تصميم نظم آلية لشبكة ميمو للاتصالات التدريبية العالية السرعة

وتتوسع شبكات السكك الحديدية العالية السرعة على الصعيد العالمي، وتبشر بالسفر السريع والمستدامة أكثر، ونظرا لأن سرعة القطار تتجاوز 300 كيلومتر/ساعة، فإن الحفاظ على الاتصالات اللاسلكية غير المتقطعة والعالية القدرة يصبح تحديا هندسيا بالغ الأهمية، فالوصلات الموثوقة ضرورية لاشارات التحكم، والوصول إلى شبكة الركاب، ومراقبة الفيديو في الوقت الحقيقي، وقد برزت تكنولوجيا متعددة الأجهزة ذات القدرة على الحركة، كحل أساسي،

Understanding MIMO Technology

وتستخدم نظم الرصد المتعدد المؤشرات الأبعاد المكانية لتحسين أداء الاتصالات، في أبسط أشكالها، نظاماً متعدد المؤشرات يستخدم مضاعفات مكانية : يحيل مسارات بيانات مستقلة متعددة في آن واحد على نطاق التردد نفسه باستخدام أجهزة إرسال متعددة ويتلقى هوائيات، مما يزيد مباشرة من كفاءة الأطياف - عدد القطعات في الثانية لكل هرتز - لايناركا، مقارنة بعدد الأغنياء في البيئة(4).

وبالإضافة إلى تعددية الأطراف، توفر المنظمة مكاسب التنوع ]، إذ إن إرسال نسخ من نفس الإشارة على مختلف الهوائيات أو فترات زمنية (مثلاً عبر تقنيات الزمان الفضائي)، يؤدي إلى خفض كبير في جميع النسخ المبثوثة في آن واحد، ويترجم ذلك إلى صلة أكثر استقراراً مع انخفاض نسبة المستعملين إلى بيانات عالية الجودة.

وتجمع عمليات التنفيذ الحديثة للبعثة، ولا سيما في محطة الإذاعة الجديدة 5G NR، بين هذه التقنيات التكييفية، ويمكن لمركز القاعدة أن يتحول ديناميا بين التكدس المكاني للبيانات ذات القدرة العالية والتلاعب بالنطاق الممتد أو القوي، غير أن فعالية أي مخطط للمنظمة البحرية الدولية تتوقف بشكل حاسم على معلومات دقيقة عن القنوات الرسمية والقدرة على تتبع الظروف السريعة التغير - وهي صعوبة خاصة في بيئات القطارات السريعة السرعة.

التحديات في بيئات التدريب السريع

دوبلر شيفت وواجهة سريعة

A train moving at 350 km/h relative to a fixed base station experiences a Doppler shift of several hundred Hertz at typical cellular frequencies (e.g., 2.6 GHz). This shift causes the carrier frequency to appear different at the receiver, leading to inter-carrier interference (ICI) in OFDM systems. Moreover, the rapid motion causes the wireless channel to vary significantly within the duration of a single transmission time

ظروف متعددة التعاطف وغير حية

وتمتد هذه المناطق إلى مناطق مختلفة: السهول المفتوحة، والقطع العميقة، والأنفاق، والممرات الحضرية الكثيفة، وفي الأنفاق، فإن التكاثر يضاهي الموجات التي تسودها عدة انعكاسات، بينما يمكن أن تهيمن في المناطق المفتوحة، على خطوط البصر، ولكن مع انعكاسات أرضية قوية، وتستحدث الأقسام الحضرية ظروفاً شديدة غير مباشرة (الانفاق الشمالي) بسبب وجود نظم سكنية وقنوات متداخلة.

التدخل في الشؤون العامة

ومن الضروري نشر محطات قاعدية على طول الممر السكك الحديدية للحفاظ على التغطية، ولكنها تخلق مستوى عال من التدخل في القنوات المشتركة، ويعني ارتفاع سرعة القطار تكرار تسليم كل ثانية في أحجام الخلايا التقليدية، ويشمل كل عملية تسليم إشارات عامة، وتوقف محتمل في البيانات، والحاجة إلى إعادة إنشاء مركز التفتيش المركزي مع محطة القاعدة الجديدة، كما أن نظم البعثة ذات صفائح احتياطية كبيرة تؤدي إلى زيادة تزامن عملية التسليم.

المعدات الحاسوبية وأجهزة النشر

كما أن سلاسل الهوائيات المتحركة على متن القطار مقيدة بالهيروديناميات والفضاء والتكلفة، ويجب أن تكون الهوائيات مقاومة للاهتزاز والطقس والتدخل الكهرومغناطيسي العالي من نظام خط القطار، وبالمثل، كثيرا ما توضع محطات قاع الطرق على المهبل أو هياكل الجسور، مما يحد من حجم صفيفة الهوائي الصغيرة وجدوى وجود متغيرات كبيرة في مسارات السيارات.

استراتيجيات تصميم نظم آلية للرصد والتحقق

التكوين الإيجابي وتتبع مسار بيام

ومن أجل مواجهة ارتفاع حركة المركبات، يجب على نظم الرصد المتعدد الوسائط أن تستخدم ]الإطار: صفر[[ التضليل الاستبدادي ]الإطار: ١[[،[،] الخوارزميات التي يمكن أن تسرع في توجيه الشعاع نحو القطار المتحرك، وبدلا من استخدام أنماط الشعاع الثابتة، تستخدم محطة الأساس التغذية المرتدة من جهاز استقبال القطار )أو إشارات الاتصال اللاسلكية( لضبط أفضل الأوزان.

التقدير المسبق للقناة والمنع

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تقديرات القنوات التقليدية تعتمد على الرموز النموذجية التي أدرجت في الإشارة المرسلة، وبسرعات عالية، فإن التغييرات في القنوات بين عمليات النقل التجريبية، مما يؤدي إلى تقديرات قديمة، ومن أجل معالجة ذلك، يمكن للتنبؤ بالزمن قبل القناة الثانية باستخدام البيانات التجريبية للأشعة السينية (CSI) ومعايير الحركة التدريبية للتنبؤ بمواعيد البث في المستقبل.

الترميز الفضائي وسلسلة الفضاء

وتوفّر رموز الكتلة الفضائية (STBC)، مثل رمز " ألاموتو " ، تنوعاً دون اشتراط وجود مخبرات في جهاز الاستخبارات المركزية في جهاز النقل، وفي بيئات عالية السرعة تكون فيها تعليقات هيئة الاستخبارات الدولية غير موثوقة ومفتوحة، ومخططات الرصد المتعدد الأطراف، غير أن هذه الرموز تضحي بازدياد متعددة.

نظم الهوائيات المكثفة

(أ) أن يُستخدم جهازاً متطوراً أكثر من مجاري البيانات، ويُحدث عدة فوائد للقطارات ذات السرعة العالية، مع وجود عشرات من الهوائيات في محطة الأساس، فإن القرار المكاني يحسن بشكل كبير، ويتيح إمكانية التركيز على الترددات البعيدة حتى في وجود قنوات اتصال ذات حجم واسع.

الهيكل التنظيمي للشبكة وتحقيق الاستخدام الأمثل

وللتقليل من هذا التعطل أثناء التسليم، ينبغي للشبكة أن تعتمد نهجاً مؤثراً قبل الكسر ، ويحافظ القطار على وصلات متزامنة مع محطات قاعدية عاملة ومستهدفة لفترة قصيرة، مما يتيح إرسال بيانات غير مسموعة، ويمكن لنظم البعثة أن تساعد في استخدام حزمة فضائية منفصلة لكل خلية، بالإضافة إلى ذلك، تُعالج الخلايا الافتراضية مجموعة من محطات الأساس.

التقنيات المتقدمة والتوجيهات المستقبلية

تعليم الآلات للأطباء المحترفين

فبعد التنبؤ بالقناة، يمكن للتعلم الآلي أن يُفضي إلى تشكيلات كاملة من نظم البعثة، ويمكن للعوامل التعليمية المعززة أن تتعلم سياسة تتبع الشعاع الأمثل، وأن تتحول بين العارضات ومصفوفات التمريض القائمة على موقع القطار وسرعةه، بينما تقوم الشبكات العصبية المصممة للبث الشبكي بتجهيز تقديرات القنوات الخام لكشف أنماط التدخل والتخفيف منها، كما أن التعلم العميق يتيح التعلم النهائي لمراكز تجهيز الإشارات وتلقيها.

5G NR Enhancements for High Mobility

The 3GPP 5G NR standard includes features tailored for high-speed scenarios such as extended cyclic prefix (CP) to combat ICI, high subcarrier spacing (e.g. 30 or 60 kHz) to reduce the impact of Doppler, and flexible reference signal patterns for faster channel-T

Intelligent Reflecting Surfaces (IRS) and Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS)

ومن شأن التكنولوجيا الناشئة التي تُستخدم في غسيل البيئة الإذاعية، ذكية تعكس السطح ] أن تكون صفائف سلبية أو شبه سلبية من العناصر القابلة للبرمجة التي يمكن أن تتحكم في المرحلة وضخ الإشارات المعبرة، وتوضع على جدران الأنفاق، أو الجسور، أو أجهزة القياس، أن تخلق مسارات افتراضية إضافية لنظم البعثة.

Sub-THz and mmWave MIMO for Ultra-High Capacity

(ب) بالنظر إلى المستقبل، فإن موجات الموجات المتوسطة (الناموسية) وقطع الطوابق الفرعية (30-300 غيرتز) تقدم عروضاً واسعة النطاق لوصلات متعددة الأطراف، وفي هذه الترددات، يمكن أن تكون صفائف الاختبارات المتطورة على سطح الأرض متماسكة للغاية (مثل مئات العناصر على رقاقة) مما يتيح إجراء مسح دقيق جداً.

التكامل مع الشبكات غير الأرضية

وبالنسبة للقطارات التي تمر عبر المناطق النائية، يمكن أن تكمل البعثة الساتلية محطات القاعدة الأرضية، وتوفر السواتل المنخفضة المدار الأرضي مسارات منخفضة التردد، بينما تستخدم السواتل ذات المخرجات العالية شعاعات سريعة متعددة، ويمكن أن تحتفظ مجموعة مطورة على مراحل متن القطار بوصل بين البعثة وبين عدة سواتل في آن واحد، مما يتيح التنوع المكاني والاستمرارية، وهذا التكامل جزء من رؤية الشبكة العالمية، ويجري استكشافه حالياً من أجل الربط العالمي الرفيع المستوى.

خاتمة

ويتطلب تصميم نظم قوية من هذه المنظمات للاتصالات السلكية ذات السرعة العالية اتباع نهج شامل يعالج التحديات الأساسية المتمثلة في ظهير دوبلر، والتشويه السريع، والقيود المتعددة الجنسيات، والإفراط في تسليم رؤوس الأموال، ولا يكفي أي أسلوب واحد في استخدام تكنولوجيا التصنيف، وبدلا من ذلك، فإن الجمع بين أجهزة الاستنفار المتطورة، والتنبؤ، والتدوين في الوقت الفضائي، والاشتراك في استخدام أدوات التتبع المصممة، والتنبؤ.

For further reading, see the 3GPP specification on high-speed train enhancements (]3GPP TR 38.913]), the comprehensive survey on MIMO for railway communications (]IEE Access, 2020), and recent work on machine learning for channel predict