مخابرات بی‌سیم

ارتباط بی‌سیم یا مخابرات بی‌سیم (به انگلیسی: Wireless Communication) به انتقال اطلاعات بدون رابط سیم و به وسیلهٔ امواج الکترومغناطیسی گفته می‌شود. فاصله‌ای که اطلاعات انتقال داده می‌شود می‌تواند کوتاه یا بلند باشد.
واژه بی‌سیم پس از اختراع تلگراف بی‌سیم و در مقابل «مخابرات باسیم» (Wired Communiation) ابداع شد.  بی‌سیم‌ها انواع گوناگون دارند و در کاربردهای مختلف رسانه‌ای، صنعتی، نظامی، تفریحی، و در باندهای فرکانسی و توان‌های ارسال و دریافت متفاوت در کاربردهایی مانند تلفن سلولی، سامانه موقعیت‌یاب جهانی، دستگاه‌های کنترل از راه دور، صفحه کلید بی‌سیم و تلویزیون ماهواره‌ای مورد استفاده قرار دارند.

تاریخچه

قدیمی‌ترین ارتباط بی‌سیم به دوران ماقبل دنیای مدرن بازمی‌گردد که از دود، آتش، پرچم، و غیره برای انتقال پیام در فواصل دور استفاده می‌شد. نظریه ریاضی امواج الکترومغناطیسی توسط ماکسول در سال ۱۸۷۳ میلادی پیشنهاد شد. هاینریش هرتز در سال ۱۸۸۷ میلادی وجود این امواج را نشان داد. مخابرات بی‌سیم رادیویی حدود سال ۱۸۹۷ میلادی توسط گولیلمو مارکونی ابداع شد. مارکونی موفق به ارسال تلگراف بی‌سیم برای حرف S در فاصله حدود سه کیلومتری شد. تلگراف بی‌سیم برای اولین بار توسط ارتش انگلستان در آفریقای جنوبی در سال ۱۹۰۰ در جنگ بوئر دوم مورد استفاده قرار گرفت. در این جنگ نیروی دریایی انگلیس از دستگاه مارکونی برای مکالمه میان کشتی‌هایش در خلیج دلاگوا استفاده کرد. تا سال ۱۹۰۱ میلادی پوشش رادیویی در سرتاسر اقیانوس آتلانتیک فراهم شده بود. از آنجایی که دریانوردان اولین مشتریان تلگراف بی‌سیم بودند، ارتباط بی‌سیم تا سال ۱۹۱۲ میلادی که کشتی تایتانیک از آن برای ارسال پیام کمک استفاده کرد مرسوم شده بودند. در سال ۱۹۰۶ میلادی رادیو با مدولاسیون دامنه توسط رجینالد ابری فسندن برای ارسال موسیقی ابداع شد. در سال ۱۹۱۸ میلادی ادوین هاوارد آرمسترانگ گیرنده سوپرهترودین را اختراع کرد که با استفاده از آن اولین مخابره رادیویی در سال ۱۹۲۰ میلادی در شهر پیتسبورگ انجام پذیرفت. در سال ۱۹۲۱ میلادی برای اولین بار دستگاه همراه بی‌سیم زمینی توسط پلیس دیترویت مورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۹۲۹ ولادیمیر زورکین اولین آزمایش ارسال تلویزیونی را انجام داد. در سال ۱۹۳۳ میلادی ادوین هاوارد آرمسترانگ مدولاسیون فرکانس را کشف کرد. اولین سیستم تلفن همراه برای عامه مردم در سال ۱۹۴۶ میلادی در پنج شهر آمریکا راه اندازی شد. این سامانه نیمه دو طرفه بود و از ۱۲۰ کیلوهرتز طول موج اف‌ام استفاده می‌کرد. در سال ۱۹۵۸ ارسال ماهواره SCORE شروع عصر مخابرات ماهواره‌ای را رقم زد. در حدود اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی، پهنای باند اف‌ام به ۳۰ کیلوهرتز کاهش داده شده بود. در دهه ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ رادیو ترانک اتوماتیک پیشنهاد شد که به وسیلهٔ آن سامانه کاملا دوطرفه پیشنهاد شد. در دهه ۱۹۷۰ میلادی مفهوم مخابرات سلولی همراه در آزمایشگاه‌های بل پیشنهاد شد. در دهه ۱۹۸۰ سامانه‌های نسل اول، دهه ۱۹۹۰ سامانه‌های نسل دوم استفاده شدند. در طی قرن بیستم میلادی گونه‌های مختلفی از سامانه‌های بی‌سیم به وجود آمده و بعدها رو به زوال گذاشتند. به عنوان مثال در حالی که ارسال سیگنال تلویزیونی در ابتدا توسط فرستنده‌های بی‌سیم رادیویی انجام می‌شد، این فرستنده‌ها به‌تدریج جای خود را به خطوط کابلی می‌دهند. مدارهای ماکرویوی انتقال نقطه به نقطه‌ای که پشتوانه شبکه مخابراتی بوده‌اند در حال جایگزینی با فیبرهای نوری هستند. از طرف دیگر بخشی از سیستم‌های تلفن که قبلاً تماماً شبکه‌ای سیمی بوده جای خود را به تلفن‌های همراه داده‌است. این تغییرات معمولاً تحت تأثیر ظهور تکنولوژی‌های جدید صورت می‌پذیرد.
مخابرات بی‌سیم به عنوان رشته‌ای علمی از دهه ۱۹۶۰ میلادی مورد مطالعه بوده، اما از اواسط دهه ۹۰ میلادی تحقیقات روی آن شدت یافته‌است. این متأثر از دلایل متعددی بوده‌است. افزایش تقاضاهای مردمی برای ارتباطات بی‌سیم اولین دلیل می‌باشد. تا انتهای دهه اول قرن بیست و یکم تقاضاها عمدتاً به سیستم‌های تلفن همراه مربوط می‌شده‌است چنانچه در سال ۲۰۰۲ میلادی تعداد تلفن‌های همراه در سطح جهان از تعداد تلفن‌های با خط ثابت فراتر رفت. در سال ۲۰۰۵ میلادی میلادی حدود دو بیلیون کاربر تلفن همراه در دنیا وجود داشته‌است. در ماه نوامبر ۲۰۰۷ این تعداد تلفن‌های همراه به ۳٫۳ بیلیون رسید. اما انتظار می‌رود که در آینده کاربردهای انتقال بی‌سیم داده (اطلاعات) از اهمیت بیشتری برخوردار شود. دلیل دوم توجه به سامانه‌های بی‌سیم پیشرفت چشمگیر در تکنولوژی VLSI بوده که امکان پیاده‌سازی الگوریتم‌های پردازش سیگنال‌های پیچیده را در ابعاد کم و با توان مصرفی کم فراهم کرده‌است. نهایتاً دلیل سوم موفقیت استانداردهای مخابرات بی‌سیم دیجیتال نسل دوم و خصوصاً استاندارد دسترسی چندگانه تقسیم کدی (CDMA) بوده‌است. اما از آنجایی که سامانه‌های نسل دوم شبکه تلفن همراه اساساً برای انتقال صوت طراحی شده بودند و ویژگی‌های اصلی آن‌ها مانند نرخ مخابره و تأخیر زمانی قابل قبولشان برای کاربردهای صوتی تنظیم شده بود، نسل سوم شبکه تلفن همراه ظهور و توسعه یافته‌اند. در حال حاضر محققین در حال تحقیق و توسعه نسل چهارم شبکه تلفن همراه هستند که نرخ انتقال را تا ۱۰ تا ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه برای هر کاربر فراهم می‌کند (شبکه‌های امروزی نسل سوم امکان انتقال داده تا سرعت ۲ مگابیت بر ثانیه را در برخی از نقاط جهان فراهم کرده‌اند). انتظار می‌رود که نسل چهارم تلفن‌های همراه کاربردهای زیادی در تجارت الکترونیکی و تجارت همراه داشته باشد.

کانال بی‌سیم

بر خلاف مخابرات باسیم که هر جفت فرستنده و گیرنده به وسیلهٔ رابط‌های مجزا و ایزوله از هم به هم متصل شده‌اند، در مخابرات بی‌سیم کاربران در هوا مخابره کرده و تداخل زیادی بین آن‌ها وجود دارد. این تداخل متشکل از تداخلی است که بین فرستنده‌هایی که با یک گیرنده خاص در ارتباط هستند، تداخلی که بین یک فرستنده خاص و چند گیرنده اش وجود دارد، و تداخلی که بین جفت‌های مختلف از فرستنده و گیرنده وجود دارد.
امواج رادیویی فرکانس پایین هنگام حرکت معمولاً سطح زمین را دنبال می‌کنند، ولی امواج با فرکانس بالاتر (مثلاً حدود ۳۰۰ مگاهرتز) در خطوط مستقیم منتشر می‌شوند. فرکانس کاری مخابرات بی‌سیم در فضای باز فرکانس‌های زیر ۳۰ گیگاهرتز است، زیرا امواج با فرکانس بالاتر تضعیف قابل ملاحظه‌ای در جو داشته و به‌علاوه تولید امواج با این فرکانس، تقویت، مدولاسیون و آشکارسازی آن‌ها از لحاظ عملی مشکل می‌باشد. در فرکانس‌های بالاتر از ۱۰۰۰ گیگاهرتز وارد مخابرات نوری می‌شویم که در حال حاضر تنها از طریق فیبرهای نوری (و نه در فضای باز) انجام می‌پذیرد.
تفاوت‌های عمده مخابرات بی‌سیم با مخابرات باسیم وجود محو شدگی و تداخل است. این دو موضوع پژوهشگران را با چالش‌هایی روبرو کرده که در مخابرات با سیم وجود نداشته و بخش عمده‌ای از مطالعات به آن‌ها اختصاص داده شده‌است. پدیده محو شدن به تغییرات زمانی کیفیت کانال گفته می‌شود. محو شدگی به دلیل برهم کنش سیگنال‌هایی که از چند مسیر مختلف در هوا از فرستنده به گیرنده می‌رسند (محو شدگی چند مسیری)، و همچنین به دلیل از دست رفتن یک مسیر بین فرستنده و گیرنده به دلیل ضعیف شدن آن مسیر یا قرار گرفتن یک مانع در مسیر (سایه کردن موانع) است.
به‌صورت سنتی طراحان سامانه‌های بی‌سیم تلاش می‌کرده‌اند که قابلیت اطمینان مخابرات بر روی هوا را از طریق مقابله با تداخل و محو شدگی افزایش دهند. مطالعات جدیدتر به سمت بهینگی استفاده از پهنای باند متمایل شده و تلاش داشته به محوشدگی به عنوان یک موقعیت که می‌تواند مورد بهره‌برداری قرار بگیرد نگاه کند.

شبکه شخصی

به عنوان نمونه به «شبکه‌های بی‌سیم حسگر» می‌پردازیم.

شبکه‌های بی‌سیم حسگر

شبکه‌های بی‌سیم حسگر متشکل از تعداد زیادی حسگر ارزان دارای محدودیت محاسباتی و با باتری محدود می‌باشد که در یک محیط پخش شده‌اند. این حسگرها به جمع‌آوری اطلاعات پرداخته و آن را به یک واحد مرکزی از طریق ارتباط بی‌سیم گزارش می‌کنند. حسگرها می‌توانند با همدیگر نیز ارتباط برقرار کنند. در برخی موارد حسگرها با مشاهده یک واقعه باید سریعاً آن را گزارش کرده، یا فعالیتی را انجام دهند این شبکه‌ها دارای استفاده‌های متعددی از جمله جمع‌آوری اطلاعات و نظارت بر محیط زیست، نظارت بر سلامتی، خودکارسازی صنعتی و غیره می‌باشند. حسگرها می‌توانند برخی از کمیت‌های فیزیکی یا شرایط محیطی مانند دما، رطوبت، فشار، نور محیط یا حرکت را اندازه‌گیری کنند. در برخی کاربردها مانند گزارش یک حادثه لازم است که حسگرها موقعیت خود را بدانند. به دلیل محدود بودن باتری طراحی شبکه‌های حسگر چالش‌انگیز بوده‌است. همچنین حسگرها همچنین باید به مدت طولانی به فعالیت خود ادامه بدهند بدون اینکه نیاز به مدیریت از خارج داشته باشند. در حال حاضر تحقیقات بر روی شبکه‌های حسگر ادامه دارد.

شبکه محلی

شبکه‌های محلی به کاربران اجازه می‌دهد که آزادانه در منطقه پوشش داده شده حرکت کنند. انعطاف‌پذیری، سرعت بالا، مقرون به صرفه بودن شبکه محلی بی‌سیم و امکان استفاده از طیف فرکانسی بدون مجوز با توان ارسالی کم باعث رشد و جذابیت شبکه‌های محلی شده‌است. عامل دیگر رشد شبکه‌های محلی به وجود آمدن استاندارد ۸۰۲٫۱۱ IEEE در سال ۱۹۹۷ میلادی است که نسخه بعدی آن در سال ۱۹۹۹ به همراه متمم‌های بعدی سرعت انتقال تا ۵۴ مگابیت در ثانیه را ممکن ساخته‌است.

شبکه کلان‌شهری و گسترده

به عنوان نمونه به «شبکه سلولی تلفن همراه» می‌پردازیم.

مدل‌سازی ریاضی

ساده‌ترین مدلی که برای مخابره نقطه به نقطه می‌توان در نظر گرفت این است که سیگنال ارسالی در ضریب  که عددی بین صفر و یک است ضرب شده (تضعیف شدن سیگنال در هنگام طی مسیر) و سپس با اغتشاشاتی (نویز) که توزیع گوسی دارند جمع شده و در گیرنده دریافت می‌شود.

مسائل امنیتی

ماهیت باز سامانه‌های بی‌سیم امکان استراق سمع را به آسانی فراهم می‌کند. هر گیرنده‌ای که در فرکانس مربوطه تنظیم شود توانایی دریافت سیگنال را داشته و به‌علاوه امکان فهمیدن اینکه چه کسی سیگنال را استراق سمع می‌کند وجود ندارد. گاهی صرف وجود سیگنال می‌تواند اطلاعات خصوصی افراد را فاش کند. مثلاً استفاده از تلفن همراه ممکن است موقعیت شخص و حرکات او را تا حدی آشکار کند. امروزه استفاده از سامانه‌های وای-فای رواج یافته و در صورتی که اطلاعات رمزگذاری نشوند یا از روش‌های رمزگذاری قدیمی مانند معادل امنیت سیمی (WEP) استفاده شود، امکان سرقت اطلاعات وجود دارد. گمان می‌رود که اطلاعات بانکی کارت‌های اعتباری بیش از ۴۵ میلیون نفر از مشتریان شرکت تی‌جی‌مکس بخاطر استفاده از الگوریتم WEP به سرقت رفته‌است.