في عام 2019 ، أصبحت الموجة المليمترية محور النقاش لفترة من الوقت. في عام 2020 ، أصبح لدى الجميع بالفعل فهم معين لموجات المليمتر. يتميز تطبيق موجة المليمتر بالعديد من الخصائص الفريدة. في المقالات السابقة ، ناقشنا تقسيم طيف الموجة المليمترية وتكنولوجيا اختبار المحطة الطرفية في محطات الموجات المليمترية. في هذه المقالة ، سنناقش هذين الجانبين مرة أخرى ، لنتعرف عليهما معًا.
خلال 30 عامًا من تطوير الاتصالات المتنقلة ، كانت موجة المليمتر دائمًا عبارة عن برية غير مزروعة. استمرت مختبرات عمالقة الاتصالات مثل Qualcomm و Ericsson و Huawei و ZTE وغيرها من عمالقة الاتصالات في دراستها. الآن موجة المليمتر في الحياة. هناك هي المزيد والمزيد من تطبيقات الموجات المليمترية ، مثل تقنية رادار الموجة المليمترية وتقنية 5G.
1. الخلفية الناتجة عن موجات المليمتر
في ظل الظروف التي تزداد فيها ندرة موارد الطيف ، أصبح تطوير واستخدام موارد طيف الموجات المليمترية المستخدمة في الأنظمة العسكرية للأقمار الصناعية والرادار محورًا لتكنولوجيا الاتصالات المتنقلة من الجيل الخامس. نظرًا لأن نطاق الموجات المليمترية يحتوي على موارد طيفية ضخمة مساحة التطوير ، أصبحت ضخمة الخيار الأول لأنظمة اتصالات MIMO. موجات المليمتر لها أطوال موجية أقصر. في أنظمة MIMO الضخمة ، يمكن تصميم مصفوفة هوائيات واسعة النطاق في المحطة الأساسية للنظام ، بحيث يمكن دمج تطبيقات الموجات المليمترية مع تقنية تشكيل الحزمة ، والتي يمكن أن تحسن بشكل فعال كسب الهوائي. لذلك ، في اتصال الموجة المليمترية ، عندما يتم نقل إشارة الإرسال بواسطة الموجة المليمترية ، فمن السهل أن تتداخل مع عوامل مثل الضوضاء الخارجية وتضعف بدرجات مختلفة.
2. مقدمة إلى mmWave
الموجة المليمترية (الموجة المليمترية): تسمى الموجات الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي من 1 إلى 10 ملم موجات المليمتر ، والتردد المقابل هو 30 إلى 300 جيجا هرتز. وهي تقع في نطاق الطول الموجي حيث تتداخل الموجات الدقيقة وموجات الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، لذا فهي له خصائص كلا الطيفين.
مزايا mmWave:
1) عرض النطاق الترددي واسع جدا. يعتبر بشكل عام أن نطاق تردد الموجة المليمترية هو 26.5 إلى 300 جيجاهرتز ، وعرض النطاق الترددي يصل إلى 273.5 جيجاهرتز. أكثر من 10 أضعاف النطاق الترددي الكامل من التيار المباشر إلى الميكروويف. حتى مع الأخذ في الاعتبار امتصاص الغلاف الجوي ، يمكن استخدام أربعة نوافذ رئيسية فقط عند الانتشار في الغلاف الجوي ، لكن عرض النطاق الترددي الإجمالي لهذه النوافذ الأربعة يمكن أن يصل إلى 135 جيجا هرتز ، وهو ما يعادل 5 أضعاف مجموع عرض النطاق الترددي للنطاقات الموجودة أسفل الميكروويف. باستخدام تقنيات تعدد الإرسال المختلفة ، يمكن تحسين سعة القناة بشكل كبير ، وهي مناسبة لخدمات نقل الوسائط المتعددة عالية السرعة ، والتي لا شك أنها جذابة للغاية اليوم عندما تكون موارد التردد ضيقة.
2) الشعاع ضيق. حزم الموجات المليمترية أضيق بكثير من حزم الموجات الميكروية لنفس حجم الهوائي. على سبيل المثال ، يبلغ عرض هوائي 12 سم 18 درجة عند 9.4 جيجا هرتز ، ولكن 1.8 درجة فقط عند 94 جيجا هرتز. لذلك ، من الممكن التمييز بين الأهداف الصغيرة القريبة من بعضها البعض أو ملاحظة تفاصيل الهدف بشكل أكثر وضوحًا.
3) الموثوقية العالية والتردد العالي يجعلها أقل تأثراً بالتداخل ، ويمكن أن تقاوم بشكل أفضل تأثير الطقس الممطر ، وتوفر قناة نقل مستقرة ؛ مقارنةً بالليزر ، فإن انتشار الموجة المليمترية أقل تأثراً بالمناخ ، ويمكن اعتباره أن يكون لها خصائص في جميع الأحوال الجوية.
4) اتجاهية جيدة ، يتم امتصاص الموجات المليمترية بشكل كبير بواسطة جسيمات معلقة مختلفة في الهواء ، مما يجعل حزمة الإرسال أضيق ، مما يزيد من صعوبة التنصت ، ومناسب للاتصال قصير المسافة من نقطة إلى نقطة ؛
5) الطول الموجي قصير للغاية ، وحجم الهوائي المطلوب صغير ، ومن السهل دمج مجموعة هوائيات واسعة النطاق في مساحة صغيرة. بالمقارنة مع أجهزة الميكروويف ، فإن مكونات الموجة المليمترية أصغر بكثير في الحجم. لذا فإن أنظمة mmWave أسهل في التصغير.
عيوب mmWave:
بالإضافة إلى المزايا ، فإن mmWave له أيضًا عيب رئيسي ، وهو أنه لا يمر بسهولة عبر المباني أو العوائق ، ويمكن أن تمتصه الأوراق والمطر. لهذا السبب ستستخدم شبكات 5G خلايا صغيرة لتقوية الأبراج الخلوية التقليدية. في نظام اتصالات الموجات المليمترية ، تكون الانتقائية المكانية والتشتت للإشارة محدودة بفقدان المساحة الحرة العالية والقدرة الانعكاسية الضعيفة لموجة المليمتر ، وبسبب تكوين مجموعة الهوائي واسعة النطاق ، من الصعب ضمان الاستقلال بين الهوائيات: عدد الهوائيات في نظام mmWave أكبر بكثير من عدد مسيرات الانتشار.
في الوقت نفسه ، من الناحية الفنية ، يمكن أن تصبح “العيوب” الفنية لموجة المليمتر ميزة الآن.
يجب أن يكون معروفًا أنه كلما زاد نطاق التردد ، قلت متطلبات الحجم لهوائي الاستقبال. هذا يعني أنه بالنسبة للمطاريف التي تدعم الموجات المليمترية ، يمكن جعل هوائي الاستقبال داخل جسم الطائرة أصغر من ذي قبل ، وبالنسبة للمطاريف التي لا توجد قيود على الحجم ، يمكن استيعاب المزيد من الهوائيات عالية التردد في التقنية الأصلية ، وبالتالي الحصول على قبول أفضل.
الأهم من ذلك ، نظرًا لأن مسافة انتشار الموجة المليمترية نفسها أقصر من تلك الخاصة بالترددات التي تقل عن 6 جيجاهرتز ، فإن اتجاهها سيكون أكثر فائدة في مسار الانتشار بأكمله ، مما يجعل إمكانية التداخل بين إشارات الموجات المليمترية ستتغير. تم تحسين التكاثر. بالإضافة إلى ذلك ، من غير المرجح أن يتم اعتراض الحزمة الضيقة نفسها على مسافة طويلة بسبب مسافة انتشارها القصيرة ، كما أن لها مزايا لا مثيل لها من حيث أمن الاتصالات.
بالطبع ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، فإن ما يسمى بالموجة المليمترية (mmWave) يشير بشكل أكثر دقة إلى نطاق EHF ، وهو عبارة عن موجة كهرومغناطيسية يمتد نطاق ترددها من 30 جيجا هرتز إلى 300 جيجا هرتز ، ويبلغ طول الموجة 1 مم فقط. ومع ذلك ، وفقًا لحساب تشغيل النطاق الترددي FR2 ، فإن الطول الموجي 24.25 جيجا هرتز قد تجاوز 10 ملليمترات.على الرغم من أننا نسميها موجة ملليمتر ، يعتقد كثير من الناس أنه يجب تصنيفها ضمن فئة الموجة السنتيمترية.
ومع ذلك ، نظرًا لعدم وجود منظمة في العالم قدمت تعريفًا واضحًا للموجة المليمترية ، فليس من الضار حساب نطاق تردد FR2 كموجة ملليمتر من منظور حدود التعرف الواسع.
3. تقسيم طيف الموجة المليمترية
درس التقرير البحثي IMT.ABOVE 6GHz الذي نشره قطاع الاتصالات الراديوية ITU-R WP5D بالتفصيل خصائص التوهين للموجات الراديوية في نطاقات التردد المختلفة. في المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية (WRC-15) في العام نفسه ، تم اقتراح نطاقات تردد متعددة من الموجات المليمترية 5G مرشحة ، وسيتم تحديد طيف الموجات 5G النهائي في WRC-19.
على الصعيد العالمي ، لا يوجد سوى نطاقي تردد لنشر 5G ، أحدهما فرعي 6 جيجاهرتز ، والذي يشير إلى نطاق التردد أقل من 6 جيجاهرتز ، والآخر هو موجة المليمتر.
بعد سنوات من البحث والمناقشة ، أحرزت بلدان ومناطق مختلفة تقدمًا في تخصيص موارد طيف الموجات المليمترية. وسيركز ما يلي على الوضع الحالي للصين والولايات المتحدة وأوروبا في تخصيص نطاقات تردد الموجات المليمترية.
الصين: في يونيو 2017 ، طلبت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الآراء على نطاق واسع حول استخدام 24.75-27.5 جيجاهرتز أو 37-42.5 جيجاهرتز أو غيرها من نطاقات تردد الموجات المليمترية لأنظمة الجيل الخامس ، وتضمنت نطاقات تردد الموجات المليمترية في النطاق من تجارب 5G ، بهدف تعزيز تجارب بحث وتطوير موجات 5G من المليمترات لمنتجات الموجات المليمترية.
الولايات المتحدة: في وقت مبكر من عام 2014 ، بدأت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) في تخصيص نطاقات تردد موجات 5G ملليمتر. في يوليو 2016 ، تقرر أن 27.5-28.35 جيجاهرتز و 37-38.6 جيجاهرتز و 38.6- سيتم تخصيص 40 جيجاهرتز كطيف مصرح به ، بالإضافة إلى تخصيص 64-71 جيجاهرتز كطيف غير مرخص لـ 5G.
أوروبا: في نوفمبر 2016 ، أصدرت RSPG (مجموعة سياسات الطيف الراديوي التابعة للمفوضية الأوروبية) استراتيجية الاتحاد الأوروبي للطيف الترددي 5G ، والتي حددت 24.25-27.5 جيجاهرتز كنطاق تردد رائد لشبكات الجيل الخامس في أوروبا ، و 31.8 – 33.4 جيجاهرتز و 40.5 – 43.5 جيجاهرتز باعتبارها 5 جيجاهرتز محتملة نطاقات التردد.
4. تطبيق تقنية الموجات المليمترية الطرفية
سيؤدي التردد العالي وعرض النطاق الترددي الكبير لنطاق الموجات المليمترية إلى ظهور العديد من التحديات أمام تنفيذ محطات 5G في المستقبل.يكمن تأثير الموجات المليمترية على المطاريف بشكل أساسي في الهوائيات وأجهزة الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية.
1.4 صفيف هوائي واسع النطاق على جانب المحطة
بسبب محدودية حجم الهوائي ، لا يمكن استخدام صفائف الهوائي واسعة النطاق في نطاقات التردد المنخفض إلا على جانب المحطة القاعدة. ومع ذلك ، مع زيادة التردد ، في نطاق الموجة المليمترية ، يمكن تقصير حجم الهوائي الفردي إلى مستوى المليمتر ، مما يجعل من الممكن ترتيب المزيد من الهوائيات على جانب الطرف. كما هو مبين في الشكل 1 أدناه ، فإن معظم محطات LTE تنشر حاليًا هوائيين فقط ، ولكن في المستقبل ، يمكن أن يصل عدد الهوائيات لمحطات 5G ذات الموجة المليمترية إلى 16 أو أكثر ، وسيتم دمج جميع الهوائيات في وحدة الهوائي ذات الموجة المليمترية . نظرًا لأن خسارة الموجات المليمترية في مسار الفضاء الحر أكبر ، وخصائص التوهين الجوي والتوهين الناجم عن المطر ليست بنفس جودة نطاقات التردد المنخفض ، فإن تغطية الموجات المليمترية ستتأثر بشكل خطير. يمكن أن يؤدي استخدام صفيف هوائي واسع النطاق على جانب المطراف إلى الحصول على مزيد من كسب التنوع ، وتحسين أداء الاستقبال والإرسال لمطاريف الموجات المليمترية ، وتعويض أوجه القصور في تغطية الموجات المليمترية غير الكافية إلى حد معين. النطاق الواسع مصفوفة الهوائي على الجانب الطرفي ستجعل استخدام الموجات المليمترية تجاريًا ، وهو أحد العوامل الرئيسية.
الشكل 1: افتراض الهوائي لمحطة LTE (يسار) وطرف الموجة mmWave (يمين)
يعني نشر المزيد من الهوائيات على المطراف أن صعوبة تصميم المطراف تزداد. وعلى عكس نشر صفائف الهوائي واسعة النطاق على جانب المحطة القاعدة ، فإن صفائف الهوائي الكبيرة على جانب المحطة مقيدة بحجم المطراف واستهلاك الطاقة للمطاريف ، مما سيزيد من صعوبة التنفيذ بشكل كبير.يمكن تحقيق ترتيب صفائف الهوائي واسعة النطاق على المطاريف الثابتة. يواجه تصميم صفيفات الهوائي واسعة النطاق للمطاريف المتنقلة العديد من التحديات ، بما في ذلك معايرة صفيف الهوائي ، والاقتران المتبادل بين عناصر الهوائي ، والتحكم في استهلاك الطاقة.
4.2 mmWave RF الأجهزة الأمامية أجهزة RF الأمامية
بما في ذلك مضخمات الطاقة ، والمفاتيح ، والمرشحات ، وأجهزة الإرسال المزدوجة ، ومضخمات الضوضاء المنخفضة ، وما إلى ذلك ، من بينها مضخم الطاقة هو الجهاز الأساسي ، ويحدد أدائه بشكل مباشر مسافة الاتصال وجودة الإشارة ووقت الاستعداد للمحطة. في الوقت الحاضر ، المواد المستخدمة في تصنيع الأجهزة الأمامية للترددات الراديوية التي تدعم نطاقات التردد المنخفض هي في الغالب زرنيخيد الغاليوم و CMOS والجرمانيوم السليكوني. ومع ذلك ، نظرًا للاختلاف الكبير بين نطاق الموجة المليمترية ونطاق التردد المنخفض ، فإن مواد التصنيع الخاصة بجهاز الواجهة الأمامية للترددات الراديوية ذات التردد المنخفض سيكون من الصعب تلبية متطلبات جهاز الواجهة الأمامية للترددات الراديوية ذات الموجة المليمترية من حيث الخصائص الفيزيائية.
بأخذ مضخمات الطاقة كمثال ، فإن مادة تصنيع مضخم الطاقة السائد حاليًا هي زرنيخيد الغاليوم ، ولكن في نطاق تردد الموجة المليمترية ، تكون عمليات تصنيع نيتريد الغاليوم و InP أقوى من زرنيخيد الغاليوم من حيث مؤشرات الأداء. يوضح الجدول التالي اتجاه التطوير لعملية تصنيع جهاز الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي من التردد المنخفض إلى نطاق الموجات المليمترية.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن النطاق الترددي الكبير لنطاق تردد الموجة المليمترية يفرض متطلبات أعلى للأجهزة الأمامية للترددات الراديوية. في المستقبل ، قد تحتاج الأجهزة الأمامية لمطاريف الموجة المليمترية إلى دعم عرض نطاق مستمر لأكثر من 1 جيجاهرتز.
على الرغم من أن نيتريد الغاليوم يعتبر عملية التصنيع السائدة للتردد اللاسلكي لمحطة الموجات المليمترية في المستقبل ، نظرًا لعوامل مثل التكلفة والقدرة الإنتاجية ، فإن الأجهزة الأمامية عالية الأداء للترددات الراديوية القائمة على عملية نيتريد الغاليوم تُستخدم في الغالب في سيناريوهات مثل الصناعة العسكرية والمحطات الأساسية. سيصبح تطوير تكنولوجيا الواجهة الأمامية للترددات الراديوية بالموجات المليمترية هو المفتاح لتحقيق محطات الموجة المليمترية. ومن المتوقع أنه بعد عام 2020 ، قد تفي التكنولوجيا وتكلفة أجهزة التردد اللاسلكي المتنقلة ذات الموجات المليمترية بمتطلبات الاستخدام التجاري على نطاق واسع.
5. بنية شبكة الموجة المليمترية لـ 5G
بعد الانتهاء من 5G ، ستجلب القدرة القوية على نقل البيانات ، والاستقرار القوي للغاية والتغطية الواسعة لشبكة 5G العديد من الفوائد لعصر البيانات الضخمة.في بعض المناطق المبنية جيدًا ، يمكن للمستخدمين تجربة 10M / S وما فوق. معدل نقل الشبكة يوفر الحماية للتنمية الاجتماعية والأشخاص من خلال الشبكة. تشير الحقائق ذات الصلة إلى أنه بالنسبة لمشكلة تغطية LTE الصغيرة ، يمكن أن تغطي 5G مساحة كبيرة للتعامل مع هذه المشكلة. ومع ذلك ، نظرًا لأن المرحلة الأولية من بناء 5G تحتاج إلى تحديد عنوان مناسب ، وبناء البنية التحتية المقابلة ، وفي الوقت نفسه ، تكون تكلفة الصيانة مرتفعة في المرحلة اللاحقة. لذلك ، لا يزال الاختبار النظري قيد التنفيذ في الوقت الحالي ، ولا يتم استخدامه حقًا. لذلك ، يتطور 5G Premier نحو اتجاه التصغير والتكامل. بناءً على ذلك ، يمكن بناء البنية التحتية في شكل جمالي يوفر المساعدة للبيئة بدونها. التصميم وفقًا للوضع الفعلي للبناء ، وتنفيذ النشر العلمي ، بحيث يمكن إنقاذ الاقتصاد.
على مستوى الاتصال ، يمكن أن تلعب البيانات والإشارات أدوارًا مختلفة. تنتقل البيانات من مطراف إلى آخر عبر قناة مخصصة. تحتاج الإشارة إلى المرور عبر عمليات إرسال مختلفة في الشبكة ، وفي الوقت نفسه ، قد تحتاج إلى معالجتها لتلعب دورًا قصوى أثناء الإرسال. في نظام الاتصال ، يكون للإشارات والبيانات قنوات إرسال مختلفة ، وبعد بناء النظام ، يمكن لـ LTE نقل إشارات مختلفة. يفصل التصميم في نظام 5G البيانات والإشارات في شكل الإرسال ، والذي يمكنه التعامل مع الموقف الذي تشغل فيه الإشارات الكثير من الموارد في LTE ، وبالتالي تحسين كفاءة الإرسال.
ما ورد أعلاه هو المحتوى المرتبط بـ “الموجة المليمترية” الذي جلبه هذا المحرر. من خلال هذه المقالة ، آمل أن يكون لديك فهم معين للمحتوى المقدم في هذه المقالة. إذا أعجبك هذا المقال ، فقد ترغب في الاستمرار في الاهتمام بموقعنا على الإنترنت ، حيث سيقدم المحرر المزيد من المحتوى المثير لاحقًا. أخيرًا ، شكرًا جزيلاً على القراءة ، أتمنى لك يومًا سعيدًا!
The Links: NL8060BC31-02 LM64C509