مبدأ انتشار الموجة الملليمترية في شبكة 5G

تعد نمذجة فقدان مسار الموجة المليمترية أمرًا ضروريًا لتصميم نظام موثوق به وحسابات دقيقة لميزانية الارتباط، والدافع هو أنّ نمذجة القنوات في انتشار موجة (5G ملليمتر) في بيئة داخلية فيه اختلافات في السعة نتيجة لاستخدام نماذج مختلفة، ويجب اختبار وتحسين انتشار الموجات المليمترية في المستقبل للمساعدة في تصميم الوصلة.

ما المقصود بانتشار الموجة الملليمترية في شبكة 5G

في السنوات الأخيرة كان معدل الزيادة في حركة البيانات اللاسلكية لكل مشترك أعلى من (50%) سنويًا وبسبب الاستخدام المستمر للفيديو وإنترنت الأشياء (IOTs)، ومن المتوقع أن يستمر في الارتفاع خلال السنوات العشر القادمة، كما تم التنبؤ بأنه بحلول عام (2030م) ستزداد حركة مرور البيانات المتنقلة بمقدار (5000) عامل.

ومع ذلك يمكن إدارة هذا الارتفاع المتوقع في الحركة عن طريق زيادة سعة الوصلة وتوافر الطيف والتكثيف الكبير للخلايا الصغيرة، ولتلبية هذا الطلب ستحتاج الصناعة اللاسلكية إلى التحول إلى الجيل الخامس من التكنولوجيا الخلوية التي ستستخدم ترددات الموجات المليمترية (mmWave)؛ لتوفير طيف غير مسبوق وسرعات بيانات متعددة جيجابت في الثانية (Gbps) للأجهزة المحمولة.

علاوةً على ذلك، نظرًا لأنّ جيجابت الإيثرنت واتصالات سطح المكتب أصبحت غير مكلفة لاتصالات الخادم، فقد كشف قطاع الاتصالات في عام (2007م) عن (10 جيجابايت) فارغة للاستخدام، وبالإضافة إلى ذلك أصبحت شبكة جيجابت إيثرنت هي المعيار للخوادم، والتي تتطلب أنظمة يتم طلبها باستخدام بطاقات واجهة شبكة جيجابت على أساس منتظم.

على الرغم من اعتماد العديد من الأساليب، إلّا أنّ فعالية الاتصالات اللاسلكية لم تكن كافية لتلبية التوقعات الموضوعة عليها ولا سيما في شبكات الجيل الخامس (5G)، وأفضل طريقة لمواجهة هذه التحديات هي الاستفادة من الترددات غير المستخدمة في الموجات المليمترية، ولكن لديها الكثير من إمكانات التطبيق.

ملاحظة:“Gbps” هي اختصار لـ “Gigabits Per Second”.

ملاحظة:“IOT” هي اختصار لـ “Internet of Things”.

مبدأ انتشار الموجة الملليمترية في شبكة 5G

إن تقنية الموجات المليمترية مستخدمة لبعض الوقت، وعلى الرغم من أنّ معيار (IEEE 802.11n) سيحسن موثوقية الاتصالات اللاسلكية، فإنّ معدل البيانات سيظل متواضعًا حتى أقل من (1 جيجابت في الثانية)، وتعمل تقنية الموجات المليمترية في الطيف الكهرومغناطيسي مع أطوال موجية تتراوح من (10 مم إلى 1 مم).

هذا الطيف الذي يمكن الوصول إليه عند هذه الترددات أكبر بأكثر من (200 مرة) من جميع توزيعات الشبكة الخلوية الحالية، وتتميز هذه التقنية بكمية هائلة من عرض النطاق الترددي الخامل الذي يمكن أن يعزز معدل البيانات المتاح للمستخدمين النهائيين، ممّا يسمح لها بتلبية المطلبين الرئيسيين لشبكات الجيل الخامس (5G):

• ذروة إنتاجية فائقة (20 جيجابت في الثانية).

• مستخدم متوسط معدل الخبرة (50-100 ميجابت في الثانية).

ملاحظة:“IEEE” هي اختصار لـ “The Institute of Electrical and Electronics Engineers”.

عرض النطاق الترددي للقنوات اللاسلكية بموجة 5G

ستكون عروض النطاق الترددي للقنوات اللاسلكية بموجة (5G) ملليمتر أكثر كفاءة بكثير من القنوات الخلوية الحالية (4G LTE) بحوالي (20 ميجاهيرتز)، على الرغم من أنّ الانعراج واختراق المواد سيؤديان إلى زيادة التوهين عند ترددات الموجات المليمترية مقارنة بترددات الموجات الدقيقة (4G) الحالية، ممّا يعزز أهمية انتشار (LOS) وانعكاسه وتشتته.

يُعد استخدام نماذج الانتشار الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية لتطوير بروتوكولات جديدة لإشارات الموجة (مم) وعلى سبيل المثال واجهات الهواء، حيث إنّها مطلوبة للتشغيل السليم لأنظمة (5G) الجديدة ذات النطاق المليمتر ويجب إعداد نماذج خسارة المسير المقابلة لتقييم ميزانية الوصلة، واقتراح قوة الإشارة في عملية توليد نماذج موثوقة لأنظمة الجيل الخامس وتحديد قياسات الأداء المعيارية.

وكذلك مع إضافة صفيفات الهوائي الاتجاهي وتشكيل الحزمة والتداخل في نفس القناة والتي لا يمكن للنماذج الإحصائية أن تقيم بشكل كافٍ، وخسارة المسار هي قياس انحطاط الإشارات المنتشرة عبر مدى مسافة في سيناريوهين (LOS) و(NLOS)، أمّا أساس فقدان المسار هو مؤشر رئيسي لأداء أي نظام اتصال في انتشار القنوات اللاسلكية.

إن نطاق التردد قصير الموجة (5G) غير مستخدم إلى حد كبير ويعطي نافذة لزيادة عرض النطاق الترددي والذي يتغلب على أوجه القصور في الازدحام في نطاقات تردد الاتصالات المتنقلة الأخرى، وتغطي موجة (5G ملليمتر) مسافة أقصر مع معدلات نقل بيانات أعلى بكثير، كما أنّه يحسن تجربة المستخدم خاصةً عند استخدام ترددات (5G) من الموجات المليمترية في تطبيقات إنترنت الأشياء (IoT) والأتمتة الصناعية.

ملاحظة:“LOS” هي اختصار لـ “Line of Sight”.

ملاحظة:“NLOS” هي اختصار لـ “Non Line of Sight”.

ملاحظة:“LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution”.

الخصائص الأساسية لموجة 5G الملليمترية

1- عرض النطاق الترددي كبير

في الوقت الحالي عرض النطاق الترددي الإجمالي المتاح لشبكات المحمول غير كافٍ لتلبية الطلب المرتفع على البيانات للأجهزة، وفي الواقع عرض النطاق الترددي المتاح أقل من (780 ميجاهرتز) لشبكات الجيل الثاني والثالث والرابع، وأكبر ميزة للاتصال بالملليمتر على اتصالات الميكروويف هي النطاق الترددي الكبير الذي يسمح بالاتصال على ترددات عالية ويوفر عرض نطاق ترددي كبير للأنظمة اللاسلكية.

2- الطول الموجي القصير

نظراً لأنّ إشارة الموجة (mm) لها طول موجي قصير في حدود المليمترات فمن الضروري توصيلها عبر تقنية (MIMO)، كما أنّها مناسبة أيضًا لضغط عدد كبير من الهوائيات المتباعدة نصف الطول الموجي في مساحة صغيرة، وقد يؤدي الجمع بين (mm Wave) وتقنية (MIMO) الضخمة إلى تحسين الوصول اللاسلكي وأداء النواتج بشكل كبير.

ملاحظة:“MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input Multiple Output”.

تطبيقات تقنية موجة 5G الملليمترية

يمكن لتردد الموجة المليمترية (5G) أن يفتح سعة الشبكة الموسعة بسرعة متعددة جيجابت في الثانية، كما يوفر نقل البيانات عالي السرعة وعرض النطاق الترددي العريض، والذي توفره تقنية الموجة الملليمترية (5G) للمستخدم تجربة موثوقة ومزايا كفاءة الشبكة، وإنّه يعالج بشكل فعال استهلاك البيانات المتنقلة المتزايد بشكل كبير.

يتم استخدام تقنية (5G millimeter wave) في أنظمة الاتصالات وأداة فحص الثغرات الأمنية وأنظمة الرادار قصيرة المدى، والنطاق الترددي العالي لتقنية (5G) ملليمتر يجعلها أفضل مرشح للإرسال اللاسلكي لمسافات قصيرة لمقاطع الفيديو عالية الدقة ومحتوى الوسائط المتعددة، ويجد التطبيقات في شبكات المنطقة الشخصية قصيرة المدى (PAN) وشبكات المنطقة المحلية ذات النطاق الترددي العالي (LAN).

تقنية تردد الموجة (5G) ملليمتر هي أنسب تقنية خلوية لدعم الألعاب السحابية، وإنّ الانتشار قصير المدى ومعدلات البيانات العالية يجعلان من تقنية الموجة الملليمترية (5G) مثالية؛ للتواصل بين المركبات ذاتية القيادة أيضًا، ولقد كان استخدام تردد (5G) من الموجات المليمترية في التكنولوجيا الخلوية تحويليًا لأنظمة الاتصالات اللاسلكية.

ملاحظة:“PAN” هي اختصار لـ “Personal Area Network”.

ملاحظة:“LAN” هي اختصار لـ “Local Area Network”.