【 01 مقدمة 】
مع تزايد أعداد مستخدمي الهواتف الذكية، بات الطلب المتزايد على سعة الصوت والبيانات في أنظمة الاتصالات الخلوية مشكلة تواجه جميع شركات الاتصالات حول العالم، ولن يزول هذا الطلب مع ظهور تقنيات جديدة أو استخدام نطاقات ترددية أوسع. ويساهم النمو الهائل في حركة البيانات اللاسلكية، مثل مؤتمرات الفيديو وبث الوسائط المتعددة والتلفزيون عبر الهاتف المحمول، في زيادة الطلب على سعة الشبكات الخلوية بشكل مستمر.
خاصةً في الملاعب والساحات وغيرها من الأماكن المزدحمة بمستخدمي الهواتف الذكية، فإن الطلب على سعة الاتصالات الصوتية والبيانات هائل. ولزيادة هذه السعة، يبحث مزودو الخدمة عن عدة طرق لتوسيع نطاق الشبكة.
1) يُعدّ توسيع مواقع الخلايا طريقة فعّالة، وإن كانت مكلفة، لزيادة سعة الشبكة. وبشكل عام، تستغرق إضافة عقارات جديدة وقتًا طويلاً، وتزداد تكلفتها بشكل متزايد. ومع انخفاض متوسط المسافات بين المواقع من 5 كيلومترات إلى كيلومترين، ثم مؤخرًا إلى أقل من 200 متر في المناطق الحضرية المكتظة، بات أمام مشغل الشبكة خيارات محدودة لاختيار عقارات بأسعار معقولة. يُضاعف عدد مواقع الخلايا تقريبًا سعة الشبكة ومعدل نقل البيانات لكل مستخدم (بافتراض ثبات كثافة المستخدمين)، ويُحسّن بشكل كبير من ذروة استخدام المستخدمين ومعدل نقل البيانات الإجمالي لكل كيلومتر مربع.
2)تؤدي إضافة نطاق ترددي (أو بالأحرى، زيادة عرض النطاق الترددي) إلى زيادة السعة بشكل مباشر. يتميز معيار تقنية LTE بقدرته الفائقة على الاستفادة من زيادة عرض النطاق الترددي. بالإضافة إلى ذلك، تسمح لجنة الاتصالات الفيدرالية في الولايات المتحدة بزيادة الطاقة المشعة مع زيادة عرض النطاق الترددي في نطاقات PCS وAWS والنطاقات الأقل من 700 ميجاهرتز، مما يوفر اختراقًا وتغطية أفضل. مضاعفة عرض النطاق الترددي تؤدي على الأقل إلى مضاعفة الإنتاجية.
3)تقليل التشويش. في شبكات الجيل الثالث والرابع تقنية LTE، يُعدّ احتواء التشويش في مسار الترددات اللاسلكية أمرًا بالغ الأهمية. يمكن للتشويش الخارجي من مصادر متنوعة - بما في ذلك انعكاس المسارات المتعددة، والتشويش البيئي، والتداخل من الخلايا المجاورة أو القريبة - أن يُقلل بشكل كبير من حساسية جهاز الاستقبال في المحطة الأساسية. مع ازدياد التشويش داخل القطاع، تزيد الهواتف المحمولة من مستويات طاقة الإشارة، مما يُؤدي إلى زيادة التداخل في وصلة الإرسال. كما يُشكّل التشويش داخل مسار الترددات اللاسلكية مشكلةً أيضًا، حيث يُعدّ التشويش الحراري والتشويه البيني السلبي (إدارة معلومات المنتج) من أبرز أسبابه.
4)زيادة إعادة استخدام التردد. هناك طريقة أخرى لزيادة السعة وهي خلق المزيد من الفرص لإعادة استخدام التردد من خلال تقسيم القطاعات إلى مستويات أعلى.
5)من بين الاستراتيجيات العديدة المذكورة أعلاه، تُشكّل الطريقة التقليدية لإضافة الخلايا وشراء طيف ترددي إضافي تحديات كبيرة من حيث التكلفة والوقت. عادةً ما تستغرق عملية الحصول على الموقع وبنائه ما يصل إلى سنتين أو ثلاث سنوات، وتتجاوز التكلفة الإجمالية 0.2 مليون دولار أمريكي، وذلك بسبب عمليات الاستحواذ والبناء والتشغيل. أما إضافة المزيد من الطيف الترددي، إن وُجد، فقد تصل تكلفتها إلى مليارات الدولارات. يُروّج أيضًا لنشر الخلايا الصغيرة كطريقة ممتازة لزيادة سعة الشبكة، إلا أنها لا تُلبّي حاجة مُقدّمي الخدمات الفورية إلى سعة أكبر.
【 02 التقسيم القطاعي التقليدي 】
لتجنب التداخل في الأنظمة ذات القنوات المحددة، يجب فصل قنوات التردد جغرافيًا. ومع تقسيم القطاعات، يقل عدد القطاعات (الخلايا) المعرضة للتداخل نظرًا لتركيز طاقة القطاع في اتجاه واحد.
خلال الخمسين عامًا الماضية، زادت سعة الشبكات اللاسلكية بنحو مليون ضعف. ويعود هذا النمو إلى تحسين كفاءة استخدام الطيف الترددي، وزيادة مساحة الطيف، وتوسيع نطاق الخلايا/القطاعات. ومنذ تسعينيات القرن الماضي، برز تقسيم الشبكات إلى قطاعات كإحدى أكثر الاستراتيجيات شيوعًا وفعالية لزيادة سعة المواقع والشبكات.
استبدلت الأنظمة القطاعية الأولى الهوائيات القياسية متعددة الاتجاهات بزاوية 360 درجة بثلاثة هوائيات اتجاهية منفصلة. يستخدم التكوين الأكثر شيوعًا ثلاثة هوائيات، لكل منها عرض حزمة اسمي يبلغ 65 درجة. على الرغم من أن الهوائيات داخل الخلية القطاعية تشترك في محطة إرسال واستقبال أساسية (فرقة بي تي إس) مشتركة، إلا أن كل هوائي يُدار ويُشغل بشكل مستقل بمستوى طاقة وترددات وقنوات خاصة به.
يؤدي استخدام ثلاثة هوائيات قطاعية موجهة بدلاً من هوائي واحد متعدد الاتجاهات إلى تقليل تداخل الخلايا في نفس القناة بشكل كبير، ويضاعف فرص إعادة استخدام التردد ثلاث مرات. ونتيجة لذلك، يحقق مزودو الخدمة مكاسب كبيرة في السعة.
【 03التقسيم القطاعي عالي المستوى 】
قبل أكثر من عشر سنوات، بدأ مزودو الخدمة باستكشاف إمكانات السعة من خلال تقسيم القطاعات إلى قطاعات ذات رتبة أعلى، وذلك بتقسيم النظام التقليدي ثلاثي القطاعات إلى نظام سداسي القطاعات. يستخدم نظام القطاعات الستة شعاعين ضيقين بزاوية 33 درجة بدلاً من هوائي قطاعي واحد بزاوية 65 درجة. وبفضل عرض الحزمة الضيق، لا يقلل تقسيم القطاعات إلى قطاعات ذات رتبة أعلى من تداخل الإشارات فحسب، بل يقلل أيضًا من منطقة الانتقال السلس لتحسين كفاءة إعادة استخدام التردد.
بمقارنة هوائي الحزمة السمتية الضيقة بزاوية 33 درجة مع هوائي القطاع العادي بزاوية 65 درجة، يوفر هوائي الحزمة السمتية الضيقة نمط انحدار سريع، وكبحًا أفضل للفصوص الجانبية والخلفية. علاوة على ذلك، عند تقسيم قطاع بزاوية 120 درجة إلى قطاعين صغيرين متساويين باستبدال هوائي قطاع عادي بهوائيين ذوي حزمة ضيقة، يمكن التحكم في القطاعين المقسمين بشكل مستقل لتحسين الشبكة وتخصيص نطاق تغطية موقع الخلية.
يوضح الشكل 1 الانخفاض الكبير في تداخل القطاعات عند التحويل من هوائي بزاوية 65 درجة إلى هوائي بزاوية 33 درجة. ويؤدي تقليل التداخل إلى تقليص منطقة الانتقال السلس، مما يوفر مكاسب إضافية في السعة.
بالنسبة للنشر ذي القطاعات الستة، يمكن تحسين نقطتي مستوى التقاطع بين القطاعات المنقسمة إلى -6 إلى -10 ديسيبل، وهو مستوى تقاطع جيد للتسليم بين القطاعات لأنظمة 2G و3G وLTE.
【 04 عيوب التقسيم القطاعي من الدرجة الأعلى بواسطة 】
تتمثل الطريقة التقليدية لنشر موقع بستة قطاعات في استبدال ثلاثة هوائيات قطاعية بزاوية 65 درجة بستة هوائيات لوحية ضيقة الحزمة، مما يعني مضاعفة عدد الهوائيات عند استخدام تقسيم القطاعات ذي الرتبة الأعلى. وتؤدي زيادة عدد الهوائيات إلى مضاعفة التكاليف، بما في ذلك تكاليف الشراء والتغليف والنقل والنشر.
عادةً، يكون الهوائي ذو الحزمة الضيقة بزاوية 33 درجة أعرض بكثير من الهوائي اللوحي بزاوية 65 درجة، وذلك بسبب الحاجة إلى مصفوفة هوائيات إضافية لتوفير عرض حزمة أضيق. لذا، يُحدث العرض الأكبر تأثيرًا بصريًا ملحوظًا على الموقع. علاوة على ذلك، يُولّد السطح الكبير للهوائي اللوحي حملاً أكبر بكثير على الرياح مقارنةً بالهوائي اللوحي بزاوية 65 درجة. إضافةً إلى ذلك، يُضيف الهوائي ذو الحزمة الضيقة وزنًا أكبر إلى البرج مقارنةً بالهوائي اللوحي بزاوية 65 درجة.
من المشاكل الأخرى لاستخدام هوائيين ضيقي الحزمة بدلاً من هوائي اللوحة بزاوية 65 درجة، أخطاء المحاذاة أثناء التركيب. إذ يتطلب استبدال قطاع بزاوية 120 درجة محاذاة دقيقة لهوائيين ضيقي الحزمة لتحسين منطقة التداخل، وتقليل التداخل داخل القطاع، وتحديد نقاط التقاطع.
لهذا السبب المذكور أعلاه، لم يحظَ موقع القطاعات الستة الذي يستخدم هوائيات ذات حزمة ضيقة باهتمام كبير في سوق الاتصالات.
تعرف على المزيد حول هذا المشروع
قم بتنزيل دراسة الحالة الكاملة بصيغة ملف PDF