حظيت أنظمة متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) مع عدد كبير من الهوائيات الأساسية والتي غالباً ما تسمى (MIMO) الضخمة باهتمام كبير في الأوساط الأكاديمية والصناعية، كوسيلة لتحسين الكفاءة الطيفية وكفاءة الطاقة وتعقيد المعالجة للجيل التالي الخلوي النظام، وبدأت صناعة الاتصالات المتنقلة دراسة جدوى لأنظمة (MIMO) الضخمة لتلبية الطلب المتزايد للأنظمة اللاسلكية المستقبلية.
التعريف في نظام FD-MIMO
أظهرت التجارب الميدانية لأنظمة إثبات المفهوم المكاسب المحتملة لـ (FD-MIMO) وهو الاسم الرسمي لتعزيز (MIMO) في مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP)، حيث بدأت (3GPP) نشاط التقييس من أجل التكامل السلس لهذه التكنولوجيا في أنظمة (4G LTE) الحالية، واجتذبت تقنية (MIMO) ذات الأبعاد الكاملة اهتماماً كبيرًا في الصناعة اللاسلكية والأوساط الأكاديمية في السنوات القليلة الماضية كتقنية مرشحة لتطور الجيل التالي نحو الأنظمة الخلوية للجيل الرابع والجيل الخامس.
تستخدم (FD-MIMO) عدداً كبيراً من الهوائيات الموضوعة في لوحة صفيف هوائي ثنائي الأبعاد لتحقيق وصلات إرسال منفصلة مكانيًا لعدد كبير من المحطات المتنقلة، حيث يسمح ترتيب هذه الهوائيات على لوحة ثنائية الأبعاد بتمديد الفصل المكاني إلى مجال الارتفاع بالإضافة إلى مجال السمت التقليدي، كما تتوفر ميزات وفوائد أداء (FD-MIMO) جنبًا إلى جنب مع جهود التقييس المستمرة في (3GPP)؛ لدمج ميزات (FD-MIMO) في التطور التالي لـ (LTE).
علاوة على ذلك تم تصميم صفيف هوائي ثنائي الأبعاد يلعب دورًا رئيسيًا في تنفيذ (FD-MIMO)، من أجل إظهار فوائد أداء (FD-MIMO) يتم تقديم نتائج التقييم على مستوى النظام، وتتمثل إحدى الميزات الرئيسية لأنظمة (FD-MIMO) المتميزة عن أنظمة (MIMO) لمعايير (LTE) و(LTE-Advanced) الحالية في استخدام عدد كبير من الهوائيات في (eNB)، ومن الناحية النظرية مثل عدد هوائيات (eNB).
- “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple-input-multiple-output”.
- “FD-MIMO” هي اختصار لـ “Full-Dimension Multiple-input-multiple-output”.
- “LTE” هي اختصار لـ “Long-Term Evolution”.
- “3GPP” هي اختصار لـ “The 3rd Generation Partnership Project”.
- “eNB” هي اختصار لـ “Evolved Node B”.
أساسيات نظام FD-MIMO
يذهب الترابط المتبادل بين تحقيقين عشوائيين للقناة إلى الصفر، بحيث يمكن التحكم في التداخل بين المستخدمين في الوصلة الهابطة عن طريق مشفر خطي بسيط، ومع ذلك لا يمكن تحقيق هذه الفائدة إلا عندما يكون (CSI) المثالي متاحًا في (eNB)، في حين أنّ الحصول على (CSI) في أنظمة الإرسال المزدوج بتقسيم الوقت (TDD) بسيط نسبيًا بسبب المعاملة بالمثل للقناة، فإنّ هذا ليس هو الحال بالنسبة لأنظمة الإرسال المزدوج بتقسيم التردد (FDD).
كما أنّه في أنظمة (FDD) يتم قياس تغير الوقت واستجابة التردد للقناة عبر (RS) للوصلة الهابطة ثم إرسالها مرة أخرى إلى (eNB) بعد التكميم، حتى في أسلوب (TDD) لا يمكن الاعتماد فقط على المعاملة بالمثل للقناة؛ لأنّ القياس عند المرسل لا يلتقط تداخل الوصلة الهابطة من الخلايا المجاورة أو تجهيزات المستعمل المجدولة المشتركة، ولا تزال محطات RS للوصلة الهابطة مطلوبة لالتقاط مؤشر جودة القناة (CQI) لأسلوب (TDD).
وبالتالي فإنّ الارتداد (RS) للوصلة الهابطة وردود الفعل (CSI) للوصلة الصاعدة ضروريان لكلا أسلوب الإرسال المزدوج، لذلك فإنّ تحديد القضايا المحتملة لاكتساب (CSI) وتطوير الحلول المناسبة لهما أهمية كبيرة لأنظمة (FD-MIMO)، وميزة أخرى مثيرة للاهتمام لنظام (FD-MIMO) هي إدخال الهوائي النشط مع مصفوفة مستوية ثنائية الأبعاد.
في الأنظمة القائمة على الهوائي النشط يتم التحكم في الكسب والمرحلة بواسطة المكونات النشطة مثل مضخم القدرة (PA) ومضخم الضوضاء المنخفض (LNA) المرفقين بكل عنصر من عناصر الهوائي، حيث في صفيف الهوائي المركب ثنائي الأبعاد، يمكن التحكم في الموجة الراديوية على كلا الاتجاهين الرأسي (الارتفاع) والأفقي (السمت) بحيث يكون التحكم في حزمة الإرسال في الفضاء ثلاثي الأبعاد ممكنًا.
يشار إلى هذا النوع من آلية التحكم في الموجة أيضًا باسم تشكيل الحزم ثلاثي الأبعاد، وفائدة أخرى مهمة لـ (2D AAS) هي أنّه يمكن أن يستوعب عددًا كبيرًا من الهوائيات دون زيادة مساحة النشر،و على سبيل المثال عندما يتم نشر (64 صفيفاً) من صفائف الهوائي الخطي في اتجاه أفقي، وفقًا للافتراض الشائع بأن تباعد الهوائي يبلغ نصف طول الموجة (λ/2) والنظام يستخدم تردد الناقل (LTE) أي (2 جيجاهرتز)، فإّنه يتطلب غرفة أفقية
نظراً للمساحة المحدودة على السطح أو الصاري، ستكون هذه المساحة مرهقة لمعظم مواقع الخلايا، وفي المقابل عندما يتم ترتيب الهوائيات في صفيف مربع، يلزم وجود مساحة صغيرة نسبيًا لصفيف هوائي ثنائي الأبعاد، وعندما يتم تحديد الميزات الأساسية لأنظمة (FD-MIMO) فإنّ الخطوة التالية هي تصميم نظام يعمل على زيادة الأداء إلى الحد الأقصى، من حيث الإنتاجية والكفاءة الطيفية ومعدل بيانات الذروة في بيئة القناة الواقعية.
هناك العديد من القضايا التي يجب مراعاتها في تصميم الأنظمة العملية مثل التحقيق وتوصيف نموذج القناة الواقعي لتقييم الأداء، بينما تراعي أنظمة (MIMO) التقليدية الانتشار في الاتجاه الأفقي فقط وينبغي أن تراعي أنظمة (FD-MIMO)، والتي تستخدم صفيف مستوٍ ثنائي الأبعاد الانتشار في الاتجاهين الرأسي والأفقي، وللقيام بذلك ينبغي أن تنعكس البنية الهندسية لصفيف هوائي المرسل وتأثير انتشار المواقع ثلاثية الأبعاد بين (eNB) و(UE) في نموذج القناة.
- “CSI” هي اختصار لـ “Channel State Information”.
- “LNA” هي اختصار لـ “Low Noise Amplifier”.
- “TDD” هي اختصار لـ “Time Division Duplexing”.
- “FDD” هي اختصار لـ “Frequency-division duplexing”.
كيفية تقليل التغذية المرتدة FD-MIMO
نظراً لتعدد الإرسال المكاني الذي توفره أنظمة (FD-MIMO)، فإنّ فهم القناة بين جهاز مستخدم (UE) و(eNB) وتقديرها بشكل صحيح أمر مهم للاتصال اللاسلكي الفعال، ومن أجل تقدير ظروف القناة بشكل صحيح سترسل تجهيزات المستعمل معلومات حول قياس القناة، وعلى سبيل المثال معلومات حالة القناة (CSI) إلى (eNB).
باستخدام هذه المعلومات حول القناة يمكن لـ (eNB) تحديد معلمات الاتصال المناسبة لإجراء اتصالات البيانات اللاسلكية بكفاءة وفعالية مع (UE)، ومع ذلك مع زيادة عدد الهوائيات ومسارات القنوات الخاصة بأجهزة الاتصال اللاسلكي، زاد أيضاً مقدار التعليقات التي قد تكون ضرورية لتقدير القناة بشكل مثالي بحيث قد تؤدي التغذية المرتدة للقناة المرغوبة بشكل إضافي إلى إنشاء نفقات إضافية، وبالتالي تقليل كفاءة الاتصال اللاسلكي كتقليل معدل البيانات.
وطريقة الاستخدام في نظام اتصال لاسلكي متعدد المدخلات ومخرجات (MIMO) يمكن إجراؤها بواسطة جهاز مستخدم (UE)، وتشتمل الطريقة على:
- تحديد مؤشر جودة القناة (CQI) استنادًا إلى مصفوفة تشفير أولية مؤشر (PMI) مرتبط بفهرس كود أول واحد على الأقل لكتاب الرموز، حيث يتم تحديد كل مصفوفة تشفير مسبقة لكتاب الشفرات بواسطة فهرس كود أول واحد على الأقل وفهرس كود ثان.
- مصفوفة لعملية حلقة شبه مفتوحة والمصفوفة المرتبطة بشفرة كتلة للتردد الفضائي (SFBC) أو دورة المشفر المسبق.
- إرسال إلى محطة أساسية أول (PMI) و(CQI) دون الإبلاغ عن مؤشر (PMI) ثانٍ مرتبط بالفهرس الثاني في دفتر الشفرات.
ملاحظة: “SFBC” هي اختصار لـ “space-frequency block code”.
ملاحظة:“PMI” هي اختصار لـ “precoding matrix indicator”.
