استكشاف إمكانيات تيراهارتز ميمو للاتصالات من أجل الشبكات المستقبلية اللاسلكية

مقدمة: خط الطول التالي في الاتصالات اللاسلكية

ويزيد الطلب المتكرر على ارتفاع معدلات البيانات، وانخفاض درجة الحرارة، والربط بين أجهزة الاتصال اللاسلكية، إلى ما يتجاوز حدود الترددات المصغرة والمترية، وبالتالي فإن الجيل الخامس )المجموعة الخمسية( يُنشر الآن، ولكن قدرات هذه الشبكات ستقصر في نهاية المطاف عن متطلبات تطبيقات مثل التكاثر الببليجي، والتشكيلات الفوقية ذات الترددات العالية، والجيل الثاني من الجيل الثاني من الجيل الثاني من الباحثين.

وعلى عكس النطاقات الفرعية 6 GHz و ملميح الموجات، يقدم طيف التثيف أوامر ذات حجم أكبر من المئات من المئات من المحركات التي لا يمكن استخدامها في مواقع محددة، غير أن استغلال هذه الترددات يتطلب التغلب على خسائر كبيرة في مجال النشر وحدود المعدات، فتقنيات المنظمة، التي تستخدم عدة هوائيات لنقلها وتلقيها من مسارات بيانات مستقلة، يمكن أن تساعد على تعويض هذه المكاسب المتعثرة عن طريق توفير التنوع المكاني والتعدد.

Understanding Terahertz MIMO Communication

فرقة تيرهارتز للتواتر

منطقة تيراتز تقع بين المطياف المصغر والمطياف بالأشعة تحت الحمراء، حيث ترتفع الترددات من 0.1 ثيس إلى 10 ثات، وقد تم التحقيق في هذه الفرقة منذ وقت طويل من أجل المطياف والتصوير والاستشعار، ولكن في الآونة الأخيرة فقط تم النظر فيها بجدية من أجل الاتصالات اللاسلكية، والجذب الرئيسي هو وفرة الطيف غير المستخدم، بينما يستخدم 5 جيتار موصولاً بشبكة الترددات الترددية

دور البعثة

وتُستخدم تكنولوجيا القذائف بالفعل مجموعة كبيرة من المعايير اللاسلكية الحديثة (4G, 5G, Wi-Fi 6/7). وتُستخدم فيها كميات متعددة من الهوائيات في جهاز الإرسال والاستقبال لإرسال مختلف مسارات البيانات في نفس الوقت من موارد التردد، مما يزيد من الكفاءة في مجال الأطقم، وفي إطار مقياس التداخل التقليدي بين المقياسين الفرعي 6 GHzM، تُستخدم الأنابيب نصف موجة، أي ما يعادل 6.25 سم.

السمات الرئيسية لقناة البعثة

وتختلف هذه الحركة اختلافاً ملحوظاً عن ترددات أقل، وتهيمن القناة على فقدان المسارات (التناسب مع مربع التردد)، والاستيعاب الجزيئي (لا سيما بواسطة بخار الماء والأكسجين)، وعلى وجود عدد كبير من المسافات في مسار البصر، كما أن التقلبات ضعيفة، والتفكيرات كثيراً ما تكون مضاربة.

Advantages of Terahertz MIMO

تقدم وزارة الصحة مجموعة من الفوائد تجعلها مرشحة جذابة للشبكات اللاسلكية المقبلة، وتفصل الفروع التالية المزايا الرئيسية.

معدلات البيانات في أعلى درجة

فالعرض الهائل المتاح في إطار فرقة العمل هو الميزة الأكثر قسوة، فعلى سبيل المثال، يمكن لنظام يضم 100 جيهرتز من الضمادات أن يحقق نظريا معدلات بيانات تتجاوز 100 غمبر لكل مجرى مع إجراء عملية بسيطة، مع استخدام صفائف كبيرة من المزودين بأجهزة إم.م.م.م.أ.م.أ.م.أ.

الكفاءة في الانتقاء والتعددية المكانية

ومع وجود عدد كبير من المحركات العسكرية في الترددات الثلاثية، يمكن أن يتضخم عدد المجرى المكاني بشكل كبير، وتبين الدراسات النظرية أن القدرة، في ظل ظروف مثالية من LOS، تنمو بشكل متواز مع عدد الأزواج الهوائيين، التي لا تقتصر على النسيج، لأن صفائف الترددات الثلاثية يمكن أن تكون متماسكة للغاية (مثلا، صفيفة × 10 ملم يمكن أن تستضيف آلاف العناصر)، والوحدة المتعددة الأبعاد المكانية.

جهاز التنميط

ويتيح التلويث الموجي الصغير في الترددات الثلاثية التفريغ على الهواء باستخدام أجهزة التصوير المقطعي أو عمليات الموصلات شبه المتطورة، ويمكن أن تدمج رقاقة واحدة صفيفة واسعة النطاق على مراحل مع عناصر الواجهة الأمامية لمحطة الترددات، مما يقلل من الحجم الإجمالي للمعدات المستخدمة وتكلفتها، وهذا التقليل إلى أدنى حد ممكن بالنسبة للأجهزة المحمولة، والمجسسات القابلة للارتداء، وشبكة الشبكية للأشياء التي لا تتطلب مواداً ذات سمية.

تعزيز الأمن وقلة احتمالات الاعتراض

إن الشعاعات ذات الأشعة العالية تتجه إلى حد بعيد بسبب الشعاع الهوائي الصغير، حيث أن المُتخفِّض الذي يقع خارج الفص الرئيسي الضيقة سيشهد انخفاضا حادا في الإشارة، إلى جانب الطابع القصير المدى لوصلات ثيس (العشرات إلى بضع مئات متر)، فإن خطر الاعتراض أقل من احتمال نقل البيانات المالية الشاملة أو الواسعة النطاق، وهذه الممتلكات تُضمن الاتصالات بين البعثة والشبكة العسكرية.

القدرات على التكوين والاشتراك

ويمكن للعناصر الضخمة من الهوائيات في صفائف الميكروفونات المتعددة الأطراف من أن تُعدل درجة عالية من الاستبانة، ويمكن للنظام، من خلال تعديل مرحلة كل عنصر، أن يُوجّه أحزمة ضيقة للغاية مع الدقة الاستثنائية، وهذه القدرة حاسمة لتتبع المستخدمين المتنقلين والحفاظ على صلة قوية في السيناريوهات غير المباشرة إذا استخدم مسار مجسّد، مما يجعل من الممكن أن يؤدي إلى تقليص عدد المكوّنات الحقيقية.

Challenges in Terahertz MIMO Systems

وعلى الرغم من وعدها، تواجه البعثة عقبات هائلة يجب التغلب عليها قبل تسويقها، ويعالج الباحثون هذه المسائل معالجة نشطة.

ارتفاع الخسائر في الأرواح والاستيعاب

ففقدان الطوابق في الترددات الثالثة شديد، إذ أن فقدان المسار الحر في الفضاء يزيد بمسار التردد؛ وفي 1 ثيس، تبلغ درجة الارتفاع في الفول السوداني 60 دي بي أو أكثر من 1 جيهرتز على نفس المسافة، بالإضافة إلى أن عدد الخسائر في الغلاف الجوي - أساساً من بخار الماء، والأكسجين، وغير ذلك من الظواهر التي تنجم عن ارتفاع حاد في مستويات الحرارة().

إعاقة استخدام المعدات الحاسوبية والتحديات المتعلقة بتفسيرها

وتواجه أجهزة التحويل التي يمكن التحقق منها بكفاءة في الترددات الثلاثية تحديا هندسيا كبيرا، وقد تتقدم تكنولوجيا التموين إلى نقطة يمكن فيها للمترجمين أن يتحولوا بسرعة ثيس، ولكن الطاقة الإنتاجية لا تزال منخفضة (تبدو شبه ملحوظة) وأرقام الضوضاء عالية، كما أن أجهزة توليد الطاقة الكهربائية تعاني من انخفاض في المكاسب والكفاءة، مما يحد من وجود مواد فعالة في مجال صناعة الأشعة فوق البنفسجية (الثودية).

التجهيز المعقد للعلامات والتصميم المغناطيسي

فالتعميمات غير المسبوقة للعرض الترددي والهائي الكبير تفرض مطالب حاسبية هائلة، إذ أن خوارزميات تجهيز الإشارات لتقدير القنوات، والتمهيد، والكشف، والمسح، يجب أن تتعامل مع البعثة الضخمة بمئات أو آلاف الهوائيات أثناء عملها على مئات من الجيغارات من عرض النطاق الترددي، وتتغير القناة بسرعة بسبب تردد حركة المستخدمين والتغيرات البيئية، مما يتطلب تقنيات تكييفية منخفضة.

الثغرات التنظيمية والمعايير

ولا يخصص هذا الطيف بالكامل بعد للاتصالات اللاسلكية التجارية، وقد بدأ الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية والهيئات التنظيمية الوطنية في فتح نطاقات محددة )مثلا، ٢٥٢-٢٩٦ غيغاهيرتز و ٢٧٥-٤٥٠ غيغاهيرتز( لخدمات الاتصالات المتنقلة والمستقرة، غير أن المواءمة على نطاق العالم لا تزال في مراحلها المبكرة، كما أن هيئات المعايير المحددة مثل نقطة الاتصال الثابتة هي ١٥٨٠-٣.

طلبات إعلانية من منظمة " تيراتز ميمو "

وعندما تقترن الاتصالات مع البعثة العسكرية، يمكن أن تتيح الاتصالات مجموعة متنوعة من التطبيقات الثورية.

6G and Beyond Mobile Networks

ومن المتوقع أن تعمل هذه الفئة على نطاق النطاقات الفرعية 6 GHz, mmWave, and THz bands. THz MIMO ستكون بمثابة تعزيز القدرة النهائي للزنزانات الصغيرة، والخلف اللاسلكي، والوصول اللاسلكي الثابت، وقدرتها على تقديم بيانات متعددة الأطارات في الثانية، ستدعم بث الفيديوي العالي التعريف، والعرضات الهوائية، والتصويب السحابي الحساس.

مراكز البيانات اللاسلكية وربطات السيرفر راك

وفي مراكز البيانات، تشكل المقصورة عقبة أمام إمكانية التصعيد وإدارة الحرارة، ويمكن لوصلات البعثة أن تحل محل الكابلات المشبعة بالطرق اللاسلكية ذات السرعة العالية بين الرفوف وداخل الرفوف، وتخفض الوزن، وتبرد الاحتياجات، والصيانة، ويخفف النطاق القصير داخل مركز البيانات (الساعة 10م) من مشاكل فقدان الحركة، ويقلل التوجيه العالي من التدخل.

(د) القيمة المضافة المتطورة

والواقع الافتراضي، والواقع المعزز، والواقع المختلط يتطلبان قدراً ضئيلاً للغاية من المرونة (المقياس 5 مترات) والحل الأعلى (8 كيلو أو أكثر) ويقيد الاتصال اللاسلكي الحركة، في حين لا يمكن للخيارات اللاسلكية القائمة (واي - فاي، 5 زاي) أن تضمن النتيجة المطلوبة.

الاستشعار العالي التوطن والتأهيل

ويمكن للموجات التي تبث العديد من المواد غير الموصلية (الملابس واللدائن والبطاقة) وتوفر صوراً عالية الاستبانة بسبب الموجات الموجية دون المليمتر، ويمكن لصفوف MIMO أن تتوليف مسارات كبيرة للاستشعار شبه الراداري، مما يتيح إجراء فرز أمني، ومراقبة جودة صناعية، وعمليات تشخيص بيولوجي - طبي، ويمكن لنظام إم إم إم أن يقوم في الوقت نفسه بالاتصال والاستشعار (ISAC)،

شبكة إنترنت للأشياء والبيئة الذكية

وفي حين أن أجهزة التوحيد القياسي تتطلب عادة معدلات منخفضة من الطاقة وانخفاض معدلات البيانات، فإن بعض التطبيقات (مثل أجهزة الاستشعار بالفيديو ذات الاستبانة العالية، واللوحات المستقلة للمركبات) تتطلب قدراً كبيراً من الصنع.() ويمكن أن تكون هذه الآلية بمثابة أداة خلفية لمجموعات متفجرة من اليورانيوم، كما أن أحجام المصانع الصغيرة تسمح بالإدماج في أجهزة الاستشعار والطائرات الآلية والملابس.

البحوث والتجديدات الحالية

وتتسارع البحوث في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، مع عدة إنجازات ملحوظة في السنوات القليلة الماضية.

المظاهرات المسببة للتسجيل

In 2020, researchers at the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEE) reported a 300 GHz MIMO system achieving 100 Gbps over 20 meters (see IEE Xplore: 100 Gbstream THz MIMO). More recently, a team from Hiroshima University demonstrated a single-chip 1-THz integrated range

التكوين وبدء عمليات الابتكار في مجال النقل البحري

(ب) وضع الباحثون في جامعة بيركلي صفيفة تدريجية من طراز GHz MIMO باستخدام تكنولوجيا سيجي بي سي سي سي سي سي إموس المتقدمة التي تضم 256 عنصراً، مما يدل على توجيه الشعاع الإلكتروني إلى 40 درجة (انظر ]]IEE JSSC: 140 GHz Phased Array)، وفي الوقت نفسه، يقدم مواد جديدة مثل نظام " تدوين " .

القنوات النموذجية والتعلم الآتي

ومن الضروري وضع نماذج دقيقة للقناة الخاصة بشبكة MMO، ويعمل المعهد الأوروبي لمعايير الاتصالات السلكية واللاسلكية ] و] ITU-R] على نماذج موحدة للقناة لفرقة تيثز، ويستخدم الباحثون التعلم الآلي لتقدير قنوات التغيُّر التقليدية في الوقت الحقيقي، مما يجعلها تُعدِّل.

التوقعات المستقبلية والتكامل مع 6 خ ع

ومن المتوقع أن يتكشف مسار البعثة التجارية خلال العقد القادم.

خريطة الطريق وخط الزمن

ومن المرجح أن تكون عمليات النشر الأولي للثورة ذات النقاط الثابتة لاستبدال الألياف والخلفية، ربما في الفترة من 2025 إلى 2027، ومن المتوقع أن تكون المركبات الصغيرة من طراز TMO لأجهزة المستهلكين في الإطار الزمني المحدد بـ 6G (2030 فصاعداً) وتركز البحوث السابقة على تطوير أجهزة إرسال ذات نطاق واسع تتسم بالكفاءة، وتجهيز رقمي منخفض القدرة، وأجهزة هوائي مبتكرة.

التآزر مع الـ "أي" و "أوجه الذكاء" المُثق بها

وستؤدي الاستخبارات الفنية دورا حاسما في إدارة تعقيد أنماط الشعاع التي تعمل بها نظم البعثة - مخططات الترميز وتخصيص الموارد، ويمكن أن تكون الأسطح الذكية القابلة للتداول بمثابة مفكر سلبي لتوسيع نطاق التغطية حول العقبات، وإيجاد مسارات غير مباشرة تضاعف النطاق الممكن استخدامه من وصلات ثيثز.

الاعتبارات البيئية والصحية

إن الإشعاع الذري غير مؤين، وله طاقة ضوئية أقل من الضوء المرئي، غير أن التعرض للقوى العالية يمكن أن يسبب آثارا حرارية، فالبحوث في حدود الأمان مستمرة، ولكن مستويات الطاقة في نظم الاتصالات أقل بكثير من تلك التي قد تسبب ضررا، كما أن النطاق القصير والمستوى المباشر يخفضان أيضا خطر التعرض للبشر، كما أن الآثار البيئية، مثل استهلاك الطاقة من صفائف الهوائيات الكثيفة، تجري دراستها لضمان الانتشار المستدام.

الاستنتاج: عهد جديد من الانتقائية

إن الاتصالات التي تقوم بها شركة تيرارتز ميمو هي في تقاطع عرض النطاق الترددي المتطرف ومعالجتها الهوائيات المتقدمة، وتورد التكنولوجيا معدلات بيانات تقوّض المعايير الحالية، وتسمح بتطبيقات كانت ذات مرة من قبيل الخيال العلمي، ومع ذلك فإن الطريق إلى الاعتماد الواسع النطاق هو طريق حاد، مع وجود تحديات كبيرة في فقدان الحركة، والمعدات، والمقاييس، والتنظيم، ومع ذلك فإن سرعة البحث مبعثرة ومستمرة في تشكيلة من أجهزة الاستخبارات.