أنظمة الوصول المتعددة في الجيل الخامس من الاتصالات المتنقلة

أحد العناصر الأساسية لأي نظام اتصالات متنقلة هو تقنية الوصول المتعدد المستخدمة، ونتيجةً لذلك يتم النظر في مخططات الوصول المتعدد (5G) والبحث فيها بعناية لضمان اعتماد التقنيات المثلى، وهناك العديد من أنظمة الوصول المتعددة (5G) المرشحة قيد التشغيل، كما تُعد (MIMO) إحدى تقنيات التمكين الرئيسية لتقنية (5G اللاسلكية)، ممّا يوفر زيادة في معدل النقل والإشارة إلى الضوضاء.

ما هي أنظمة الوصول المتعددة في 5G؟

  1. النفاذ المتعدد بتقسيم التردد المتعامد – OFDMA

تم استخدام (OFDMA) على نطاق واسع وناجح جداً في (4G)، ويمكن استخدامه كمخطط وصول متعدد (5G)، ومع ذلك فإنّه يتطلب استخدام (OFDM) ويتطلب التعامد بين الموجات الحاملة واستخدام بادئة دورية له بعض العيوب، ونتيجةً لذلك يتم التحقيق في أنظمة وصول متعددة أخرى.

  1. الوصول المتنوع للتعليمات البرمجية – SCMA

الوصول المتنوع للتعليمات البرمجية (SCMA): هي فكرة يتم اعتبارها خطة وصول متعدد (5G) وهي مزيج فعال من (OFDMA وCDMA)، وعادةً مع (OFDMA) يتم تخصيص الناقل أو الموجات الحاملة لمستخدم معين، ومع ذلك إذا تمت إضافة رمز انتشار إلى كل شركة نقل فستكون قادرة على نقل البيانات إلى أو من مستخدمين متعددين، وتم تطوير هذه التقنية لاستخدام ما يسمى بالشفرة المتفرقة وبهذه الطريقة يمكن إضافة أعداد كبيرة من المستخدمين مع الحفاظ على مستويات الكفاءة الطيفية.

  1. الوصول المتعدد غير المتعامد – NOMA

الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA): هي إحدى التقنيات التي يتم اعتبارها مخطط وصول متعدد (5G)، حيث تعمل (NOMA) على تراكب العديد من المستخدمين في مجال الطاقة، باستخدام تقنيات الإلغاء لإزالة الإشارة الأكثر قوة، كما يمكن لـ (NOMA) استخدام النفاذ المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA) أو تحويل فورييه المنفصل أو (OFDM) انتشار (DFT).

ما هي موجة 5G ملليمتر؟

أحد الوسائل التي من الممكن أن يتم دمجها في تقنيات (5G)، والتي يتم تطويرها لأنظمة الاتصالات المتنقلة (5G) هي قدرة الموجات المليمترية، ومع نقص الإمداد بالطيف إلى أقل من (4 جيجا هيرتز)، يتم النظر في الترددات التي تصل إلى (60 جيجا هرتز)، كما تستخدم إحدى الواجهات التي يتم النظر فيها للاتصالات المتنقلة (5G) ترددات الموجات المليمترية.

تدل التقديرات إلى أنّ المشغلين قد يحتاجون إلى عرض نطاق يصل إلى عدة جيجاهرتز لتوفير بعض معدلات البيانات العالية للغاية التي يتم التنبؤ بها، كما تستخدم أنظمة الاتصالات المتنقلة حالياً التردد الذي يقل عن (4 جيجاهرتز)، ولا تستطيع هذه الترددات أن توفر سوى عرض نطاق ترددي أقصى يبلغ (4 جيجاهرتز)، حتى لو كانت جميعها واضحة للاستخدام وهو أمر غير ممكن بشكل واضح، ومن خلال وجود واجهة موجة (5G ملليمتر)، يمكن الحصول على نطاقات أوسع بكثير.

انتشار موجة 5G ملليمتر

تتنوع خصائص انتشار نطاقات الموجات المليمترية تنوعاً كبيراً عن تلك التي تقل عن (4 جيجاهرتز) وعادةً ما تكون المسافات التي يمكن تحقيقها أقل بكثير ولا تمر الإشارات عبر الجدران والأشياء الأخرى في المباني، كما يتم استخدام اتصال الموجات المليمترية للتغطية الخارجية للشبكات الكثيفة أي عادةً ما تكون الشوارع كثيفة الاستخدام وما شابه، كما يمكن الوصول إلى نطاقات تصل إلى (200 أو 300 متر).

تُعدد إحدى مشكلات استخدام إشارات الموجات المليمترية في أنّها يمكن أن تتأثر أيضاً بالتغيرات الطبيعية مثل المطر، كما يمكن أن يتسبب هذا في انخفاض كبير في مستويات الإشارة طوال فترة هطول الأمطار، وقد يؤدي هذا إلى تقليل التغطية لبعض الفترات، وغالباً ما تستخدم هذه الخلايا الصغيرة ذات الموجات (5G ملليمتر) تقنيات تشكيل الحزمة؛ لاستهداف معدات المستخدم المطلوبة وتقليل إمكانية الانعكاسات.

تغطية موجة الملليمتر 5G

تُعد عمليات المحاكاة التي تقوم بإنشاء خلايا صغيرة بموجة ملليمتر، بأنها توفير مستوى جيد من التغطية، وعادةً ما تكون أقل من الخلايا الكلية ولن تكون التغطية جيدة ولكن عند النظر في مستوى البيانات التي يمكن أن تحملها، فإنّها توفر طريقة ممتازة للأمام لتلبية احتياجات أنظمة (5G)، وهناك مشكلة أخرى يجب الانتباه لها عند النظر إلى حلول موجات (5G ملليمتر)، وهي أنّها ستتعرض لعدد أكبر بكثير من عمليات التسليم مقارنة بخلايا ماكرو عادية، كما يجب استيعاب الإشارات الإضافية والتحكم داخل النظام، ويجب أيضاً مراعاة مشكلات التوصيل.

ما هي تقنية 5G Massive MIMO؟

تقنية (5G Massive MIMO): هي أحد المفاتيح التي تمكن من زيادة الإنتاجية والمرونة على راديو (5G) الجديد لنطاقي (FR1 وFR2)، كما تُعد (MIMO) إحدى تقنيات التمكين الرئيسية لتقنية (5G) اللاسلكية التي توفر زيادة في معدل النقل والإشارة إلى نسبة الضوضاء.

تقنية (MIMO): هي تقنية هوائي تعمل على تحسين الارتباط الراديوي باستخدام مسارات متعددة تنتقل عبرها الإشارات من المرسل إلى المستقبل، وذلك نتيجة للعديد من الانعكاسات التي تمر بها الإشارة والعديد من المسارات التي يمكن أن تنتقل عبرها، والمسارات المتعددة الغير مرتبطة ممّا يوفر الفرصة لإرسال تدفقات بيانات متعددة فوقها.

تسمح مواصفات (4G LTE) باستخدام ما يصل إلى ثماني طبقات مكانية في الوصلة الهابطة وأربع طبقات مكانية في الوصلة الصاعدة، وقد تستخدم شبكات (4G LTE) المنتشرة طبقتين أو أربع طبقات مكانية لتحسين الأداء، وللتطوير من (MIMO) الأساسي المستخدم في (4G LTE) إلى تنسيقات (MIMO الضخمة 5G)، من الممكن زيادة عدد عناصر الهوائي، فعلى سبيل المثال فإنّ استخدام (64 هوائياً) متقاطع الاستقطاب يعني أنّ المحطة الأساسية يمكن تعريفها على أنّها نظام (Massive MIMO).

إنّ الزيادة الكبيرة في عدد عناصر الهوائي لا تزيد من عدد الطبقات المكانية، كما يتيح استخدام هذا العدد الكبير من العناصر للهوائي (5G MIMO) من توفير إمكانيات (MIMO) وتشكيل الحزمة، ولا يوجد في الواقع تعريف للمكان الذي يتم فيه رسم الخط بين نظام (MIMO) العادي ونظام (MIMO) الضخم، وعادةً ما يتم تطبيقه على الأنظمة التي تحتوي على عشرات الهوائيات أو أكثر، حيث تتوفر هوائيات (Massive MIMO 5G) مع (64 و96 وحتى 128 نظام هوائي).

تُعد (Massive MIMO) إلى جانب تقنيات الهوائي الذكية، مثل تشكيل الحزمة وتوجيه الحزمة من بين التقنيات الرئيسية لتمكين الإنتاجية العالية ومكاسب السعة التي وعدت بها شبكة الجيل الخامس، وهي ضرورية لتقديم معدلات بيانات (100x) وأهداف قدرة (1000x) المحددة في الرؤية الدولية للاتصالات المتنقلة (IMT-2020).

نظراً لأنّ (Massive MIMO) يستخدم العديد من الهوائيات أكثر من عدد (UEs في الخلية)، فإنّ الحزمة أضيق بكثير، ممّا يمكّن المحطة الأساسية من توصيل طاقة (RF) إلى (UE) بشكل أكثر دقة وكفاءة، كما يتم التحكم في طور الهوائي وكسبه بشكل فردي مع بقاء معلومات القناة مع المحطة الأساسية، ممّا يبسط تجهيزات المستعمل بدون إضافة هوائيات مستقبلات متعددة، وسيؤدي تركيب عدد كبير من هوائيات المحطة الأساسية إلى زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الخلية، ممّا يؤدي إلى زيادة سعة موقع الخلية والإنتاجية، ولأنّ تنفيذ (5G Massive MIMO) يتم على ترددات (mmWave)، فإنّ الهوائيات المطلوبة صغيرة وسهلة التركيب والصيانة.

تحديات ومزايا تكنولوجيا 5G Massive MIMO

يوفر استخدام (Massive MIMO) ضمن تقنية (5G) اللاسلكية العديد من المزايا، وهو في الواقع يتغلب على العديد من المشكلات التي كانت موجودة مع نهج (4G LTE MIMO)، ومع ذلك فإنّه يجلب العديد من التحديات الجديدة، كما يُعد تطوير الهوائيات قضية رئيسية ومن الضروري تطوير هوائيات منخفضة التكلفة ومنخفضة الدقة، وكذلك يجب أنّ تكون قادرًا على إجراء اختبار ذي مغزى مع (MIMO)، وفي هذه الحالة يكون (Massive MIMO) الذي يحتوي على العديد من التباديل والظروف المختلفة، يصبح من الصعب جداً اختباره، حيث تقدم هوائيات (Massive MIMO 5G) العديد من التحديات المثيرة للاهتمام.

بالنظر إلى مزايا تقنية (5G Massive MIMO)، هناك مزايا كبيرة من حيث زيادة السعة، وقدرت بعض التقديرات التحسن بمقدار (50 ضعفاً) على الرغم من أنّ هذا قد يكون مبالغاً فيه بعض الشيء، ولم يكن لدى الأجيال السابقة من أنظمة الاتصالات المتنقلة القدرة على إدارة الموارد بالطريقة التي يمكن بها لشبكات الجيل الخامس، وقد أدى ذلك إلى زيادة تحميل الشبكات وباستخدام تقنية (Massive MIMO) وتقنية تشكيل الحزمة، يتم التعامل مع إدارة الطيف بشكل أكثر ذكاءً وهذا يؤدي إلى أن تكون معدلات البيانات ومستويات وقت الاستجابة أكثر اتساقاً عبر الشبكة.

لطالما استخدمت رادارات الفضاء والدفاع واتصالات الأقمار الصناعية هوائيات ذات صفيف مرحلي نشط، لكن صفيفات الهوائي هذه تميل إلى أن تكون كبيرة ومكلفة للغاية، كما يطرح تطبيق هذه التقنية على الشبكات اللاسلكية التجارية، حيث يجب أن تكون صفائف الهوائي أصغر بكثير وأقل تكلفة، والعديد من التحديات الجديدة، كما تتطلب جميع اختبارات (5G MIMO) تقريباً اختباراً عبر الهواء (OTA)، في وقت مبكر من التطوير تحتاج حلول اختبار (OTA) إلى وصف أداء الحزمة ثلاثية الأبعاد عبر نطاق الهوائي، بما في ذلك جوانب مثل كسب الهوائي والقسم الجانبي والعمق الفارغ للنطاق الكامل لترددات (5G) وعرض النطاق الترددي.

تُعد تقنية (5G Massive MIMO) عنصراً أساسياً في تقنية الاتصالات المتنقلة الجديدة، كما سيمكن ذلك من تحقيق زيادات كبيرة في الأداء وسعة البيانات، وهذه النقطة الأخيرة هي مطلب رئيسي لشبكة الجيل الخامس حيث يتزايد استخدام البيانات بشكل كبير، ونتيجةً لذلك تحتاج سعة الشبكة إلى زيادة وستكون قدرة (5G Massive MIMO) جزءاً من توفير السعة المطلوبة.

شاهد أيضاً

نسبة الإشارة إلى الضوضاء – SNR

تلعب نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) دوراً حاسماً في أي قياس، فمثلاً بالنسبة للأذن غير …

اترك تعليقاً