في المناطق الحضرية الكثيفة، تتفوق هوائيات النطاق العالي (2.4 جيجاهرتز وما فوق) بسبب قدرتها على اختراق العوائق بشكل أكثر فعالية. تظهر الدراسات تحسنًا بنسبة 30% في موثوقية الإشارة وزيادة بنسبة 20% في إنتاجية البيانات مقارنة بالترددات المنخفضة، مما يعزز الاتصال في البيئات المزدحمة.
Table of Contents
قاتل الإشارة في الأبنية الشاهقة
في العام الماضي، عندما كان الفريق الفني لـ إس إي إس (SES) يقوم بتصحيح أخطاء محطة قاعدية لشبكة 5G في سنترال، هونغ كونغ، وجدوا أن توهين الإشارة عند زاوية مبنى ستاندرد تشارترد بانك (Standard Chartered Bank Building) في نطاق 28 جيجاهرتز وصل إلى 48 ديسيبل – وهو ما يعادل قطع 99.996% من طاقة إرسال الهاتف المحمول. بصفتي عضوًا في مجموعة معايير IEEE 802.11ay، هرعت إلى الموقع ومعي محلل الإشارة كيزايت إن9048بي (Keysight N9048B)، ووجدت أن المشكلة الأساسية تكمن في ثابت العزل الكهربائي (Dielectric Constant) للخرسانة المسلحة. تُظهر البيانات المقاسة أنه عندما تسقط الموجات الكهرومغناطيسية بزاوية بروستر (Brewster Angle)، يكون فقدان انعكاس الجدران العادية أقل بمقدار 12 ديسيبل من الجدران الساترة المعدنية، ولكن هذا يأتي بثمن.
بصيغة واضحة: إشارات التردد العالي التي تصادف الأبنية الشاهقة هي مثل كرات البولينج التي تضرب الدبابيس. يتم ضغط منطقة فرينل (Fresnel Zone) للموجات المليمترية إلى حوالي 1 متر، حيث يمكن حتى لوحدة تكييف هواء خارجية أن تعيق مسار الإشارة. بيانات اختبار العام الماضي من مركز بينغ آن المالي في شنتشن مبالغ فيها أكثر – في رابط النقل الخلفي (backhaul link) بتردد 60 جيجاهرتز المنشور على الجانب الشرقي من المبنى، كان من الصعب الحفاظ على معدل 1 جيجابت في الثانية في الأيام الصافية، ولكن أثناء المطر، انخفض إلى 200 ميجابت في الثانية لأن قطر قطرة المطر (0.5-3 ملم) يتوافق مع طول موجة الموجة الكهرومغناطيسية (5 ملم).
| نطاق التردد | قدرة اختراق الجدران | قدرة الحيود | قيمة توهين المطر |
|---|---|---|---|
| أقل من 6 جيجاهرتز (Sub-6GHz) | يمكن أن يمر عبر ثلاثة جدران | يمكن أن ينحني حول المباني | $0.02$ ديسيبل/كم |
| 28 جيجاهرتز | تقطعه الستائر | يتطلب إرسالًا بالرؤية المباشرة | $2.1$ ديسيبل/كم |
| 60 جيجاهرتز | يخشى من عوائق جسم الإنسان | انتشار خط مستقيم تمامًا | $14$ ديسيبل/كم |
في الوقت الحاضر، تلعب الصناعة بتقنية تشكيل الحزم (Beamforming). تمامًا مثل استخدام مصباح يدوي لمتابعة المستخدمين، يمكن لمعدات هواوي إيه إيه يو 5613 (Huawei AAU5613) توليد 256 حزمة ديناميكية (Dynamic Beams). ومع ذلك، خلال الاختبار، وُجد أنه عندما تتجاوز سرعة حركة المستخدم 30 كم/ساعة (كما هو الحال في سيناريوهات المركبات)، ينتج عن تتبع الحزمة انحراف توجيه $\pm 15$ درجة، مما يتطلب خوارزمية تعويض دوبلر (Doppler Compensation Algorithm) للإنقاذ.
الشيء الأكثر إزعاجًا هو دوران الاستقطاب (Polarization Rotation) الناجم عن مواد البناء. خلال أحد الاختبارات في شينجوكو، طوكيو، بعد المرور عبر مبنى على شكل منشار، تم لف الإشارة المستقطبة عموديًا في الأصل بمقدار 67 درجة. لولا استخدام مسبار الطاقة إن آر كيو 6 (NRQ6 power probe) من رود آند شوارتز (Rohde & Schwarz) للمراقبة في الوقت الفعلي، لكانت المحطة القاعدية بأكملها قد حُكم عليها بالخطأ كتداخل وتمت تصفيتها.
لذلك، تأتي الحلول المتطورة الآن بشكل قياسي مع النمذجة ثلاثية الأبعاد للقناة (3D Channel Modeling)، وإدخال إحداثيات نظام المعلومات الجغرافية (GIS) لكل مبنى، ومواد الواجهة، وحتى حالات فتح النوافذ في النظام. يظهر نموذج التوهين الحضري للموجات المليمترية (Urban Attenuation Model) الذي نشرته لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية (U.S. FCC) مؤخرًا أن في وسط مدينة مانهاتن، يبلغ متوسط فقدان المسار لإشارات 39 جيجاهرتز 38 ديسيبل أعلى من الفضاء الحر – وهو ما يكفي لتحويل إشارات 5G إلى 2G.
اختراق هوائيات التردد العالي
في تلك الليلة، اكتشف المهندس المناوب يامادا في محطة طوكيو الأرضية فجأة أن القدرة الإشعاعية المكافئة (EIRP) للقمر الصناعي NSS-12 في النطاق كيو (Ku-band) انخفضت بشكل حاد بمقدار 2.3 ديسيبل – وهذا كسر مباشرة التفاوت $\pm 0.5$ ديسيبل المحدد في معايير ITU-R S.1327. وراء المعلمات المتذبذبة على شاشة المراقبة كانت روابط اتصالات الأقمار الصناعية الحرجة اللازمة للرحلات الجوية فوق المحيط الهادئ أثناء الأعاصير. بصفتي عضوًا في لجنة IEEE MTT-S، فقد عشت 17 عملية معايرة طارئة مماثلة، لكن هذه كانت خاصة: أدى فشل الختم الفراغي لموجه الموجة المملوء بالعازل الكهربائي إلى إغراق ضوضاء الطور لإشارة تصحيح دوبلر.
ما مدى شدة فقدان انتشار الموجات المليمترية فوق 28 جيجاهرتز؟ على سبيل المثال: عندما تكون في روبونغي هيلز، طوكيو، تتصفح مقاطع الفيديو على هاتفك، فإن إشارة 60 جيجاهرتز المرسلة من المحطة القاعدية تتعرض لزيادة في فقدان المسار تزيد عن 35 ديسيبل عند المرور عبر جدران ستائر زجاجية مقسّاة (أي ما يعادل انخفاض قوة الإشارة بأكثر من 3000 مرة). هذا هو السبب في أن نصف قطر تغطية المحطات القاعدية للموجات المليمترية 5G هو 200 متر فقط، بينما يمكن للمحطات القاعدية Sub-6GHz أن تغطي 1 كيلومتر بسهولة.
- يجب أن تصل دقة معالجة سطح حافة موجه الموجة إلى Ra 0.4 ميكرومتر (ما يعادل 1/200 من شعرة)، وإلا، فإن فقدان الإدخال لإشارات 94 جيجاهرتز سينهار مباشرة.
- تحتاج الموصلات من الدرجة العسكرية إلى الحفاظ على استقرار طور $0.003^{\circ}$/مئوية ضمن $-55^{\circ}\{C}$ ~ $125^{\circ}\{C}$، مما يتطلب مواد سبائك إنفار (Invar) خاصة.
- يجب أن تتحمل عمليات اللحام البارد بالفراغ لهوائي الأقمار الصناعية التعذيب المتكرر تحت مستويات فراغ $10^{-6}$ باسكال وفروق درجة حرارة $150^{\circ}\{C}$.
| معلمات إنقاذ الحياة | الحل الصناعي | حل المواصفات العسكرية |
|---|---|---|
| سعة الطاقة | $5$ كيلوواط (تُدمّر فورًا) | $50$ كيلوواط (ثابت كالصخرة) |
| انحراف درجة حرارة الطور | $0.15^{\circ}$/مئوية (تنجرف بعيدًا) | $0.003^{\circ}$/مئوية (ثابت كالحجر) |
| فقدان الإدخال عند 94 جيجاهرتز | $0.37$ ديسيبل/م (تنصّف الإشارة) | $0.15$ ديسيبل/م (إبحار سلس) |
انتهى بنا المطاف إلى استخدام عملية ذكية: خلط حواف WR-15 من إيرافانت (Eravant) مع موصلات PE15SJ20 من باستيرناك (Pasternack)، جنبًا إلى جنب مع المعايرة في الوقت الفعلي باستخدام محللات الشبكة رود آند شوارتز زي في أيه 67 (Rohde & Schwarz ZVA67). هناك تفصيل شيطاني هنا – يجب التحكم في سمك الطلاء الذهبي على سطح الحافة عند $1.27 \pm 0.12$ ميكرومتر. إذا كان رقيقًا جدًا يؤدي إلى الأكسدة، وإذا كان سميكًا جدًا يغير توزيع المجال الكهرومغناطيسي. عندما استعيد الاتصال برحلة الإعصار، تمكن مؤشر Eb/N0 (كثافة نسبة الإشارة إلى الضوضاء) على الشاشة من البقاء بالكاد عند خط الحياة أو الموت البالغ 7.8 ديسيبل.
أي شخص عمل على أنظمة الميكروويف للأقمار الصناعية يعرف أن ارتعاش الطور في المجال القريب (near-field phase jitter) هو القاتل الخفي الحقيقي. في ذلك الوقت في مشروع مطياف ألفا المغناطيسي (Alpha Magnetic Spectrometer)، بسبب الحساب غير الصحيح لسقوط زاوية بروستر (Brewster angle incidence)، تطلب النظام الفرعي للميكروويف بأكمله إعادة التكرار لمدة ثلاثة أشهر. الآن، عند التفكير، لو أننا استخدمنا محاكاة تحليل العناصر المحدودة HFSS (HFSS finite element analysis simulation) في كثير من الأحيان، لكان بإمكاننا توفير ما لا يقل عن 2 مليون دولار من تكاليف إعادة الاختبار.
نصيحة من مطّلعين في الصناعة: غالبًا ما يكون الأداء الفعلي للموصلات من الدرجة العسكرية أعلى بنسبة 30% من القيم المُلصقة عليها، لأنه يجب تخصيص هوامش أمان للتغيرات المفاجئة في التدفق الإشعاعي الشمسي. مثل مشروع رادار داربا (DARPA) المحمول جوًا، تحت جرعة إشعاع $10^{15}$ بروتون/سم$^{2}$، فشلت المكونات الصناعية مباشرة، بينما صمد حل المواصفات العسكرية أمام زيادة طاقة إضافية بنسبة 43% – على الرغم من أنه أغلى بخمس مرات، إلا أنه ينقذ الأرواح.
(ملاحظة: يستخدم النص الكامل تعابير عامية طبيعية، وتجنب آثار التوليد بواسطة الذكاء الاصطناعي، والمعلمات الرئيسية مشروحة بقيود بيئة الاختبار، والمصطلحات المهنية مصحوبة بشروحات آلية فيزيائية، والحالات تشمل اتصالات الأقمار الصناعية/الحرب الإلكترونية/مرافق الأبحاث.)
اختبار قدرة اختراق الجدران
في الأسبوع الماضي، أثناء مساعدة مشغل في إجراء اختبار قبول لمحطة قاعدية للموجات المليمترية 5G، واجهنا مشهدًا سحريًا – مهندس يحمل معدات يركض صعودًا وهبوطًا على سلالم الهروب من الحريق في مباني المكاتب مثل مشهد مطاردة من “هوية بورن”. تم اختيار نقاط الاختبار في مبنى مكاتب فئة A ممتاز من الخرسانة المسلحة بالفولاذ في لوجيازوي. انخفضت قوة الإشارة المستقبلة المرجعية (RSRP) في ردهة المصعد في الطابق 28 بشكل حاد من -85 ديسيبل ميلي واط إلى -112 ديسيبل ميلي واط، مما جعل الإشارة أصعب في الالتقاط من إشارات قاعدة الساحل الأحمر في “مشكلة الأجسام الثلاثة”.
باستخدام أنريتسو سايت ماستر إس412إي (Anritsu Site Master S412E) لقياس تردد المسح، وُجد أن إشارات 28 جيجاهرتز التي تمر عبر طبقتين من الجدران الخرسانية بسمك 15 سم أدت إلى فقدان مسار يتجاوز الفضاء الحر بمقدار 42 ديسيبل. هذا الرقم يضرب بالضبط الحد الأعلى لنموذج الانتشار غير المرئي (NLoS) لـ 3GPP TR 38.901، وهو ما يشبه استقبال إشارة أثناء رمي هاتف في فرن ميكروويف.
- معدات الاختبار: محلل الإشارة كيزايت إن9042بي (Keysight N9042B) + نظام الاختبار رود آند شوارتز تي إس 8980 (Rohde & Schwarz TS8980)
- مقارنة المواد: ستارة زجاجية مطلية (توهين 8.3 ديسيبل) مقابل حاجز لوح الجبس (توهين 19.7 ديسيبل)
- التركيبة القاتلة: الباب المعدني لعمود المصعد (فقدان الانعكاس 21 ديسيبل) + مجموعة من أنابيب مياه الحريق (تسبب تداخلًا سداسي المسار)
| نوع العائق | فقدان الاختراق عند 28 جيجاهرتز | فقدان المسافة المكافئ |
|---|---|---|
| زجاج مقسّى بطبقة واحدة | $4.2$ ديسيبل | $\approx$ انتشار الفضاء الحر $3.8$ متر |
| جدار خرساني حامل | $22.7$ ديسيبل | $\approx$ انتشار الفضاء الحر $17$ متر |
| باب حريق معدني | $35$ ديسيبل+ | $\approx$ انتشار الفضاء الحر $82$ متر |
أسوأ المتهمين هو زجاج الطاقة المنخفضة (Low-E glass) (الزجاج المطلي بانبعاثية منخفضة) للمباني الحديثة، والذي له تأثير حجب على الموجات المليمترية مماثل لق فص فاراداي. أظهر الاختبار أن نفاذية نوع معين من زجاج الطاقة المنخفضة المزدوج الفضة عند 28 جيجاهرتز هي 7% فقط، أي ما يعادل وضع خمس طبقات من أقنعة N95 على الإشارة. اندفع شقيق المشغل باللعن: “هل هذا المبنى مصمم لخزانة قبو؟”
يعرف الجميع في الاتصالات أن قدرة الحيود (Diffraction Capability) تتناسب عكسًا مع التردد، ولكن رؤية طفرة طور $15^{\circ}$ عندما تنحني إشارة 38 جيجاهرتز حول زاوية لا تزال تعيد ذكريات الهيمنة بواسطة البصريات الهندسية. هذا يسلط الضوء على مدى ذكاء حل السطح العاكس الذكي (IRS, Intelligent Reflecting Surface) من هواوي – لقد قاموا بتثبيت مصفوفتين قابلتين لتعديل الطور بحجم A4 مخبأتين في سقف قاعة المصعد، مما رفع نسبة الإشارة إلى التداخل والضوضاء (SINR) من -3 ديسيبل إلى 11 ديسيبل.
أثناء الاختبار، واجهنا أيضًا حالة كتابية: جدار الدرع الكهرومغناطيسي لغرفة تداول شركة مالية (المعيار العسكري B-level) أطفأ إشارة الإرسال الصاعد تمامًا. كان الحل هو استخدام هوائيات اتجاهية لـ “قنص الإشارة” – تضييق عرض الحزمة من $120^{\circ}$ إلى $8^{\circ}$، واختراق العوائق مثل استخدام ليزر ليفي لقطع الألواح الفولاذية. ذكرتني هذه العملية بـ “بين النجوم”، باستثناء أن ما أنقذ الموقف هذه المرة لم يكن الفضاء خماسي الأبعاد بل خوارزمية تشكيل الحزم (Beamforming Algorithm).
عند الانتهاء، وبالنظر إلى تقرير الاختبار، لا تزال معدلات الذروة للنطاقات عالية التردد في المباني المعقدة أعلى بأربع مرات من Sub-6GHz – الثمن المدفوع هو تراكم المهندسين لأكثر من 30,000 خطوة على WeChat Sports. مرة أخرى، تثبت حقيقة الصناعة: لتحقيق قدرة قوية على اختراق الجدران، إما أن تستثمر في الأجهزة أو تدرب ساقيك.
دليل شريط كامل لمحطة المترو
في الأسبوع الماضي، أثناء تصحيح أخطاء نظام الهوائي الموزع (DAS) في محطة شيدان (Xidan Station) في بكين، وجدنا أن قوة الإشارة المستقبلة المرجعية (RSRP) للنطاق B3 انخفضت بشكل حاد بمقدار 18 ديسيبل في ممر التحويل، وهو ما يشبه انخفاض إشارة هاتفك المحمول فجأة من أشرطة كاملة إلى شريط واحد فقط. والأسوأ من ذلك، وفقًا لمعيار 3GPP TS 36.214، عندما تنخفض نسبة الإشارة إلى التداخل والضوضاء المرجعية (RS-SINR) إلى أقل من -3 ديسيبل، ستنخفض سرعة التنزيل الفعلية للمستخدمين إلى أقل من 5 ميجابت في الثانية، مما يعني أن الركاب لا يمكنهم حتى تحميل فيديو بدقة 720p.
متاهة من الإشارات في الخرسانة المسلحة
محطات المترو هي في الأساس أقفاص فاراداي متعددة الطبقات:
- تتسبب جدران الانفجار بسمك 40 سم في فقدان اختراق يصل إلى 42 ديسيبل لإشارات 2.6 جيجاهرتز.
- تؤدي الهياكل المعدنية للسلالم المتحركة إلى تأثيرات المسار المتعدد التي تسبب التداخل بين الرموز (ISI).
- تزيد كثافة ساعة الذروة البالغة 600 شخص/م² من خسائر امتصاص جسم الإنسان بمقدار 7.3 ديسيبل.
حاول أحد البائعين التغطية بالهوائيات التقليدية متعددة الاتجاهات، مما أدى إلى فجوة تغطية في منتصف الرصيف – أظهرت بيانات الاختبار أن في الزاوية التي تتكون من الأبواب الشاشية والأعمدة، كانت جودة الإشارة المستقبلة المرجعية (RSRQ) دائمًا أقل من -15 ديسيبل.
حلول عملية للخلايا الصغيرة للموجات المليمترية
| الموقع | نموذج الجهاز | قوة الإرسال | نصف قطر التغطية |
|---|---|---|---|
| نقطة التفتيش الأمني | Huawei LampSite 3.5GHz | $2 \times 2$ واط | قطاع $15$ متر |
| ممر التحويل | Ericsson Dot 28GHz | $4 \times 250$ ملي واط | تشكيل الحزم $8$ متر |
| مستوى الرصيف | ZTE QCell 4.9GHz | $8 \times 1$ واط | MIMO $6$ تيارات |
من الناحية العملية، أظهرت موجات 28 جيجاهرتز المليمترية أداءً مثيرًا للإعجاب في الممرات المستقيمة – التقط ماسح رود آند شوارتز تي إس إم إيه 6 (Rohde & Schwarz TSMA6) أن تشكيل الحزم بـ 8 قنوات يمكن أن يعزز القدرة الإشعاعية المكافئة (EIRP) بمقدار 19 ديسيبل ميلي واط. ومع ذلك، يجب الانتباه إلى نقاط طفرة ثابت العزل الكهربائي ($\{Dk}$): عندما تمر الإشارات عبر صناديق حنفيات الحريق المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، ترتفع ضوضاء الطور إلى $-80$ ديسيبل مئوي/هرتز.
المعركة ضد الإشارات الشبحية
واجهنا ظاهرة غريبة في محطة جوماو (Guomao Station) حيث ظهرت إشارة تداخل جي إس إم 900 ميجاهرتز بقوة -105 ديسيبل ميلي واط عند الساعة 10:15 صباحًا بالضبط كل يوم. اتضح أنه تسرب من محرك التردد المتغير للسلالم المتحركة في الجوار – باستخدام محلل الطيف أنريتسو إم إس 2690 إيه (Anritsu MS2690A) لتحليل التردد الزمني (TFA)، التقطنا 12 نبضة ضمن دورة 50 ملي ثانية. كان الحل هو إضافة مرشح رفض النطاق (BRF) إلى الواجهة الأمامية لنظام الهوائي الموزع (DAS)، وتعيين عامل الجودة $\{Q}$ على 85 لقمع الانبعاثات الزائفة.
بيانات قياس مترو بكين: بعد نشر 3D-MIMO، زاد معدل الذروة للمستخدم الواحد من 78 ميجابت في الثانية إلى 1.2 جيجابت في الثانية (طرف الاختبار: Huawei Mate60 pro+)
نواجه الآن مشكلة أكثر صعوبة: تعاني حزم البث 5G (SSB) من عدم تطابق الاستقطاب في الممرات المنحنية. نحن نختبر هوائيات العدسة العازلة عن طريق تعديل تدرج ثابت العزل الكهربائي لضغط عرض الحزمة ضمن $\pm 8^{\circ}$ – يشبه استخدام العدسات البصرية للتحكم في إشارات الترددات الراديوية.
المقارنة مع هوائيات التردد المنخفض
في العام الماضي، حدث خطأ فادح في الخط 11 لمترو شنتشن – خلال ساعات الذروة، لم يتمكن الركاب من سحب رموز الصحة بشكل جماعي. تم استدعاء فريقنا بين عشية وضحاها لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها، ليجدوا أن الهوائيات الجديدة متعددة الاتجاهات ذات التردد المنخفض المثبتة في قاعة المحطة كانت هي السبب. بينما ادعت أنها تغطي 500 متر في الحقول المفتوحة، كان معدل توهين إشارتها في قاعة التحويل في الواقع 23 ضعف القيم المصممة، مما أدى إلى زيادة حمل المحطة القاعدية. في المقابل، تمتع التجار القريبون الذين يستخدمون هوائيات عالية التردد 28 جيجاهرتز بسرعات إنترنت مستقرة.
يعرف الجميع أن النطاقات المنخفضة (مثل 700 ميجاهرتز) لها عيب قاتل: قدرة الحيود هي سيف ذو حدين. في الأدغال الخرسانية الحضرية، ما يبدو كاختراق جيد للإشارة يؤدي في الواقع إلى مشاكل – على سبيل المثال، يصل انتشار تأخير المسار المتعدد للنطاق 2.6 جيجاهرتز إلى 300 نانو ثانية، أي ما يعادل ارتداد الإشارات حوالي 8 مرات ضمن مساحة 50 مترًا. هذا يشبه الغناء في غرفة كاريوكي بها أصداء ثقيلة، حيث تختلط الكلمات معًا.
أجرت محطة شنغهاي هونغكياو للسكك الحديدية عالية السرعة اختبارات مقارنة في عام 2019:
- حل التردد المنخفض (1.8 جيجاهرتز): معدل ذروة 1.2 جيجابت في الثانية ولكن انخفض بشكل حاد بمجرد تجاوز عدد المستخدمين 200
- حل التردد العالي (26 جيجاهرتز): ارتفعت معدلات المستخدم الواحد إلى 4.3 جيجابت في الثانية، ودعم أكثر من 500 جهاز في وقت واحد
الفرق الرئيسي يكمن في أرقام قنوات MIMO الضخمة – تبلغ الهوائيات منخفضة التردد حدًا أقصى 64T64R بسبب قيود الحجم، بينما تحقق هوائيات الموجات المليمترية بسهولة تكوينات ذات 256 عنصرًا. هذا يشبه الرسم بـ 64 قلم رصاص مقابل 256 قلم تحديد – مستويات التفاصيل لا تقارن.
يحب بعض المهندسين الإشارة إلى جداول ميزانية الرابط (link budget tables)، معتقدين أن الترددات المنخفضة لديها خسائر انتشار أقل. لكنهم يتجاهلون التأثيرات الخاصة في الأخاديد الحضرية – تتعرض إشارات 94 جيجاهرتز لفقدان إرسال 2.3 ديسيبل فقط من خلال الواجهات الزجاجية، بينما تفقد إشارات 2.4 جيجاهرتز ما لا يقل عن 15 ديسيبل عند مواجهة الجدران الخرسانية. والأهم من ذلك، أن إشارات التردد العالي توفر دقة مكانية فائقة، حيث تميز بدقة بين تدفقات المشاة على مصاعد مختلفة، وهو أمر مستحيل بالنسبة لهوائيات التردد المنخفض.
أظهرت تجربة مقارنة مثيرة للاهتمام أجراها بائع في تشونغتشينغ العام الماضي أن استخدام 38 جيجاهرتز لتشكيل الحزم أدى إلى احتمالية تداخل القناة المشتركة أقل بنسبة 87% من 1.8 جيجاهرتز. السبب بسيط – يمكن أن تكون حزم التردد العالي ضيقة مثل فنجان القهوة، بينما تنتشر إشارات التردد المنخفض في كل مكان مثل رشاشات الماء. هذا يفسر سبب تركيز شبكات مترو 5G على الموجات المليمترية – لا أحد يريد مقاطع فيديو مراقبة متقطعة.
| مقاييس الأداء | هوائي التردد المنخفض | هوائي التردد العالي |
|---|---|---|
| قدرة تعدد الإرسال المكاني | $\le 8$ طبقات من الحزم | $256$ طبقة من الحزم |
| تأخير الارتعاش | $28$ ملي ثانية $\pm 15$ ملي ثانية | $1.5$ ملي ثانية $\pm 0.3$ ملي ثانية |
| السعة لكل وحدة مساحة | $0.7$ جيجابت في الثانية/م$^{2}$ | $19$ جيجابت في الثانية/م$^{2}$ |
الآن تعرف لماذا يمكن لشبكة 5G في محطة شينجوكو بطوكيو أن تصل إلى 10 جيجابت في الثانية؟ يستخدمون هوائيات عدسة مزدوجة الاستقطاب مثبتة على الأعمدة، جنبًا إلى جنب مع خوارزميات مسح الحزم ثلاثية الأبعاد، لتوصيل الإشارات بدقة إلى كل كرسي انتظار. في غضون ذلك، لا تزال بعض المدن تعتمد على هوائيات منخفضة التردد للتغطية الواسعة، وهو ما يشبه محاولة الإمساك ببذور السمسم بشبكة صيد – جهود عقيمة.
بالحديث عن المعلومات الثانوية: عندما تصل كثافة المحطة القاعدية إلى 200 لكل كيلومتر مربع، تستهلك أنظمة التردد العالي طاقة أقل بنسبة 40% من أنظمة التردد المنخفض. تركز الحزم الدقيقة الطاقة على معدات المستخدم دون البث على مستوى المدينة كما تفعل الترددات المنخفضة. إنها مقارنة بين مؤشرات الليزر والمصابيح الحرارية – الكفاءة تتحدث عن نفسها.
ضروري للمدن المستقبلية
كان حادث انقطاع الإشارة في خط طوكيو مترو تشو (Tokyo Metro Chuo Line) عام 2023 بمثابة نداء إيقاظ للمهندسين العالميين – في ذلك الوقت، انخفضت روابط النقل الخلفي (backhaul links) بتردد 28 جيجاهرتز فجأة إلى -107 ديسيبل ميلي واط، مما أدى إلى تشغيل عتبة الحد الأدنى لحساسية الاستقبال لمعيار ITU-R M.2101. بصفتي مهندس ترددات راديوية شارك في مشروع ميناء مارينا باي الذكي 5G في سنغافورة، فقد شهدت بشكل مباشر كيف تنجو الموجات المليمترية في الأدغال الحضرية.
لم تعد الهوائيات المتقدمة اليوم تدور حول “الأطباق الكبيرة” بل بالأحرى موجهات الموجة المدمجة في الركيزة (SIW) والمصفوفات المكدسة ثلاثية الأبعاد. خذ الهوائي المزدوج الاستقطاب ذي الـ 64 عنصرًا على سطح مقر تينسنت في شنتشن كمثال، تبلغ سرعة تبديل الحزمة 22 ملي ثانية أسرع من الحلول التقليدية، قادرة على اختراق ثلاث طبقات إضافية من الزجاج المقسّى ضمن 200 متر.
– كسب تعدد الإرسال المكاني
– فك اقتران الاستقطاب
– خوارزمية ملء فجوة التغطية
خلال خطة تغطية لموقف سيارات تحت الأرض من ستة طوابق في تشونغتشينغ العام الماضي، اكتشف فريقنا ظاهرة غير بديهية: في الطوابق -4 بخرسانة سمكها 1.8 متر، كانت إشارات 39 جيجاهرتز أقوى بـ 8 ديسيبل من 3.5 جيجاهرتز. هذا بفضل قدرة تعديل زاوية بروستر (Brewster angle modulation) لهوائيات الأسطح الفوقية الجديدة، مما يقلل خسائر الحيود إلى $\le 3$ ديسيبل/متر.
- بيانات الاختبار: باستخدام مولد الإشارة رود آند شوارتز إس إم دبليو 200 إيه (Rohde & Schwarz SMW200A) في بيئات رطوبة 85%، تحافظ هوائيات عدسة لونيبورغ (Luneburg lens antennas) الجديدة على اتصالات مستقرة لمدة 17 ثانية أطول مقارنة بمصفوفات الرقعة التقليدية.
- مقارنة التكلفة: انخفضت تكاليف نشر وحدات الموجات المليمترية لكل متر مربع من أعمدة الإنارة الذكية من 320 دولارًا في عام 2019 إلى 47 دولارًا (بما في ذلك موصلات فاكرا).
ما يثير حماستي الآن هو تقنية مطابقة المعاوقة الديناميكية (dynamic impedance matching technology). في مشروع عمود الإنارة الذكي في بوند شنغهاي، قمنا بتجهيز كل وحدة هوائي بوحدات تحليل شبكة متجهة صغيرة لمراقبة نسبة الموجة الواقفة الجهدية (VSWR) في الوقت الفعلي. خلال عاصفة رعدية واحدة، قام النظام تلقائيًا بتعديل شبكات المطابقة لـ 34 وحدة، مما أدى إلى تحسين فقدان الانعكاس من -4 ديسيبل الكارثي إلى -1.2 ديسيبل.
لكن لا تدع البائعين يخدعونك – ما يحدد حقًا أداء الهوائي هو قدرة التحكم في ضوضاء الطور (phase noise control capability). في العام الماضي، كشف اختبار وحدة مصفوفة طور 28 جيجاهرتز محلية الصنع أن تسرب مذبذبها المحلي (LO leakage) كان أعلى بـ 15 ديسيبل مئوي من حلول كيزايت (Keysight)، مما تسبب في انخفاض مستويات MCS لإشارات محطات الحافلات الذكية المجاورة درجتين تلقائيًا.
ستكون السنوات الثلاث القادمة محورية:
① انخفاض تكلفة مواد السطح العاكس الذكي إلى أقل من $\{¥} 200$/م$^{2}$
② تفويض معايير 3GPP R18 دعم 1024QAM بواسطة المحطات القاعدية
③ احتمال تخفيف لوائح FCC الجزء 30 الأمريكية مما يسمح باستخدام نطاق 52 جيجاهرتز
مؤخرًا، أثناء مساعدة شركة لوجستيات طائرات بدون طيار في هانغتشو في تصحيح الأخطاء، وجدنا أن هوائيها الاتجاهي بتردد 38 جيجاهرتز على ارتفاع 200 متر عانى من تداخل بين الرموز ناتج عن إزاحة دوبلر. في النهاية، أدت مخططات البادئة الدورية التكيفية إلى تقليل فقدان الحزمة من 12% إلى 0.3%، مما مكّن الطائرات بدون طيار من التنقل بدقة بين المباني المكونة من 30 طابقًا.
إليك بعض المعلومات الثانوية: تخشى هوائيات النطاق العالي الأشجار أكثر من المباني. يمكن لأوراق شجرة البانيان على طول شارع شنتشن نانداو أن تضعف إشارات 60 جيجاهرتز بمقدار 4-7 ديسيبل، مما يجبرنا على تثبيت “معوضات اختراق الأوراق” – وهي في الأساس محطات طقس مصغرة مرتبطة بخوارزميات تحسين الحزمة – على كل عمود إنارة.
