ما هي الموجة المليمترية في الاتصالات

مع تقدم التكنولوجيا أصبح الناس أكثر ارتباطًا بهواتفهم ووحدات تحكم ألعاب الفيديو وأجهزة الكمبيوتر وكان هناك طلب متزايد على خدمات شبكة أسرع من شركات الاتصالات، وهذا ما أدى إلى الجيل التالي من تكنولوجيا الاتصالات (5G).

ما المقصود بالموجة المليمترية

تُعرف الموجات المليمترية أيضاً بالتردد العالي جداً (EHF)، حيث أنّه تردد لاسلكي يسمح بترددات الإرسال بين (30 جيجاهرتز) و(300 جيجاهرتز)، ومقارنة بترددات (5 جيجاهرتز) المستخدمة من قبل أجهزة الجوال السابقة، وكما أنّ لها أطوال موجية تتراوح بين (1 مم) و(10 مم)، ومقارنة بالعشرات من الأطوال الموجية التي تبلغ عشرات السنتيمترات التي تمتلكها موجات الراديو الحالية للهواتف الذكية.

أساسيات موجة المليمتر

بينما لا تزال (5G) في مرحلتها الأولية تركز الصناعة حاليًا بشكل كبير على تنفيذ هذه التقنية ومعرفة كيفية دعمها بشكل صحيح، كما يتم تصميم أبراج خلوية جديدة وتطبيق أجهزة وتقنيات جديدة عليها وكما هو الحال دائمًا سيكون هناك لضمان أنّ هذه الهياكل الجديدة لا تلبي معايير الصحة والسلامة فحسب.

جذبت أنظمة اتصالات الموجات المليمترية (mmWave) اهتمامًا كبيرًا فيما يتعلق بتلبية متطلبات السعة لشبكة (5G) المستقبلية، حيث تحتوي أنظمة (mmWave) على نطاقات تردد بين (30 جيجاهرتز) و(300 جيجاهرتز)، حيث يتوفر إجمالي عرض نطاق يبلغ حوالي (250 جيجاهرتز) وعلى الرغم من أنّ عرض النطاق المتاح لترددات الموجات (mmWave) واعد، فإنّ خصائص الانتشار تختلف اختلافًا كبيرًا عن نطاقات تردد الموجات الصغرية من حيث فقدان المسير والانعراج والانسداد والتوهين.

بشكل عام تكون الخسارة الإجمالية لأنظمة (mmWave) أكبر بكثير من تلك التي تحدث في أنظمة الموجات الصغرية للوصلة من نقطة إلى نقطة، ولكن فإنّ الأطوال الموجية الصغيرة لترددات الموجات (mmWave) تسمح بنشر أعداد كبيرة من عناصر الهوائي في نفس عامل الشكل، وبالتالي توفير مكاسب معالجة مكانية عالية يمكن أن تعوض نظريًا عن خسارة المسير الخواص على الأقل.

ومع ذلك نظرًا لأن أنظمة (mmWave) مزودة بعدة هوائيات فقد ظهر عدد من تحديات الحساب والتنفيذ للحفاظ على مكاسب الأداء المتوقعة لأنظمة (mmWave)، ولتحقيق هذه الغاية يعتمد أداء مستوى الارتباط في النظام اللاسلكي (mmWave) على عدد من العوامل، بما في ذلك:

• مخطط الإرسال أي ما إذا كنا نستخدم تشكيل الحزمة أو تعدد الإرسال أو كليهما.

• نهج تحديد القناة.

• كيفية تصميم هيكل موجة الإشارة المرسلة واستراتيجيات الوصول.

مزايا الموجات المليمترية

• هناك طريقتان لزيادة سرعة نقل البيانات لاسلكيًا والأول هو زيادة استخدام الطيف والثاني هو زيادة عرض النطاق الترددي للطيف، والذي يُنظر إليه غالبًا على أنه نهج أكثر بساطة ومباشرة وهذا هو النهج الذي ستوفره موجات المليمتر لشبكة (5G) لزيادة سرعات الإرسال.

• يوفر الحد الأقصى لتردد الموجة الحاملة (4G) نطاقًا تردديًا متاحًا للطيف يبلغ (100 ميجاهرتز).

• يؤدي استخدام ترددات الموجات المليمترية إلى زيادة عرض النطاق الترددي للطيف بمعامل (10).

• تُعد ترددات الموجات المليمترية (28 جيجاهرتز) و(60 جيجاهرتز) وأكثر الترددات المرغوبة لشبكات الجيل الخامس.

• يوفر النطاق (28 جيجاهرتز) عرض نطاق متاح يصل إلى (1 جيجاهرتز)، في حين أنّ كل قناة (60 جيجاهرتز يمكن أن توفر عرض نطاق إشارة متاحاً يبلغ (2) جيجاهرتز، أي إنشاء نطاق إجمالي يبلغ (9 جيجاهرتز) مقسمًا على أربع قنوات.

• زيادة هائلة في سرعات الإرسال.

عيوب الموجات المليمترية

بناءً على المزايا يبدو نوعًا من عدم التفكير في استخدام تقنية الموجات المليمترية لدعم قدرات (5G)، ولكن هناك عيبًا كبيرًا وموجات المليمتر لا يمكنها اختراق الهياكل والعقبات الأخرى، والموجات المليمترية لها ترددات عالية وأطوال موجية قصيرة، مما يعني أن الهوائيات المستخدمة لاستقبالها يمكن أن تكون أصغر.

سيسمح هذا ببناء محطات قاعدية صغيرة، وهذا يعني وجود عدد أقل من المحطات الأساسية ذات الحجم الكبير، واستبدالها بمجموعة من المحطات القاعدية الصغيرة التي يمكن أن تغطي المناطق الطرفية التي لا تستطيع المحطات الأساسية الكبيرة الوصول إليها.

وهذا العيب له حل وهذا هو السبب في أن العديد من المهندسين يفكرون بالفعل في (5G) ليس فقط لمستخدمي الهواتف الذكية، وهم يريدون تطبيقه في الواقع الافتراضي والسيارات ذاتية القيادة والكثير من المجالات المتقدمة الأخرى.

خصائص الموجات المليمترية

الموجات المليمترية هي موجات كهرومغناطيسية أي راديوية تُعرَّف عادةً لتقع في نطاق تردد يتراوح بين (30 جيجاهرتز) و(300 جيجاهرتز)، ويكون نطاق الموجات الصغرية أقل بقليل من نطاق الموجة المليمترية ويتم تعريفه عادةً لتغطية النطاق، كما يقع نطاق تيراهيرتز أعلى بقليل من نطاق الموجة المليمترية ويتم تعريفه عادةً لتغطية النطاق من (300) جيجاهرتز إلى (3 + THz).

هناك اختلاف طيفي ضئيل في انعكاس أو انبعاث موجات المليمتر من معظم المواد السائبة، بما في ذلك جسم الإنسان ومعظم الأشياء المخفية، وهذا يعني أن أنظمة التصوير بالموجات المليمترية لا يمكنها تحديد مواد معينة بشكل فريد، ومع ذلك يمكنهم تكوين صور عالية الدقة تكشف عن تناقضات من الصورة المتوقعة لشخص ما وتكشف عن شكل وموضع العناصر المخفية، ممّا يتيح تطوير أنظمة تصوير مخفية عالية الأداء ومتعددة الاستخدامات للكشف عن الأسلحة.

يمكن استخدام موجات المليمتر لكل من أنظمة التصوير النشط والسلبي، حيث تتصور أنظمة التصوير النشطة في المقام الأول انعكاس الشخص أو المشهد بما في ذلك تأثير شكل الكائن واتجاهه، كما تستغل الأنظمة السلبية الانبعاث الحراري الطبيعي للإشعاع المنبعث من جميع الأجسام الدافئة فوق الصفر المطلق، بالنسبة للأجسام القريبة من درجة حرارة الغرفة، فإنّ أطياف الانبعاث هذه تبلغ ذروتها بالقرب من أطوال موجية تبلغ (10 ميكرومتر)، والتي تقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة من الطيف.

بالنسبة للأطوال الموجية الأطول وكما هو الحال في نطاق الموجات المليمترية يكون هذا الإشعاع أقل شدة بكثير ولكنّه لا يزال موجودًا ويمكن استخدامه لتشكيل أنظمة تصوير موجات مليمترية سلبية، وتشبه هذه الأنظمة أنظمة كاميرات التصوير بالأشعة تحت الحمراء، ولكنّها مضبوطة للاستفادة من الخصائص الفريدة لموجات المليمتر.

خصائص انبعاث الموجات المليمترية

إنّ انبعاث موجات المليمتر من الأشياء المخفية معقد إلى حد ما بسبب البيئة التي يعمل فيها، وينبعث منها موجات مليمترية بناءً على درجة حرارتها وانبعاثها، ويعد نطاق تردد الموجة المليمترية (mm-Wave) واعدًا للعديد من التطبيقات، مثل: الاستشعار اللاسلكي والتصوير والاتصالات.

كما يمكن لخصائصه الفريدة مثل الاختراق من خلال الضباب أو المطر أو السحاب تمكين مجموعة متنوعة من التطبيقات كالرادار والاستشعار في جميع الأحوال الجوية، وعرض النطاق الترددي العريض لنطاق (mm-Wave) يجعله أيضًا جذابًا للغاية للاتصالات اللاسلكية فائقة السرعة والأقمار الصناعية، وفي جميع أنظمة (mm-Wave) تُعد مضخمات الطاقة (PAs) واحدة من أكثر المكونات تحديًا، بسبب متطلبات كل من طاقة الخرج العالية وكفاءة الطاقة العالية.

في النهاية، في هذا الوقت لا تستخدم الموجات المليمترية إلا بواسطة أنظمة الرادار مثل الأقمار الصناعية ولكن مزودي شبكات الهاتف المحمول قد بدأوا بالفعل في استخدام الترددات العالية جدًا (EHF)، بطرق مختلفة ممّا يجعلها نهجًا جديدًا وواعدًا.