اقرأ في هذا المقال
- ما هو شعاع نظام MIMO
- كيفية تشكيل شعاع نظام MIMO اللاسلكي
- أهمية تشكيل شعاع نظام MIMO اللاسلكي
- ما هو Beamforming في نظام MU-MIMO
من المتوقع أن تلعب أنظمة متعددة المدخلات متعددة المخرجات (MIMO) جنبًا إلى جنب مع تقنيات مصفوفة الهوائي لتشكيل الحزمة دورًا رئيسيًا في الجيل التالي من أنظمة الاتصالات اللاسلكية (5G)، وتتم مراجعة تصنيفات تقنيات تشكيل الحزمة المثلى المستخدمة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية بالتفصيل لتحديد التقنيات الأكثر ملاءمة للنشر في أنظمة (MIMO) الضخمة؛ لتحسين إنتاجية النظام وتقليل التداخل داخل الخلايا وفيما بينها.
ما هو شعاع نظام MIMO
شعاع نظام (MIMO): هي تقنية خاصة بجهاز التوجيه تقوم بتوجيه الإشارات نحو الجهاز اللاسلكي المقصود المتصل به بدلاً من إرسال الإشارات في اتجاهات عشوائية، وبدون تشكيل الحزمة يتم إرسال الإشارات في كل اتجاه ممكن، ويعمل (Beamforming) و(MU-MIMO) معًا ونظرًا لاستخدام الإشارة بشكل أكثر كفاءة يمكن أن تساعد (MU-MIMO) في زيادة نطاق (Wi-Fi) وسرعته على شبكة (Wi-Fi).
ملاحظة:“MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input, Multiple Output”.
كيفية تشكيل شعاع نظام MIMO اللاسلكي
في السنوات الأخيرة ركزت العديد من الدراسات على أنظمة متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) والتي تعتبر تلعب دورًا مهمًا في (5G) وأنظمة (MIMO) الضخمة هي أنظمة (MIMO)، حيث تحتوي أجهزة الترميز الأولية على العديد من الهوائيات، كما يتيح هذا العدد الأكبر من الهوائيات تحقيق كفاءة طيفية أعلى وكفاءة في استخدام الطاقة.
يمكن استخدام عدة أنواع من الهوائيات لهذا الغرض وأحدها يسمى الهوائي الذكي، والهوائيات الذكية عبارة عن منظمات للعديد من عناصر الهوائي في المحطات القاعدية (BSs)، والمحطات المتنقلة لوصلات الاتصال اللاسلكي، حيث تتم إدارة الإشارات بشكل مناسب وبهدف تحسين الارتباط اللاسلكي المتنقل وزيادة أداء النظام.
مثل هذا الهوائي هو هوائي رقمي يستخدم في أنظمة الاتصالات اللاسلكية ويوفر فائدة التنوع المتزايد لمحطة القاعدة أو معدات المستخدم، حيث يتيح الهوائي زيادة السعة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية عن طريق الحد بنجاح من الخبو متعدد المسارات وتداخل القناة، والذي يمكن تحقيقه من خلال تركيز إشعاع الإشارة فقط في الاتجاه المتوقع وتعديل هذا الإشعاع وفقًا لمحيط الإشارة أو حالات المرور المتغيرة، باستخدام تقنيات تشكيل الحزمة.
خصائص تشكيل شعاع نظام MIMO اللاسلكي
في أنظمة الاتصالات اللاسلكية يتم استخدام تشكيل حزم الإرسال والاستقبال لإرسال الإشارات من محطات القاعدة ذات الهوائيات المتعددة إلى قطعة واحدة أو عدة أجزاء من معدات المستخدم، والتي ينبغي تغطيتها والهدف من إرسال تشكيل الحزمة هو تعظيم قدرة الإشارة المستلمة لكل مستخدم، مع تقليل قوة إشارة التداخل من المستخدمين الآخرين وبالتالي زيادة السعة.
يمكن تحقيق ذلك عن طريق إرسال نفس الإشارة من جميع أجهزة الإرسال ذات السعات والمراحل المختلفة ستمر هذه الإصدارات المتعددة من الإشارة المرسلة عبر قنوات (MIMO) مختلفة، بحيث يتم إضافتها بشكل بناء عند المستخدمين المطلوبين وتدمير المستخدمين الآخرين.
إنّ الحاجة المتزايدة للهوائيات المدمجة والمحمولة ذات السرعة العالية والاتصال اللاسلكي بزمن انتقال منخفض، هي الطلب الحالي والمستقبلي على بروتوكول الصوت عبر الإنترنت وعرض النطاق الترددي عند الطلب وتطبيقات الوسائط المتعددة، حيث يغطي الجيل الخامس (5G) بعض نطاقات التردد المنخفض تحت طيف (6 جيجاهرتز) ومعظم نطاقات التردد العالي تحت (60 جيجاهرتز).
أجهزة تشكيل شعاع حزم MIMO
إنّ (Beamforming) في (5G) هي تقنية حديثة قوية لتغطية المستخدم أو الاتجاه المقصود باستخدام أنماط الإشعاع ذات عرض الحزمة الضيقة، كما يتم توفير الأجهزة والطرق والأنظمة لتشكيل حزم (MIMO) لقنوات انتقائية للتردد في نظام اتصال لاسلكي، كما يوفر أجهزة يشتمل على:
- جهاز إرسال واستقبال يعمل كمحطة أساسية (BS) في شبكة لاسلكية.
- جهاز الإرسال والاستقبال مُكيف لتكوين حزم متعددة المدخلات ومخرجات (MIMO) المتعددة ومُكيف أيضًا للتواصل اللاسلكي مع جهاز استقبال، والتي تغذي إلى جهاز الإرسال والاستقبال مجموعة من مصفوفات تشكيل الحزمة لكل نطاق فرعي وتستكمل المصفوفات المكونة للحزمة عبر النطاقات الفرعية.
أهمية تشكيل شعاع نظام MIMO اللاسلكي
في الاتصالات اللاسلكية يتم استخدام تكوين الحزمة باستخدام تغذية مرتدة المصفوفة لتوفير تحسينات كبيرة وعندما تم استخدام تشكيل الحزمة، كان هناك تغذية مرتدة مصفوفة واحدة فقط لكل نطاق فرعي للتردد وينتج عن هذا تدهور في الأداء بنسبة (10%) تقريبًا بسبب انتقائية التردد عبر النطاقات الفرعية، ثم تُستخدم مصفوفة تشكيل الحزمة لتشكيل حزم الإرسال للنطاق الفرعي بأكمله.
وينتج عن هذا تدهور في الأداء لأن استجابة القناة، وبالتالي مصفوفة تشكيل الحزمة المثالية وتتغير عبر الموجات الحاملة الفرعية داخل النطاق الفرعي، كما تصبح هذه المشكلة أكثر خطورة مع زيادة عرض النطاق الترددي الفرعي.
بدلاً من مصفوفة واحدة لتشكيل الحزمة توفر التغذية الخلفية لمصفوفات تشكيل الحزمة المتعددة، كما يكون هذا مفيدًا بشكل خاص إذا كان عرض النطاق الترددي للوصلة الصاعدة متاحًا، أو أنّ تشكيل الحزمة الخشنة لمستخدم واحد يؤدي إلى تداخل قوي مع المستخدمين الآخرين، ويتيح هذا الخيار للمستخدمين الأقوياء الاستفادة من قنواتهم الجيدة لأنّ قناة الاتصالات يمكن أن تحمل في الواقع المزيد من البتات لهم.
تُستخدم مصفوفتان لتشكيل الحزمة لكل من طرفي النطاق الفرعي، حيث يمكن استكمال جميع المصفوفات المكونة للحزم داخل نطاق فرعي باستخدام مصفوفتين للتغذية المرتدة، كما تتنوع مصفوفة تشكيل الحزمة المطبقة عبر النطاقات الفرعية وتختار مؤشرات التغذية المرتدة لمصفوفتي تكوين الحزمة بشكل جماعي عند نقطتي نهاية النطاق الفرعيين مع مراعاة الاستيفاء.
كما تعمل هوائيات (MIMO) عن طريق كسر إشارات معدل البيانات المرتفع إلى عدة إشارات ذات معدل بيانات منخفض في وضع (Tx) يتم تجميعها في جهاز الاستقبال، وتختلف مصفوفات (Beamforming) بطبيعتها عن (MIMO) في أنّ الأعمدة المتعددة من ثنائيات الأقطاب تعمل معًا لإنشاء إشارة واحدة عالية الكسب، كما أنّه بينما تعمل كلتا الطريقتين بشكل جيد فإنّ الهوائي المُحسَّن لطريقة واحدة لا يعمل جيدًا للطريقة الأخرى.
ما هو Beamforming في نظام MU-MIMO
بينما تتشابه تقنية تشكيل الحزم وتوجيه النطاق وتقنية (MU-MIMO) من حيث أنّها تجعل الشبكة أكثر كفاءة فإنّ كيفية القيام بذلك هي الاختلاف، وكل منها عنصر حاسم وعندما يعملان معًا فإنهما يساعدان في تحسين شبكة (Wi-Fi):
- يسمح (Beamforming) بالاتصال من نقطة إلى عدة نقاط لإنشاء اتصال لاسلكي أقوى وأفضل وأسرع، حيث يمكنه ثني الشبكة مؤقتًا باتجاه الأجهزة اللاسلكية الموجودة في الطرف البعيد لتحسين قوة الإشارة زهذا مفيد بشكل خاص في المنازل الكبيرة متعددة الطوابق.
- السماح لتوجيه النطاق الممكّن على جهاز التوجيه الخاص بك لشبكات (2.4 جيجاهرتز) و(5 جيجاهرتز) باستخدام نفس اسم وكلمة مرور (SSID)، حيث عند التمكين يمكن لجهاز التوجيه اللاسلكي تحديد النطاق الذي يريد وضع جميع الأجهزة المتصلة عليه للحصول على أفضل أداء.
- يرسل (MU-MIMO) إشارات حول العوائق الموجودة في المنزل للمساعدة في التعامل مع النقاط الميتة.
ملاحظة:“SSID” هي اختصار لـ “Service Set Identifier”.
في النهاية، في مجموعة هوائيات جهاز الاتصال اللاسلكي، يتم استقبال إشارة واحدة أو أكثر مرسلة بواسطة جهاز اتصال لاسلكي في نطاق تردد، وتُحسب أوزان تكوين الحزمة من المعلومات المستمدة من الإشارات المستلمة على تعدد الهوائيات.
