هندسة الاتصالات

طوّر صموئيل مورس بشكل مستقل نسخة من التلغراف الكهربائي، وعرضها دون جدوى في 2 سبتمبر 1837. بعد ذلك بوقت قصير، انضم إليه ألفريد فيل الذي طوّر جهاز التسجيل - وهو محطة تلغرافية مدمجة مزودة بجهاز تسجيل لتسجيل الرسائل على شريط ورقي. وقد عُرض هذا الجهاز بنجاح على مسافة خمسة كيلومترات في 6 يناير 1838، ثم على مسافة أربعة وستين كيلومترًا بين واشنطن العاصمة وبالتيمور في 24 مايو 1844. أثبت الاختراع الحاصل على براءة اختراع أنه مربح، وبحلول عام 1851، امتدت خطوط التلغراف في الولايات المتحدة لأكثر من 32,000 كيلومتر. ^{[ 3 ]}

أُنجز أول كابل تلغراف عابر للمحيط الأطلسي بنجاح في 27 يوليو 1866، مما أتاح الاتصالات عبر المحيط الأطلسي لأول مرة. وكانت كابلات التلغراف العابرة للمحيط الأطلسي السابقة، التي رُكّبت في عامي 1857 و1858، تعمل لبضعة أيام أو أسابيع فقط قبل أن تتعطل. ^{[ 4 ]} وقد أُطلق على الاستخدام الدولي للتلغراف أحيانًا اسم " إنترنت العصر الفيكتوري ". ^{[ 5 ]}

أُنشئت أولى خدمات الهاتف التجارية في عامي 1878 و1879 على جانبي المحيط الأطلسي في مدينتي نيو هيفن ولندن . وكان ألكسندر غراهام بيل صاحب براءة الاختراع الرئيسية للهاتف اللازم لهذه الخدمات في كلا البلدين. ومنذ ذلك الحين، تطورت التكنولوجيا بسرعة، حيث تم إنشاء خطوط بين المدن ومقاسم هاتفية في كل مدينة رئيسية في الولايات المتحدة بحلول منتصف ثمانينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ومع ذلك، ظل الاتصال الصوتي عبر المحيط الأطلسي مستحيلاً بالنسبة للعملاء حتى 7 يناير 1927، عندما تم إنشاء اتصال باستخدام الراديو. إلا أنه لم يكن هناك اتصال عبر الكابل حتى تم افتتاح TAT-1 في 25 سبتمبر 1956، والذي وفر 36 دائرة هاتفية. ^{[ 9 ]}

في عام 1880، أجرى بيل وشريكه في الاختراع تشارلز سومنر تاينتر أول مكالمة هاتفية لاسلكية في العالم عبر أشعة ضوئية معدلة تم إسقاطها بواسطة أجهزة فوتوفون . لم تُستخدم المبادئ العلمية لاختراعهما إلا بعد عدة عقود، عندما تم نشرها لأول مرة في الاتصالات العسكرية والاتصالات عبر الألياف الضوئية .

على مدى عدة سنوات بدءًا من عام 1894، بنى المخترع الإيطالي غولييلمو ماركوني أول نظام تلغراف لاسلكي متكامل وناجح تجاريًا، يعتمد على الموجات الكهرومغناطيسية المحمولة جوًا ( الإرسال اللاسلكي ). ^{[ 10 ]} وفي ديسمبر 1901، أسس اتصالًا لاسلكيًا بين بريطانيا ونيوفاوندلاند، مما أهّله لنيل جائزة نوبل في الفيزياء عام 1909 (التي تقاسمها مع كارل براون ). ^{[ 11 ]} وفي عام 1900، تمكن ريجينالد فيسيندين من نقل صوت بشري لاسلكيًا. وفي 25 مارس 1925، عرض المخترع الاسكتلندي جون لوجي بيرد علنًا نقل صور ظلية متحركة في متجر سيلفريدجز بلندن . وفي أكتوبر 1925، نجح بيرد في الحصول على صور متحركة بتدرجات لونية نصفية ، والتي كانت، وفقًا لمعظم الروايات، أول صور تلفزيونية حقيقية. ^{[ 12 ]} وأدى ذلك إلى عرض عام للجهاز المُحسّن في 26 يناير 1926، مرة أخرى في سيلفريدجز . اعتمدت أجهزة بيرد الأولى على قرص نيبكو، ومن هنا أصبحت تُعرف باسم التلفزيون الميكانيكي . وقد شكلت هذه الأجهزة أساس البث شبه التجريبي الذي قامت به هيئة الإذاعة البريطانية بدءًا من 30 سبتمبر 1929.

كان مشروع SCORE أول قمر صناعي أمريكي يُستخدم لنقل الاتصالات، وذلك في عام 1958، حيث استخدم مسجلاً صوتياً لتخزين الرسائل الصوتية وإعادة توجيهها . وقد استُخدم لإرسال تهنئة عيد الميلاد إلى العالم من الرئيس الأمريكي دوايت د. أيزنهاور . وفي عام 1960، أطلقت وكالة ناسا القمر الصناعي Echo ؛ وهو عبارة عن بالون مصنوع من غشاء PET مطلي بالألومنيوم، يبلغ طوله 30 متراً، وكان بمثابة عاكس سلبي للاتصالات اللاسلكية. كما أُطلق القمر الصناعي Courier 1B ، الذي بنته شركة Philco ، في عام 1960 أيضاً، وكان أول قمر صناعي نشط لإعادة الإرسال في العالم. وتُستخدم الأقمار الصناعية اليوم في العديد من التطبيقات، مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والتلفزيون والإنترنت والهاتف. 

كان تيلستار أول قمر صناعي تجاري نشط للاتصالات عبر الترحيل المباشر . كان تابعًا لشركة AT&T بموجب اتفاقية متعددة الجنسيات بين AT&T ومختبرات بيل للهاتف ووكالة ناسا ومكتب البريد البريطاني العام ومكتب البريد الفرنسي (PTT) لتطوير الاتصالات عبر الأقمار الصناعية. أطلقته ناسا من كيب كانافيرال في 10 يوليو 1962، في أول عملية إطلاق فضائي بتمويل خاص. أُطلق القمر الصناعي ريلاي 1 في 13 ديسمبر 1962، وأصبح أول قمر صناعي يبث عبر المحيط الهادئ في 22 نوفمبر 1963. ^{[ 13 ]}

كان أول استخدام للأقمار الصناعية للاتصالات، وأهمها تاريخيًا، هو الاتصالات الهاتفية العابرة للقارات . تقوم شبكة الهاتف العامة الثابتة بتحويل المكالمات الهاتفية من الهواتف الأرضية إلى محطة أرضية ، حيث تُرسل بدورها إلى طبق استقبال فضائي عبر قمر صناعي ثابت بالنسبة للأرض في مدار أرضي. وقد أدى تحسين كابلات الاتصالات البحرية ، من خلال استخدام الألياف الضوئية ، إلى انخفاض استخدام الأقمار الصناعية للاتصالات الهاتفية الثابتة في أواخر القرن العشرين، إلا أنها لا تزال تخدم حصريًا الجزر النائية مثل جزيرة أسنسيون ، وسانت هيلينا ، ودييغو غارسيا ، وجزيرة إيستر ، حيث لا توجد كابلات بحرية قيد التشغيل. كما توجد بعض القارات وبعض مناطق الدول التي تندر فيها الاتصالات الهاتفية الأرضية أو تنعدم، مثل القارة القطبية الجنوبية ، بالإضافة إلى مناطق واسعة من أستراليا، وأمريكا الجنوبية، وأفريقيا، وشمال كندا، والصين، وروسيا، وغرينلاند .

بعد إرساء خدمة الاتصالات الهاتفية التجارية بعيدة المدى عبر الأقمار الصناعية، تمّ تكييف العديد من خدمات الاتصالات التجارية الأخرى لتتوافق مع أقمار صناعية مماثلة بدءًا من عام 1979، بما في ذلك الهواتف المحمولة عبر الأقمار الصناعية ، والراديو عبر الأقمار الصناعية ، والتلفزيون عبر الأقمار الصناعية ، وخدمة الإنترنت عبر الأقمار الصناعية . وقد حدث التكييف الأولي لمعظم هذه الخدمات في التسعينيات مع استمرار انخفاض أسعار قنوات الإرسال والاستقبال عبر الأقمار الصناعية التجارية بشكل ملحوظ.

في 11 سبتمبر 1940، تمكن جورج ستيبتز من إرسال مسائل باستخدام جهاز التلكس إلى حاسبته للأعداد المركبة في نيويورك، واستلام النتائج المحسوبة في كلية دارتموث في نيو هامبشاير . ^{[ 14 ]} ظل هذا التكوين للحاسوب المركزي أو الحاسوب الرئيسي مع "محطات طرفية بسيطة" بعيدة شائعًا طوال الخمسينيات وحتى الستينيات. مع ذلك، لم يبدأ الباحثون بدراسة تقنية تبديل الحزم - وهي تقنية تسمح بإرسال أجزاء من البيانات بين أجهزة حاسوب مختلفة دون المرور أولًا عبر حاسوب مركزي رئيسي - إلا في الستينيات. ظهرت شبكة من أربع عقد في 5 ديسمبر 1969. وسرعان ما أصبحت هذه الشبكة تُعرف باسم ARPANET ، والتي بحلول عام 1981 كانت تتألف من 213 عقدة. ^{[ 15 ]}

تمحور تطوير شبكة أربانت حول عملية طلب التعليقات، وفي 7 أبريل 1969، نُشرت وثيقة طلب التعليقات رقم 1 (RFC 1). تكتسب هذه العملية أهمية بالغة لأن أربانت اندمجت لاحقًا مع شبكات أخرى لتشكيل الإنترنت، وقد تم تحديد العديد من بروتوكولات الاتصال التي يعتمد عليها الإنترنت اليوم من خلال عملية طلب التعليقات. في سبتمبر 1981، قدمت وثيقة طلب التعليقات رقم 791 بروتوكول الإنترنت الإصدار الرابع (IPv4)، وقدمت وثيقة طلب التعليقات رقم 793 بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP)، مما أدى إلى إنشاء بروتوكول TCP/IP الذي يعتمد عليه جزء كبير من الإنترنت اليوم.

يمكن استخدام الألياف الضوئية كوسيلة للاتصالات وشبكات الحاسوب نظرًا لمرونتها وإمكانية تجميعها في كابلات. وتُعدّ هذه الألياف مفيدة بشكل خاص للاتصالات بعيدة المدى، إذ ينتشر الضوء عبرها مع فقدان ضئيل مقارنةً بالكابلات الكهربائية. وهذا يسمح بتغطية مسافات طويلة باستخدام عدد قليل من أجهزة إعادة الإرسال .

في عام 1966 اقترح تشارلز ك. كاو وجورج هوكهام الألياف البصرية في مختبرات STC (STL) في هارلو ، إنجلترا، عندما أظهروا أن الخسائر التي تبلغ 1000  ديسيبل/كم في الزجاج الموجود (مقارنة بـ 5-10  ديسيبل/كم في الكابل المحوري) كانت بسبب الملوثات، والتي يمكن إزالتها.

تم تطوير الألياف البصرية بنجاح في عام 1970 بواسطة شركة كورنينج جلاس ووركس ، مع توهين منخفض بما يكفي لأغراض الاتصال (حوالي 20 ديسيبل / كم)، وفي نفس الوقت تم تطوير ليزرات أشباه الموصلات GaAs (زرنيخيد الغاليوم) التي كانت صغيرة الحجم وبالتالي مناسبة لنقل الضوء عبر كابلات الألياف البصرية لمسافات طويلة.

بعد فترة من البحث بدأت عام 1975، طُوّر أول نظام اتصالات تجاري بالألياف الضوئية، والذي كان يعمل بطول موجي يبلغ حوالي 0.8  ميكرومتر، ويستخدم ليزرات أشباه الموصلات المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم. عمل هذا النظام من الجيل الأول بمعدل بتات يبلغ 45 ميجابت في الثانية ، مع تباعد بين أجهزة إعادة الإرسال يصل إلى 10 كيلومترات. وفي 22 أبريل 1977، أرسلت شركة جنرال تيليفون آند إلكترونيكس أول حركة مرور هاتفية مباشرة عبر الألياف الضوئية بمعدل نقل بيانات يبلغ 6 ميجابت في الثانية في لونغ بيتش، كاليفورنيا.   

يبدو أن أول نظام كابلات ألياف ضوئية لشبكة واسعة النطاق في العالم قد تم تركيبه بواسطة شركة ريديفيوجن في هاستينغز، شرق ساسكس، المملكة المتحدة عام 1978. وُضعت الكابلات في قنوات موزعة في جميع أنحاء المدينة، وكان لديها أكثر من 1000 مشترك. استُخدمت في ذلك الوقت لنقل قنوات التلفزيون، التي لم تكن متاحة بسبب مشاكل الاستقبال المحلية.

كان كابل الهاتف العابر للمحيط الأطلسي TAT-8 أول كابل يستخدم الألياف الضوئية ، وقد اعتمد على تقنية تضخيم الليزر المحسّنة من Desurvire. ودخل حيز التشغيل في عام 1988.

في أواخر التسعينيات وحتى عام 2000، توقعت جهات الترويج الصناعية وشركات الأبحاث مثل KMI وRHK زيادات هائلة في الطلب على عرض النطاق الترددي للاتصالات بسبب زيادة استخدام الإنترنت ، وتسويق خدمات المستهلك المختلفة التي تتطلب عرض نطاق ترددي كبير، مثل الفيديو حسب الطلب ، وكان حجم بيانات بروتوكول الإنترنت يتزايد بشكل كبير، بمعدل أسرع من معدل زيادة تعقيد الدوائر المتكاملة بموجب قانون مور . ^{[ 16 ]}

تستخدم الاتصالات السلكية كابلات اتصالات تحت الأرض (وفي حالات أقل، خطوط هوائية)، ومضخمات إشارة إلكترونية (مكررات) يتم إدخالها في كابلات التوصيل عند نقاط محددة، وأجهزة طرفية من أنواع مختلفة، وذلك حسب نوع الاتصالات السلكية المستخدمة. ^{[ 18 ]}

تتضمن الاتصالات اللاسلكية نقل المعلومات عبر مسافة دون استخدام أسلاك أو كابلات أو أي نوع آخر من الموصلات الكهربائية. ^{[ 19 ]} تتيح العمليات اللاسلكية خدمات، مثل الاتصالات بعيدة المدى، التي يستحيل أو يصعب تنفيذها باستخدام الأسلاك. يُستخدم هذا المصطلح عادةً في صناعة الاتصالات للإشارة إلى أنظمة الاتصالات (مثل أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية، وأجهزة التحكم عن بُعد، وما إلى ذلك) التي تستخدم شكلاً من أشكال الطاقة (مثل الموجات الراديوية ، والطاقة الصوتية، وما إلى ذلك) لنقل المعلومات دون استخدام الأسلاك. ^{[ 20 ]} تُنقل المعلومات بهذه الطريقة عبر مسافات قصيرة وطويلة على حد سواء.

مهندس معدات الاتصالات هو مهندس إلكترونيات يقوم بتصميم معدات مثل أجهزة التوجيه والمحولات والمضاعفات وغيرها من معدات الكمبيوتر/الإلكترونيات المتخصصة المصممة للاستخدام في البنية التحتية لشبكة الاتصالات.

مهندس الشبكات هو مهندس حاسوب مسؤول عن تصميم ونشر وصيانة شبكات الحاسوب. بالإضافة إلى ذلك، يشرف على عمليات الشبكة من مركز عمليات الشبكة ، ويصمم البنية التحتية الأساسية ، أو يشرف على عمليات الربط البيني في مركز البيانات .

يتولى مهندس المكتب المركزي مسؤولية تصميم وتنفيذ معدات الاتصالات في المكتب المركزي (CO)، والذي يُعرف أيضًا باسم مركز الاتصالات أو مقسم الهاتف ^{[ 21 ].} ويشمل ذلك دمج التقنيات الجديدة في الشبكة القائمة، وتحديد مواقع المعدات في مركز الاتصالات، وتوفير الطاقة والتوقيت (للمعدات الرقمية) وأنظمة مراقبة الإنذارات للمعدات الجديدة. كما يتولى مهندس المكتب المركزي مسؤولية توفير المزيد من الطاقة والتوقيت وأنظمة مراقبة الإنذارات في حال عدم كفاية الموارد المتاحة حاليًا لدعم المعدات الجديدة قيد التركيب. وأخيرًا، يتولى مهندس المكتب المركزي مسؤولية تصميم كيفية توزيع كميات الكابلات الهائلة على مختلف المعدات وهياكل الأسلاك في جميع أنحاء مركز الاتصالات، والإشراف على تركيب وتشغيل جميع المعدات الجديدة.

يُطلق على مهندسي الشبكات الخارجية (OSP) أيضًا اسم مهندسي الميدان، نظرًا لأنهم يقضون وقتًا طويلًا في الميدان لتدوين ملاحظات حول البيئة المدنية، سواءً كانت هوائية أو فوق الأرض أو تحتها. يتولى مهندسو الشبكات الخارجية مسؤولية نقل الكابلات (النحاسية، والألياف الضوئية، وغيرها) من مركز التوزيع إلى نقطة التوزيع أو الوجهة مباشرةً. في حال استخدام تصميم نقطة التوزيع، يتم وضع صندوق توصيل في موقع استراتيجي لتغذية منطقة توزيع محددة.

يتم بعد ذلك تركيب صندوق التوصيل المتقاطع ، المعروف أيضًا بواجهة منطقة الخدمة ، لتسهيل عملية التوصيل من مركز الشبكة إلى نقطة الوصول، وتقليل استهلاك المرافق من خلال الاستغناء عن تخصيص خطوط من مركز الشبكة إلى كل نقطة وصول. ثم يتم توصيل الشبكة مباشرةً إلى نقطة الوصول أو إلى نقطة وصول صغيرة أخرى تُسمى محطة طرفية، حيث يمكن الوصول إلى الشبكة عند الحاجة. تُفضل نقاط الوصول هذه لأنها تُسرّع عمليات الإصلاح للعملاء وتوفر مبالغ طائلة لشركات تشغيل الهاتف.

يمكن توصيل مرافق المصنع عبر مرافق تحت الأرض، إما مدفونة مباشرة أو من خلال قناة أو في بعض الحالات موضوعة تحت الماء، أو عبر مرافق هوائية مثل أعمدة الهاتف أو الكهرباء، أو عبر إشارات الراديو بالميكروويف لمسافات طويلة حيث تكون أي من الطريقتين الأخريين مكلفة للغاية.

الأدوار الفرعية

بصفتهم مهندسين إنشائيين ، يتولى مهندسو الشبكات الخارجية مسؤولية التصميم الإنشائي وتحديد مواقع أبراج الاتصالات وأعمدة الهاتف، بالإضافة إلى حساب قدرة تحمل أعمدة الهاتف أو الكهرباء القائمة التي تُضاف إليها معدات جديدة. وتُعدّ الحسابات الإنشائية ضرورية عند الحفر تحت مناطق ذات حركة مرور كثيفة كالطرق السريعة، أو عند ربطها بمنشآت أخرى كالجسور. كما يجب مراعاة التدعيم في الخنادق أو الحفر الكبيرة. غالبًا ما تتضمن هياكل القنوات أغلفة من الطين، والتي يجب تصميمها لدعم الهيكل ومقاومة الظروف البيئية المحيطة به (نوع التربة، مناطق ذات حركة مرور كثيفة، إلخ).

بصفتهم مهندسين كهربائيين ، يتحمل مهندسو الشبكات الخارجية مسؤولية تصميم المقاومة والسعة والحث (RCL) لجميع البنى التحتية الجديدة لضمان وضوح ونقاء خدمة الهاتف، وكفاءة وموثوقية خدمة البيانات. ويتطلب تحديد طول وحجم الكابلات اللازمة لتوفير الخدمة المطلوبة حسابات التوهين أو الفقد التدريجي في شدة الإشارة وفقدان الحلقة. بالإضافة إلى ذلك، يجب حساب متطلبات الطاقة وتوفيرها لتشغيل أي معدات إلكترونية يتم تركيبها ميدانيًا. ويجب مراعاة جهد التأريض عند تركيب المعدات والمنشآت والبنى التحتية ميدانيًا، وذلك لمراعاة الصواعق، واعتراض الجهد العالي الناتج عن منشآت شركات الكهرباء غير المؤرضة بشكل صحيح أو المعطلة، ومن مصادر التداخل الكهرومغناطيسي المختلفة.

بصفتهم مهندسين مدنيين ، يتولى مهندسو شبكات الاتصالات الخارجية مسؤولية إعداد المخططات، سواءً يدويًا أو باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، لتحديد مواقع مرافق شبكات الاتصالات. غالبًا ما يتطلب العمل مع البلديات الحصول على تصاريح حفر أو إنشاء خنادق، ويجب إعداد رسومات توضيحية لذلك. تتضمن هذه الرسومات عادةً حوالي 70% من المعلومات التفصيلية اللازمة لرصف طريق أو إضافة مسار انعطاف إلى شارع قائم. كما تُجرى حسابات إنشائية عند الحفر تحت مناطق ذات حركة مرور كثيفة كالطرق السريعة، أو عند ربطها بمنشآت أخرى كالجسور. وبصفتهم مهندسين مدنيين، يُشكل مهندسو الاتصالات العمود الفقري للاتصالات الحديثة التي تُغطي جميع الاتصالات التكنولوجية المنتشرة في مختلف أنحاء العالم اليوم.

في هندسة الاتصالات، تُستخدم الكابلات ذات النواة الهوائية مع أنظمة معدات معالجة الهواء، بما في ذلك الضواغط، والمشعبات، والمنظمات، وشبكات أنابيب الهواء. تحافظ هذه الأنظمة على الضغط داخل علب التوصيل لتقليل دخول الرطوبة ودعم سلامة الإشارة في كابلات النحاس.

بصفته سفيراً سياسياً واجتماعياً ، يمثل مهندس شبكة الاتصالات الخارجية (OSP) واجهة شركة تشغيل الهاتف وصوتها أمام السلطات المحلية وشركات المرافق الأخرى. ويجتمع مهندسو شبكة الاتصالات الخارجية بانتظام مع البلديات وشركات الإنشاءات وشركات المرافق الأخرى لمعالجة مخاوفهم وتوعيتهم بكيفية عمل شبكة الهاتف وتشغيلها. إضافةً إلى ذلك، يتعين على مهندس شبكة الاتصالات الخارجية تأمين العقارات اللازمة لوضع المرافق الخارجية، مثل حق المرور لوضع صندوق التوصيل البيني.