طيف ونطاقات ترددات LTE في الاتصالات المتنقلة

هناك عدد متزايد من نطاقات تردد (4G LTE) التي تم تخصيصها كإمكانيات للاستخدام مع (LTE)، العديد من نطاقات تردد (4G LTE) قيد الاستخدام بالفعل لأنظمة خلوية أخرى، في حين أنّ نطاقات (LTE) أخرى جديدة ويتم تقديمها، حيث يتم إعادة تخصيص الطيف للمستخدمين الآخرين في مكان آخر، وتعتبر فئات (LTE) مهمة لأنّها توفر معلومات إلى المحطة الأساسية و(eNB) من معدات المستخدم و(UE) حول قدرة تجهيزات المستعمل.

ما هي نطاقات تردد LTE؟

هناك العديد من نطاقات تردد (LTE) المختلفة التي تم توزيعها حول العالم، ونظراً لأنّ الدول المختلفة لديها مناطق مختلفة من الطيف المتاح، لم يكن من الممكن أن يكون هناك مستوى عالٍ من التنسيق من دولة إلى أخرى، وهذا له مشكلات مع التجوال وعدد عمليات الحظر اللازمة للهواتف، كما يخصص لكل نطاق تردد رقماً بحيث يمكن تعريفه بسهولة ومعرفة حدوده.

يتم تخصيص أرقام لقنوات الراديو (LTE) ويمكن حسابها من صيغة محددة بسيطة، ومن خلال تحديد قنوات راديو يمكن تنسيقها عالمياً لتسهيل التجوال، حيث تتيح (UE) لـ (eNB) معرفة أدائها عن طريق إخبارها بفئتها، وبهذه الطريقة يمكن لـ (eNB) توفير البيانات بالمستوى المطلوب.

1. نطاقات FDD LTE:

يتطلب طيف (FDD) نطاقات زوجية واحدة للوصلة الصاعدة وواحدة للوصلة الهابطة، ومن المهم وجود مسافات كافية بين الجزء العلوي من النطاق السفلي وقاع النطاق العلوي للسماح بالترشيح الكافي، كما يجب أن يكون تباعد قناة الوصلة الصاعدة إلى الوصلة الهابطة كافياً للسماح بترشيح كافٍ لمنع الإشارة المرسلة من دخول المستقبل وإزالة الحساسية منه.

يوجد عدد كبير من التخصيصات أو الطيف الراديوي الذي تم حجزه لـ (FDD) باستخدام (LTE)، حيث يتم إقران نطاقات التردد (FDD LTE) للسماح بالإرسال المتزامن على ترددين، وتحتوي النطاقات على مسافة فاصلة كافية؛ لتمكين الإشارات المرسلة من عدم إضعاف أداء المستقبل بلا داع، وإذا كانت الإشارات قريبة جداً فقد يتم “حظر” جهاز الاستقبال وتضعف الحساسية، كما يجب أن يكون الفصل كافياً لتمكين تدحرج ترشيح الهوائي؛ لإعطاء توهين كافٍ للإشارة المرسلة داخل نطاق الاستقبال.

2. نطاقات TDD LTE:

تتطلب إرسالات (TDD) نطاقاً واحداً فقط، وبهذه الطريقة لا حاجة إلى طيف مزدوج، ومع الاهتمام بـ (TDD LTE)، هناك العديد من توزيعات التردد غير الزوجية التي يتم إعدادها لاستخدام (LTR TDD)، حيث لا يتم ازدواج نطاقات (TDD LTE) لأنّ الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة تشتركان في نفس التردد، حيث يتم تعدد إرسال الوقت.

هناك إضافات منتظمة إلى نطاقات تردد (LTE) وتوزيعات طيف (LTE)، حيث تنتج مخصصات (LTE) جزئياً عن المكاسب الرقمية، وأيضاً من الضغط الناجم عن الحاجة المتزايدة للاتصالات المتنقلة، وهناك العديد من تخصيصات طيف (LTE) الجديدة صغيرة نسبياً، وغالباً من (10 إلى 20 ميجاهرتز) في عرض النطاق الترددي.

أمّا مع حاجة (LTE-Advanced) إلى عرض نطاق يبلغ (100 ميجاهرتز)، فهناك حاجة إلى الكثير من تجميع القنوات على مجموعة واسعة من الترددات، وتوزيعات تردد (LTE) المختلفة أو نطاقات تردد (LTE) هي أرقام مخصصة، ونطاقات (LTE) بين (1 و22) للطيف المزدوج أي نطاقات (FDD وLTE) بين (33 و41) للطيف غير المزدوج أي (TDD).

عرض النطاق الترددي لقناة الراديو LTE:

تدعم (LTE) عروض نطاقات مختلفة للقنوات ونتيجةً لذلك يمكن دعم عدد مختلف من مجموعات الموارد، أمّا بالنسبة لجميع عروض نطاق القنوات باستثناء (1.4 ميجا هيرتز)، تملأ كتل الموارد في عرض نطاق الإرسال (90%) من عرض نطاق القناة.

انتشرت نطاقات (LTE) حول العالم، وقد نتج هذا عن الكميات شديدة التجزئة من الطيف التي كانت متاحة ممّا جعل هذا تصميم الهواتف المحمولة للتجوال أكثر صعوبة، حيث تحتاج المرشحات إلى ضمان تقليل المنتجات خارج النطاق بشكل كافٍ، ولكن من الصعب وجود مجموعة من المرشحات لاستيعاب مجموعة كبيرة ومتنوعة من النطاقات.

فئات LTE UE:

يوجد 9 فئات مختلفة من (LTE UE) تم تحديدها، كما تتمتع فئات (LTE) المختلفة بمدى واسع في المعلمات المدعومة والأداء، فئة (LTE 1) لا تدعم (MIMO)، لكن (LTE UE) فئة 5 تدعم (4×4 MIMO)، كما أنّ (UE class 1) لا تقدم الأداء الذي يوفره أداء فئة (HSPA) الأعلى أداءً، كما إنّ جميع فئات (LTE UE) قادرة على استقبال الإرسال من ما يصل إلى أربعة منافذ للهوائي.

إنّ معدلات البيانات الرئيسية للفئة (8) تتجاوز متطلبات الاتصالات المتنقلة الدولية المتقدمة بقدر كبير، بينما تُظهر معدلات العنوان لفئات (LTE UE) المختلفة أو فئات (UE) الحد الأقصى لمعدلات البيانات التي يمكن تحقيقها، كما أنّ ذروة نسبة كمية بيانات الوصلة الهابطة لوحدة (UE) من الفئة 5 تستخدم (4×4 MIMO) تبلغ حوالي (300 ميجابت في الثانية) و(150 ميجابت في الثانية) من الفئة (4 UE) باستخدام (2×2 MIMO)، أمّا في (Uplink) توفر فئة 5 في (LTE UE) أقصى معدل بيانات يبلغ (75 ميجابت في الثانية) باستخدام (64-QAM).

فئة 0 من LTE:

مع المستوى الكبير من التطوير الذي يتم إجراؤه في إنترنت الأشياء والاتصالات العامة من آلة إلى آلة واتصالات (M2M)، كانت هناك حاجة متزايدة لتطوير فئة (LTE) تركز على هذه التطبيقات، وهناك حاجة إلى معدلات بيانات أقل كثيراً، وغالباً فقط في اندفاعات قصيرة وأهم المتطلبات هيأن يكون الجهاز أو الجهاز البعيد قادراً على رسم مستويات منخفضة فقط من التيار.

للسيطرة على تلبية متطلبات هذه الأجهزة باستخدام (LTE)، تم تطوير فئة جديدة، ويشار إليّها باسم (LTE) الفئة 0 أو ببساطة (LTE Cat 0)، هذه الفئة الجديدة لديها متطلبات أداء مخفضة تلبي احتياجات العديد من الأجهزة مع تقليل التعقيد والاستهلاك الحالي بشكل كبير، وفي حين أنّ الفئة 0 توفر مواصفات مخفضة إلّا أنّها لا تزال تمتثل لمتطلبات نظام (LTE).

المتطلبات الرئيسية في الآلات LTE-M:

تم تصميم (LTE-M) لتلبية احتياجات اتصالات (IoT M2M) مع إدخال فئات جديدة لمعدل البيانات المنخفض ومع التصميم الدقيق للعقد البعيدة، يتيح ذلك تحقيق عمر بطارية ضخم يمتد إلى سنوات عديدة، أمّا اقترن إدخال (LTE-M) بفئات جديدة تم تقديمها في الإصدار (Rel 13) من معايير (3GPP)، حيث تشمل هذه الفئات (LTE Cat 1.4MHz وLTE Cat 200kHz).

1. عمر بطارية طويل – Long battery life:

يجب ترك العديد من أجهزة (M2M) بدون مراقبة لفترات طويلة من الوقت في المناطق التي قد لا يكون فيها مصدر طاقة، وتعد صيانة البطاريات عملاً مكلفاً وبالتالي يجب أن يكون بمقدور أي جهاز قضاء وقت بين تغييرات البطارية لمدة تصل إلى عشر سنوات، وهذا يعني أنّ نظام (LTE-M) يجب أن يكون قادراً على استنزاف القليل جداً من طاقة البطارية.

2. مجموعة واسعة من الأجهزة – Wide spectrum of devices:

يجب أن يكون أي جهاز (LTE) إلى جهاز قادراً على دعم مجموعة متنوعة من أنواع الأجهزة المختلفة، وقد تتراوح هذه العدادات من العدادات الذكية إلى آلات البيع وإدارة أسطول السيارات إلى الأجهزة الأمنية والطبية، وهذه الأجهزة المختلفة لها العديد من المتطلبات المختلفة لذلك يجب أن يكون أي نظام (LTE-M) مرناً.

3. تكلفة منخفضة للأجهزة – Low cost of devices:

تتميز معظم أجهزة (M2M) بصغر الحجم وكما أنّها يجب أن تكون مناسبة للمعدات شديدة الحساسية من حيث التكلفة، ومع توفر العديد من أنظمة (M2M) منخفضة التكلفة بالفعل تحتاج (LTE-M) إلى توفير مزايا النظام الخلوي، ولكن بتكلفة منخفضة.

4. كميات كبيرة ومعدلات بيانات منخفضة – Large volumes and low data rates:

نظراً لأنّه من المتوقع أن تكون أحجام الأجهزة البعيدة هائلة، يجب هيكلة (LTE-M) بحيث تكون الشبكات قادرة على استيعاب أعداد كبيرة من الأجهزة المتصلة التي قد تتطلب فقط كميات صغيرة من البيانات يتم حملها، وغالباً في فترات الذروة القصيرة ولكن بمعدلات بيانات منخفضة.

5. تغطية محسنة – Enhanced coverage:

ستحتاج تطبيقات (LTE-M) إلى العمل في مجموعة متنوعة من المواقع، وليس فقط حيث يكون الاستقبال جيداً، وكذلك إلى العمل داخل المباني وغالباً في مواقع لا يوجد فيها وصول محدود وحيث قد يكون الاستقبال ضعيفاً، كما يجب أن تكون (LTE-M) قادرة على العمل في جميع الظروف.

قدرات أجهزة مودم LTE-M وM2M:

• الهوائيات (Antennas): هناك إمكانية لهوائي استقبال واحد فقط مقارنةً بهوائيين استقبال لفئات الأجهزة الأخرى.

• حجم كتلة النقل (Transport Block Size): هناك قيود على حجم كتلة النقل يُسمح لأجهزة (LTE-M) منخفضة التكلفة هذه بإرسال أو استقبال ما يصل إلى (1000 بت) من بيانات الإرسال الأحادي لكل إطار فرعي، ممّا يقلل من معدل البيانات الأقصى إلى (1 ميجابت في الثانية) في كل من الوصلة الصاعدة والهابطة.

• الازدواج (Duplex): يتم دعم أجهزة (FDD) أحادية الاتجاه كميزة اختيارية، وهذا يوفر توفيراً في التكاليف لأنّه يمكّن محولات التردد اللاسلكي وأجهزة الإرسال المزدوجة اللازمة لإزالة أجهزة المودم ذات الأداء الكامل، كما إنّه لا توجد حاجة إلى حلقة مغلقة من المرحلة الثانية لتحويل التردد، على الرغم من أنّ وجود (PLL) واحد فقط يعني أنّ أوقات التبديل بين الاستقبال والإرسال أطول.

ميزات LTE-M:

• تقليل عرض النطاق الترددي إلى (1.4 ميجا هرتز) للوصلة الصاعدة والهابطة.

• تقليل طاقة الإرسال إلى (20 ديسيبل).

• تقليل الدعم لأوضاع نقل الوصلة الهابطة.

• استرخاء المتطلبات التي تتطلب مستويات عالية من المعالجة، فعلى سبيل المثال مخطط تعديل الوصلة الهابطة وتقليل الجدول الزمني (HARQ) للوصلة الهابطة.