هوائي MIMO Beamforming

تُعد تقنيات هوائي (MIMO) المستخدمة هي المفتاح لأداء (MIMO) الكلي، بالإضافة إلى ذلك يُعد تشكيل الحزم (MIMO) خياراً يبرز في المقدمة، ونظراً لأنّ أشكالاً مختلفة من التكنولوجيا تعمل على تحسين تقنية هوائي (MIMO)، يمكن دفعها بشكل أكبر ممّا يسمح بوضع تقنيات مثل تشكيل الحزمة (MIMO) في الاعتبار، وأساسيات تقنية هوائي (MIMO) بما في ذلك تقنية هوائي تشكيل الحزم (MIMO).

تطور هوائي MIMO Beamforming:

لسنوات عديدة، تم استخدام تقنية الهوائي لتحسين أداء الأنظمة وتم استخدام الهوائيات التوجيهية لسنوات عديدة لتحسين مستويات الإشارة وتقليل التداخل، كما تم استخدام أنظمة الهوائي التوجيهي على سبيل المثال لتحسين قدرة أنظمة الاتصالات الخلوية عن طريق تقسيم موقع الخلية إلى قطاع حيث يضيء كل هوائي (60 درجة) أو (120 درجة)، كما يمكن زيادة السعة بشكل كبير أي ثلاثة أضعاف عند استخدام هوائيات (120 درجة)، ومع تطوير أنظمة أكثر تكيفاً ومستويات أكبر من قدرة المعالجة فمن الممكن استخدام تقنيات تشكيل حزم الهوائي مع أنظمة مثل (MIMO).

الهوائيات الذكية MIMO:

يُعد استخدام تقنيات تشكيل الحزم سهل مع أي نظام هوائي وليس فقط في أنظمة (MIMO)، بحيث يتم استخدامها لعمل مخطط توجيه هوائي معين مطلوب لإعطاء الأداء المطلوب في ظل الظروف المحددة، بحيث تُستخدم الهوائيات الذكية عادةً وهي هوائيات يمكن التحكم فيها تلقائياً وفقاً للأداء المطلوب والظروف السائدة، كما يمكن تقسيم الهوائيات الذكية إلى مجموعتين:

1. أنظمة الصفيف المرحلي – Phased array systems:

يتم تبديل أنظمة المصفوفة المرحلية بحيث يتوفر فيها عدد من الأنماط المحددة مسبقاً، كما يتم تبديل النظام المطلوب وفقاً للاتجاه المطلوب.

2. أنظمة المصفوفة التكيفية – Adaptive array systems:

يستخدم هذا النوع من الهوائيات تشكيل الحزمة التكيفية، كما يتوفر فيه عدد لا حصر له من المخططات ويمكن تعديله وفقاً للمتطلبات في الوقت الفعلي.

يتطلب تشكيل الحزمة (MIMO) باستخدام أنظمة المصفوفة المرحلية، بحيث يُحدد النظام العام اتجاه وصول الإشارة الواردة ثم التبديل في الحزمة الأكثر ملاءمة، كما يُعد هذا بمثابة حل وسط لأنّه من غير المرجح أن تتطابق الحزمة الثابتة تمامًا مع الاتجاه المطلوب، كما أنّ أنظمة المصفوفة التكيفية قادرة على توجيه الحزمة في الاتجاه الصحيح المطلوب وكذلك تحريك الحزمة في الوقت الفعلي، وهذه ميزة خاصة للأنظمة المتحركة وهو عامل يحدث غالباً مع الاتصالات المتنقلة، ومع ذلك فإنّ التكلفة هي التعقيد الإضافي الكبير المطلوب.

متعدد المستخدمين MU-MIMO:

متعدد المستخدمين (MU-MIMO): هو شكل محسّن من تقنية (MIMO) التي تكتسب القبول، مما يتيح (MIMO) متعدد المستخدمين محطات راديوية مستقلة للوصول إلى نظام يعزز قدرات الاتصال لكل محطة على حدة، وغالباً ما يُعتبر امتداداً للوصول المتعدد لتقسيم المكان (SDMA).

تستغل (MU-MIMO) السعة القصوى للنظام من خلال جدولة عدة مستخدمين؛ ليكونوا قادرين على الوصول في نفس الوقت إلى نفس القناة باستخدام درجات الحرية المكانية التي توفرها (MIMO).

الفرق بين مستخدم واحد ومتعدد المستخدمين MIMO:

أساسيات MU-MIMO:

يوفر (MU-MIMO) أسلوب يمكن من خلالها تحقيق المشاركة المكانية للقنوات، كما يمكن تحقيق ذلك على حساب الأجهزة الإضافية أي المرشحات والهوائيات، ولكن الدمج لا يأتي على حساب عرض النطاق الترددي الإضافي كما هو الحال عند استخدام تقنيات مثل (FDMA) أو (TDMA) أو (CDMA)، أمّا عند استخدام تعدد الإرسال المكاني (MU-MIMO)، يتم استيعاب التداخل بين مختلف المستخدمين على نفس القناة باستخدام هوائيات إضافية، ومعالجة إضافية عند تمكين الفصل المكاني لمختلف المستخدمين.

سيناريوهات Multi-user MIMO:

1. قناة الوصول المتعددة والوصلة الصاعدة -MAC:

يرتبط تطوير (MIMO-MAC) على مفاهيم المستخدم الفردي المعروفة (MIMO)، والتي تم توسيعها لتشمل العديد من المستخدمين، بحيث يستخدم هذا الشكل من (MU-MIMO) لقناة وصول متعددة ومن ثم يتم استخدام (MIMO) في سيناريوهات الوصلة الصاعدة.

بالنسبة إلى (MIMO-MAC)، يعالج جهاز الاستقبال الكثير بحيث يحتاج المُستقبل إلى معرفة حالة القناة ويستخدم معلومات حالة القناة في جهاز الاستقبال (CSIR)، كما يُعد تحديد (CSIR) أسهل بشكل عام من تحديد (CSIT)، ولكنه يتطلب مستويات كبيرة من سعة الوصلة الصاعدة لنقل الطيارين المخصصين من كل مستخدم، ومع ذلك فإن أنظمة (MIMO MAC) تتفوق في الأداء على (MIMO) من نقطة إلى نقطة خاصة إذا كان عدد هوائيات المستقبل أكبر من عدد هوائيات الإرسال عند كل مستخدم.

2. قناة البث الهابطة -BC:

يُعد بأنّه السيناريو الأكثر صعوبة، بحيث تتضمن الإستراتيجية المثلى تقنيات إلغاء ما قبل التدخل المعروفة باسم تشفير الورق المتسخ، كما يُستكمل ذلك من خلال جدولة المستخدم الضمنية وخوارزمية تحميل الطاقة، ويستخدم هذا الشكل من (MU-MIMO) لقنوات البث (MIMO) أي الوصلة الهابطة، من بين القناتين (BC وMAC) تُعد قناة البث الأكثر تحدياً داخل (MU-MIMO).

مطلوب معالجة الإرسال لهذا الغرض، وعادةً ما تكون في شكل ترميز مسبق و(SDMA) وجدولة مستخدم الوصلة الهابطة القائمة على الوصول المتعدد لقسم المكان، لهذا يجب أن يعرف جهاز الإرسال معلومات حالة القناة في المرسل (CSIT)، كما يتيح ذلك تحسينات كبيرة في الإنتاجية مقارنة بأنظمة (MIMO) العادية من نقطة إلى نقطة، لا سيما عندما يتجاوز عدد هوائيات الإرسال عدد الهوائيات في كل جهاز استقبال.

مزايا Multi-User MIMO:

• توفر أنظمة (MU-MIMO) الحصول على كمية من الكسب المباشر في قدرة الوصول المتعددة الناشئة عن مخططات تعدد الإرسال متعدد المستخدمين، وهذا يتناسب مع عدد هوائيات المحطة الأساسية المستخدمة.

• يبدو أنّ (MU-MIMO) تتأثر بشكل أقل ببعض مشكلات الانتشار التي تؤثر على أنظمة (MIMO) لمستخدم واحد وتشمل خسارة رتبة القناة وارتباط الهوائي، وعلى الرغم من أنّ ارتباط القناة لا يزال يؤثر على التنوع على أساس كل مستخدم، إلّا أنّه لا يمثل قضية رئيسية للتنوع متعدد المستخدمين.

• يسمح (MU-MIMO) بتحقيق كسب تعدد الإرسال المكاني في المحطة الأساسية دون الحاجة إلى هوائيات متعددة في تجهيزات المستعمل، ويسمح بإنتاج محطات طرفية بعيدة رخيصة ويتم تضمين المعلومات والتكلفة داخل المحطة الأساسية.

تأتي مزايا استخدام (MU-MIMO) متعدد المستخدمين بتكلفة أجهزة إضافية سواء للهوائيات والمعالجة، وكذلك الحصول على معلومات حالة القناة التي تتطلب استخدام النطاق الترددي المتاح.

فوائد MIMO:

1. زيادة معدل البيانات – Increasing data rate:

تسمح الزيادة في عدد الهوائيات باستخدام عدد أكبر من المسيرات، وبالتالي يتم نقل مستوى أكبر بكثير من البيانات خلال فترة زمنية معينة.

2. زيادة إشارة الارتباط الأساسية إلى نسبة الضوضاء – Increasing basic link signal to noise ratio:

تُعد إحدى المزايا الأساسية لاستخدام أنظمة (MIMO) في أنّه يمكن استخدامها لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام ككل، بحيث يتيح استخدام (MIMO) الكبير أو(MIMO) الضخم نقل هذا إلى مستوى أعلى، وهناك زيادة في التصلب ضد التشويش المتعمد نتيجة للتنوع الكبير.

3. تصلب القناة – Channel hardening:

زيادة عدد الهوائيات بشكل كبير لإنشاء نظام (MIMO) ضخم يعني أنّ النظام يصبح أقل حساسية للمدخلات الفعلية لمصفوفة القناة، وهذا بدوره له مزايا أخرى في مجال معالجة الإشارات ومن الضروري للكاشفات الخطية إجراء انقلاب المصفوفة ويمكن القيام بذلك بسهولة أكبر داخل المعالجة، حيث تزداد هذه القدرة مع تطورات التكنولوجيا.

وضع الهوائي في نظام MIMO:

تُعد المشكلات الرئيسية في أي نظام (MIMO) هي وضع الهوائيات، وبالنسبة للعديد من الأنظمة التي تستخدم وحدات صغيرة مادياً، وحتى يتمكن نظام (MIMO) من العمل بشكل مرضٍ يجب أن يكون الارتباط بين الهوائيات صغيراً، بحيث تُعتبر (s) المباعدة بين (λ/2) ضرورية لعدم وجود أي ارتباط تقريباً بين الهوائيات، ومن أجل تحقيق ذلك يمكن اتباع مجموعة متنوعة من الأساليب.

1. استخدام الترددات العالية:

من أجل استيعاب أرقام الهوائي الأعلى المطلوبة لأنظمة (MIMO) الكبيرة، فإنّ استخدام الترددات الأعلى يقصر الطول الموجي للإشارات، ممّا يسمح بتباعد الهوائي من حيث الأطوال الموجية في حيز مادي معين، وتستخدم العديد من الأنظمة ترددات أعلى من (10 جيجاهرتز) وتمتد حتى (60 جيجاهرتز) وما بعده.

2. استخدم التباعد الحجمي بدلا من التباعد الخطي:

من الممكن استخدام الأبعاد الثلاثة داخل عنصر لتوفير تباعد في ثلاثة أبعاد بدلاً من بعدين فقط كما هو الحال في نمط خطي، وعلى الرغم من أنّ العديد من العناصر خاصةً الهواتف المحمولة غالباً ما تكون رقيقة وبالتالي قد لا يكون هذا النهج قابلاً للتطبيق، كما يكون المكعب قادراً على استيعاب المزيد من الهوائيات باستخدام المسافات في ثلاثة أبعاد.

3. استخدام التشكيل المكاني:

من السهل تقليل عدد سلاسل التردد الراديوي اللازمة لنظام (MIMO) الهائل دون المساس بالكفاءة الطيفية باستخدام التشكيل المكاني، والتشكيل المكاني هو شكل من أشكال التعديل لا يتطلب سوى استخدام سلسلة عبور واحدة لهوائيات متعددة، كما يستخدم بشكل فعال هوائياً واحداً من مجموعة في كل مرة للإرسال.