خصائص انتشار الموجات الملليمترية وتأثيرها على الاتصالات

أساسيات انتشار موجات المليمتر في الاتصالات

موجة مليمترية الاتصالات باستخدام موجات المليمتر (mmWave) في نطاقات التردد من 30 إلى 300 غيغاهرتز تعتبر عنصرًا رئيسيًا في أنظمة الجيل الخامس التي تتطلب سرعات نقل بيانات عالية. يسمح استخدام القنوات ذات النطاق العريض (~1 غيغاهرتز) لهذه الأساليب بتوفير سرعات تصل إلى عدة غيغابت في الثانية لتلبية المتطلبات المتزايدة للتطبيقات ذات زمن الانتظار المنخفض مثل الواقع المعزز والمركبات المستقلة. أفاد تقرير نشره مجلة Nature في عام 2023 بأن تقنية mmWave حققت سرعة 10 غيغابت في الثانية على مسافة 1 كيلومتر باستخدام هوائيات موجهة، رغم أن خصائص الانتشار تختلف بشكل كبير عن تلك الخاصة بالموجات الدقيقة عند الترددات الأقل.

خسارة مسار الفضاء الحر تتناسب طرديًا مع مربع التردد في الفضاء الحر، مما يؤدي إلى خسائر في المسار تزيد عن نطاقات ما دون 6 غيغاهرتز بحوالي 20–30 ديسيبل. وتشتد هذه المشاكل بسبب الظروف البيئية الخارجية — فمثلاً يمكن أن تتسبب الأمطار في تضعيف الإشارة بمقدار 5-15 ديسيبل/كيلومتر عند تردد 60 غيغاهرتز، بينما تؤدي مواد البناء مثل الخرسانة إلى خسارة اختراق تقدر بـ 40-60 ديسيبل. وتؤدي عادةً كثافة الأشجار إلى فقدان إشارة بمقدار 10-20 ديسيبل، ويُحتاج هنا إلى حلول هندسية مبتكرة لتحقيق نفس درجة الموثوقية الموجودة في المناطق الواضحة.

تتغلب ممارسات التشكيل المتقدم للحزم مع هوائيات المصفوفة الطورية على قيود الانتشار من خلال إنشاء قنوات نقل موجهة. تسمح هذه الحزم الموجهة بإعادة استخدام التردد في الفضاء وتقليل التداخل — وهي ميزة رئيسية في النشرات الحضرية المزدحمة. أما أحدث الهياكل فتعتمد على هياكل هجينة من التعديل متعدد الحامل المتعامد (OMM) والتعدد الكبير للإدخاع والإخراج (MIMO)، مما يحقق شبكات ذكية تستفيد من وفرة الترددات في نطاقات المليمترية وموثوقية أنظمة الميكروويف لضمان تحقيق أعلى سرعة نقل ممكنة بشكل ديناميكي.

التأثير البيئي على إشارات الاتصالات المليمترية

تواجه أنظمة الاتصالات المليمترية (mmWave) تحديات بيئية فريدة تؤثر بشكل كبير على سلامة الإشارة عبر مختلف السيناريوهات التشغيلية.

آليات تضعيف الإشارة الناتجة عن الظروف الجوية

تسبب الأمطار تضعيفًا يصل إلى 20 ديسيبل/كيلومتر عند ترددات 60 غيغاهرتز، مع حدوث تأثيرات تشتت إضافية من الثلوج والضباب تُعيق الاتساق الطوري. تؤثر هذه الظواهر الجوية بشكل غير متناسب على روابط الموجات الملليمترية مقارنةً بالنظم ذات الترددات الأقل بسبب حساسية الأطوال الموجية الأقصر للتداخل الجسيمي.

تأثيرات خسائر اختراق النباتات والمباني

تُظهر القياسات الميدانية أن شجرة واحدة يمكن أن تُضعِف إشارات الموجات الملليمترية بمقدار 35 ديسيبل، وأن الغطاء النباتي الكثيف يحجب 98% من قوة الإشارة. كما تُظهر مواد البناء مثل الزجاج المصقول خسارة في نقل الإشارة تصل إلى 40 ديسيبل عند تردد 28 غيغاهرتز، أي ثلاثة أضعاف ما هو عليه الحال عند الترددات المايكروويفية، مما يتطلب تخطيطًا شبكيًا استراتيجيًا للتغلب على العوائق الهيكلية.

تحديات ضعف الإشارة بسبب الأمطار والامتصاص الجوي

تسبب قمة امتصاص الأكسجين عند 60 غيغاهرتز خسارة جوية تصل إلى 15 ديسيبل/كيلومتر، مع تلاشي الأمطار الاستوائية الذي يتجاوز 30 ديسيبل/كيلومتر في الظروف الشديدة. تتفاعل هذه التأثيرات لتقليل مدى النشر العملي، مما يستدعي حسابات متناسبة لهامش التلاشي وبروتوكولات تعديل الطاقة الديناميكية.

نمذجة الخسارة في الاتصالات ذات الموجات الملليمترية

الانتشار في الفضاء الحر مقابل النماذج الحضرية

تملك موجات المليمتر (mmWave) خصائص فريدة وفقًا للبيئة. يمكن التعبير عن خسارة المسار في الفضاء الحر (FSPL) بواسطة مربع المسافة العكسية للإرسال، \(\frac{1}{R^2}\). ولكن في المناطق الحضرية، يؤدي القناة تفاعلات أكثر تعقيدًا بحيث تتراوح معاملات خسارة المسار بين 2.5–4.5 (LOS) و4.7–9.2 (non-LOS). وتتراوح خسارة الأوراق عند 28 غيغاهرتز بين 6–8 ديسيبل/متر، وتنتج الجدران الخرسانية خسارة تتراوح بين 40–60 ديسيبل. يصل مدى الموجات المليمترية الحضرية بدون تشكيل الحزمة إلى 150–200 متر فقط بسبب هذه الموانع، مقارنةً بالمدى النظري في الفضاء الحر البالغ 1–2 كيلومتر. يمكن للمصفوفات الهوائية التكيفية استعادة جزء من هذه الخسارة عن طريق توجيه الطاقة نحو المسار الذي يحتوي على إشارة قابلة للاستخدام، لكن مدى النشر العملي يتحدد في النهاية بكثافة الموانع.

خصائص التوهين المعتمدة على التردد

تواجه أنظمة الموجات الملليمترية خسائر إضافية تتراوح بين 0.2–15 ديسيبل/كيلومتر بسبب قمم الامتصاص الجوي عند 24 غيغاهيرتز (بسبب بخار الماء) وعند 60 غيغاهيرتز (بسبب الأكسجين). كما تؤدي ظاهرة تلاشي الإشارة بسبب المطر إلى تضعيف يتراوح بين 2–8 ديسيبل/كيلومتر في نطاق 30–40 غيغاهيرتز خلال الأمطار المعتدلة. من الجدير بالذكر أن إشارات 73 غيغاهيرتز تعاني من خسارة في الفضاء الحر تزيد بنسبة 1.8× مقارنة بإشارات 24 غيغاهيرتز على نفس المسافات، وهذه الظاهرة ناتجة عن الاعتماد على \(f^2\) في معادلات خسارة الفضاء الحر (FSPL). هذا يؤدي إلى وجود توازن حيوي – ففي الوقت الذي تسمح فيه الترددات الأعلى بعرض نطاق أوسع (قنوات بحجم 2 غيغاهيرتز)، فإنها تتطلب نشرًا أكثر كثافة لمواقع المحطات الأساسية، حيث تكون أربع مرات أكثر كثافة مقارنة بالنطاق تحت 100 غيغاهيرتز. تخفف هذه الأيام هذه القيود المواد المتطورة مثل العوازل قليلة الخسارة وأنتينات السطح المعدني (Metasurface)، والتي تسمح باستخدام حزم بترددات نطاق E بفعالية تصل إلى 90\% في روابط المايكروويف الخلفية في شبكات الجيل الخامس.

متطلبات الرؤية المباشرة من أجل اتصالات موثوقة

موجة مليمترية تتطلب أنظمة الاتصالات (بالموجات الملليمترية) التحاق المثالي بين المرسلات والمستقبلات بسبب تشغيلها بترددات عالية (من 24 إلى 100 غيغاهرتز). في حين يمكن للموجات ذات التردد المنخفض أن تنحني حول العوائق، فإن ما يصل إلى 60-90% من طاقة الموجات الملليمترية يتم امتصاصها بواسطة العوائق (ITU 2023). ويجعل هذا القيد وجود خط الرؤية غير المغلق شرطًا أساسيًا لتحقيق سرعات نقل متعددة الجيجابت في سيناريوهات الجيل الخامس/الجيل السادس.

تأثيرات الحجب الناتجة عن النشاط البشري والمنشآت

تُدخِل البيئات الحضرية ثلاثة مصادر رئيسية لانقطاع خط الرؤية:

• الحواجز الثابتة : تقلل الجدران الخرسانية من إشارات الموجات الملليمترية بمقدار 40–60 ديسيبل، بينما تقلل الزجاج من الإرسال بمقدار 15–25 ديسيبل
• الحواجز المتحركة : يمكن أن يتسبب مشي شخص واحد في خسارة إشارة تقدر بـ 20–35 ديسيبل، حيث تخلق حركة المرور intermittently انقطاعات تدوم من 0.8 إلى 3.2 ثانية
• الديناميكيات البيئية : تُغيِّر التغيرات الموسمية في الغطاء النباتي من توهين الأشجار بمقدار 12–18 ديسيبل

تتفاقم هذه التأثيرات في المدن الكثيفة، حيث تنخفض نسبة توفر مستوى الخدمة المتوسط إلى 54-72% بدون تدخلات تشكيل الحزمة.

حلول تشكيل الحزمة لأنظمة عدم وجود خط الرؤية (Non-LOS)

تمكن هوائيات المصفوفة الطورية من توجيه شعاع بقوة إشعاع مكافئة تبلغ 27 ديسيبل ملي واط (EIRP) للتغلب على العوائق. تحقق الأنظمة الحديثة ما يلي:

• مجموعات هوائيات مكونة من 1024 عنصرًا لتحقيق دقة عرض حزمة تصل إلى 1.2°
• إعادة محاذاة الحزمة خلال أقل من 3 مللي ثانية باستخدام تنبؤ بالمسار الإذاعي (RF) مدفوع بالذكاء الاصطناعي
• 87% موثوقية NLOS (عدم وجود خط الرؤية) عبر الانعكاسات على الجدران

أظهرت دراسة حول البنية التحتية للاتصالات الخاصة بالطائرات المُسيَّرة (UAV) في عام 2024 كيف أن تشكيل الحزمة التكيفي يقلل احتمالية انقطاع الخدمة في البيئات الحضرية بنسبة 63% مقارنةً بالهوائيات ذات القطاع الثابت. يجمع هذا النهج بين رسم الخرائط ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي باستخدام تقنية الليدار (lidar) ومشاركة الديناميكية للطيف لضمان جودة الخدمة (QoS) أثناء أحداث الانقطاع.

تقنيات نمذجة القناة في الاتصالات ذات الموجات الملليمترية

آليات الانتشار المكاني ثلاثية الأبعاد

تتطلب أنظمة الاتصالات ذات الموجات الملليمترية (mmWave) نماذج مكانية ثلاثية الأبعاد دقيقة لفهم تفاعل الإشارات مع العناصر الحضرية في مستويي الارتفاع والسمت. وعلى عكس النماذج الكلاسيكية ثنائية الأبعاد، فإنها تستخدم تقنيات نمذجة إحصائية لمحاكاة احتمالية وجود خط الرؤية (LOS)، بما في ذلك أحجام المباني والعوائق المتغيرة مع مرور الوقت باستخدام مثلاً نموذج Saleh-Valenzuela الموسع. ونُظهر أن هذه النماذج تتوقع تباينًا في خسارة الانحناء يتراوح بين 12 إلى 18 ديسيبللديسيبل لاختلاف هندسة الهياكل.

تحليل التلاشي المتعدد المسارات والانعكاسات

تسبب أطوال موجات mmWave القصيرة تكوّن تجمعات متعددة المسارات نادرة، حيث تخضع الانعكاسات فيها إلى توهين يتراوح بين 6 إلى 9 ديسيبل مقارنةً بالإشارات تحت نطاق 6 غيغاهيرتز. وقد أظهرت الدراسات الداخلية أن ما نسبته 20-30% فقط من الطاقة المشتتة تسهم في إنشاء روابط متعددة المسارات قابلة للتطبيق، مما يستدعي مراجعة النماذج الإحصائية بحيث تعطي الأولوية للمسارات المنعكسة الرئيسية على حساب التشتت غير المباشر.

مفارقة الصناعة: مقايضة عرض النطاق العالي مقابل المدى المحدود

بينما توفر حزم الموجات الملليمترية عروض نطاق قنوات تتراوح بين 400-800 ميغاهرتز، فإن فقدان المسار في الفراغ الحر عند 28 جيجاهرتز يزيد بمقدار 29 ديسيبل مقارنة بـ 3 جيجاهرتز. هذا يجبر الشبكات على نشر خلايا صغيرة بفواصل تتراوح بين 150-200 متر في المراكز الحضرية - أي كثافة تصل إلى أربع مرات أكثر من الأنظمة المعتمدة على الميكروويف - للحفاظ على سرعات نقل تصل إلى الجيجابت.

دراسة حالة لنشر شبكي في بيئة حضرية واقعية

حقق اختبار لأنظمة النقل تحت الأرض في مدريد باستخدام ترددات 26 جيجاهرتز معدل موثوقية بلغ 94٪ في المحطات المزدحمة من خلال الجمع بين تشكيل الحزمة مع التنبؤ الزمني الحقيقي بالحجب. ومع ذلك، تسببت حركة المشاة في تقلبات في إشارة الاستقبال (RSS) تتراوح بين 3-5 ديسيبل، مما يبرز الحاجة إلى تعديل القناة المدعوم بالذكاء الاصطناعي في المساحات العامة.

استراتيجي المحطة الأساسية التخطيط لشبكات الاتصال

اختيار الموقع لتخفيف التداخل الإشاري

من خلال وضع محطات القاعدة بشكل مثالي، يتم تقليل مستوى التداخل في شبكات الموجات الملليمترية، حيث تتلاشى الإشارات بسرعة كبيرة بسبب العوائق. يتطلب النشر في البيئة الحضرية وضعًا مثاليًّا لحل مشكلات احتجاز الإشارة وتداخلها. مع نمذجة الانتشار المعقدة، يمكن لمخططي النظام تحديد المناطق التي تقلل من التداخل بين القنوات وتكثف التغطية. وجدنا أن اختيار مواقع تراعي التضاريس يمكن أن تقلل عدد المناطق الميتة بنسبة 45٪ وقطرها المتوسط بنسبة 24٪ مقارنة بالتباعد المنتظم. العوامل الرئيسية تشمل كثافة المباني واختلاف الارتفاعات، وخريطة البنية التحتية الحالية لتسهيل تقليل التداخل دون استثمارات إضافية في الأجهزة.

الاتجاهات المستقبلية: الهيكلية الهجينة RF-MmWave

تُظهر العمليات المزدوجة التي تدمج تقنية الموجات الملليمترية (mmWave) مع نطاقات sub-6 غيغاهرتز أنها خيارات قابلة للتطبيق لشبكات المستقبل. تجمع هذه البنية الهجينة بين تقنية mmWave massive MIMO لتحقيق سرعات عالية في المناطق الحضرية الكثيفة، مع استخدام ترددات RF لتغطية أوسع في المناطق الريفية والضواحي. وتخصص بروتوكولات التبديل الذكية المستخدمين ديناميكيًا عبر النطاقات وفقًا لملفات التنقّل والخدمة. ويقلل هذا النظام من كثافة النشر بنسبة 60% مقارنةً بشبكة تعتمد على الموجات الملليمترية فقط، ويحافظ على جودة الخدمة المطلوبة أثناء حدوث الانتقال (handover). كما يثبت هذا الحل المشترك أنه واعد لتطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية حيث تكون الحاجة إلى الاتصال المستمر عبر التضاريس المختلفة ضرورية.