ويشكل الاتصال اللاسلكي العمود الفقري للوصلات الحديثة، ويدعم كل شيء من الهواتف المحمولة إلى أجهزة التزود بالأجهزة المتفجرة ونظم الحكم الذاتي، ورغم التقدم المحرز في عمليات التموين والتدوين، لا تزال الروابط اللاسلكية عرضة لتشويه الإشارات بسبب انتشار التعددية والظل والتدخل، وتوفر مخططات التنوع في الأنتينا حلا قويا يقوم على الأجهزة الحاسوبية للتخفيف من هذه العاهات، وتحسين موثوقية الربط دون اشتراط طيف أو قوة إضافية.

أساسيات تنوع الهوائيات

ويعزز تنوع الهوائيات الاستقلال الإحصائي للقنوات المزيفة في مختلف مواقع الهوائيات، وعندما تفصل الهوائيات بشكل كاف (نصف موجة أو أكثر) فإن احتمال أن تكون جميع الهوائيات في آن واحد قد شهدت فراغا عميقا يتناقص بدرجة كبيرة، ويُفترض أن يتلقى هذا المفهوم الأساسي - أو يُنقل - نسخا متعددة من الإشارة ذاتها من خلال طرق مضللة بشكل مستقل، ثم يدمج بينها وبين إنتاج أقوى وأكثر استقرارا.

آليات التنوع الرئيسية

  • Spatial Diversity:] Physical separation of antennas to achieve uncorrelated fading paths.
  • Polarization Diversity:] Using orthogonal polarizations (e.g., spiritual and horizontal) to capture different fading patterns.
  • Angle Diversity:] Directing beams to distinct arrival angles of incoming signals.
  • Time Diversity:] Transmitting the same signal at different times (e.g., through interleaving) but this consumes time resources.

ومن بين هذه العوامل، يُعتبر التنوع المكاني أكثر النظم اللاسلكية الحديثة انتشارا، مما يشكل الأساس لتقنيات متعددة المدخلات متعددة.

أنواع خطط التوحيد في مجال التنوع الاستلامي

ويحدّد التنوع الاستلامي المجمّع التقنيات كيفية تجهيز الإشارات من الهوائيات المتعددة لتحقيق أقصى قدر من الجودة في مجال الربط، ويؤثر اختيار المخطط على التعقيد والأداء واستهلاك الطاقة.

التنوع في الاختيار

Selection diversity is the simplest form: the receiver continuously monitors the signal strength (or signal-to-noise ratio, SNR) on each antenna branch and selects the one with the best immediatelyaneous quality. This branch’s signal is then passed to the demodulator. The diversity gain is proportional to the number of antennas; with N[FtenLability:]

التنوع في تحويل

ويتفادى البديل الخاص بتنوع الاختيار، ويبدل التنوع (الذي كثيرا ما يسمى التنوع المبدل) الحاجة إلى الرصد المستمر، ويظل جهاز الاستقبال على هوائي غير مقصود إلى أن تنخفض الإشارة الواردة إلى حد أدنى، ثم يتحول إلى هوائي آخر، وهذا يقلل من التعقيد، ولكنه يمكن أن يُدخل التحولات إلى آخر، وقد لا يختار دائما الفرع الأمثل.

الحد الأقصى للجمعيات

MRC is the opt linear combining technique when noise is white and uncorrelated across branches. Each antenna signal is weighted by a complex factor proportional to its momentaneous channel gain and phase, then summedly. The weights maximize the combined SNR, which is the sum of the SNRs from all individual branches. in a system with RC]N[FLT:

تجميع المساواة في الأجور

وتُعدّل مجموعة الحوكمة البيئية حلا وسطا بين البساطة والأداء، وتُرجَّح جميع الإشارات الهوائية بنفس الحجم (المكسب المشترك)، ولا تعدل إلا مراحلها لتحقيق تلخيص متماسك، وعادة ما تكون SNR مجتمعة أقل من المرصد ولكنها لا تزال تحقق مكاسب كبيرة في التنوع، وكثيرا ما يُختار مجلس الإدارة للنظم التي لا يمكن الاعتماد عليها أو حيث يبسط متوسط عدد فروعه من حيث الحجم الثابت.

المجمع القطاعي وغيره من المتغيرات

وفي بعض عمليات النشر العملية، تستخدم الهوائيات القطاعية ذات التغطية المتداخلة، ويختار المتلقي القطاع بأقوى إشارة، مثل تنوع الاختيار، ولكن على نطاق أوسع، ويمكن للنهج الهجينة، مثل لجنة التنسيق الإداري التي تقوم بتفعيل فروع انتقائية، أن تقلل من استهلاك الطاقة عن طريق غلق فروعها ذات الترددات الوطنية المنخفضة جدا مع الاحتفاظ بالمنافع المشتركة للمنشطات.

مخططات التنوع العابر للحدود

ويكتسي التنوع أهمية مماثلة في جهاز الإرسال، ولا سيما على الوصلة النهائية التي قد يكون فيها للمتلقي محدودا من حيث الحجم والسلطة، ويتيح التنوع العابر لمحطة قاعدية أو نقطة الوصول إرسال إشارات عبر هوائيات متعددة دون أن يتطلب ذلك هوائيات متعددة في جهاز المستخدم.

Alamouti Space-Time Block Coding

أما أكثر مخططات التنويع شيوعاً في مجال النقل فهي مدونة " أموتو " (STBC) الخاصة بهائيين، وهي تنقل رمزين على مدى فترة زمنية واثنين من الهوائيين باستخدام تصميم أوتوموغونال، ويمكن فصل الرموز في جهاز استقبال (حتى مع هوائي واحد) عن طريق التجهيز الخطي البسيط، وتحقيق مكاسب التنوع المكاني الكامل.

التنوع في سلة المركبات

ويحدث التأخير السيكلي تحولاً دورياً في نفس رمز إدارة العمليات على مختلف الهوائيات المنقولة، ويحول فعلياً انتقالاً واحداً إلى نسخ مؤجلة متعددة، ويخلق هذا التأخير انتقائية في القناة المشتركة، يمكن أن يستغلها جهاز الاستقبال في تدوين الخطأ.() ويستخدم القرص المدمج على نطاق واسع في النقل LTE وW-Fi باعتباره وسيلة منخفضة التعقيد لنقل المعارف لا تتطلب نقلاً للشبكة.

التنوع في منطقة البحيرات الكبرى

وعندما يكون لدى جهاز الإرسال تعليقات على حالة القناة (مثلاً عن طريق قناة محدودة للتغذية المرتدة)، يمكن أن يعدل الأوزان المطبقة على كل هوائي من أجل توجيه الطاقة المحالة نحو جهاز الاستقبال، وهذا معروف باسم نقل القفل المغلقة أو التضليل، ويقترن هذا الكسب بكسب من مجموعة متنوعة، مما يوفر قدراً أكبر من الطاقة النووية والموثوقية، وتكنولوجياً مثل الواجهة المستندة إلى قواعد البرمجيات في 4G/5.

فوائد التنوع في المحيط الهندي

والفوائد الرئيسية لتنوع الهوائيات ثابتة تماما وتترجم مباشرة إلى خبرة أفضل في المستعملين وكفاءة الشبكات.

  • Enhanced Signal Quality:] Diversity reduces the probability of deep fades, leading to a more consistent received signal strength. The average SNR improves by up to ]10 log10(N)[RCFLT:5]
  • - زيادة موثوقية الصلة: ] The outbability - the probability that the momentaneous SNR falls below a threshold - decreases exponentially with the number of diversity branches. For example, with two-branch selection diversity, the outbability at a given threshold drops roughly to (d
  • Higher Data Rates:] By reducing retransmissions caused bypacket errors, diversity effectively increases the throughput. MIMO systems further use the spatial dimension to send multiple data streams concur — a direct extension of diversity concepts.
  • Extended Coverage:] The range of a wireless link can be increased by up to 40 -50% with two antennas at the receiver, depending on the environment. This is critical for rural areas and indoor penetration.
  • Reduced Interference:] Receive diversity allows the receiver to null out interfering signals using advanced combining techniques (e.g., minimum mean-square error combining, MMSE), which concur suppresses interference and captures diversity.

اعتبارات التنفيذ والتحديات

وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن نشر التنوع الهوائي ينطوي على مقايضة يجب على مصممي النظم أن يديروها.

المباعدة بين المسافات والمراسلة

ولتحقيق التزييف غير المتصل بالزراعة، يجب أن تُفصل الهوائيات بشكل كاف - أي على الأقل نصف الموجة - وبالنسبة لمجموعات الهرتز الفرعية (مثل 2.4 غيغاهيرتز و 3.5 غيغاهرتز)، فإن هذا الفصل يُترجم إلى 5-10 سم، وهو ما يمكن أن يكون صعبا في أجهزة مدمجة مثل أجهزة الاستنشاق بالهواتف الذكية أو أجهزة الاستشعار باللوت، ويمكن أن يقلل التنوع في التفريغ

تعقيدات وتكاليف البرامجيات

ويتطلب كل هوائي إضافي سلسلة مكرّسة للترددات اللاسلكية - بما في ذلك المرشّحات والمزلاجات والمضخات والمضخات ومحولات التناظر إلى الأرقام - وهذا يزيد تكلفة الموازين واستهلاك الطاقة ومساحة اللوحات، وفي كثير من الأجهزة التجارية، يحدّ المهندسون عدد الهوائيات إلى 2 أو 4 على معدات المستعملين، وقد تستخدم محطات القاعدة، التي تقل فيها القيود المفروضة على الحجم والتشكيل 8 أو 64.

النفقات العامة للتقديرات

وتحتاج خطط التنوع في استقبال مثل لجنة التنسيق المشتركة إلى تقديرات دقيقة للقناة من كل فرع من فروع الهوائيات، وهذا يتطلب رموزا نموذجية تشغل موارد من الوقت والتواتر، وفي القنوات السريعة، يجب تحديث تقديرات القنوات بشكل متواتر، وزيادة النفقات العامة، ونقل خطط التنوع التي تستخدم تقنيات مفتوحة (ألاموتوي، CDD) تجنبا للحاجة إلى التغذية المرتدة، ولكن قد لا تتكيف مع الظروف المتغيرة للقناة.

استهلاك السلطة

ويستهلك تشغيل سلاسل متعددة من أصناف الترددات في آن واحد قوة أكبر من جهاز استقبال وحيد من نوع المانتينا، وبالنسبة للأجهزة ذات الطاقة البطارية، فإن تنوع الاختيار (حيث لا تعمل سوى سلسلة واحدة في وقت واحد) يمكن أن يكون أكثر كفاءة من المركز المنسّق للكهرباء.

تطبيقات عبر النظم الحديثة اللاسلكية

وقد اعتمد تنوع الهوائيات في جميع المعايير اللاسلكية الرئيسية تقريبا، وغالبا ما يكون ذلك شرطا أساسيا.

Wi-Fi (IEE 802.11)

في وقت مبكر 802.11 (أ)/ب/غرام تستخدم أجهزة هوائيتان في كثير من الأحيان لتنوع الاختيار، وتدرج أحدث 802.11n/ac/ax (Wi-Fi 4/5/6) عدة نواتج متعددة الجوانب تصل إلى 8 مسارات، حيث يدمج التنوع مع تعدد الأماكن، ويستخدم التنوع الاستلاميعابي في التضليل، وينقل التنوع (عن طريق التأخير في التوقيت الدوري) إلزامي في إطار المبادرة.

شبكات خلوية (4G LTE و 5G NR)

In LTE, transmit diversity is mandated for all downlink control channels using Space —Frequency Block Coding (SFBC, a variation of Alamouti). The uplink uses multiple receive antennas at the eNodeB for diversity combining. 5G NR goes further with massive MIMO, employing hundreds of antennas to achieve both diversity and beamforming gains. [FLT specificmit.]

الاتصالات الساتلية

وتلاشى الوصلات الساتلية بسبب الآثار الجوية والتعددية المتعاطفة مع الهياكل القريبة )لا سيما في المحطات الطرفية الساتلية المتنقلة( ويشترك في التنوع الاستلامي باستخدام هوائيين يقطنون بعض المسافات المتفرقة على متن السفن أو محطات الطائرات، وتستخدم بعض النظم الساتلية تنوعا في المواقع - محطتان أرضيتان منفصلتان جغرافيا لمكافحة تجويف الأمطار - وهما خطة لتنوع الهوائيات على نطاق واسع.

شبكة إنترنت للأشياء (IoT) و LPWAN

وكثيرا ما تستخدم شبكات المناطق ذات الطاقة المنخفضة (LoRaWAN، NB-IoT) تنوع أجهزة الاستقبال في البوابات لتحسين إمكانية فصل أجهزة الإرسال الضعيف من أجهزة الاستشعار، حيث أن العديد من أجهزة الترميز هي معدات مكلّفة ومزودة بالطاقة، فإنها عادة ما تكون ذات هوائي واحد؛ ويقع عبء التنوع على جانب البنية التحتية، وهذا النهج يمكن أن يضاعف النطاق ويقلل كثيرا من معدلات الأخطاء في التغليف.

السيارات وV2X

وتواجه الاتصالات بين المركبات والملفات (V2X) بما فيها C-V2X وDSRC، قنوات سريعة التغير بسبب حركة المركبات، وتظهر الهوائيات المتعددة (مثلاً، اثنتان في المقدمة، واثنتان في مؤخرة سيارة) تنوعاً ضد التزييف والتعطيل. وتُستخدم المادة MRC وتنوع الاختيار في وحدات متنقلة للحفاظ على موثوقية الرابط بين الرسائل الحساسة. [FLT]

الاتجاهات المستقبلية في التنوع الهوائي

ولا يزال التطور بلا حدود يدفع حدود التنوع والتجهيز المكاني.

بعثة الرصد المتعددة الجنسيات في منطقة شاسع وشركة مينومو

٥ زاي - محطات قاعدية ضخمة تابعة للمنظمة تضم ٦٤ - ٦٥٢ عنصرا هوائيا تضفي على الخط الفع َّال بين التنوع، والتشكيل، والتعدد المكاني، ويخدم كل مستخدم بشعاع ضيق يوفر مكاسب كبيرة في المصفوفة، بينما توفر مجموعة الهوائيات الكبيرة في جوهرها التنوع ضد التلاشي، ويمكن للخريزم المسبقة أن تتحول بين أساليب متجهة نحو التنوع وتعدد الجوانب القائمة على أساس شروط القنوات.

سطح ذكي

إن نظام الإبلاغ عن الأضرار صفائف سلبية يمكن التحكم فيها لتعكس الإشارات في اتجاه مستصوب، مما يخلق مسارات إضافية للتنوع دون إضافة أجهزة إرسال جديدة، ويمكن نشر هذا التنوع الهوائي " الافتراضي " على مواجهات أو داخل المباني للمساعدة على مكافحة المناطق الميتة، وعندما يقترن ذلك بالتنوع التقليدي في جهاز الاستقبال، يمكن أن يوفر نظام الإبلاغ عن الكوارث وصلة غير مسبوقة.

ألف - التنوع في مجال التنمية

ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الماكنة بأنماط التقلب السريع، وأن تختار أو تجمع بين الهوائيات ذات الرؤوس العامة الأقل من التقديرات التقليدية، وقد طُبق التعلُّم في مجال الإنفاذ على تحويل التنوع في شبكات الموجات المليمترية، حيث تؤدي أحداث التكسير السريع إلى اختيار دون المستوى الأمثل، كما يمكن للمرء أن يُفضى إلى اختيار الأنتينا للتنوع المؤثر في أجهزة الإيوت.

Sub-6 GHz and mmWave Coexistence

ويمكن أن تستخدم الأجهزة المقبلة نهجا مزدوج النطاق: التنوع في المنطقة الفرعية 6 من الهرتز للتغطية، والتشكيل في مليمتر واف للقدرات، ويمكن أن تكون سلسلة التنوع في ترددات أدنى بمثابة هبوط عندما تُغلق وصلة الموجات المتوسطة، وتوفر وصلات لا تُحصى، وهذا التنوع المتعدد النطاق هو بالفعل موضوع في دراسات الإصدار 18 من برنامج الأفضليات المعمم.

خاتمة

إن مخططات تنوع الهوائي لا تزال حجر الزاوية في الاتصالات اللاسلكية الموثوقة، فمن مجرد تنوع في أوائل ويفي إلى درجة كبيرة من التطور في منطقة ميمو، فإن المبدأ الأساسي - باستخدام مسارات إشارات مستقلة متعددة للتغلب على التلاشي - أثبت قيمته على مدى عقود من الانتشار، ومع تطور الشبكات نحو ارتفاع الترددات، وموثوقية الكثافة، ومتطلبات الموثوقية الأكثر صرامة، فإن التنوع سيستمر في التكيف، مع تعدد الأجهزة اللاسلكية.