ما هي اتصالات الموجات المليمترية mmW

من المتوقع أن يلبي اتصال الموجات المليمترية (MMW) الحاجة إلى الروابط اللاسلكية ذات معدل البيانات العالي لشبكات الجيل الخامس (5G)، بالإضافة إلى معالجة ندرة الطيف وقيود السعة للأنظمة اللاسلكية الحالية وتمكين عدد كبير من التطبيقات في المستقبل القريب، ومع ذلك لا يزال مجال اتصالات (MMW) في مهده بسبب التحديات التقنية المختلفة التي تواجه تنفيذه العملي، بسبب خصائص الانتشار المختلفة اختلافًا جوهريًا في نطاق التردد هذا.

ما هي اتصالات الموجات المليمترية mmW

اتصالات الموجات المليمترية (mmW): هي اتصالات تعتمد ترددات (30 جيجاهرتز) – (300 جيجاهرتز) للطلب المتزايد على معدل البيانات المرتفع والوسائط المتعددة (UHD) والألعاب عالية الدقة والأمن والمراقبة، ويُعد توليد إشارة (CW) عند نطاق (MMW) وما فوق أمرًا ضروريًا.

ملاحظة:“MMW” هي اختصار لـ “millimeter wave”.

ملاحظة:“CW” هي اختصار لـ “Continuous wave”.

ملاحظة:“UHD” هي اختصار لـ “Ultra high definition”.

تعريف اتصالات الموجات المليمترية mmW

منطقة الموجات المليمترية (MMW) من الطيف الكهرومغناطيسي هي منطقة نطاق تردد بين (30 جيجاهيرتز) و(300 جيجاهيرتز) وتسمى نطاق التردد العالي للغاية، حيث يمكن لهذه الترددات العالية أن تحمل كميات هائلة من البيانات بسرعة عالية للغاية ولكن مع القليل من التأخير أو الضياع، ونظراً لأنّه أصبح المستخدم أكثر اعتمادًا على التكنولوجيا الرقمية، يمكن استخدام الموجات المليمترية للاتصالات اللاسلكية عالية السرعة ذات النطاق العريض مثل: الراديو أو الهاتف الخلوي أو الأقمار الصناعية.

تستثمر العديد من شركات الاتصالات الآن في طيف الموجات المليمترية لشبكة (5G) الخاصة بهم، ومع ذلك فإنّ أحد عيوب نظام (MMW) هو خسارة الانتشار الكبيرة في المساحة الخالية والكابلات، خاصةً عند نشر تقنية (MMW) في بيئات حضرية كثيفة بسبب الانسداد من المباني العالية.

لذلك، تقوم الأبحاث بالبحث في إطالة المسافة التي يمكن أن تقطعها الإشارة، وعندما تكون هناك حاجة إلى مسارات أطول، يمكن تركيز الأطوال الموجية القصيرة للغاية لإشارات (MMW) في حزم شديدة التركيز بواسطة هوائيات صغيرة جدًا ومع كسب طاقة كافٍ للتغلب على خسائر الانتشار.

أساسيات اتصالات الموجات المليمترية mmW

تُعد محاذاة الحزمة الفعالة أحد التحديات نظرًا للحزم الضيقة من المصفوفات ذات المراحل الكبيرة التي تتطلبها أنظمة (mmW) عالية التردد، حيث تستخدم التصميمات التقليدية مسحًا شعاعيًا شاملاً لاختبار كل زوج محتمل من الحزم ولاختيار أفضل اتجاه للإشارة.

يتطلب ارتباط المستخدم وتخصيص الموارد للأنظمة الخلوية المستقبلية خوارزميات محسنة لتقليل التعقيد الحسابي وتحسين الأداء في ظل سيناريوهات الشبكة الواقعية، وبالإضافة إلى ذلك يجب تحسين بنى أجهزة جهاز الإرسال والاستقبال لاتصالات (mmW)، بحيث يتم تقييد التحسين بسبب ضعف القدرة والدائرة بسبب ارتفاع تردد الموجة الحاملة وعرض نطاق المعالجة وعدد عناصر الهوائي.

تم تطوير إطار عمل لتوصيف أداء أنظمة الاتصالات قصيرة المدى بهدف التحقيق في جدوى الخدمات اللاسلكية متعددة الوسائط الجديدة في موجات المليمتر (MMWs)، حيث يتم النظر في كل من أنظمة النطاق الضيق والعريض للمستخدمين المتنقلين أو المستعملين للثابت.

كيفية عمل اتصالات الموجات المليمترية mmW

تُعتبر الموجات المليمترية (MMW) للروابط اللاسلكية قصيرة المدى للاتصالات الخلوية من الجيل الخامس (5G)، وسيؤدي ذلك إلى زيادة سعة القناة وتوافر القناة ويتم بالفعل توزيع نطاقات جديدة في طيف (MMW) بشكل رئيسي بالقرب من (28 GHz)، وبالإضافة إلى النمو في الاتصالات الخلوية أدى تزايد شعبية المركبات اللاإرادية إلى تسريع التطور في رادارات السيارات والتي تعتمد على تقنية الموجات المليمترية.

حاليًا هناك طريقة شائعة لتحليل انتشار الإشارة في الأنفاق أو الممرات تستخدم التوسع المعياري، حيث يتم التعامل مع النفق كدليل موجي فارغ، ويتم التعبير عن الحقل في المقطع العرضي كجمع للخطوط (Eigenmodes) المستعرضة فوق تردد القطع، ومع ذلك عند الترددات العالية مثل تلك الخاصة بأطوال الموجات المليمترية، تصبح الطريقة غير فعالة.

الأبعاد المستعرضة أكبر بكثير من الطول الموجي ويلزم وضع العديد من الأنماط في الاعتبار وفي مثل هذا السيناريو المفرط سيكون الحساب غير دقيق، ولن يكون النهج المعياري مفيدًا، وهناك طريقة بديلة للتعامل مع الانتشار الداخلي عن طريق حل معادلات ماكسويل في محلل حسابي رقمي، وفرض شروط حدودية لحساب الحقل على طول النفق.

في الهياكل الكبيرة تصبح العمليات الحسابية مضيعة للوقت وتتطلب قدرات تخزين وحوسبة كبيرة وتقتصر دقتها الناتجة على دقة الحساب العددي، وبسبب طول الموجة القصير يمكن تحليل انتشار (MMW) باستخدام نماذج “شبه بصرية”، والطول الموجي أصغر بكثير من أبعاد المقطع العرضي ويمكن معالجة المسار المتعدد الداخلي باستخدام تتبع الأشعة، ممّا يوفر مزايا مهمة مقارنة بنمذجة الانتشار.

خصائص عمل اتصالات الموجات المليمترية mmW

بالمقارنة مع نطاقات التردد الراديوي “التقليدية” في الموجات المترية (VHF) والترددات فوق العالية (UHF) يواجه نطاق (MMW) المزيد من تحديات التنفيذ، حيث تعاني الموجات المليمترية من التوهين الجوي وتتأثر بالانتثار والامتصاص وتنعكس على الأسطح.

ومع ذلك، فإنّ إمكانات الاتصال (MMW) مهمة، وبالإضافة إلى طيفه الحر فهو مفيد لشبكات الاتصالات المزدحمة بكثافة بسبب معداتها الصغيرة وهوائياتها، كما أنّه يوفر إمكانية إعادة استخدام التردد بسبب التوجيه والتوهين الجوي، وغالبًا ما تكون هوائيات (MMW) اتجاهية ويجب مراعاة مخطط إشعاعها.

كما يتضح أنّ مخطط إشعاع هوائيات الإرسال والاستقبال يلعب دورًا في تعدد المسيرات الداخلي الذي يظهر نتيجة حدوث انعكاسات متعددة، وكما أنّه على الرغم من أنّ استخدام تتبع الأشعة في تحليل انتشار الموجات المليمترية فعال وموثوق، إلّا أنّه من الضروري تحديد عدد الأشعة التي يجب أخذها في الاعتبار في عمليات المحاكاة.

ملاحظة: “VHF” هي اختصار لـ “Very high frequency”.

ملاحظة:“UHF” هي اختصار لـ “Ultra High Frequency”.

العلاقة بين اتصالات الموجات المليمترية وتقنية 5G

تحظى أنظمة الاتصالات اللاسلكية عالية التردد مثل موجة (5G) ملليمتر (mmWave) وما بعدها باهتمام خاص للمستهلكين، حيث يمكنها توصيل البيانات بسرعة عالية للغاية وتوفير تجربة مطورة لأنظمة الاتصالات اللاسلكية الحالية، وعلى الرغم من المزايا العديدة لاتصال (mmWave) إلّا أنّ هناك العديد من التحديات الأساسية المرتبطة باستخدامه.

تستخدم أجهزة اتصالات (mmWave) الحالية حزم اتجاهية ضيقة للحفاظ على الاتصال، ممّا يعني أنّه يجب على المرسل والمستقبل تكييف اتجاه الحزمة باستمرار؛ للحفاظ على المحاذاة أثناء تحرك المستخدم أو التجول، وبالإضافة إلى ذلك يقوم جسم الإنسان بحظر وصلة اتصال (mmWave) من برج الخلية إلى الجهاز اللاسلكي، ولمكافحة ذلك يجب أن يحتفظ كل من المرسل والمستقبل بحزمة احتياطية غير خطية من الرؤية تنعكس على أي أسطح محيطة للحفاظ على الارتباط أثناء الانسداد.

في النهاية، تعتمد تقنية الجيل الخامس (5G) والتكنولوجيا الخلوية المستقبلية على اتصالات الموجات المليمترية (mmW) لتحقيق معدلات بيانات قصوى، وإدخال خوارزمية جديدة وتحديات للأجهزة.