نظام الهوائي الموزع - Distributed Antenna System

يُعد مفهوم أنظمة الهوائي الموزع معروف منذ سنوات عديدة، إلّا أنّه مع الانتشار المتزايد للأنظمة اللاسلكية داخل المباني ومناطق التغطية الصعبة الأخرى، ظهرت أنظمة الهوائي الموزع في المقدمة، كما يتم أخد النظام كوسيلة بشكل كبير لأنّه يتيح اكتساب عدد من المزايا، ولكن هذا على حساب نظام أكبر وأكثر تعقيداً، كما يتم استخدام أنظمة الهوائي الموزعة في مجموعة متنوعة من المجالات للتمكين من الحصول على التغطية الصحيحة للعديد من التطبيقات.

ما هو نظام الهوائي الموزع – Distributed Antenna System؟

نظام الهوائي الموزع (DAS): هو شبكة من الهوائيات متباعدة عن بعضها البعض، ولكنّها متصلة بمصدر مشترك، وبهذه الطريقة يمكن لـ (DAS) توفير تغطية لاسلكية في منطقة معينة.

الهدف الأساسي من نظام الهوائي الموزع هو الاعتماد على استخدام هوائيات مختلفة فوق منطقة التغطية المطلوبة، وباستخدام هذا الأسلوب تكون الطاقة الإجمالية المطلوبة أقل لأنّ هذه الهوائيات الأكثر محلية يمكن وضعها بشكل أكثر فاعلية لمنطقة صغيرة، بدلاً من وضع هوائي واحد أكبر حتى يصبح حلاً وسطًا للتغطية الأوسع المطلوبة، ومن خلال اعتماد أسلوب نظام الهوائي الموزع يساعد ذلك في التغلب على خسائر التظليل والاختراق؛ لأنّ وصلة خط البصر متاحة بشكل متكرر، ونتيجةً لذلك تكون مستويات الامتصاص أقل، ممّا يعني أنّه يمكن تقليل مستويات الطاقة الإجمالية.

مزايا استخدام نظام الهوائي الموزع – DAS:

• تغطية أفضل.

• فتحات تغطية أقل.

• نفس التغطية باستخدام قوة إجمالية أقل.

• لا يلزم أن تكون الهوائيات الفردية عالية، مثل هوائي واحد للتغطية المكافئة.

عيوب استخدام نظام الهوائي الموزع – DAS:

• ارتفاع التكلفة نتيجة البنية التحتية الإضافية المطلوبة.

• تأثير بصري أكبر محتمل في بعض التطبيقات نتيجةً لعدد أكبر من الهوائيات، وعلى الرغم من أنّه من المحتمل أن يكون ارتفاعها أقل بكثير.

الهوائيات الذكية – Smart Antennas:

يتم اعتماد الهوائيات الذكية وتقنية الهوائي الذكي التي تستخدم مصفوفة الهوائي التكيفي بشكل متزايد مع تطوير التقنيات الأخرى بما في ذلك الراديو المحدد بالبرمجياتوالراديو المعرفي و(MIMO)، بحيث تتيح تقنية الهوائي الذكي أو تقنية مصفوفة الهوائي التكيفي تغيير أداء الهوائي لتوفير الأداء الذي قد يكون مطلوباً للقيام بالأداء في ظل ظروف محددة أو متغيرة.

تتميز الهوائيات الذكية بالقدرة على معالجة الإشارات التي يمكنها أداء مهام مثل تحليل اتجاه وصول الإشارة، ومن ثم يمكن للهوائي الذكي تكييف الهوائي نفسه باستخدام تقنيات تشكيل الحزمة لتحقيق استقبال أو إرسال أفضل، بالإضافة إلى ذلك يستخدم الهوائي الكلي شكلاً من أشكال مخطط مصفوفة الهوائي التكيفي لتمكين الهوائي من أداء تشكيل الحزمة واكتشاف اتجاه الإشارة.

وظائف الهوائي الذكي – Smart antenna functions:

1. تقدير اتجاه الوصول – Direction of arrival estimation:

لكي يتمكن الهوائي الذكي من توفير الوظائف المطلوبة وتحسين الإرسال والاستقبال، يجب أن يكونوا قادرين على اكتشاف اتجاه وصول الإشارة الواردة المطلوبة، كما يتم تمرير المعلومات التي تتلقاها مصفوفة الهوائي إلى معالج الإشارة داخل الهوائي وهذا يوفر التحليل المطلوب.

2. توجيه الحزمة – Beam steering:

مع اتجاه وصول الإشارات المطلوبة وأي إشارات متداخلة التي تم تحليلها، تكون دائرة التحكم داخل الهوائي قادرة على تحسين مخطط الحزمة الاتجاهية لمصفوفة الهوائي التكيفي لتوفير الأداء المطلوب.

أنواع الهوائي الذكي – smart antenna:

1. الهوائيات الذكية ذات الحزمة المحولة – Switched beam smart antennas:

تم تصميم الهوائيات الذكية أو التكيفية ذات الحزمة المبدلة بحيث يكون لها العديد من أنماط الحزمة الثابتة، كما يمكن لعناصر التحكم داخل الهوائي بعد ذلك تحديد أنسب عنصر للظروف التي تم اكتشافها، وعلى الرغم من أنّ هذا النهج لا يوفر مرونة كاملة، إلّا إنّه يبسط التصميم ويوفر مستوى كافٍ من التكيف للعديد من التطبيقات.

2. المصفوفة الذكية للهوائيات التكيفية – Adaptive array smart antennas:

تسمح مصفوفات الهوائي التكيفية بتوجيه الحزمة باستمرار إلى أي اتجاه للسماح باستقبال أقصى إشارة أو إبطال أي تداخل، وكلا النوعين من الهوائيات قادران على توفير الاتجاهية وعلى الرغم من ضرورة اتخاذ القرارات مقابل التكلفة والتعقيد ومتطلبات الأداء فيما يتعلق بالنوع الذي ينبغي استخدامه.

هوائيات Beam forming and Beam steering:

يُعد تشكيل حزمة الهوائي والهوائي الذي يتم توجيهه من التقنيات التي تجد استخداماً متزايداً مع أنظمة مثل الاتصالات الخلوية وعلى وجه الخصوص (5G) بالإضافة إلى العديد من الأنظمة اللاسلكية الأخرى، كما يسمح تشكيل حزمة الهوائي لنظام هوائي يتكون من عدد من الهوائيات الفردية بتغيير اتجاه الحزمة عن طريق تغيير طور وسعة الإشارات المطبقة على عناصر الهوائي الفردية في المصفوفة.

يمكن للتقنيات المطلوبة لتحسين الأداء أن تستخدم تقنيات تشكيل حزمة الهوائي لتمكين المستخدمين الأفراد من الحصول على حزمة فردية موجهة إليهم، وبهذه الطريقة يتلقون إشارة محسنة ويتلقى المستخدمون الآخرون الذين لديهم حزمهم الخاصة مستوى أقل من التداخل.

الفرق بين هوائيات تشكيل الحزمة وتوجيه الحزمة:

1. تشكيل الحزمة – Beam forming:

يشير هذا المصطلح إلى التكوين الأساسي لحزمة الطاقة من مجموعة من المصفوفات المرحلية، وباستخدام صفائف الهوائي على مراحل، يمكن التحكم في شكل واتجاه حزمة الإشارة من هوائيات متعددة بناءً على المباعدة بين الهوائيات وطور الإشارة من كل عنصر هوائي في المصفوفة، وبناءً على ذلك فإنّ إنشاء الحزمة باستخدام تقنية التدخل وبناء الأنماط يسمى تشكيل الحزمة.

2. توجيه الحزمة – Beam steering:

يأخذ التوجيه بالحزمة بمفهوم تشكيل الحزمة إلى مرحلة أخرى، حيث إنّها الطريقة التي يمكن بها تغيير نمط الحزمة ديناميكياً عن طريق تغيير مرحلة الإشارة في الوقت الفعلي دون تغيير عناصر الهوائي أو الأجهزة الأخرى، كما تُعد (Beamforming وBeamsteering) تقنيتان مرتبطتان، لكن كلاهما مدمج في أنواع الهوائيات التي يتم استخدامها مع العديد من تقنيات الاتصالات الجديدة، مثل (5G).

أساسيات هوائي Beamforming:

يتكون نظام الهوائي المشكل للحزمة أو عدداً من الهوائيات الفردية التي تم إعدادها كمصفوفة، كما يتم تغذية كل عنصر هوائي بشكل منفصل مع الإشارة المراد إرسالها، ويتم التحكم في تغذية كل هوائي بحيث يمكن التحكم في الطور والسعة لكل عنصر، ممّا ينتج نمطاً من التداخل البنّاء والمدمّر في واجهة الموجة.

يتم التحكم في إشارات التغذية الفردية بحيث يتم جمع أو طرح المجموع الكلي للاتساعات اللحظية من عناصر الهوائي المختلفة بطريقة يتم فيها إنشاء الحزمة المطلوبة، كما يمكن إنشاء مصفوفة الهوائي لتشكيل الحزمة باستخدام عدد من عناصر الهوائي المتقاربة، وإذا كانت جميع العناصر في المصفوفة متماثلة أي أنّها تشع بالتساوي في جميع الاتجاهات، فكلها لها نفس الكسب وتُقاد بإشارة في نفس الطور والقدرة، فإنّ الحزمة الناتجة ستشير مباشرةً إلى المستوى الذي عليه يتم تركيبها.

من الممكن تغيير التدريج التدريجي بين مجموعة توليف عنصر الهوائي لتشكيل حزمة بزاوية مختلفة، كما يحدد اختلاف الحالة بين العناصر زاوية الحزمة، كما هو الحال مع أي هوائي ينطبق قانون المعاملة بالمثل ويتم الحصول على الأداء المكافئ في اتجاه الاستقبال، ومن الأسهل تصور توزيع القدرة في المخطط المشع من هوائي تشكيل الحزمة.

يتم تشكيل عدد من الأقسام الجانبية، وفي الحالات التي يكون فيها التباعد أقل من طول الموجة تظهر الأقسام الجانبية على جانبي القسم الرئيسي بمستويات متناقصة، أمّا إذا كانت عناصر المصفوفة متباعدة على نطاق أوسع، فإنّ قوة الأقسام الجانبية تزداد حتى عندما تتطابق مسافة الفصل (d) مع الطول الموجي للإشارة (λ)، كما تظهر الحزم غير المرغوب فيها بنفس مستوى قدرة الحزمة الرئيسية عند (± 90 درجة)، وعادةً ما تكون الأقسام الجانبية غير مرغوبة؛ لأنّها تؤدي إلى إشعاع القدرة في اتجاهات لا تتوافق مع الحزمة الرئيسية، ممّا يعني أنّ كفاءة الهوائي تقل مقارنة بما هو مطلوب.

تشكيل حزمة الهوائي التماثلية والرقمية:

1. تشكيل حزمة الهوائي التماثلية – Analog antenna beam forming:

ربما تكون الطريقة التماثلية لتشكيل الحزمة هي الأكثر بديهية، وباستخدام النهج التماثلي تتم معالجة دفق بيانات واحد بواسطة مجموعة من محولات البيانات وجهاز إرسال واستقبال (RF)، كما يتم تقسيم ناتج التردد الراديوي إلى العديد من المسارات التي توجد بها عناصر الهوائي، ويتم تمرير كل مسار من مسارات الإشارة هذه عبر ناقل طور ثم يتم تضخيمه وتمريره إلى عنصر المصفوفة الفردي.

تشكل حزمة الهوائي التماثلية في مسار التردد الراديوي آخر تعقيداً، كما أنّها تستخدم قدراً ضئيلاً من الأجهزة، ممّا يجعلها الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لبناء مصفوفة تشكيل الحزمة، أمّا العيب الرئيسي هو أنّ النظام يمكنه فقط التعامل مع دفق بيانات واحد وإنشاء حزمة إشارة واحدة، ممّا يحد من فعاليتها من حيث متطلبات التطبيقات مثل (5G) حيث تكون الحزم المتعددة مطلوبةً.

2. تشكيل حزمة الهوائي الرقمي – Digital antenna beam forming:

باستخدام تشكيل حزمة الهوائي الرقمي، يكون لكل هوائي جهاز إرسال واستقبال خاص به ومحولات بيانات، كما يمكنه التعامل مع تدفقات بيانات متعددة وإنشاء حزم متعددة في وقت واحد من مجموعة واحدة، واستخدام تشكيل حزمة الهوائي الرقمية من الممكن توليد عدة مجموعات من الإشارات وتركيبها على عناصر مصفوفة الهوائي، كما إنّه يمكّن مصفوفة هوائي واحدة من خدمة حزم متعددة وبالتالي مستخدمين متعددين في سيناريو مثل (5G)، كما يحدث هذا عادةً على نفس قناة التردد ممّا يتيح كفاءة الطيف المثلى.