وقد حولت الشبكات اللاسلكية المتعددة المدخلات التي لا تملكها أي أجهزة اتصال حديثة عن طريق تعزيز مضاعفات البيانات وموثوقية الشبكات بشكل كبير، ووسط هذا التقدم هو التنوع المكاني - وهو أسلوب يستخدم هوائيات متعددة في كل من جهاز الإرسال والاستقبال لمكافحة تزوير الإشارات والتدخل، وفي عصر يستمر فيه الطلب على الربط اللامعي في الارتفاع، يكون فهم فعالية التنوع المكاني في نظم الرصد المتعدد الأبعاد أمراً حاسماً بالنسبة للمهندسين،

فهم التنوع المكاني

(أ) التنوع المكاني يغذي حقيقة أن الإشارات التي تنتقل من جهاز إرسال إلى جهاز استقبال يمكن أن تقطع مسارات متعددة بسبب التأملات والنشر والتشتت في البيئة، وفي نظام وحيد المدى، يمكن أن يتسبب وجود فجوة عميقة على طريق واحد في فقدان كامل للإشارة، مع وجود هوائيات متعددة، فإن احتمال تعرض جميع المسارات لتشكيلات عميقة في آن واحد هو أدنى من التنوع المكاني.

(أ) أن يُرسل [مبدأ أساسي] نسخاً زائدة من نفس مجرى البيانات عبر هوائيات منفصلة مكانياً، وتُجمع هذه النسخ أو تُختار لإنتاج ناتج قوي، وهذه التقنية فعالة بوجه خاص ضد [(FLT:0]Rayleigh fading) و([الرمز:])

ومن العوامل الرئيسية في التنوع المكاني الفصل الهوائي: يجب أن يفصل الهوائيات إلى حد بعيد (نصف نقطة انطلاق على الأقل) لضمان ارتباط الديكور بين طرق القنوات، وهذا يعني عملياً أن فصل حوالي 6 سم من مخلفات الاحتباس الحراري يكفي، وأن المباعدة بين المسارات المستقلة الملتوية تحقق أقصى قدر من التنوع.

فوائد التنوع المكاني في نظم إدارة المعلومات البحرية الدولية

وتمتد مزايا التنوع المكاني عبر أبعاد متعددة من الأداء اللاسلكي، وبينما تورد المادة الأصلية أربعة فوائد رئيسية، سنستكشف كل منها بعمق أكبر ونضيف مزيدا من المعاني.

تعزيز الموثوقية والحد من احتمال الخروج

وتتمثل أهم فوائد التنوع المكاني في حدوث انخفاض كبير في احتمالية الخروج - وهي احتمال أن تنخفض الإشارة إلى عتبة يمكن استخدامها، حيث يمكن أن يتسبب وجود فجوة عميقة في فقدان كامل للوصلية الذاتية، وذلك باستخدام N] antennas المستقلة، واحتمال أن تختفي جميع المسارات في آن واحد، هو معدل انقطاع طفيف.

ارتفاع معدلات البيانات وكفاءة المبيدات

ويعزز التنوع المكاني بشكل مباشر ارتفاع معدلات البيانات عن طريق التمكين من استخدام عدة مسارات مستقلة للبيانات - تقنية معروفة باسم - تعدد البيانات المكانية .() وبينما يركز التنوع المكاني النقي على إرسال نسخ زائدة، فإن نظم الرصد المتعدد الوسائط كثيرا ما تجمع بين التنوع والتضاعف، مع تعدد الأماكن، يقوم كل طرف بنقل نطاق مختلف من البيانات، ويفصل بين نظام الاستلام.

تحسين نوعية الإشارة والتخفيف من حدة التفاعل

ويسمح جهاز استقبال متعدد الأطراف بدمج الإشارات بطريقة تزيد إلى أقصى حد من نسبة الإشارة إلى العلم، وتثقل التقنيات مثل لجنة التنسيق بين الوكالات المتعددة الأطراف المساهمات من كل هوائي من خلال مكاسب قنواتها، وتلغي الضوضاء والتدخل بشكل فعال، وبالإضافة إلى ذلك، يساعد التنوع المكاني على قمع التدخل عن طريق السماح للمتلقي بالتمييز بين الإشارات المرغوبة والتدخل في أجهزة النقل الأخرى، وهذا أمر ذو قيمة خاصة في بيئة حضرية كثيفة.

التغطية الموسعة والخلية

ومن خلال تحسين ميزانية الوصلة (النتيجة المشتركة لصلاحية النقل، والمكاسب الهوائية، وفقدان المسارات)، يتيح التنوع المكاني الإشارة إلى السفر بعيداً مع الحفاظ على جودة مقبولة، وبالنسبة لمراكز القاعدة الخلوية، يعني ذلك توسيع نطاق تغطية الخلايا بعدد أقل من المكالمات، وفي شبكات الشبكة العالمية، يترجم إلى أداء أفضل على حافة نطاق نقطة الوصول، وبدون تنوع، كثيراً ما يتطلب توسيع النطاق قدرة نقل أعلى، مما يزيد من التدخل واستهلاك الطاقة.

انخفاض احتياجات القوة

ونظراً لأن التنوع يحسن فعالية عمليات النقل الوطني، فإن جهاز الإرسال يمكن أن يستخدم قدراً أقل من الطاقة لتحقيق نفس معدل الخطأ، وهذا مفيد بشكل خاص للأجهزة التي تعمل بالبطارية مثل الهواتف الذكية، ومجسات التلويث، والطائرات بدون طيار، كما أن انخفاض القدرة على النقل يقلل من التدخل في الخلايا المجاورة، ويحسن ظاهرة القدرة الشبكية العامة المعروفة بـ كفاءة الطاقة على نطاق الشبكة .]

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من فوائده العديدة، فإن التنوع المكاني يطرح عدة تحديات عملية يجب إدارتها بعناية.

زيادة تعقيد النظام

وتحتاج الزوايا المتعددة إلى سلاسل متعددة الترددات اللاسلكية تشمل مضخات ومزلاجات ومحولات ملغومة ومصفوفات، مما يزيد من تكلفة المعدات واستهلاك الطاقة وحجم الأجهزة المادية، أما بالنسبة للمواقع المحمولة، فإن القيود الفضائية تحد من عدد الهوائيات التي يمكن إدماجها.() ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين مكسب التنوع ومعامل التعبئة وحياة البطارية([0]).

عملية الإشارات

ولتحقيق فوائد التنوع المكاني، يلزم إجراء مقاييس متطورة لتقدير القنوات ومتزامنة ومجمعات الإشارات، وتتطلب هذه الخوارزميات موارد حسابية كبيرة، لا سيما في نظم الوقت الحقيقي، مثلا، يصبح الكشف الأقصى المحتمل محظورا حاسبيا بالنسبة لصفائف الهوائي الكبيرة، ونتيجة لذلك، كثيرا ما تستخدم النظم العملية أساليب دونية، تتسم بالكفاءة في استخدام نظم الإدارة، مثل نظام الرصد الإلكتروني المتساوي.

تنسيب وتصويب

وإذا ما أُقرِر الهوائيون معاً، فإن استجابات القنوات تصبح متصلة، وتخفض من مكاسب التنوع الفعالة، وفي أجهزة صغيرة مثل المواخير الذكية أو الأذن اللاسلكية، فإن تحقيق فصل كاف عن الهوائي هو عقبة رئيسية في تصميمها، وبالمثل، يجب ترتيب الهوائيات بعناية لتقليل التقلبات والتشويهات النمطية المتبادلة، وكثيراً ما تستخدم أدوات المحاكاة الكهربية لتعظيمة.

متطلبات المعلومات المتعلقة بالدولة

ويتطلب العديد من تقنيات التنوع معرفة دقيقة بالقناة في جهاز الإرسال أو جهاز الاستقبال، ولنقل التنوع (مثل رموز الكتلة الفضائية)، يحتاج جهاز الاستقبال إلى جهاز الاستخبارات المركزي لتفسير الإشارة، وبالنسبة لتقنيات الغلق مثل التضليل، يحتاج جهاز الإرسال إلى قيادة الاتجاه الإشاري، ويضاف جهاز الاستخبارات المركزي رؤوساً زائدة من حيث الرموز النموذجية والارتداد، مما يقلل من كفاءة الاحتياط.

Inter-Cell Inter-Cell Interference

وفي حين أن التنوع المكاني يقلل من التدخل في الخلايا، فإنه يمكن أن يزيد من حدة التدخل فيما بين الخلايا إذا لم يُدار على النحو المناسب، ففي شبكة خلوية مثلاً، يمكن لمراكز قاعدية متعددة أن تستخدم التنوع المكاني، مما يسبب إشارات إلى التسرب إلى خلايا مجاورة، ومن الضروري استخدام تقنيات تنسيق متقدمة مثل ] [CoMP] CoFLT:1] للتخفيف من هذا التعقيد المتزايد للشبكة.

تقنيات التنوع المكاني

وتستخدم عدة تقنيات محددة لتنفيذ التنوع المكاني في نظم المنظمة البحرية الدولية، ويساعد فهمها على توضيح كيفية تحقيق الفوائد في الممارسة العملية.

مدونات قواعد التوقيت الفضائي (STBC)

The mostknown STBC is the Alamouti scheme, which provides full transmit diversity with two antennas and a simple linear decoding algorithm. It was a breakthrough because it achieved the same diversity order as MRC at the receiver, but without requiring CSI at the transmitter. Alamouti's code is widely used in 4G LTE.

الحد الأقصى للجمعيات

وفي جهاز الاستقبال، تعتبر لجنة التنسيق الإدارية تقنية متجانسة مثالية للتنوع عندما يكون الضوضاء بيضاء، وتثقل كل منها إشارة من قبل النسيج المعقد لمكسب القناة، ثم تلخيصها، وتنتج عن ذلك شركة SNR هي مجموع أجهزة إعادة التأهيل الوطنية من كل فرع، وتسهل لجنة التنسيق بين الموظفين والإدارة تنفيذ أكبر قدر ممكن من التنوع لعدد معين من الهوائيات.

مجموعة الاختيارات والتنوع في التبديل

وفي عملية الجمع بين الاختيارات، يقوم جهاز الاستقبال برصد قوة أجهزة الاتصال الوطنية أو قوة الإشارة في كل هوائي، ويختار أفضل وسيلة للخفض، وهذا أقل كثافة حسابية من لجنة التنسيق الإدارية ولكنه يؤدي إلى أداء أقل قليلا، فالتنوع في المسار البديل الذي لا يتحول فيه جهاز الاستقبال إلى هوائي مختلف إلا عندما تنخفض الإشارة الحالية إلى أقل من عتبة، مما يقلل من الحاجة إلى الرصد المستمر.

التنوع في معدلات التأخير في استخدام المركبات

(أ) إنَّ قرص مدمج (CDD) هو تقنية للتنويع المستخدمة في نظم إدارة المعلومات (الشعبة المتعددة الترددات في الأرتهوجون، وهو يُحدث تحولاً دوكياً في الإشارة الزمنية قبل نقلها من كل هوائي، مما يزيد من انتقائية القناة، ويحسِّن تنوع الترددات، ويجعل النظام أكثر قوة في التزييف التسارعي للترددات.

التطبيقات العالمية الحقيقية للتنوع المكاني

فالتنوع المكاني ليس مفهوما نظريا فحسب، بل هو مجسد في جميع المعايير الحديثة التي لاسلكية.

4G LTE and 5G New Radio

() يعتمد كل من فريق الرصد التقني و5G NR اعتماداً كبيراً على بعثة الرصد المتعددة الجنسيات ذات التنوع المكاني.() ويدعم فريق الرصد التقني ما يصل إلى 4x4 من بعثة الرصد الدولية على الرابط الهزيل، بينما يمتد هذا العدد إلى شركة MIFLMO التي تضم 64 عنصراً أو أكثر من عناصر الهوائي في محطة الأساس؛ وفي 5G، يقترن التنوع المكاني بتوفير الموثوقية والناتج العالي على سبيل المثال 5G Use

Wi-Fi 6 and Wi-Fi 6E

ويقضي معيار IEE 802.11ax (Wi-Fi 6) بتقديم الدعم إلى ما لا يقل عن اثنين من الهوائيات عند نقطة الدخول، وغالباً ما يكون ذلك في أربعة أو أكثر، ويستخدم التنوع المكاني لتحسين الأداء في بيئات كثيفة مثل الملاعب والمكاتب، بل ويمكن أن تخدم الشُعب المتعددة الترددات (OFDMA) وM-MIMO، وW-Fi 6 APs، حتى عشرات من الأجهزة المتزامنة.

IoT and LoRaWAN

وتتزايد شبكات المناطق الواسعة النطاق ذات القوى المنخفضة مثل لورواوانز التي تدمج التنوع في البوابة، حيث يمكن للبوابة أن تزيل إشارات الضعف من أجهزة الاستشعار البعيدة المدى، وأن توسع نطاقها وتحسين موثوقيتها، وتستخدم بعض البوابات المتقدمة صفائف متدرجة في أنماط الاستقبال التي تستخدمها.

الاتصالات الساتلية

وتستخدم النظم الساتلية، ولا سيما مجموعات المدارات المنخفضة المدى، التنوع المكاني لمكافحة تلاشي الأمطار وغيرها من العاهات الجوية، ويمكن أن تتلقى المحطات الأرضية المتعددة الاشارات نفسها من سواتل مختلفة، تجمعها للحفاظ على صلة قوية، وهذا أمر حاسم بالنسبة لخدمات الإنترنت ذات النطاق العريض.

الاتجاهات المستقبلية

ويتواصل تطور التنوع المكاني مع تحرك الباحثين نحو الاتصالات التيارات، والذكاء الذي يعكس الأسطح، والأسطح الذكية التي يمكن إعادة تشكيلها، وفي نظم تيز، تتيح المسافات القصيرة جداً تعبئة العديد من الهوائيات في منطقة صغيرة، مما يتيح للمخابرات المتعددة الجنسيات والتنوع المكاني مكاسب تتجاوز أي شيء عملي اليوم، غير أن التحديات الجديدة تنشأ، مثل فقدان المسارات العالية.

وثمة اتجاه واعد آخر هو ] نظم هوائيات الفلور ، حيث يمكن نقل الهوائي الواحد آلياً أو إلكترونياً إلى مواقع متعددة داخل منطقة صغيرة، وهذا يؤدي إلى نظام تنوع كبير دون اشتراط سلاسل متعددة من إطار النتائج، مما قد يقلل من التكلفة واستهلاك الطاقة.

كما يجري تطبيق التعلم من الآلات على تحقيق أقصى قدر ممكن من التنوع المكاني - مثلاً، باستخدام الشبكات العصبية لتعلم الوصل الأمثل بين الأوزان في الوقت الحقيقي، والتكيف مع ظروف القنوات المتغيرة دون وجود مقصود صريح من مبادرة أمن الماشية، مما يمكن أن يبسط جهاز الاستقبال ويحسن الأداء في البيئات المعقدة.

خاتمة

ولا يزال التنوع المكاني حجر الزاوية في الشبكات اللاسلكية التابعة للبعثة، إذ يحقق مكاسب مثبتة في الموثوقية، ومعدل البيانات، والتغطية، وكفاءة الطاقة، وفي حين أن تحديات مثل تعقيد المعدات والرؤوس العامة للمبادرة الدولية لمكافحة التقلبات المناخية ما زالت قائمة، فإن الابتكارات الجارية - من التكنولوجيا الضخمة التي تُستخدم في 5G إلى التكنولوجيات الناشئة مثل الهوائيات السائبة - مستمرة لدفع حدود ما يمكن، ومع انتقال العالم نحو 6G وما بعده، فإن التنوع المكاني ستؤدي بلا شك دوراً قوياً في تلبية التنوع.

وللحصول على مزيد من القراءة، يرجى الرجوع إلى الموارد التالية: