اقرأ في هذا المقال
- أساسيات نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي
- مبدأ نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي
- تطور عمل نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي
قد يشمل نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي اكتشاف جهاز اتصال أثناء النقل وتحديد مسار جهاز الاتصال، واختيار قسم من مجموعة أقسام من مجموعة متعددة الاتجاهات من الهوائيات العازلة وفقاً لمسار جهاز الاتصال، حيث يتوافق مع مجموعة واحدة أو أكثر من الهوائيات العازلة للكهرباء من مجموعة شاملة الاتجاهات للهوائيات العازلة للكهرباء مقترنة بمجموعة من قاذفات.
أساسيات نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي
يشتمل نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي على وسائل لاستقبال عدد كبير من إشارات الاتصال ووسائل لتوليد وفقاً لمجموعة من إشارات الاتصال، كإشارات تحفز مجموعة من الموجات الكهرومغناطيسية المرتبطة جزئياً على الأقل بمادة عازلة، حيث تنقل كل موجة كهرومغناطيسية من مجموعة الموجات الكهرومغناطيسية إشارة اتصال واحدة على الأقل لمجموعة إشارات الاتصال، وحيث يكون لتعدد الموجات الكهرومغناطيسية تكوين تعدد إرسال يقلل التداخل بين تعدد الموجات الكهرومغناطيسية.
نظراً للنمو السريع في حركة البيانات اللاسلكية فقد أظهرت اتصالات الموجات المليمترية (mm-wave) واعدة للغاية وتعتبر تقنية جذابة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل الخامس (5G)، ومع ذلك لتصميم أنظمة اتصالات قوية، من المهم فهم ديناميكيات القناة فيما يتعلق بالمكان والزمان عند هذه الترددات.
وإشارات الموجات المليمترية معرضة بشدة للحظر ولديها قيود على الاتصال بسبب ضعف الإشارة مقارنة بإشارات الميكروويف، لذلك من خلال استخدام هوائيات اتجاهية عالية يمكن التخفيف من التداخل في نفس القناة مع أو من أنظمة أخرى باستخدام الانتشار في خط البصر (LOS)، ونظراً لقدرتها على تشكيل حزمة الانتشار أو تبديلها أو مسحها ضوئياً، تلعب المصفوفات المرحلية دوراً مهماً في أنظمة الاتصالات اللاسلكية المتقدمة.
يمكن تحقيق صفيفات تبديل الشعاع ومسح الحزمة والمصفوفات متعددة الحزم عند ترددات الموجة مم باستخدام معماريات النظام التماثلية أو الرقمية، ولا يزال تطبيق تقنيات الهوائيات للأجهزة الخلوية ذات الموجة (mm-wave) من الجيل الخامس، غير منتشر على نطاق واسع فيما يتعلق بمعماريات الهوائيات وبالنظر إلى أهمية ودور الهواتف الخلوية في صناعة شبكات المحمول، تعتبر هوائيات (mm-wave) للهواتف الخلوية (5G) بمثابة تقنية تحول اتجاه شبكات المحمول (5G).
- “LOS” هي اختصار لـ “Line of sight”.
مبدأ نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي
يمثل استخدام جهاز الإرسال والاستقبال (mm-wave) داخل الهاتف المحمول تحديات كبيرة يجب أخذها في الاعتبار، بحيث تم العثور على أهمية هذه التحديات بسبب السيناريوهات الفريدة المتعلقة باستخدام الهواتف المحمولة، كما تُعد الهواتف المحمولة أكثر إحكاماً من حيث الحجم مقارنة بأجهزة الكمبيوتر اللوحية ومحطات الإرساء اللاسلكية، وبسبب التوسع في استخدام الهواتف الذكية فإنّ سيناريوهات استخدامها متنوعة للغاية.
يجب ضمان ارتباط اتصال آمن وموثوق بسرعة جيجابت في الثانية بواسطة أجهزة الإرسال والاستقبال (5G) داخل الهاتف المحمول، ومن بين العوامل الرئيسية التي تم أخذها في الاعتبار عند إنشاء شبكات (5G) ذات الموجة (mm) يتطلب تصميم الهوائي أكثر التعديلات شمولاً، والهوائيات الموصوفة تقنياً على أنّها هوائيات شاملة الاتجاهات ترسل وتستقبل إشارات التردد الراديوي بالتساوي في جميع الاتجاهات الأفقية في كلا المستويين الهندسيين، هي بؤرة الهوائيات من النوع الرنان المطبق في أجهزة المستخدم.
تتمتع الهوائيات شاملة الاتجاهات داخل الهواتف المحمولة بمكاسب تقع عموماً في نطاق (-8 ديسيبل) إلى (0 ديسيبل)، وللتعويض عن التوهين العالي للإشارة عند ترددات الموجة (mm) مع زيادة الكسب تم اقتراح فكرة صفائف الهوائي للهواتف المحمولة، وفي صناعة الاتصالات اللاسلكية يعتبر مهندسو (RF) والهوائي تصميم الهوائيات للهواتف المحمولة فناً هندسياً، وهذا بسبب الاختلاف في أداء الهوائيات عندما تكون في وضع مثالي في مساحة خالية وعند تثبيتها داخل الهاتف.
لا يمكن للهوائي المثبت في الهاتف المحمول أن يتصرف بشكل مطابق للهوائي الموجود في المساحة الخالية دون التفكير في سيناريوهات الوقت الفعلي، بحيث يؤثر اقتران المجال الكهربائي والمغناطيسي المستحث بسبب التيارات السطحية للهوائي في النهاية على مطابقة الممانعة المميزة، وكفاءة الهوائي المصممة في الفضاء الحر.
علاوة على ذلك يختلف أداء الإشعاع للهوائي بسبب وجود مكونات إلكترونية أخرى والغلاف المعدني بحيث يتم شغل معظم المساحة داخل الهواتف المحمولة، بواسطة شاشة العرض البلورية السائلة الكبيرة (LCD) والبطارية، والأقواس المعدنية الموجودة خلف شاشة (LCD) تحد بشكل فعال من تصميم هوائيات الهاتف المحمول الحالية إلى حواف الجهاز.
علاوة على ذلك فإنّ استخدام إطارات معدنية معينة يتم استخدامها لأنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار والكاميرات ومكبرات الصوت ووحدات الميكروفون، يقلل من مساحة الهوائي المتوفرة داخل الهواتف المحمولة، لذلك سيتم تقديم صفائف الهوائي مع تقنيات لوحة الدوائر المطبوعة أحادية ومتعددة الطبقات (PCB) وتنوع الاستقطاب.
- “PCB” هي اختصار لـ “printed circuit board”.
- “LCD” هي اختصار لـ “liquid crystal display”.
- “RF” هي اختصار لـ “radio-frequency”.
تطور عمل نظام النقل في الاتصالات اللاسلكية في مصفوفة الهوائي
في الشبكات الخلوية ذات الموجة (mm) سيتم نشر أنظمة التوصيل و(BS) بشكل عام في بيئة مزدحمة على الأعمدة والمنارات وقمم المباني، وسيتم نقل البيانات المجمعة إلى أو من عدة مستخدمين مع تأخير أقل من محطة (BS) ذات الموجة (mm) إلى المحور المركزي من خلال مختلف القنوات اللاسلكية أو الضوئية ذات الموجة (mm).
سيكون نطاق الاتصال لوصلة الوصول إلى الموجة (mm) الخارجية أكبر عند مقارنتها بوصلات اتصال الموجة (mm) الداخلية، ولكن لا يمكن زيادة استهلاك الطاقة لمطاريف المستخدم النهائية وبسبب التوهين العالي للإشارة عند ترددات الموجة (mm)، تكون مسافة الاتصال الفعالة لأنظمة الموجات مم محدودة عند مقارنتها بإشارات الموجات الميكروية.
لتقليل الخسارة المتزايدة للمسار في البيئات الخارجية وبسبب تنقل المستخدم يلزم وجود تقنية مناسبة لتشكيل الحزمة للتنفيذ في وصلات الوصول إلى الاتصالات الخلوية في نطاق تردد الموجة (mm)، كما يمكن تحقيق ذلك باستخدام (BS-wave BS) المجهز بمصفوفات مرحلية عالية الكسب، حيث يكون هناك استرخاء في الحجم ومتطلبات استهلاك الطاقة.
تقدم الصفيفات المرحلية بترددات الموجات المليمترية حلاً للاتصال عالي معدل البيانات باستخدام عرض نطاق عالي ووصلات اتجاهية بين مطراف (BS) و(MS)، وتم اقتراح بنية مصفوفة جديدة لتشكيل الحزمة وأنظمة (MIMO) الضخمة متعددة الحزم، باستخدام هوائي عدسة مستوٍ رفيع قائم على المواد الفوقية ويشتمل الهوائي المقترح على عدسة (EM) مدمجة مع صفيف هوائي.
تساعد عدسة (EM) جنباً إلى جنب مع صفيف الهوائي على زيادة معدل النقل والبيانات من (MIMO) الهائل (m-MIMO)، ويتم وضع مجموعة من هوائي التصحيح المكدس المكون من سبعة عناصر والذي يتم تغذيته بواسطة (SIW)، والذي يعمل عند (28 جيجاهرتز) في المنطقة البؤرية خلف العدسة الكهرومغناطيسية، وتشتمل كل مجموعة فرعية على أربع رقع مربعة يتم تغذيتها بواسطة (SIW) كبقع مشعة.
يتم توصيل كل عنصر مصفوفة بمنفذ الإدخال باستخدام التغذية الانتقالية للدليل الموجي (SIW) إلى الأرض متحد المستوى (GCPW)، وتتراوح الممانعة المقاسة (10 ديسيبل) من (25.8 جيجاهرتز) – (28.9 جيجاهرتز)، ويتراوح نطاق مسح الحزمة الزاوي للمصفوفة المرحلية المقترحة من (-27 درجة) إلى (+ 27 درجة)، ويبلغ كسب الذروة المقاس لهوائي الصفيف التدريجي المزود بالعدسة (24.2 ديسيبل) بكفاءة تبلغ (24.5%) عند تردد (27.5 جيجاهرتز).
- “BS” هي اختصار لـ “base station” و”GCPW” هي اختصار لـ “grounded coplanar waveguide”.
- “SIW” هي اختصار لـ “Substrate integrated waveguide” و”MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input/Multiple Output”.
- “MS” هي اختصار لـ “Mobile station”.
