فصل جديد في سلالات: ميغاهيدي

فالشبكات غير المستقرة تتعرض لضغوط لا تطاق، حيث إن عدد الأجهزة المترابطة، وشهية الفيديو العالي التعريف، والطلبات المتعلقة بالتطبيقات في الوقت الحقيقي، قد دفعت إلى حدها الاقتصادي بالهيكلات الخلوية القديمة، وظهرت القدرة على الاتصال المتعدد المدخلات كرد حاسم على هذا التحدي، وذلك بنشر عشرات أو حتى مئات من مستعملي الأشعة في محطة قاعدية واحدة، وهي شبكة تبادلية متعددة.

ما هو "ماسيف ميمو"؟

وتشير شركة ماسيف ميمو إلى تكنولوجيا متعددة الأطقم تجهز فيها محطة قاعدية بعدد كبير من عناصر الهوائي - من بينها ٦٤ أو ١٢٨ أو حتى ٢٥٦ - تعمل معا في صفيفة متماسكة، ويميزها مصطلح " مكثف " عن نظم التشغيل التقليدية للمنظمة البحرية الدولية )مثل ٢,٢ أو ٤ ×٤( التي كانت شائعة في ٤ جي ليت، والفكرة الأساسية بسيطة:

وقد أدخل هذا المفهوم رسميا توماس مارزيتا وزملاء في مختبرات بيل في عام 2010، الذين أظهروا أنه مع وجود عدد غير محدود من الهوائيات، فإن تجهيز الإشارات الخطية البسيطة (مثل التصفية المطابقة) يصبح قريبا من الحل الأمثل، ويختفي الضوضاء الحرارية والارتداد السريع بصورة فعالة، ومنذ ذلك الحين، أصبحت المنظمة المتعددة الجنسيات جزءا لا يتجزأ من مواصفات " الجيل الخامس من الأهداف الإنمائية للألفية " (الواردة 15 وما بعدها)

وفي عملية نشر نموذجية، تستخدم محطة قاعدية مجموعة من عناصر الهوائيات التي يتم ترتيبها في فريق (أو أفرقة) يمكن تشكيلها لتشعيعها في شعاعات متعددة في وقت واحد، وقد يكون لكل عنصر هوائي جهاز تسلسل الترددات اللاسلكية الخاصة به، ومزج، وترددات متغيرة إلى رقمية، أو قد يتقاسم سلاسل من خلال قيود على تكلفة الضمادات،

كيف يعمل (ماسيف ميمو)؟

Massive MIMO achieves its gains through two complementary techniques: beamforming] and ]spatial multiplexing.

التكوين: الطاقة التوجيهية مع الدقة

والتشكيل هو عملية تعديل المرحلة وضخامة الإشارة في كل عنصر من عناصر الهوائيات بحيث تتدخل الموجات المبثوثة بصورة بناءة في اتجاه المستخدم المقصود وتتدخل بشكل مدمرة في أماكن أخرى، وفي صفيفة واسعة من طراز MIMO، يتم ذلك باستخدام الترددات الأساسية، وتقارن محطة الأساس مصفوفة ما قبل الشحن تستند إلى معلومات عن القنوات التي تحصل عليها الدولة من إشارات نموذجية غير مرسلة من قبل مجموعة الوصلات الحضرية.

وفي 5G NR، تعمل البعثة المتعددة الجنسيات عادة في نظام دوبلكس للرؤية الزمنية، وتوفر هذه المبادرة ميزة حاسمة: التبادل بين القنوات، ونظرا لأن التردد نفسه يستخدم في كل من الوصلة الهاتفية والوصلات الهزلية، يمكن أن تقدر محطة القاعدة القناة الهزلية من الطيارين المزودين بالشبكة دون أن تتطلب تعليقات صريحة من جامعة الدول العربية.

التعددية المكانية: خدمة العديد من المستخدمين على نفس الموارد

ويمكن للتعددية المكانية أن تنقل محطة القاعدة مسارات بيانات مستقلة متعددة على امتداد نفس الوقت - كتلة التردد، وكل مسار موجه إلى مستخدم مختلف، حيث أن هناك K من الهوائيات، يمكن أن تدعم محطة القاعدة نظرياً عدداً من المستعملين الرئيسيين (]K) مقارنة بأرقام المورد المكاني، في وقت واحد.

وينتج الجمع بين التعبئة الضيقة والتعددية المكانية زيادة خطية في منافذ المنطقة بعدد الهوائيات، دون أن يتطلب ذلك طيفا إضافيا أو زيادة في طاقة النقل، وهذا هو المحرك الاقتصادي الأساسي وراء انتشار البعثة العسكرية المتعددة الجنسيات.

التقدير بالقناة والرأس التجريبي

(ب) إن تقدير القناة الدقيقة أمر حاسم، حيث أن كل وحدة من وحدات التفتيش المشتركة ترسل سلسلة تجريبية معروفة خلال مرحلة التدريب على الشبكة، وتستخدم محطة القاعدة هذه الطيارات لتقدير القناة لكل مستخدم، ولكن نظراً لأن عدد التسلسلات التجريبية للغاز المُتَحد من وقت التماسك وزاوية القناة، فإن نفس التسلسلات التجريبية يجب إعادة استخدامها عبر خلايا مختلفة.

المنافع الرئيسية للمبادرة العسكرية المتعددة الجنسيات

وتتجاوز مزايا المنظمة البحرية الدولية المكثفة القدرة الخام إلى حد بعيد، وكل فائدة تؤثر مباشرة على أداء الشبكة، وخبرة المستعملين النهائيين، والكفاءة التشغيلية.

1 - زيادة القدرات على نحو درامي

وبخدمة مستخدمين متعددين في نفس الوقت، يمكن لمحطة قاعدية تابعة للمنظمة أن تحقق زيادة تتراوح بين 5 و 10 × 10 × في ممر الخلايا مقارنة بنظام تقليدي من طراز 4×4 MIMO، وفي المحاكمات الميدانية التي تجريها نوكيا وإيريكسون، قدمت صفائف من طراز 64 فانا أكثر من 1 Gbps الذروة من خلال قفزة من خلال الربط بين كل قطاع باستخدام 100 ميغاهيرتز في إطار النطاق 3.5 GHz، وهي قدرة أساسية بالنسبة لبيئة حضرية.

2 - تعزيز التغطية بحزم نارو

The ability to form narrow beams improves coverage at the cell edge and in challenging indoor environments. Buildings, foliage, and terrain cause signal attenuation and multipath fading, but a beamformed signal can overcome these obstacles by focusing energy where it is needed. Massive MIMO also enables tilt adaptation[FrisLT:1] and [FamT:2]

3- الكفاءة العليا في التعليم

إن الكفاءة في الاختبار، التي تقاس بقطع في الثانية لكل هكتار، هي مقياس رئيسي لمشغلي الشبكات الذين يدفعون علاوة على الطيف المرخص له، ويمكن أن يؤدي تعدد الأماكن في المنظمة البحرية الدولية إلى تعزيز الكفاءة في الطيف بثلاثة إلى ستة أضعاف بالمقارنة مع نظام LTE. فمثلا، مع وجود 64 طبقة هوائيا و 16 طبقة، يمكن أن تحقق خلية من طراز NR من الناحية النظرية 30 bps/Hz downlink 5.

4 - تحسين كفاءة الطاقة

ونظرا لأن محطة الأساس لا يمكنها توجيه الطاقة إلا حيثما يلزم، فإن إجمالي الطاقة المشععة لمعدل بيانات معين أقل من النظم التقليدية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن التجهيز الخطي اللازم (مثلا، تشغيل الطاقة الصفرية أو MMSE) يمكن أن ينفذ بمنطق رقمي منخفض الطاقة، لا سيما مع خفض حجم تكنولوجيا CMOS، وتبين دراسات كثيرة أن محطة ضخمة من طراز MIMO تستخدم شبكة الطاقة الخضراء التي تبلغ طاقتها 10 في المائة فقط.

5- المسؤولية عن التغاضي عن التقاعس والتدخل

فقانون الأعداد الكبيرة يؤدي دورا مفيدا، إذ أن العديد من الهوائيات، أصبحت أجهزة الاتصال في القناة شبه متحركة، كما أن آثار التزييف الصغير تزول، وهذا يقلل من الحاجة إلى سرعة تكييف وترميز وتصميم أجهزة استقبال، ويجعل ميزانية الربط أكثر قابلية للتنبؤ، كما أن التدخل بين المستعملين الذي يصيب الشهادات التقليدية في حركة ميغادو ما يكبح بدرجة كبيرة من الحرية.

تحديات النشر والحلول الهندسية

وعلى الرغم من انطلاقها النظري، فإن نشر هذه المنظمة على نطاق واسع يمثل تحديات هندسية حقيقية، وقد كان التصدي لها محور تركيز رئيسي في البحث والتطوير في النظام الإيكولوجي لخمسة أهداف.

Pilot Contamination

وكما سبقت الإشارة، فإن التلوث التجريبي هو كعب شركة آشلي للشركة العسكرية المتعددة الجنسيات، وعندما تستخدم الوحدات الجوية في الخلايا المتاخمة نفس التسلسل التجريبي، تصبح تقديرات القنوات ملوثة، وقد تنقل محطة القاعدة دون قصد تدخل إلى هؤلاء المستخدمين، وتشمل الحلول ما يلي:

  • Pilot assignment optimization:] Algorithms that assign pilots to UEs based on their spatial locations and the interference patterns they create.
  • Time or frequency shifting:] Implementing pilot reuse patterns that are compensate across cells.
  • Enhanced receiver processing:] Using blind or semi-blind estimation techniques that can separate signals from non-orthogonal pilots.
  • Coordinated scheduling:] Neighboring base stations coordinate to avoid scheduling same-pilot users on the same resource.

تعقيدات ومقاييس

ويحتاج كل عنصر من عناصر التأشيرات الآلية إلى سلسلة من أجهزة الاستنشاق، بما في ذلك أجهزة تكييف الطاقة، ومضخات منخفضة الدقة، ومزلاجات، ومحولات من قبيلة التناظر إلى أرقام، وسلسلة من العناصر الأساسية، وهي قابلة للتداول، وهي تشمل 128 سلسلة من سلاسل الترددات، وهي سلاسل مكلّفة التكلفة ومتوسطة القدرة.

ميزانية الربط في المستويات العليا

وكثيرا ما تنشر هذه المنظمة في نطاقات متوسطة (مثلا، 3.5 غيغاهيرتز) وفرقتان مميتتان (24-39 غيغاهيرتز) وفي هذه الترددات، تكون الخسائر في المسارات أعلى، كما أن المكاسب الناتجة عن مجموعة كبيرة من العوامل الأكثر أهمية، غير أن عامل الأشكال الصغيرة من الهوائيات التي تستخدم وسائل منع التلوث الجوي تسمح بمصفوفات من 256 أو 1024 عنصرا من عناصر آلية الرصد الجوي في مجموعة من المشابكات.

التكلفة والعائدات على الاستثمار

وتزيد التكلفة الأولية لمحطة قاعدية ضخمة تابعة للمنظمة البحرية الدولية عن قطاع تقليدي من 4G، ويجب على العاملين تبرير هذه النفقات من خلال زيادة الإيرادات من خدمات البيانات والقدرة على خدمة المزيد من المستعملين دون إضافة المزيد من المواقع، ومع تحسن أسعار الشرائح والتكامل (مثل أجهزة لجنة مصائد الأسماك في جنوب المحيط الهادئ)، فإن عنصر التكلفة في المحيط الهادي آخذ في التناقص، وفي عام 2024، قام العديد من المشغلين في آسيا وأوروبا بنشر شبكة متعددة النطاقات في المتوسط.

Massive MIMO in 5G and Beyond

وشركة ميمو المتعددة الجنسيات ليست تكنولوجيا ثابتة؛ فهي تواصل التطور مع كل إطلاق من إطلاقات برنامج الأفضليات المعمم، كما أن البحوث تدفع نحو 6G.

5G NR and 3GPP Standards

وقدم الإصدار ١٥ من النظام العالمي للشراكات بين الجنسين الدعم لما يصل الى ٦٤ ميناء هوائيا وما يصل الى ١٦ طبقة مكانية في الوصلة النهائية، ووسع نطاق هذا الإصدار ١٦ مع إدخال تحسينات على التشكيلات المتعددة الأطياف، وتغيير الشعاع، وتحسين التغذية المرتدة من قبل مبادرة أمن السفن، ووفر الإصدار ١٧ دعما إضافيا ل ١٠٢٤ عنصرا من عناصر الهوائي )مع التطهير الهجين( في سياق النطاق ٥٢-٦٧١ GHz.

ومن السمات البارزة في المادة 5 من القانون الوطني الإشارة المرجعية CSI-reference signal (CSI-RS)] لقياس الأشعة و]SRS (الإشارة المرجعية الصوتية) لتقدير القنوات القائمة على الاتصال الشبكي، وهذه الإشارات تتيح للمحطة الأساسية اختيار أفضل مركب من كتيب موحّد.

Massive MIMO in mmWave Bands

وفي مرفأ الويب، يمكن أن يصل عدد الهوائيات بسهولة إلى 256 أو 512 لأن الموجة ضئيلة (مثلاً، عيار 10 ملم عند 28 جيهرتز) وهذه الصفائف توفر مكاسب هائلة في مجال التلاعب (على ترتيب 20-30 د.ب) يمكن أن تتغلب على فقدان المسارات العالية، غير أن الوصلات اللاسلكية التي يتم نشرها على نطاق واسع أصبحت ضيقة للغاية (بضع درجات)، مما يجعل من المستجدات في مسارات أمراً حاسماً.

الإعداد لـ 6G

وسيؤدي التطور إلى زيادة عدد أفراد البعثة (المنشورة في عام 2030)، كما ستستكشف البحوث ] صفائف كبيرة جدا من المواهب ) مع توزيع آلاف الهوائيات عبر هيكل مثل مبنى أو صمامات، وستعمل هذه الصفائف ليس فقط على نطاقات الدنيا من الزوايا (100 إلى 300).

النشرات والدراسات الإفرادية في العالم الحقيقي

(ب) تقدير أثر هذه المنظمة، والنظر في الأمثلة التالية: في عام 2022، نشرت شركة الاتصالات السلكية واللاسلكية الكورية 64-انتينا في المدن الرئيسية لدعم حركة المرور العالية التي تنتج عن تطبيقات لحفر البيانات مثل بث الفيديو 4K والرياضات الحية، وكانت النتيجة تحسن بنسبة 40 في المائة في متوسط حجم المستخدمين وانخفاض بنسبة 50 في المائة في عدد أجهزة التفريغ في الحزم.

وفي المؤتمر العالمي المتنقلة لعام 2023، أظهر إريكسون فريقا يضم 128 طناً من الأنابيب، حقق 2.5 غمبر على ناقل واحد من 100 ميغاهيرتز باستخدام التكتل المكاني الممتد 16 ميغايراً، وبالمثل، فإن شريحة " ريف شاراك " التي أعدها نوكيا تدمج تجهيز النطاقات الأساسية لـ 64 هوائياً في وحدة نموذجية مدمجة، مما يقلل استهلاك الطاقة بنسبة 60 في المائة مقارنة بالأجيال سابقة، وتبين هذه المنتجات التجارية أن المختبرات هائلة قد انتقلت من ميدان الأداء.

For a deep dive into the technical specifications, readers can refer to the 3GPP specifications for 5G NR [Release 17, Section 6.2 for MIMO] and ]Ericsson’s white paper on Massive MIMO]

خاتمة

وقد غيرت البعثة الضخمة تصميم الشبكات الخلوية تغييراً جوهرياً، إذ إن استغلالها لوفرة الهوائيات، ستوفر القدرة والتغطية وكفاءة الطاقة اللازمة لدعم الطلب المتزايد على البيانات في عالم مترابط، فالتكنولوجيا لا تفتقر إلى التلوث الطيار، وتكاليف المعدات، وإدارة الأشعة في الترددات العالية، كلها تتطلب وجود هندسة دقيقة، ولكن التقدم المحرز في العقد الماضي قد حوّل الصناعة إلى واقع ملموس.