلاصة: جداء عرض الحزمة بالتأخير يعرف عدد البتات التي يمكن أن تملأ الرابط.

يمكننا التفكير في رابط بين نقطتين كأنبوب. المقطع العرضي للأنبوب يمثل عرض حزمة، وطول الأنبوب يمثل التأخير. ويمكننا القول أن حجم الأنبوب يعرف جداء عرض الحزمة بالتأخير كما يظهر الشكل التالي:

عدم استقرار الإرسال Jitter

قضية أخرى من قضايا الأداء المتعلقة بالتأخير هي عدم استقرار الإرسال.

يمكننا تقريباً القول أن عدم استقرار الإرسال هو مشكلة،

إذا واجهت عدة حزم من البيانات تأخيرات مختلفة، والتطبيق الذي يستخدم البيانات عند موقع المستقبل حساسٌ للوقت (بيانات صوت وصورة مثلاً).

إذا كان تأخير الحزمة الأولى هو 20 ms، والثانية هو 45 ms والثالثة هو 40 ms،

سيعاني التطبيق الذي يعمل بالزمن الحقيقي من عدم استقرار الإرسال.

ملخص

  • يجب تحويل البيانات إلى إشارات كهرومغناطيسية حتى تنقل.
  • يمكن للبيانات أن تكون تماثلية Analog أو رقمية Digital. البيانات التماثلية مستمرة وتأخذ قيم مستمرة. البيانات الرقمية تأخذ أوضاعاً متقطعة وتأخذ قمياً متقطعة.
  • يمكن للإشارات أن تكون تماثلية أو رقمية. يمكن للإشارات التماثلية أن تملك عدداً غير محدد من القيم في مجال، لكن الإشارة الرقمية يمكن أن تملك فقط عدداً محدداً من القيم.
  • في اتصالات البيانات، نستخدم عادةً إشارات تماثلية دورية وإشارات رقمية لادورية.
  • التردد Frequency والدور Period هما عكس بعضهما.
  • التردد هو معدل تغير الإشارة بالنسبة للزمن.
  • يصف الطور Phase موضع الموجة في اللحظة 0.
  • موجة جيبية كاملة في النطاق الزمني يمكن أن تمثل بعمود وحيد في النطاق الترددي.
  • موجة جيبية بتردد وحيد ليست مفيدة في اتصالات البيانات، علينا إرسال إشارة مركبة، إشارة مكونة من عدة موجات جيبية بسيطة.
  • تبعاً لتحليل فورييه، أية إشارة مركبة هي تركيب من موجات جيبية بسيطة لها ترددات ومطالات وأطوار مختلفة.
  • عرض الحزمة Bandwidth في إشارة مركبة هو الفرق بين أعلى وأخفض تردد محتوى فيها.
  • إشارة رقمية هي إشارة تماثلية مركبة ذات عرض حزمة غير محدد.
  • النقل بطريقة Baseband لإشارة رقمية الذي يحافظ على شكل الإشارة الرقمية، ممكن فقط إذا كان لدينا قناة تمرير منخفض Low-pass Channel بعرض حزمة غير محدد أو واسع جداً.
  • إذا كانت القناة المتوفرة هي قناة تمرير حزمة Bandpass Channel، لا يمكننا إرسال إشارة رقمية مباشرة إلى القناة، علينا تحويلها إلى إشارة تماثلية قبل نقلها.
  • من أجل قناة خالية من الضجيج، تعرف معادلة معدل نايكويست لنقل البتات، الحد الأعظمي النظري لمعدل نقل البتات. من أجل قناة مع ضجيج، علينا استخدام سعة شانون لمعرفة معدل نقل البتات الأعظمي.
  • التخامد Attenuation والتشويه Distortion والضجيج Noise، تضر بالإشارة.
  • التخامد هو ضياع في طاقة الإشارة بسبب مقاومة وسيط النقل.
  • التشويه هو التعديل الذي يطرأ على الإشارة بسبب الاختلاف بسرعة انتشار الترددات التي تكونها.
  • الضجيج هو الطاقة الخارجية التي تعطب الإشارة.
  • جداء عرض الحزمة بالتأخير Bandwidth-Delay Product يعرف عدد البتات التي تملأ الرابط.

مراجعة الأسئلة والتمرينات:

  • ما العلاقة بين الدور والتردد؟
  • ماذا يقيس مطال الإشارة؟ ماذا يقيس تردد الإشارة؟ ماذا يقيس طور الإشارة؟
  • كيف يمكن فك إشارة مركبة إلى تردداتها المنفردة؟
  • سم أربعة أنواع لعلل النقل.
  • فرق بين النقل بطريقة Baseband والنقل بطريقة Broadband.
  • ميز بين قناة تمرير منخفض وقناة تمرير حزمة؟
  • ما علاقة نظرية نايكويست بالاتصالات؟
  • ما علاقة سعة شانون بالاتصالات؟
  • لماذا تملك الإشارات الضوئية في كابل ليف ضوئي طول موجة صغير جداً؟
  • هل نستطيع معرفة فيما إذا كانت الإشارة دورية أو لادورية بالنظر إلى الرسم البياني لنطاقها الترددي فقط؟ كيف؟
  • هل الرسم البياني للنطاق الترددي لإشارة صوتية متقطع أو مستمر؟
  • هل الرسم البياني للنطاق الترددي لنظام إنذار متقطع أو مستمر؟
  • نرسل إشارة صوتية من لاقط للصوت إلى مسجل. هل هذا نقل بطريقة Baseband أو بطريقة Broadband؟
  • نرسل إشارة رقمية من محطة على شبكة محلية إلى محطة أخرى. هل هذا نقل بطريقة Baseband أو بطريقة Broadband؟
  • نعدل عدة إشارات صوتية ونرسلهم في الهواء. هل هذا نقل بطريقة Baseband أو بطريقة Broadband؟
  • لديك الترددات في القائمة أدناه، احسب الدور الموافق.

24 Hz 8 MHz 140 KHz

  • لديك الأدوار التالية، احسب الترددات الموافقة.

5 s 12 μs 220 ns

  • ما هو الطور فيما يأتي.
    • موجة جيبية لها المطال الأعظمي في اللحظة 0.
    • موجة جيبية لها المطال الأعظمي بعد ربع الدور.
    • موجة جيبية لها مطال معدوم بعد ثلاثة أرباع الدور وما فوق.
  • ما هو عرض حزمة إشارة يمكن فكها إلى خمسة موجات جيبية لها الترددات: 0, 20, 50, 100, 200 Hz؟ كل المطالات العظمى متساوية. ارسم عرض الحزمة.
  • إشارة دورية مركبة لها عرض الحزمة 2000 Hz ومكونة من موجتين جيبيتين، الأولى لها تردد 100 Hz، ومطال أعظمي مقداره 20 V، الثانية لها مطال أعظمي مقداره 5 V. ارسم عرض الحزمة.
  • أي موجة لها عرض حزمة أوسع، موجة جيبية لها التردد 100 Hz، أو موجة جيبية لها التردد 200 Hz؟
  • ما هو معدل نقل البتات لكل من الإشارات التالية؟
    • إشارة يدوم فيها البت الواحد 0.001 s.
    • إشارة يدوم فيها البت الواحد 2 ms.
    • إشارة يدوم فيها 10 بتات مدة 20 μs.
  • يرسل جهاز البيانات بمعدل 1000 bps.
    • كم يستغرق إرسال 10 بتات؟
    • كم يستغرق إرسال محرف واحد (8 بتات)؟
    • كم يستغرق إرسال ملف فيه 100,000 محرف؟
  • ما هو معدل نقل البتات للإشارة في الشكل التالي؟
  • ما هو تردد الإشارة في الشكل التالي؟
  • ما هو عرض الحزمة في الإشارة المركبة في الشكل التالي؟
  • إشارة مركبة دورية تحتوي الترددات من 10 إلى 30 KHz، كل منها لها المطال 10 V. ارسم طيف التردد.
  • إشارة مركبة لادورية تحتوي الترددات من 10 إلى 30 KHz، المطال الأعظمي هو 10 V من أجل أخفضها وأعلاها و 30 V من أجل إشارة الـ 20 KHz. بفرض أن المطال يتغير بانتظام من الأدنى إلى الأعلى، ارسم طيف التردد.
  • قناة تلفاز لها عرض الحزمة 6 MHz، إذا أرسلنا إشارة رقمية باستخدام قناة وحيدة، ما هو معدل نقل البتات إذا استخدمنا توفيقة واحدة، ثم ثلاث توفيقات ثم خمس توفيقات؟
  • تنتقل إشارة من نقطة أ إلى نقطة ب، في النقطة أ، طاقة الإشارة هي 100 W، في النقطة ب، طاقة الإشارة هي 90 W. ما هو التخامد مقدراً بالديسبل؟
  • تخامد إشارة هو -10 dB. ما هي طاقة الإشارة الأخيرة إذا كانت طاقتها الأصلية هي 5 W؟
  • عبرت إشارة ما ثلاثة مكبرات متتابعة، كل منها يعطيها ربح 4d B. ما هو الربح الكلي؟ ما مقدار تكبير الإشارة؟
  • إذا كان عرض حزمة القناة هو 5 Kbps، كم يستغرق إرسال إطار مكون من 100,000 بتاً؟
  • يستغرق ضوء الشمس تقريباً ثماني دقائق حتى يصل الأرض. ما هي المسافة بين الشمس والأرض؟
  • إشارة طول موجتها 1 μm في الهواء. ما هي المسافة التي تقطعها مقدمة الموجة خلال 1000 دور؟
  • لخط ما نسبة إشارة إلى ضجيج مقدارها 1000 وعرض حزمة مقداره 4000 KHz. ما هو معدل نقل البتات الأعظمي المدعوم بهذا الخط؟
  • نقيس أداء خط الهاتف (عرض حزمته 4 KHz). عندما كانت الإشارة 10 V، كان الضجيج 5 mV. ما هو معدل نقل البتات الأعظمي المدعوم بهذا الخط؟
  • ملف يحتوي على مليوني بايت. كم يستغرق تحميل هذا الملف باستخدام قناة 56 Kbps؟ وأخرى 1 Mbps؟
  • شاشة عرض في حاسب لها دقة 1200×1000 عنصر صورة. إذا كان كل عنصر يستخدم 1024 لوناً، كم بتاً نحتاج لإرسال كافة محتويات الشاشة؟
  • إشارة طاقتها 200 ميلي واط تمر عبر 10 أجهزة، كل منها له ضجيج وسطي مقداره 2 ميكرو واط. ما هو الـ SNR؟ وما هو SNR_dB؟
  • إذا كانت قيمة ذروة الجهد لإشارة هي 20 ضعف قيمة ذروة الجهد للضجيج، ما هو الـ SNR؟ وما هو الـ SNR_dB؟
  • ما هي السعة النظرية لقناة، في كل من الحالات التالية:
  • عرض الحزمة: 20 KHz، SNR_dB=40.
  • عرض الحزمة: 200 KHz، SNR_dB=4.
  • عرض الحزمة: 1 MHz، SNR_dB=20.
  • نريد ترقية القناة إلى عرض حزمة أعلى. أجب عن الأسئلة التالية:
    • كيف يتحسن المعدل إذا ضاعفنا عرض الحزمة؟
    • كيف يتحسن المعدل إذا ضاعفنا SNR؟
  • لدينا قناة عرض حزمتها 4 KHz. إذا أردنا إرسال البيانات بسرعة 10 Kbps، ما هو الـ SNR_dB الأدنى؟ وما هو SNR؟
  • ما هو زمن النقل لحزمة أرسلت من محطة إذا كان طول الحزمة 1 مليون بايتاً، وعرض حزمة القناة 200 Kbps؟
  • ما هو طول البت في قناة، إذا كانت سرعة انتشاره 2×〖10〗^8 m/s، وإذا كان عرض حزمة القناة:

1 Mbps؟ 10 Mbps؟ 100 Mbps؟

  • ما عدد البتات التي يتسع لها رابط له تأخير مقداره 2 ms إذا كان عرض حزمته:

1 Mbps؟ 10 Mbps؟ 100 Mbps؟

  • ما هو التأخير الكلي (زمن الوصول) لإطار حجمه 5 مليون بايتاً، والذي يرسل على رابط مكونٍ من عشر موجهات، وكل منها له زمن انتظار مقداره 2 μs، وزمن معالجة مقداره 1 μs. طول الرابط هو 2000 Km. سرعة الضوء داخل الرابط هي 2×〖10〗^8 m/s. وللرابط عرض حزمة مقداره 5 Mbps. أي مكون من التأخير الكلي هو المسيطر؟ وأيها مهمل؟

التخميد والتضخيم التشويه الضجيج SNR جداء عرض الحزمة بالتأخير جداء عرض الحزمة بالتأخير جداء عرض الحزمة بالتأخير