دور ميمو في تعزيز شبكات الباكهول اللاسلكية لخمسة كيلوغرامات وما بعدها

تطور البقايا

وقد أدى التوسع المكثف في حركة نقل البيانات المتنقلة إلى ظهور ضغوط غير مسبوقة على الشبكات اللاسلكية، حيث تتسارع عمليات نشر 5G وتتطلع الصناعة إلى 6G، فإن الجزء الخلفي من الشبكة الأساسية - الذي يربط مواقع الخلايا بالشبكة الأساسية - تطور لمعالجة القدرة الهائلة، والمستوى المنخفض من التردد، والموثوقية العالية.

وقد اعتمد نظام التخلف اللاسلكي تاريخيا على وصلات بسيطة من نقطة إلى نقطة باستخدام هوائي واحد، ويتيح التحول إلى المنظمة البحرية الدولية تدفقا متعددا للبيانات على قناة التردد نفسها، وقطعا منافذ متعددة بشكل فعال دون أن يتطلب طيفا إضافيا، وبالنسبة للمشغلين الذين يديرون خلايا حضرية صغيرة كثيفة، ومواقع محلية كبيرة، ومراكز تجميع عالية القدرة، تقدم المنظمة طريقا قابلا للتوسع لتلبية متطلبات الأداء المتشددة.

Understanding MIMO Technology

المبادئ الأساسية للمنظمة البحرية الدولية

وتستخدم البعثة هوائيات متعددة في كل من جهاز الإرسال والاستقبال لاستغلال التأثير المتعدد التعاطف الذي يُنظر إليه تقليدياً على أنه مشكلة، وبدلاً من إلغاء المهارة المتعددة، تضغط عليها البعثة لإرسال عدة مسارات مستقلة للبيانات في آن واحد، وكل هوائي ينقل إشارة مختلفة، ويستخدم جهاز الاستقبال تجهيز الإشارات المتقدمة لفصلها وفكها، وهذا التعدد المكاني يزيد من معدل البيانات يتناسب مع عدد الأثديتنا.

وهناك عدة متغيرات في هذه المنظمة، كل منها يناسب سيناريوهات مختلفة للخلف، ويعتمد الاختيار على عوامل مثل المسافة بين الوصلة، وحجم التردد، وتنقل النقاط النهائية.

SU-MIMO (Single-User MIMO)

وفي الوحدة الخاصة للمنظمة البحرية الدولية، توجه جميع المجرىات المكانية إلى مستخدم واحد أو موكب، وهذا أمر شائع في وصلات من نقطة إلى نقطة أخرى حيث توجد صلة مكرسة بين موقع خلوي ومركز، مثلا، يمكن أن تحمل وصلة الموجات الدقيقة باستخدام 44 ميغاواط أربع مجاري بيانات منفصلة، مما يجعل من الممكن عمليا تربّع المعبر على قناة واحدة للاستقطاب والتردد.

MU-MIMO (Multi-User MIMO)

ويخدم الاتحاد متعدد المستعملين في نفس الوقت باستخدام موارد التردد الزمني نفسه، ويمكن استخدام هذا في سياقات من نقطة إلى نقطة البداية حيث يتواصل عقد تجميع مع عدة مواقع خلايا نائية، وتستخدم محطة قاعدية التعبئة لتوجيه مسارات نحو كل موقع، وتحسين القدرة العامة، والحد من التدخل، وتحتاج وحدة الرصد والتحقق من المعلومات إلى مزيد من التطويع، وتجهز جهازاً للفحص السريع.

Massive MIMO

وتضع البعثة العسكرية المتعددة الأطراف عدد الهوائيات في عشرات أو مئات محطة القاعدة، حيث يوجد عدد أقل من الهوائيات في المواقع النائية، بينما وضعت أصلاً لوصلات الوصول، فإن البعثة المتعددة الأطراف تجذب بشكل متزايد إلى الواجهة الخلفية، ولا سيما الترددات التي تتردد على الموجات المتوسطة التي تُظهر فيها عناصر قتالية صغيرة، وذلك عن طريق تشكيل أحزمة ضيقة، وأجهزة اتصال واسعة النطاق بالأجهزة المتعددة الأطقم.

كيف تتحول (ميو) إلى الأداء الخلفي

زيادة القدرات

أما الفائدة الأكثر وضوحا التي تعود بها البعثة في مرحلة إعادة التأهيل فهي الزيادة المتعددة في القدرات، إذ يمكن أن تصل إلى أربعة أضعاف بيانات الربط بين ناتج واحد ومخرج واحد على نفس النطاق الترددي، وفي عمليات النشر العملية، فإن المكاسب الفعلية تتوقف على ظروف القناة، ولكن التحسينات التي تبلغ ٣ إلى ٤ هي عادة في بيئات التخلف الخفيف في المناطق الحضرية.

فبعد أن تُنتج عن طريق القفز الخام، تمكن المنظمة من استخدام الطيف المجزأ على نحو أفضل، ومن خلال تجميع مجموعات الترددات المتعددة عبر تجميع الناقلات، إلى جانب البعثة العسكرية، يمكن أن تحقق وصلات التخلف قدرات تتجاوز 10 سعة من وزن الجسم بالنسبة لخمسة غيل من الزنزانات الصغيرة وحتى في أوائل محاكمات الفئة 6 جي، وهذا الدور الحاسم الأهمية حيث لا تزال حركة نقل البيانات المتنقلة تنمو بنسبة تزيد على 25 في المائة سنويا.

تحسين الموثوقية والارتباط

وتوفر البعثة إمكانية نقل وتلقي التنوع، مما يقلل من احتمال حدوث زوايا عميقة يمكن أن تكسر حلقة وصل في وقت قصير، وفي سياق الإصلاح الخلفي، فإن الموثوقية هي الراجحة لأن وجود صلة واحدة فاشلة يمكن أن يعطل العديد من مواقع الخلايا، حيث يمكن أن يؤدي الترميز في وقت الفضاء (مثل مخطط " ألامو " ) إلى أن تتحول مسارات أخرى إلى مسارات متصلة، وهذا أمر له قيمة خاصة في نطاقات الأمطار في الغلاف الجوي.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتعقب البعثة التي لديها معلومات عن مواقعها النائية (مثلاً على برج يتدفق في الهواء) أو تتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة، وتكيف نظم الإدارة المتكاملة المتعددة الجنسيات بصورة دينامية مع عدد المجرىات والتعديلات للحفاظ على صلة مستقرة، مما يزيد من حجم الناتج دون التضحية بالموثوقية.

تعزيز الكفاءة في استخدام المواد

إن الكفاءة في النطق، التي تقاس بقطع في الثانية لكل هكتار، هي مقياس رئيسي للخلف حيث أن الطيف مكلف ومحدود، وتحسن البعثة بشكل كبير كفاءة الأطياف، ويمكن لنظام الرصد المتعدد المؤشرات في بيئة مبعثرة غنية أن يحقق 20-30 bps/Hz، مقارنة بحوالي 5 bps/Hz لفرقة تقليدية من طراز GISO15.

ويواصل الاتحاد المغربي - البعثة هذا الأمر بإعادة استخدام نفس الموارد المتكررة عبر مستخدمين متعددين، مما يضاعف فعالية الكفاءة الطيفية من عدد المستخدمين الذين يخدمون في آن واحد، وفي المجمّعين الخلفيين، يتيح ذلك مركزا واحدا لخدمة العديد من المواقع النائية من القناة ذاتها، مما يقلل كثيرا من تكاليف الطيف.

التغطية والوصاية الموسعة

ويمكن أن تركز البعثة مع جهاز الاستنشاق على الطاقة المنقولة إلى شعاع ضيق، مما يزيد من نسبة الإشارة إلى العلم عند جهاز الاستقبال، وهذا الكسب يمتد إلى نطاق وصلات الوصل الخلفية، ويتيح للمشغلين تغطية المسافات الأطول بنفس طاقة النقل، وفي المناطق الريفية أو النائية، يقلل من عدد الموثوقية المتوسطة اللازمة، ويخفض تكلفة الملكية الكلية بنسبة تبلغ نحو 50.9 في المائة.

وفي إطار فرقة " مينيف " ، حيث تكون الخسائر في المسار مرتفعة، فإن الأشعة المتحركة الضخمة من جانب البعثة ضرورية لتحقيق مسافات وصل مفيدة، حيث يمكن أن تولد عناصر من قبيلة الهوائي تبلغ 64 أو 128 عنصراً، شعاعاً هائلاً يتجاوز 20 دباياً، مما يتيح إعادة تشكيلها على مسافة تتراوح بين 2 و3 كيلومترات في عمليات الانتشار الحضري.

التقنيات الرئيسية لتقنيات البرمجيات الرجعية

التأشيرات

ويستخدم التخزين صفائف الهوائيات لتوجيه الإشارة المحالة في اتجاه محدد، وتحسين قدرة الدولة على الانتقال والحد من التدخل في وصلات أخرى، ويمكن في المقام الأول تنفيذ عملية الدمج في كلا الاتجاهين (اللغة أو الرقمية أو الهجين) من أجل تحقيق أقصى قدر من الرابط، ويتيح التصفير الرقمي الكامل المرونة القصوى، ويتيح تشكيل محركات متعددة في آن واحد لأجهزة إمغنام متعددة.

وتستخدم الخوارزميات المتطورة لفحص الطوابع، مثل عدم التنقيب عن المركبات والحد الأدنى من الخطأ المربع، لإلغاء التدخل بين المجرى المكاني، وبالنسبة للجهاز المتنقل (مثل ربط الخلايا الصغيرة بالمركبات المتحركة أو الطائرات بدون طيار)، وتتابع الحركة في الوقت الحقيقي، مع الحفاظ على الرابط دون تدخل من جانب المشغلين.

التعددية المكانية

والتعددية المكانية هي الآلية الأساسية التي تزيد بها البعثة قدرتها، وفي المرحلة الخلفية، فإن عدد المجاري المكانية محدود عادة بتشكيل الهوائي ورتبة القناة، وفي قنوات LoS، فإن الرتبة منخفضة لأن الإشارات تميل إلى الارتداد إلى درجة كبيرة من الترابط، ولتجاوز هذا، تستخدم نظم الرصد المتقدمة تقنيات مثل الاستقطاب المتعدد وثنائي القطبية، حتى في مجال استخدام قنوات مستقلة.

Interference Management

وفي شبكات الرد الكثيفة، يمكن أن يؤدي التدخل من الروابط المجاورة إلى تدهور الأداء، ويمكن للبعثة أن تخفف من ذلك من خلال المواءمة بين التدخل والتصوير المنسق، ومن خلال الإشارة المسبقة إلى المواءمة بين التدخل في الفضاء الفرعي والإشارة المرغوبة، يمكن أن تتقاسم عدة وصلات خلفية الطيف نفسه دون تدهور كبير، وهذا أمر حاسم في النطاقات غير المرخص بها أو الطيف المشترك المرخص به بدرجة طفيفة حيث يكون التنسيق محدودا.

ويوسع هذا المفهوم نطاق الشبكة - البعثة (المسماة أيضا بالآلية التعاونية) بإتاحة عدة مراكز لإعادة التأهيل للقيام بصورة مشتركة بتجهيز الإشارات، وهذا يتطلب وجود وصلات بين المعالم ذات التردد العالي، ولكن يمكن أن يؤدي إلى تحسين كبير في الكفاءة الطيفية في عمليات النشر الكثيفة.

MIMO in 5G and Beyond

5G New Radio (NR) Backhaul

5G NR specifications include enhanced support for MIMO in both access and backhaul. For backhaul, 5G NR introduces the Integrated Access and Backhaul (IAB) structure, where a portion of the 5G spectrum is used for both access and wireless backhaul links. IAB relies heavily on MIMO, particularly beamforming, to manage interference between the access and backhaulcostivity Release 17.

وقد قام مشغلون مثل فيريزون و T-Mobile بنشر 5G mmWave backhaul باستخدام البعثة الضخمة في المناطق الحضرية الكثيفة، والملاعب، ومقاطعات الأعمال، وهي تنجز 1-2 Gbps للوصل بالتأخرات دون 1 ms، وتلبي الاحتياجات الصارمة لـ 5G ul-reliable low-latency communications (URLC) مثل القيادة المستقلة والجراحة عن بعد.

النظر نحو 6G

ويبحث البحث الذي يجريه الفريق التقني أكثر تقدماً في مجال تقنيات الرصد المتعدد الوسائط، وتتعهد فرق تيرهارتز )١٠٠ غيهرتز - ٣ ثيس( بضم نطاق واسع، ولكنها تعاني من فقدان المسارات واستيعاب الغلاف الجوي، وسيلزم توسيع نطاق نظام إميو متعدد المقاييس بحيث يشمل مئات الآلاف من عناصر الهوائيات من أجل تحقيق التوجيه العالي اللازم للتغلب على هذه الخسائر.

إن منطقة واعدة أخرى، إذ يمكن أن يضاعف هذا من كفاءة الطيف، وذلك من خلال إلغاء الحاجة إلى نقل منفصل وتلقي فترات زمنية، وتعالج التحديات التي ينطوي عليها إلغاء التدخل الذاتي من خلال دوائر متطورة ورقمية، وقد أظهرت النماذج الأولية في وقت مبكر جدوى.

وبالإضافة إلى ذلك، يؤدي التعلم الآلي دورا متزايدا في تحسين استخدام نظام الرصد والتحقق والتفتيش، ويمكن للخرافيزميات المتعددة الجنسيات التنبؤ بشروط القنوات، وتكييف الأشعة في الوقت الحقيقي، وتحسين الجدولة الزمنية للمستعملين بالنسبة إلى نظام الرصد والتحقق والتفتيش، والحد من النفقات العامة الحاسوبية للتقدير التقليدي للأجهزة الاستخباراتية.

تحديات النشر والاعتبارات

تعقيدات وتكاليف البرامجيات

وتتطلب نظم المنظمة المتعددة الجنسيات سلاسل إذاعية متعددة، كل منها مضخم للطاقة، وشركة ADC/DAC، وهائيا، مما يزيد من فاتورة المواد واستهلاك الطاقة، وتطالب شركة إم آي إم ب 64 أو أكثر من الهوائيات بإيجاد حلول لتفكيك الحرارة وإدماجها في الاتفاقات، غير أن التقدم في تكنولوجيات السيليكون (CMOS, SiGe) والتصميم النموذجي يؤدي إلى زيادة تكاليف تكوينها.

عوامل خطية البصر والبيئة

ويتوقف أداء المنظمة على ظروف القناة، ففي نظام تحديد المواقع المثالي، تكون المكاسب المتعددة المحصلة محدودة ما لم تستخدم الهوائيات ذات القطبين، وتوفر سيناريوهات غير نظامية ذات الارتداد الثري أفضل كسب متعدد، ولكنها يمكن أن تعاني من فقدان المسارات وقطعها، أما بالنسبة للخلف، فلا بد من اختيار مواقع متأنية ومواءمة الهوائيات.

توافر المبيدات وإصدار التراخيص

في العديد من المناطق، الطيف المرخص له للخلف (مثل 18 جيهرتز، 23 جيهرتز، 28 جيهرتز) موزع في كتل قد تكون غير كافية لتحقيق مكاسب هائلة من المنظمة البحرية الدولية، قد يحتاج المشغلون إلى تجميع قنوات متعددة أو استخدام نطاقات غير مرخص بها (60 جيهرتز، 5 جيهرتز) مع وجود أطر متطورة لاختيار الترددات.

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة

وهناك شبكات عديدة من شبكات إعادة التأهيل هي مزيج من الألياف والموجات الدقيقة ووصلات الموجات المليمترية، ويجب أن تكون عمليات تحديث هذه الشبكة قابلة للمقارنة وقابلة للتطبيق المتبادل مع النظم القديمة ذات النواة الواحدة، كما أن هيئات المعايير مثل نظام ETSI و IEC تقوم بوضع ملامح خاصة بالبعثة في شكل نظام احتياطي لضمان التفاعل بين الأطراف المتعددة الأطراف، كما يتعين على القائمين بالتشغيل تحسين نظم إدارة الشبكات لمعالجة البيانات الإضافية المتعلقة بالجودة من قبيل قناة MIMO.

خاتمة

وقد تطورت تكنولوجيا البعثة من مفهوم مختبري إلى عنصر لا غنى عنه من شبكات المساندة اللاسلكية الحديثة، ومن خلال التمكين من زيادة القدرة، وتحسين الموثوقية، وتعزيز الكفاءة في الطيف، وتوسيع نطاق التغطية، تعالج البعثة مباشرة الطلبات المتزايدة لخمسة آلاف ونظم ست جي في المستقبل، ويُقدِّم المشغلون الذين يُعدون أدوات فعالة من حيث التكلفة من المقياس 2 إلى المقياس المذكور.

ومع انتقال هذه الصناعة إلى 6G مع مجموعات تيراتز وبيئات ذكية، لن تزداد أهمية إلا، فالاعتماد المبكر لهذه التكنولوجيات - الذي يقترن بالتخطيط الدقيق لتحديات النشر مثل التكلفة، واختيار المواقع، وإرادة الطيف تحدد نجاح الشبكات اللاسلكية الجيل القادم، وبالنسبة لأي عامل يتطلع إلى تحقيق السرعة الكبيرة والتأخر المنخفض الذي يتوقعه المستخدمون، فإن الاستثمار في خيار العودة إلى البعثة غير الملزمة.