لماذا القطاع الخليوي يحدد قدرة الشبكة 3G

وقد زاد عدد المتاجرة في البيانات المتنقلة بما يزيد على 50 في المائة سنوياً خلال العقد الماضي، مما أدى إلى ضغوط لا تكل على شبكات الوصول إلى الإذاعة، وبالنسبة للجيل الثالث (الG) التي تبنى على نظام " أوم تي " (WCDMA/HSPA)، فإن تخطيط القدرات ليس مجرد إضافة محطات قاعدية - بل يتعلق باستخراج الحد الأقصى من الكفاءة من كل خلية، ومن بين أكثر التقنيات فعالية لتحقيق ذلك هو

أساسيات شبكة 3G Capacity

وقبل دراسة التصنيع، من الضروري فهم القيود الفريدة على القدرة لدى الشبكات الثلاثية، وعلى عكس 2G GSM، التي تستخدم فترات زمنية محددة وقنوات التردد، يعتمد 3G WCDMA على الوصول المتعدد الشُعب، وفي نظام آلية التنمية النظيفة، يتقاسم جميع المستعملين نفس التردد في آن واحد، ويتفاوتون فقط بنشر الرموز، والحد الأقصى للقدرة هو زيادة التدخل [[FLT: degrading1].

ولذلك يهدف مخططو الشبكات إلى التقليل إلى أدنى حد من التدخل في الوقت الذي يزيد فيه عدد المشتركين في كل خلية إلى أقصى حد، وتشمل النهج التقليدية تعديل تلال الهوائيات، وتحسين التحكم في الطاقة إلى أقصى حد، وإضافة المزيد من الناقلين، غير أن هذه الأساليب تقلل من العائدات، ويتيح قطاع الخلايا تحسيناً تدريجياً عن طريق تقسيم الخلية إلى مناطق إذاعية مستقلة.

The Mechanics of Cell Sectorization in 3G

ويحل قطاع الخلايا محل هوائي شامل يتكون من 2 أو أكثر من الهوائيات المباشرة ]، ويغطي كل قطاع نطاقا محددا من الززموث، وفي تشكيلة نموذجية من ثلاثة قطاعات، يمتد كل قطاع إلى 120 درجة، كما يتم نشر تشكيلات من القطاعات الستة (60 درجة لكل قطاع) في المناطق الحضرية الشديدة الكثافة، ويعالج كل قطاع منظوره الخاص بإدارة المواد التقليدية.

Antenna Pattern and Beam Width

وتركيز الهوائيات المباشرة على الطاقة المشعّة إلى شعاع أضيق، مما يزيد من مكاسب الهوائي في الاتجاه المرغوب فيه، إذ تبلغ قيم المكسب المشترك 15-18 دبي لفرق من الدرجة 120 بالمقارنة مع 11 دبايا للهوائيات الشاملة، ويعني ارتفاع الدخل قوة أقوى للإشارة على حافة الخلية ويقلل من التدخل في الاتجاهات غير المخدمية.

إعادة الاستخدام في الخلية

ومن أكبر مزايا القطاع القدرة على إعادة استخدام نفس التردد (أو الرمز المُخرّب في مؤتمر القمة العالمي لمكافحة التصحر في جميع القطاعات داخل نفس الموقع المادي، وفي خلية شاملة، لا يمكن أن يدعم التردد الوحيد سوى مجموعة واحدة من المستخدمين، ومع ثلاثة قطاعات، يمكن استخدام نفس التردد ثلاث مرات في نفس الموقع، مما يوزع بشكل فعال ثلاث مرات القدرة، ولكن نظراً لأن القطاعات المتاخمة لا تزال ترى إشارات بعضها البعض.

وفي نظام " إم تي " ، يحدد كل خلية بموجب مدونة للتشريد الأولي، ويمكن للقطاعات أن تستخدم مختلف برامج دعم البرامج للسماح لليوانات المؤمنة بتمييزها، وغالبا ما يكون نمط إعادة الاستخدام هو 1 x3 (التواتر نفسه في جميع القطاعات) أو 1-1 مع الفصل بين الرموز، ومن الضروري التخطيط الدقيق للمدونة لتجنب الخلط بين الرموز في حدود القطاعات.

جيم - المكاسب في مجال القدرات: النظرية والممارسة

وتتناسب مكاسب القدرة النظرية من قطاع الصناعة مع عدد القطاعات، ولكن المكاسب في العالم الحقيقي أقل بسبب النفقات العامة والتدخل، وبالنسبة لمواقع القطاعات الثلاثة، فإن تحسين القدرات المثالي يتراوح بين 2.5 و2.8 مرات على خلية شاملة، ويمكن أن تحقق مواقع القطاعات الستة ما يصل إلى 5 مرات، ولا يُعتبر الربح خطياً لأن كل قطاع عليه أن يعالج مناطق التسليم والرسوم الرائدة (مثلاً، قناة الفضاء التجريبية).

(ب) تحديد كمي: قد تدعم خلية واحدة من ثلاث مجموعات مصفحة ذات 5 درجات ميغاهيرتز 50 مكالمة صوتية متزامنة في بيئة تدخل معينة، وبعد تقسيمها إلى ثلاثة قطاعات، يمكن لكل قطاع أن يدعم 45 مكالمة، يبلغ مجموع المكالمات 135 مكالمة، أي عامل 2.7.() وبالنسبة لحركة البيانات، فإن التحسن مماثل، على الرغم من أن HSPA+ سمات مثل MIMO يمكن أن يعزز كل منها.

رأس المال المتحرك

3G networks use soft handover (SHO), where a UE maintains connections to multiple cells during a handover. Sectorization increases the number of handover candidates. In three-sector sites, the SHO region at sector boundaries can consume up to 20 -30% of the capacity due to additional signaling and resource allocation. Planners must dimension backhaul and RNC processing accordingly. Advanced algorithms like [FLT diversity:0

اعتبارات التخطيط والنشر

ويتطلب تنفيذ عملية القطاع تحليلا دقيقا للتضاريس وكثافة المستخدمين وأنماط المرور، وهو ليس حلا يناسب الجميع.

Site Selection and Antenna Mounting

فالهائيات المباشرة تحتاج إلى مواءمة دقيقة بين الززموث، وبالنسبة لموقع ثلاثي القطاعات، فإن الهوائيات عادة ما تكون مثبتة عند درجة صفر و 120 درجة و 240 درجة (أو قابلة على أساس الجغرافيا) ويجب أن يكون تُستخدم النمر العمودي على الوجه الأمثل لموازنة التغطية والتدخل.() ويُفضل أن يكون الترميز الإلكتروني (الإطار الكهربائي عن بعد) على التأقلم بعد التركيب.

وفي البيئات الحضرية الكثيفة التي توجد فيها مباني عالية الخطورة، لا يكفي القطاع وحده - ] قطاعية ] (يستخدم هوائيات متعددة في مرتفعات مختلفة) توفير قدرة إضافية، وكثيرا ما يقترن ذلك بآلية الرصد المتعددة الجنسيات لإنشاء نشر في القطاع.

توزيع حركة المرور والمستعملين

ويفترض قطاع الصناعة توزيعا موحدا نسبيا للمستعملين في الزنزانة، وإذا تركزت حركة المرور بدرجة كبيرة في اتجاه واحد (مثلا على الطريق السريع)، فإن قطاعا واحدا قد يصبح أكثر من طاقته بينما يُستخدم القطاع الآخر استخداما ناقصا، وفي هذه الحالات، يمكن أن يساعد القطاع غير المتناظر (مثل قطاعين واسعين وقطاع ضيق) أو في القطاع التكيفي في تكييف نظم البرمجيات النشطة.

خلفيات الشبكة الأساسية

ويتطلب كل قطاع قدرة مخصصة على إعادة التأهيل، إذ أن ثلاثة قطاعات، هي الطلب على التخلف ثلاثة أضعاف بالمقارنة مع خلية شاملة، وبالنسبة للمواقع التي يبلغ فيها عدد المواقع التي تبلغ فيها بيانات الذروة 21-42 ميغابايت لكل قطاع، يمكن أن يتجاوز مجموع التخلف 100 ميغابايت، ويجب على المشغلين أن يكفلوا وجود وصلات الألياف أو ذات القدرة العالية على الموجات الدقيقة، بالإضافة إلى أن يقوم جهاز مراقبة الشبكة اللاسلكية بمعالجة المزيد من الزنازين والميدات.

التحديات واستراتيجيات التخفيف

وفي حين أن قطاع الخلايا هو أسلوب ثبتت جدواه، فإنه ليس بدون وجود ثغرات، ويجب على مخططي الشبكة أن يتصدوا للتحديات التالية.

Inter-Sector Interference

وعلى الرغم من الهوائيات الموجهة، يمكن أن تتسرب الإشارات من قطاع إلى القطاعات المتاخمة، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة عند الحافة الخلوية حيث يجتمع قطاعان، ويمكن أن يؤدي التدخل فيما بين القطاعات إلى توعية الجمهور وانخفاض معدلات البيانات.

  • Antenna pattern optimization] using low-sidelobe designs or null-filling.
  • Fractional frequency reuse (FFR)] where cell-edge users in adjacent sectors are assigned orthogonal sub-bands.
  • Interference abolition] at the receiver, such as using advanced equalizers or network-based coordinated scheduling.

موقع التسليم

وقد تُصبح عملية التسليم المتطورة والإيوب أكثر مرونة (بين قطاعات الموقع نفسه) حيث يمكن أن تشمل الاستراتيجيات الرامية إلى التخفيف ما يلي:

  • (هـ) معايير تسليم تسليم الترسانات (مثل هامش التسليم، والوقت إلى الخريج).
  • Using softer handover (combining signals from two sectors at the Node B) instead of soft handover (combining at RNC).
  • تنفيذ مراقبة الدخول إلى التسليم للحد من الحجم الفعلي المحدد.

تكاليف المعدات والتعقيد

وتضاف قطاعات متعددة معدات متعددة: هوائيات إضافية، وأجهزة تغذية (أو رؤس إذاعية نائية)، ومرسلات، ومضخات كهربائية، وبالنسبة لمواقع ستة قطاعات، فإن الزيادة في التكاليف كبيرة، غير أن التطور نحو نظم الهوائيات النشطة [(AAS)] ]، وتوليد البصمات يتيح إمكانية الفرز دون زيادة عدد الأحذية في الجسم.

ويجب على المشغلين أن يُجريوا تحليلاً للتكاليف والفوائد، أما بالنسبة للمناطق الضواحي التي تتسم بكثافة معتدلة للمستعملين، فإن إضافة تواتر ثان أو ثالث للناقلات قد تكون أكثر اقتصاداً من القطاع، ويتوقف القرار على توافر الطيف، وتوقعات نمو حركة المرور، وتكاليف اقتناء المواقع.

مقارنة التوسع في استخدام تقنيات أخرى لتعزيز القدرات

وكثيرا ما يستخدم قطاع الخلايا بالاقتران مع أساليب أخرى، ويلخص الجدول أدناه المفاضلات الرئيسية.

Technique Gain Factor Key Requirements Suitable Scenarios
Omni to 3-sector 2.5x – 3.0x Directional antennas, extra TRX Urban, suburban, moderate traffic
3-sector to 6-sector 1.6x – 1.8x over 3-sector Higher gain antennas, tighter tilt Hot spots, high-density urban
Multiple carriers (3 carriers) 3x (if spectrum available) Licensed spectrum, capable UE Any area with spare spectrum
MIMO 2x2 (HSDPA+) 1.8x – 2.0x peak rate Dual antennas at UE and Node B Enhance per-sector throughput
Femto/pico cells Highly variable Backhaul, interference mgmt Indoor, capacity holes

وفي كثير من الأحيان، تتمثل الاستراتيجية الأكثر فعالية في الجمع بين قطاع النقل والتجميع بين الناقلين (3G dual-cell HSDPA) و MIMO، وفي الشبكات الحديثة لنموذج إم تي إم تي، يمكن لموقع يضم ستة قطاعات و2 x2 MIMO أن يقدم ناتجاً إجمالياً يتجاوز 150 ميغابايت.

أمثلة على الانتشار الحقيقي في العالم

وتوضح عدة دراسات حالة للمشغلين أثر القطاع: في عام 2012، قام أحد كبار المشغلين الأوروبيين بتجربة ستة مواقع قطاعية في منطقة مترو مزدحمة، وأظهرت النتائج زيادة في القدرات بنسبة 17 في المائة على مواقع القطاعات الثلاثة القائمة مع الحفاظ على التغطية، وعزّز المشغل النجاح إلى اختيار طيف الهوائيات بعناية وإلى الاستخدام الأمثل، كما أن هناك انتشارا آخر في مدينة جنوب شرق آسيا استخدم قطاعاً متعدد المقاييس (الذرية) (الذرة)

وبالنسبة لمخططي الشبكات، من المهم إجراء تحليل لثغرات القدرة باستخدام بيانات اختبار القيادة ومواجهات الأداء (مثل معدل نجاح الاتصالات في المركز، ونقطة التداخل في استخدام الطاقة البشرية، وأجهزة التداخل) ويمكن أن تؤدي أدوات المحاكاة مثل جزيرة آتول أو جزيرة فورسك إلى وضع نماذج لتأثيرات القطاع قبل نشرها المادي.

تطور إلى 4G و 5G: الدروس المستفادة من القطاع

The principles of sectorization have directly influenced 4G LTE and 5G NR deployments. LTE uses OFDMA with frequency reuse factor 1, but sectorization remains a standard formation because each sector provides a separate spatial channel. In 5G, massive MIMO with hundreds of antenna elements goes beyond fixed sectors by creating n beam

ويمكن للمشغلين الذين يهاجرون من 3G إلى 5G إعادة استخدام الهياكل الأساسية القائمة في المواقع القطاعية، وكثيرا ما يمكن أن تدعم نفس الأبراج والمواقع المتصاعدة في الهوائيات الضخمة الجديدة التي تستخدمها البعثة، مما يقلل تكاليف الأشغال المدنية، وقد تطورت هذه القاعدة من وصلات E1/T1 إلى الألياف، ولكن مبادئ تخطيط القدرات (البعد الأيك، التسليم العام) لا تزال ذات أهمية.

خاتمة

(ج) إنّ التصنيع في الخلايا أداة أساسية في ترسانة مخطط الشبكة 3 جي، وباستبدال خلية واحدة شاملة لقطاعات توجيه متعددة، يمكن للمشغلين زيادة القدرات حتى 3 × بدون طيف إضافي، وتحسين نوعية الإشارات، وإدارة التدخل بمزيد من الفعالية، ومع ذلك، فإن التنفيذ الناجح يتطلب تخطيطا صارما: اختيار المائيات، والارتقاء بالقدرات الاحتياطية، والتخفيف من حدة التدخل.

ومع انتقال الصناعة المتنقلة نحو ٥ زاي، فإن الدروس المستفادة من عملية إعادة الاستخدام القطاعي - بشأن إعادة الاستخدام المكاني، والمفاضلات بين عرض الشعاع والتغطية، والحاجة إلى استمرارية دقيقة للمواقع لتشكيل تصميم شبكة الوصول اللاسلكي، وفي نهاية المطاف، يجسد تصنيع الخلايا كيف يمكن للتغير المادي البسيط نسبيا أن يحقق أرباحا كبيرة من القدرات عند تنفيذ عملية التصويب بدقة.

For further reading on 3G capacity planning and sectorization, refer to the 3GPP technical specification for UMTS radio performance (TS 25.101) and ITU-R M.2135 guidelines for IMT-Advanced evaluation. Practical insights are also available in the 3G4G knowledge base and wireless community forums.

المراجع والقراءة الإضافية