لماذا تختار mmWave لـ 5G

السبب الأول هو أنه على الرغم من أن الموجات المليمترية يمكن أن توفر نطاقًا تردديًا أكبر ومعدلات بيانات أعلى ، فإن تطبيقات الهاتف المحمول السابقة لم تتطلب مثل هذا النطاق الترددي الكبير ومعدلات البيانات العالية هذه ، ولم يكن هناك طلب في السوق على الموجات المليمترية. وللموجة المليمترية بعض القيود الواضحة ، مثل خسارة الانتشار الكبيرة جدًا والتغطية الصغيرة جدًا وما إلى ذلك.

 السبب الثاني هو أن mmWave باهظ الثمن. كان إنتاج مكونات دارة متكاملة بحجم أقل من الميكرون قادرة على العمل في نطاق تردد الموجة المليمترية يمثل تحديًا. إن التغلب على خسائر الانتشار وتحسين التغطية يعني أيضًا الكثير من المال. ومع ذلك ، في السنوات العشر الماضية ، تغير كل شيء.

مع التطور السريع للاتصالات المتنقلة ، يتم تقريبًا استخدام موارد التردد ضمن 30 جيجا هرتز. خصصت الحكومات والمنظمة الدولية للتوحيد القياسي جميع الترددات "الجيدة" ، ولكن لا يزال هناك نقص في الترددات وتضارب في التردد. يعتمد تطوير الأنظمة الخلوية من الجيل الرابع والجيل الخامس القادم على تخصيص التردد المناسب. المشكلة هي أنه لم يتبق سوى عدد قليل جدًا من الترددات.

تشبه موجات المليمتر قارة جديدة في الأمريكتين ، حيث توفر لمستخدمي الهاتف المحمول ومشغلي الهاتف المحمول موارد تردد "لا نهاية لها".

تجلب موجات المليمتر عرض نطاق ترددي كبير وسرعة عالية. الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي الذي يمكن أن يستخدمه النظام الخلوي 4G LTE بناءً على النطاق الفرعي 6 جيجاهرتز هو 100 ميجاهرتز ، ولا يتجاوز معدل البيانات 1 جيجابت في الثانية. في نطاق mmWave ، يبلغ الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي الذي يمكن استخدامه بواسطة تطبيقات الهاتف المحمول 400 ميجاهرتز ، مع معدلات بيانات تصل إلى 10 جيجابت في الثانية أو أكثر.

الطلب دائمًا هو المحرك الأكبر للابتكار. تم التغلب بسرعة على الصعوبة الفنية في إنتاج مكونات دارة متكاملة ذات نطاق موجي مليمتر وعالي الجودة وغير مكلفة. باستخدام مواد جديدة مثل SiGe و GaAs و InP و GaN ، بالإضافة إلى عمليات الإنتاج الجديدة ، تم دمج ترانزستورات صغيرة مثل عشرات أو حتى عدة نانومترات على شرائح تعمل في نطاق الموجات المليمترية ، مما يقلل التكلفة بشكل كبير.

هل نحن الآن أحرار في استخدام أي موجة ميليمترية بين 20 جيجاهرتز و 300 جيجاهرتز؟ ليس بعد. لماذا لا يمكن استخدام ترددات الموجات المليمترية بشكل تعسفي؟ عندما تنتشر الموجات الراديوية ، يمتص الغلاف الجوي بشكل انتقائي الموجات الكهرومغناطيسية من ترددات معينة (أطوال موجية) ، مما يؤدي إلى خسائر انتشار خطيرة بشكل خاص لهذه الموجات الكهرومغناطيسية. هناك مكونان أساسيان للغلاف الجوي يمتصان الموجات الكهرومغناطيسية: الأكسجين وبخار الماء. يمتص الرنين الناتج عن بخار الماء الموجات الكهرومغناطيسية حول 22 جيجاهرتز و 183 جيجاهرتز ، بينما يؤثر امتصاص الرنين للأكسجين على الموجات الكهرومغناطيسية حول 60 جيجاهرتز و 120 جيجاهرتز. لذلك يمكننا أن نرى أنه بغض النظر عن المنظمة التي تخصص موارد الموجات المليمترية ، فإنها ستتجنب نطاقات التردد بالقرب من هذه الترددات الأربعة.

أحد القيود الأكثر أهمية هو أن رحلات الموجات mmWave محدودة حقًا. تخبرنا قوانين الفيزياء أنه كلما كان الطول الموجي أقصر ، كانت مسافة الانتشار أقصر تحت نفس قدرة الإرسال. في العديد من السيناريوهات ، سينتج عن هذا التحديد مسافات انتشار mmWave لا تزيد عن 10 أمتار. كل شيء له وجهان. تعد مسافة الانتشار الصغيرة في بعض الأحيان ميزة لنظام الموجة المليمترية. على سبيل المثال ، يمكن أن يقلل التداخل بين إشارات الموجة المليمترية. تتمتع الهوائيات عالية الكسب المستخدمة في أنظمة mmWave أيضًا بتوجيه جيد ، مما يلغي التداخل بشكل أكبر. تعمل هوائيات الحزمة الضيقة على زيادة القدرة والتغطية ، مع تعزيز الأمن وتقليل احتمالية اعتراض الإشارات.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن عامل التحديد "عالي التردد" يقلل من حجم الهوائي ، وهي مفاجأة أخرى غير متوقعة. بافتراض أن حجم الهوائي الذي نستخدمه ثابت بالنسبة لطول الموجة اللاسلكية ، مثل طول الموجة 1/2 أو طول الموجة 1/4 ، فإن زيادة تردد الموجة الحاملة تعني أن الهوائي يصبح أصغر وأصغر. على سبيل المثال ، يبلغ طول هوائي 900M GSM حوالي عشرات السنتيمترات ، بينما قد يكون هوائي الموجة المليمترية بضعة ملليمترات فقط. ومع ذلك ، يمكننا حشر المزيد والمزيد من الهوائيات عالية النطاق في نفس المساحة. بناءً على هذه الحقيقة ، يمكننا تعويض خسارة مسار التردد العالي عن طريق زيادة عدد الهوائيات دون زيادة حجم صفيف الهوائي. هذا يجعل من الممكن استخدام تقنية MIMO الضخمة في أنظمة 5G mmWave.

بعد التغلب على هذه القيود ، يمكن لأنظمة 5G التي تعمل على الموجات المليمترية أن توفر العديد من الخدمات التي لا تستطيع 4G توفيرها ، مثل الفيديو عالي الدقة ، والواقع الافتراضي ، والواقع المعزز ، ونقل المحطة الأساسية اللاسلكية (backhaul) ، واكتشاف الرادار قصير المدى ، والمعلومات الحضرية الكثيفة الخدمات ، الملاعب / الحفلات الموسيقية / خدمات الاتصالات اللاسلكية لمراكز التسوق ، والتحكم في أتمتة المصانع ، والتطبيب عن بعد ، والمراقبة الأمنية ، وأنظمة النقل الذكية ، وعمليات التفتيش على أمن المطارات ، إلخ. يوفر تطوير النطاق الموجي المليمتر واستخدامه مساحة واسعة وخيالًا غير محدود لتطبيقات الجيل الخامس.

منذ أن قررت شركة 3GPP أن 5G NR ستستمر في استخدام تقنية OFDM ، مقارنةً بـ 4G ، فإن 5G ليس لديها ابتكار تكنولوجي معطل ، وأصبحت موجة المليمتر تقريبًا أكبر "فكرة جديدة" لـ 5G. يرتبط إدخال تقنيات جديدة أخرى في 5G ، مثل MIMO الهائل ، وعلم الأعداد الجديد (تباعد الناقل الفرعي ، وما إلى ذلك) ، ورموز LDPC / Polar ، وما إلى ذلك ، ارتباطًا وثيقًا بالموجات المليمترية ، كل ذلك للسماح بتوسيع تقنية OFDM بشكل أفضل لتشمل الفرقة موجة ملليمتر. من أجل التكيف مع خصائص النطاق الترددي الكبير للموجات المليمترية ، تحدد 5G فترات متعددة للحوامل الفرعية ، منها فترات الموجات الحاملة الفرعية الأكبر (60 كيلو هرتز و 120 كيلو هرتز) مصممة خصيصًا لموجات المليمتر. تم تصميم تقنية MIMO الضخمة المذكورة أعلاه أيضًا لموجات المليمتر. لذلك ، يمكن أيضًا تسمية 5G "4G المحسّن الممتد إلى mmWave" أو "LTE المحسّن الممتد إلى mmWave".