تشترك الهواتف المحمولة والسيارات ذاتية القيادة وسماعات الواقع الافتراضي في شيء مشترك. يرسلون جميعًا موجات راديو عبر الهواء. يقول سكوت رانسوم إن أجسامنا لا تستطيع أن تشعر بهذه الإشارات غير المرئية. "لا يمكننا سماعهم. لا نستطيع رؤيتهم. لكن جميع أجهزتنا تستخدمها ، "يلاحظ هذا الفلكي الذي يعمل في المرصد الراديوي الفلكي الوطني. إنه في شارلوتسفيل ، فيرجينيا
موجات الراديو هي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي. يشمل طيف الطاقة هذا أيضًا الضوء الذي يمكننا رؤيته ، جنبًا إلى جنب مع الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. لكن موجات الراديو لديها طاقة أقل بكثير من هذه الإشارات الأخرى. وهذا يعني أن إشارات الراديو تنتقل عبر الهواء كموجات طويلة جدًا وممتدة.
الشرح:فهم الضوء والإشعاع الكهرومغناطيسي
يمكن لهذه الموجات أن تحمل أنواعًا عديدة من المعلومات. يجلبون الموسيقى من محطة البث إلى سيارتك. يحملون رسائل نصية من هاتف أحد الأصدقاء عبر سلسلة من الأبراج الخلوية ، وأخيراً إلى شاشتك. ترسل سيارة ذاتية القيادة موجات راديو لمساعدتها في البحث عن العوائق.
في كثير من الأحيان ، تتخطى هذه الإشارات بعضها البعض دون أي مشكلة. يشرح بول تيلغمان أنهم مثل السيارات التي تسير على ممرات طرق سريعة منفصلة. إنه مهندس متخصص في الاتصالات اللاسلكية. يعمل تيلغمان في وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة DARPA في أرلينغتون بولاية فيرجينيا ، ويقول إن هذا "الطريق السريع" هو الطيف الراديوي. كل حارة لها طول موجي راديو مختلف. كل طول موجي يتوافق مع تردد. رقم محطة الراديو المفضلة لديك هو أيضًا ترددها (في ميغا هرتز ). ويشير تيلغمان إلى أن كل جهاز ، من جهاز لوحي إلى لعبة روبوت متصلة بشبكة Wi-Fi ، له مسار مخصص على طريق الراديو السريع.
القصة تستمر أسفل الصورة
لفترة طويلة ، نجح تقسيم الطيف الراديوي مثل طريق سريع هائل. لكن الآن هناك مشكلة. تريد المزيد والمزيد من الأجهزة أن تكون على الطريق ، ولا يوجد سوى عدد كبير جدًا من الممرات. في العديد من الأماكن ، يكون الطيف مسدودًا جدًا لدرجة أنه يشبه الطريق السريع الحقيقي في ساعة الذروة.
يحتاج العلماء إلى مساحة على هذا الطريق السريع المزدحم أيضًا. تتناغم الفدية وعلماء الفلك الآخرون مع موجات الراديو القادمة من الفضاء. يستخدم علماء آخرون موجات الراديو لدراسة سطح الأرض. بعض أجزاء الطيف الراديوي مهمة جدًا لهذا العمل. لذلك من المفترض أن تبتعد الأجهزة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة توجيه Wi-Fi عن تلك الممرات.
في بعض الأحيان ، على الرغم من ذلك ، تنحرف الإشارات عن طريق الخطأ عن الممرات المخصصة لها. إذا حاولت إشارتان السير في نفس المسار في نفس الوقت ، فقد تتزاحم بعضهما البعض. هذا يسبب إشارة مختلطة. إنها مشكلة تعرف باسم التداخل . يمكن أن تدمر بيانات العالم. لقد تسبب في مشاكل لشركات الهاتف والجيوش أيضًا.
لكن لا يجب أن يكون الأمر على هذا النحو. في الواقع ، يعمل الآن كادر متزايد من الباحثين. هدفهم:تطوير طريقة أفضل للجميع لمشاركة هذه الطرق السريعة للراديو.
مرحبًا بك في المنطقة الهادئة
يبني علماء الفلك تلسكوباتهم في مناطق نائية من العالم. أحد الأسباب هو الابتعاد عن الإشارات التي قد تفسد بياناتهم. يعد الوادي الخصب في جرين بانك بولاية فرجينيا أحد هذه الأماكن. إنه في منطقة راديو وطنية هادئة. وهذا يعني أنه لا يُسمح باستخدام الهواتف المحمولة وشبكة Wi-Fi والأجهزة الأخرى التي ترسل موجات الراديو. يجب على الناس استخدام الهواتف وأجهزة الكمبيوتر القديمة التي ترسل إشارات عبر الكابلات التي يتم توصيلها بالحائط.
في جرين بانك ، مجموعة من التلسكوبات تجمع موجات الراديو من الفضاء الخارجي. تساعد هذه الإشارات علماء الفلك على فهم الكون بشكل أفضل. غالبًا ما يستمع علماء الفلك إلى تلك الإشارات باستخدام أجزاء من الطيف المخصصة للعلم. لكن العديد من الكائنات التي يريدون مراقبتها تصدر موجات راديو عبر أقسام أوسع بكثير من الطيف مما تم حجزه لهم.
تستخدم Ransom التلسكوبات الراديوية Green Bank لدراسة النجوم النابضة - النجوم المنهارة التي تدور. إنه يضبط آلاف الأطوال الموجية دفعة واحدة. يوضح أن الأمر يشبه الاستماع إلى آلاف المحطات الإذاعية في نفس الوقت.
بحلول الوقت الذي تصل فيه الإشارات من نجم نابض بعيد إلى الأرض ، تكون باهتة بشكل لا يصدق. يمكن للتلسكوبات الكبيرة والقوية في جرين بانك التقاط هذه الإشارات. يقول رانسوم:"لديهم القدرة على الاستماع إلى أصغر أجزاء الطاقة الصغيرة".
لكن تلسكوبًا حساسًا بدرجة كافية للاستماع إلى نجم نابض بعيد سيلتقط أيضًا أي إشارة شاردة في مكان قريب. على الرغم من قواعد منطقة الهدوء الراديوية الصارمة ، غالبًا ما تتسلل الإشارات. يقول رانسوم إن الأسوار الكهربائية هي أحد المصادر الشائعة. عندما تلامس قطعة من العشب السياج ، فإنها تخلق شرارات وترسل موجة من موجات الراديو. شمعات الإشعال - الأجهزة الموجودة داخل السيارات والتي تحافظ على تشغيل محركاتها - تسبب انفجارًا مشابهًا.
بالإضافة إلى ذلك ، لا يلتزم الناس دائمًا بالقواعد. بالعودة إلى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، كان رانسوم يقدم بعض الملاحظات المثيرة للاهتمام. يقول:"كنا نعثر على نجوم نابضة جديدة ، وكنت متحمسًا للغاية". ذات صباح ، نظر إلى بياناته من الليلة السابقة ولاحظ على الفور مشكلة. يقول:"كان مليئًا بما كان واضحًا تداخلًا في شبكة Wi-Fi".
بعد بضعة أيام ، ذهب رانسوم للتزلج مع مهندس كان قد بدأ للتو العمل في جرين بانك. ذكرت فدية عرضا الحادث. وأوضح أنها دمرت بيانات ليلة. يتذكر قائلاً:"كان بإمكاني رؤيته يبدو خجولاً". اتضح أن المهندس قام سراً بتركيب Wi-Fi في منزله. عندما عاد إلى المنزل ، أطفأه.
لكن المشكلة تفاقمت مع مرور الوقت. الآن ، تتجنب مجموعة Ransom محاولة مراقبة أي شيء في جزء Wi-Fi من الطيف. راديو الأقمار الصناعية - الموسيقى والبرامج الحوارية المنقولة من الأقمار الصناعية في الفضاء - هي مشكلة كبيرة أخرى. يتجنب الباحثون الآن هذا الجزء من الطيف الراديوي أيضًا.
يحب Ransom هاتفه الخلوي ويرحب بالسيارات ذاتية القيادة. لكنه يريد التأكد من أن الأشخاص يصممون ويستخدمون هذه الأجهزة "بطريقة تتيح لنا القيام بعلمنا".
الأرض من فوق
فدية تستمع للإشارات القادمة من الفضاء. يرسل علماء آخرون أدوات إلى الفضاء لمراقبة الإشارات الطبيعية القادمة من الأرض. تشع الحرارة من الكوكب على شكل موجات من الطاقة الكهرومغناطيسية. بعض هذه الموجات موجودة في الطيف الراديوي. يستخدم العلماء أدوات على متن الأقمار الصناعية لالتقاط الأمواج. وهذا يساعدهم على تتبع درجات الحرارة وهطول الأمطار والجليد البحري والمزيد.
ولكن ليس من السهل دائمًا اكتشاف الإشارات الطبيعية الباهتة وسط كل الضوضاء الصادرة عن إلكترونيات Wi-Fi الخاصة بنا. تقول بريسيلا محمد:"لا توجد منطقة هادئة للراديو عند النظر إلى الأرض بأكملها". هي مهندسة في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند ، وهي تعمل في مشروع يسمى Soil Moisture Active Passive أو SMAP. يقيس القمر الصناعي SMAP كمية المياه الموجودة في التربة في كل مكان على الأرض. تساعد هذه البيانات العلماء في التعرف على الطقس ودورة مياه الأرض وتغير المناخ.
للمساعدة في تجنب التداخل ، صمم فريق SMAP مهمته للرصد عند تردد محمي. يقول محمد:"لا يُفترض أن ينبعث من هذا الطيف عالميًا أحد". لا يزال الناس يفعلون. يستخدم البعض التردد الخاص للعلماء بشكل غير قانوني. معظم ما تبقى من هذا التداخل عرضي. جهاز ذو تصميم قذر ، على سبيل المثال ، قد يتسرب من موجات الراديو إلى أجزاء ممنوعة من الطيف.
يحاول الباحثون الذين يراقبون الأرض تحديد مصادر هذه الموجات الراديوية غير القانونية. ثم يعملون مع الحكومات المحلية لإيقافها. ولكن هناك الكثير من المصادر لهذا النهج لتنقية الهواء تمامًا. يقول محمد:"إنها مشكلة لن تختفي بسهولة".
لذا فقد اتخذت نهجا آخر. إنها تقوم بتنظيف بيانات القمر الصناعي. للقيام بذلك ، طور فريقها خوارزمية (AAL-go-rith-um). إنها مجموعة من الإرشادات التي يجب على برنامج الكمبيوتر اتباعها. يقوم فريقها بفحص البيانات بحثًا عن علامات التداخل. عندما يكتشف أي شيء ، فإنه يحاول إزالة البيانات السيئة.
تعمل هذه الخوارزمية. لكن في بعض الأماكن ، لا توجد بيانات نظيفة تقريبًا. على سبيل المثال ، يؤدي التداخل القوي من الإشارات الضالة خارج ممراتهم إلى تغطية جميع أنحاء اليابان تقريبًا. الجاني؟ خدمة قنوات فضائية يستخدمها كل شخص تقريبًا في هذا البلد. يقول محمد:"صناديق استقبال التلفزيون بها تسرب". ينقلون إشارات بتردد واحد لكنهم يتسربون من طاقة الراديو بتردد العلماء المحمي. نتيجة لذلك ، لا يستطيع SMAP التقاط الكثير من البيانات المفيدة حول تربة اليابان.
مشاركة الطيف
تتجنب الفدية أجزاء من الطيف مليئة بالتداخل. وجدت محمد طريقة لتنظيف معظم بياناتها الفوضوية. لكن العلماء ليسوا الوحيدين المحبطين من حركة المرور على طريق الراديو السريع.
يتسبب الازدحام والتداخل في مشاكل لكل من يريد إرسال أو استقبال إشارات لاسلكية عبر الهواء. تتعامل شركات مثل AT&T أو Verizon مع الإشارات اللاسلكية للهواتف المحمولة والأجهزة الأخرى. تدفع هذه الشركات أسعارًا عالية مقابل الحق في استخدام أجزاء مجانية من الطيف. كما قاموا ببناء العشرات من الأبراج العالية التي تتيح للجميع في المدينة استخدام هواتفهم المحمولة في وقت واحد. وتوظف الجيوش أفرادًا لتحديد أفضل طريقة لاستخدام الطيف الراديوي أثناء المهمات.
داربا قلقة للغاية بشأن كل هذه المشاكل. لذلك نظمت هذه الوكالة الحكومية مسابقة للمهندسين تسمى تحدي التعاون في مجال الطيف الترددي. إنها تقدم جائزة بقيمة 2 مليون دولار إلى الفريق الذي يتوصل إلى أفضل طريقة للأجهزة لمشاركة الطيف الراديوي.
سيتعين على الفرق إرسال المعلومات في نفس الجزء من الطيف الراديوي في نفس الوقت. وسيواجهون عقبات. قد يحتاجون إلى الإرسال من أماكن قريبة جدًا من بعضها في الفضاء. هذا يجعل التداخل محتملًا. أو قد يحتاجون جميعًا إلى استخدام جزء رفيع جدًا من الطيف في نفس الوقت. هذه وصفة أخرى للتدخل.
سيكسب كل فريق نقاطًا للحصول على رسائله الخاصة. لكن الفرق ستكسب أيضًا نقاطًا إذا كان خصومهم يقدمون أداءً جيدًا. تكافئ هذه النقاط الأجهزة التي يمكنها العمل معًا تلقائيًا وبذكاء. بدأت المسابقة في عام 2017 ومن المقرر أن تنتهي في عام 2019.
يأمل تيلغمان أن تلهم مسابقة داربا حلولاً جديدة. يعتقد أن الوقت قد حان للتخلص من ممرات الطرق السريعة الراديوية تمامًا وإنشاء نوع جديد من أجهزة الاتصالات. يجب أن يعمل مع أنظمة أخرى قريبة لتقسيم الطيف الراديوي. إنه يتصور جهازًا لا يلتصق بتردد واحد فقط. بدلاً من ذلك ، سيتحرك حول الطيف ، مرسلاً إشارات في أي حارة بها حركة مرور قليلة أو معدومة.
يوضح تيلغمان ، لإنجاح هذا الأمر ، أن الأجهزة "ستحتاج إلى مشاركة المعلومات. إنهم بحاجة إلى التعاون ". إذا كانت جميع السيارات على طريق سريع تعمل بالتنسيق ، فلن تحتاج إلى ممرات أو إشارات مرور. يمكنهم أن يقرروا أي سيارة يجب أن تسافر إلى أين. قد تقوم السيارات ذاتية القيادة بهذا في يوم من الأيام. وربما تشترك الأجهزة الأخرى في الطيف الراديوي غير المرئي بنفس الطريقة.
ولكن ماذا عن علم الفلك الراديوي ورصد الأرض؟ قد تكون الأجهزة التي تتخطى في كل مكان أكثر عرضة للقفز في ممر يحاول الباحث استخدامه. قد تجعل هذه الأجهزة أيضًا من الصعب تحديد المسؤول عن التداخل. في الوقت الحالي ، تعرف Ransom أنها تتوقع إشارات Wi-Fi بتردد معين. ولكن إذا بدأت الأجهزة في التنقل بين الترددات ، فسيصبح كل ذلك أقل قابلية للتنبؤ به ، كما يلاحظ.
تحدي المشاركة
يتفهم تيلغمان هذه المخاوف. أحد الحلول ، كما يقول ، هو إبقاء الأجزاء المحمية من الطيف الراديوي محظورة على الغرباء. يقول:"لا نريد أن نلوث تلك الترددات". بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للعلماء الانضمام إلى Spectrum Collaboration. يمكنهم أيضًا إضافة أنظمة "ذكية" إلى تلسكوباتهم وأقمارهم الصناعية. يمكن لهذه الأدوات بعد ذلك أن تلتصق بنفسها. عندما شغّل مهندس ماكر شبكة Wi-Fi سرية ، يمكن للتلسكوب أن يقول ، "مرحبًا ، لا تستخدم هذه الترددات! أنا أستمع إليهم الآن ". يمكن لنظام Wi-Fi بعد ذلك محاولة اختيار تردد لا يقاطع الملاحظات - مما يجعل عمل علماء الفلك أسهل قليلاً.
ومع ذلك ، إذا كان أحد علماء الفلك يحاول المراقبة على مدى واسع من الطيف الراديوي ، فقد لا يكون من الممكن استخدام أي شبكة Wi-Fi في مكان قريب. لذلك ربما لا تزال هناك حاجة إلى مناطق الصمت اللاسلكي.
بغض النظر عما يحدث ، من المحتمل ألا يعمل النهج الحالي لمشاركة الطيف لفترة أطول. يتزايد طلب الناس على أجهزة الراديو كل عام. قد يكون العمل معًا هو الطريقة الوحيدة لحشد المزيد من حركة المرور في طيف راديو مزدحم. هذا يعني أنك ستتمكن من امتلاك هاتفك والواقع الافتراضي مع توفير مساحة كافية للعلماء للقيام بعملهم.
