عرض النطاق الترددي (الحوسبة)

في مجال الحوسبة ، يُعرَّف عرض النطاق الترددي بأنه أقصى معدل لنقل البيانات عبر مسار معين. ويمكن وصف عرض النطاق الترددي بأنه عرض نطاق الشبكة ، ^{[ 1 ]} أو عرض نطاق البيانات ، ^{[ 2 ]} أو عرض النطاق الرقمي . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يختلف هذا التعريف لعرض النطاق الترددي عن استخدامه في معالجة الإشارات ، والاتصالات اللاسلكية ، ونقل البيانات عبر المودم ، والاتصالات الرقمية ، والإلكترونيات ، حيث يُستخدم مصطلح عرض النطاق الترددي للإشارة إلى عرض نطاق الإشارة المقاس بالهرتز ، أي نطاق التردد بين أدنى وأعلى تردد يمكن الوصول إليه مع الحفاظ على مستوى محدد من ضعف قدرة الإشارة. ولا يعتمد معدل البتات الفعلي الذي يمكن تحقيقه على عرض نطاق الإشارة فحسب، بل يعتمد أيضًا على التشويش في القناة.

يشير مصطلح عرض النطاق الترددي أحيانًا إلى معدل البتات الصافي ، أو معدل البتات الأقصى ، أو معدل المعلومات ، أو معدل البتات المفيد في الطبقة الفيزيائية ، أو سعة القناة ، أو أقصى إنتاجية لمسار اتصال منطقي أو فيزيائي في نظام اتصالات رقمي. على سبيل المثال، تقيس اختبارات عرض النطاق الترددي أقصى إنتاجية لشبكة حاسوب. ويُحدَّد أقصى معدل يمكن الحفاظ عليه على وصلة ما بسعة قناة شانون-هارتلي لهذه الأنظمة، والتي تعتمد على عرض النطاق الترددي بالهرتز والضوضاء على القناة.

يُشير عرض النطاق الترددي المُستهلك، المُقاس بالبت/ثانية، إلى معدل النقل المُحقق أو الإنتاجية الجيدة ، أي متوسط ​​معدل نقل البيانات بنجاح عبر مسار الاتصال. ويتأثر عرض النطاق الترددي المُستهلك بتقنيات مثل تشكيل النطاق الترددي ، وإدارة النطاق الترددي ، وتقييد النطاق الترددي ، وتحديد سقف النطاق الترددي ، وتخصيص النطاق الترددي (مثل بروتوكول تخصيص النطاق الترددي والتخصيص الديناميكي للنطاق الترددي )، وغيرها. ويتناسب عرض النطاق الترددي لتدفق البتات طرديًا مع متوسط ​​عرض النطاق الترددي للإشارة المُستهلكة بالهرتز (متوسط ​​عرض النطاق الترددي الطيفي للإشارة التناظرية التي تُمثل تدفق البتات) خلال فترة زمنية مُحددة.

قد يُخلط بين عرض نطاق القناة ومعدل نقل البيانات الفعال. فعلى سبيل المثال، قد لا تنقل قناة ذات معدل نقل بيانات x بت/ثانية البيانات بنفس المعدل بالضرورة ، إذ تُضيف البروتوكولات والتشفير وعوامل أخرى عبئًا كبيرًا. فعلى سبيل المثال، يستخدم جزء كبير من حركة مرور الإنترنت بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP)، الذي يتطلب مصافحة ثلاثية لكل عملية نقل. ورغم كفاءة هذا البروتوكول في العديد من التطبيقات الحديثة، إلا أنه يُضيف عبئًا كبيرًا مقارنةً بالبروتوكولات الأبسط. كما قد تُفقد حزم البيانات، مما يُقلل من معدل نقل البيانات الفعال. وبشكل عام، يتطلب أي اتصال رقمي فعال بروتوكول تأطير؛ ويعتمد كل من العبء ومعدل النقل الفعال على طريقة التنفيذ. ويُساوي معدل النقل الفعال سعة القناة الفعلية مطروحًا منها عبء التنفيذ.

يُعدّ عرض النطاق الترددي التقاربي (أو الإنتاجية التقاربية ) لشبكة ما مقياسًا لأقصى إنتاجية لمصدر جشع ، على سبيل المثال عندما يقترب حجم الرسالة (عدد الحزم في الثانية من مصدر ما) من الحد الأقصى. ^{[ 5 ]}

عادةً ما تُقدَّر عروض النطاق الترددي التقاربية عن طريق إرسال عدد من الرسائل الكبيرة جدًا عبر الشبكة، وقياس معدل نقل البيانات من البداية إلى النهاية. وكما هو الحال مع عروض النطاق الترددي الأخرى، يُقاس عرض النطاق الترددي التقاربي بمضاعفات البتات في الثانية. ولأن ارتفاعات عرض النطاق الترددي المفاجئة قد تؤثر على دقة القياس، غالبًا ما تستخدم شركات الاتصالات طريقة النسبة المئوية الخامسة والتسعين. تقيس هذه الطريقة استخدام عرض النطاق الترددي باستمرار، ثم تستبعد أعلى 5% منه. ^{[ 6 ]}

قد يشير النطاق الترددي الرقمي أيضًا إلى: معدل بت الوسائط المتعددة أو متوسط ​​معدل البت بعد ضغط بيانات الوسائط المتعددة ( ترميز المصدر )، والذي يُعرف بأنه إجمالي كمية البيانات مقسومًا على وقت التشغيل.

نظراً لمتطلبات النطاق الترددي العالية غير العملية للوسائط الرقمية غير المضغوطة ، يمكن تقليل النطاق الترددي المطلوب للوسائط المتعددة بشكل كبير باستخدام ضغط البيانات. ^{[ 7 ]} تُعد تقنية تحويل جيب التمام المنفصل (DCT) أكثر تقنيات ضغط البيانات شيوعاً لتقليل النطاق الترددي للوسائط ، وقد اقترحها ناصر أحمد لأول مرة في أوائل سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 8 ]} يقلل ضغط DCT بشكل كبير من مقدار الذاكرة والنطاق الترددي المطلوبين للإشارات الرقمية، حيث يمكنه تحقيق نسبة ضغط بيانات تصل إلى 100:1 مقارنةً بالوسائط غير المضغوطة. ^{[ 9 ]}

في خدمات استضافة المواقع ، يُستخدم مصطلح " النطاق الترددي" غالبًا لوصف كمية البيانات المنقولة من أو إلى الموقع الإلكتروني أو الخادم خلال فترة زمنية محددة، على سبيل المثال، استهلاك النطاق الترددي المتراكم على مدار شهر يُقاس بالجيجابايت شهريًا. ^{[ 10 ]} والعبارة الأكثر دقة المستخدمة لهذا المعنى، أي الحد الأقصى لكمية البيانات المنقولة شهريًا أو خلال فترة زمنية محددة، هي " نقل البيانات الشهري" .

يمكن أن يحدث وضع مماثل لمقدمي خدمات الإنترنت للمستخدمين النهائيين أيضًا، خاصة عندما تكون سعة الشبكة محدودة (على سبيل المثال في المناطق ذات الاتصال بالإنترنت المتخلف وعلى الشبكات اللاسلكية).

ينص قانون إدهولم، الذي اقترحه فيل إدهولم وسُمّي باسمه عام 2004، ^{[ 11 ]} على أن عرض نطاق شبكات الاتصالات يتضاعف كل 18 شهرًا، وقد ثبتت صحة ذلك منذ سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 11 ] [ 12 ]} ويتضح هذا الاتجاه في حالات الإنترنت ، ^{[ 11 ]} والشبكات الخلوية (المحمولة)، وشبكات LAN اللاسلكية ، وشبكات المناطق الشخصية اللاسلكية . ^{[ 12 ]}

يُعدّ ترانزستور MOSFET ( ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) العامل الأهم في زيادة عرض النطاق الترددي بسرعة. ^{[ 13 ]} وقد اخترعه محمد عطا الله وداوون كانغ في مختبرات بيل عام 1959، ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} ليصبح فيما بعد اللبنة الأساسية لتكنولوجيا الاتصالات الحديثة . ^{[ 17 ] [ 18 ]} وقد ساهم التطور المستمر في تصنيع ترانزستور MOSFET ، إلى جانب التطورات المختلفة في تكنولوجيا MOS، في تطبيق قانون مور ( تضاعف عدد الترانزستورات في رقائق الدوائر المتكاملة كل عامين) وقانون إدهولم (تضاعف عرض النطاق الترددي للاتصالات كل 18 شهرًا). ^{[ 13 ]}