في عالم الاتصالات الحديث، تعد تقنية MIMO وMassive MIMO من أبرز الابتكارات التي غيرت طريقة انتقال البيانات. تلك التقنيات اللاسلكية المتطورة قادرة على تحسين كفاءة الشبكات وزيادة سرعة التحميل بشكل ملحوظ. من خلال استخدام عدد كبير من الهوائيات ، تمكن Massive MIMO من تحقيق أداء استثنائي، مما يسهم في تلبية تزايد الطلب على البيانات في العصر الرقمي الحالي. في هذا المقال ستكتشف تلك التقنيات المتطورة ودورها الحيوي في تطوير الاتصالات وتحسين تجربة المستخدمين.
قبل أن نشرح وندخل في موضوع MIMO، يجب أن نتحدث عن مفهومه لدى المهندسين:
يُطلق كل هذه المسميات على الجهة المرسلة فقط وليس الجهة المستقبلة.
تعني Single Input Single Output (دخل واحد وخرج واحد).
أي هناك اتجاه واحد فقط من المرسل للمستقبل
أي أن لدي جهاز الإرسال (Transmitter) وجهاز الاستقبال (Receiver) في نفس الوقت.
عندما يكون هناك جهاز يحوي على مُدخل واحد ومخرج واحد، نسميه SISO.
لا، الجهة المستقبلة (الموبايل) ليس لها علاقة بالموضوع لأن مُعظم الموبايلات القديمة تحوي هوائي واحد فقط.
نعم، عندما يكون الموبايل Transmitter يمكن أن يكون لديه هوائي واحد للإرسال وهو SISO. أو قد يكون لديه هوائيين للإرسال والاستقبال وهو MIMO.
ملاحظة: الـ Tx و Rx موجودان في نفس الجهاز لكن هذا الجهاز يُرسل إشارة واحدة ويستقبل إشارة واحدة، بالتالي يسمى هذا الجهاز SISO.
عندما نتحدث عن طريقة التواصل، في حالة Downlink: يكون البرج هو Transmitter والموبايل هو Receiver.
وفي حالة Uplink: يكون الموبايل هو Transmitter والبرج هو Receiver.
وعادةً ما يظن 80% من المهندسين أن الـ Transmitter والـ Receiver هما اللذان يحددان ما إذا كانت التقنية SISO أو MIMO، ولكن هذا مفهوم خاطئ.
فالجهة المرسلة لوحدها تحوي SISO أو MIMO، والجهة المستقبلة لوحدها تحوي أيضًا SISO أو MIMO.
نعم،من الممكن أن يحتوي الموبايل على هوائي واحد يُرسل إشارة واحدة ويستقبل إشارة واحدة، بينما البرج يكون MIMO، أي يُرسل ثماني موجات ويستقبل ثماني موجات.
ويمكن أن يتواصل الـ SISO مع الـ MIMO ولكن في هذه الحالة سيأخذ الـ MIMO إشارة واحدة فقط بدلًا من إشارتين.
والذي يعني Single input Multi Output أي هوائي 1T2R
هدفه هو التنوع Diversity أي تحسين الإشارة
أي أن الهوائي يرسل الإشارة عبر Transmitter وحيد ويستقبل عبر هوائيين اثنين، لماذا؟
الإشارة الأولى من الممكن أن تكون سيئة بسبب الـ Reflections والـ Noise، والاشارة الثانية ممتازة بالتالي أختار الإشارة الأفضل من بينهما.
وإذا كانت الإشارتين بجودة ممتازة بالتالي نأخذ Combination ما بين الإشارتين ويصبح لدينا إشارة أقوى، وبالتالي نزيد الـ Receiving.
وهذه التقنية موجودة عادةً في الاتصالات، أي نلاحظ كثيرًا وجود 1T2R في الهوائيات، لماذا؟
لأنه دائمًا تكون الأبراج الخلوية بعيدة عن الموبايل. بالتالي تحدث مشاكل في إشارات الـ Uplink بسبب ضعف استطاعة الموبايل فعندما نرسل هذه الإشارات الضعيفة ينتج لدينا Multipath لذلك نحاول بأن يأخذ البرج أفضل إشارات من الموبايل حتى يدمجها الهوائي Combination أو يختار أفضل إشارة ليستطيع المستخدم البقاء على تواصل مع برج التغطية بشكل ممتاز وسلس ومستمر.
والذي يعني Multi input Single Output وهي عكس SIMO أي يكون نوع الهوائي 2T1R كذلك هدفه هو تقوية الإشارة التي ستُرسل إلى الـ Receiver
لو أننا نرسل إشارة من SIMO إلى MISO،ما الذي يحدث؟
يصبح لدي إشارة عند المستقبِل قوية جدًا و جيدة والهدف منها إما زيادة الـthroughput أو تحسين جودة الإشارة أي الـ Quality.
والذي يعني Multi input Multi Output (مدخلات متعددة ومخرجات متعدددة)
هدفه إما تحسين جودة الإشارة أو لتحسين الـThroughput.
لدينا برج تغطية يحوي هوائيات MIMO ترسل إشارات إلى الموبايل الذي هو أيضًا عبارة عن MIMO و لدينا ما بين البرج والموبايل مسافة Space ،ما الذي يحدث؟
أن الـCapacity ضعيفة،وعندما نقول السعة في الجيل الرابع فنحن نقصد الـThroughput يعني السرعة.
إذا كان الـThroughput هو 2Mbps ولدينا 1user بالتالي هذا المستخدم سيستقبل 2Mbps .
إذا زدنا الـthroughput من2 إلى 4Mbps أي زادت السرعة، ما الذي يحدث؟
يمكننا إعطاء مستخدم آخر 2Mbps وأعطي المستخدم الأول 2Mbps أي أنه عند زيادة الـThroughput أستطيع أن أزيد من سعة المستخدمين. بالتالي الـMIMO لا يزيد الـCapacity بطريقة مباشرة لأنه فعليًا زدنا من الـaverage throughput per user.
بالتالي زيادة الـ Throughput في الـMIMO هي التي تزيد عدد المستخدمين، وفي حال لم يكن هناك إلا مستخدم وحيد فإنه سيأخذ الـ4Mbps كاملة له.
أغلب الموبايلات 1T1R فلو فرضنا أن الTransmitter عبارة عن SISO والموبايل عنده هوائي استقبال وحيد وهوائي إرسال وحيد فالوضع ممتاز وسيتم الإرسال والاستقبال بشكل طبيعي.
نصل لما يسمى بالـLimititon ، يعني اذا حولنا من SISO إلىMIMO في الـTransmitter ،والـLimitation في الـReciever هي 1T1R فمن المستحيل أن تأخذ الـMIMO في الـReciever
بالتالي تُوزع الأنتينا الأخرى في الـTransmitter إلى شخص لديه جهاز 2T2R والشخص الأول يبقى كما هو عليه 1T1R ويحافظ على الـthroughput الخاصة به.
أي إذا كنت أنت وصديقك بجانب بعضكما وأردتم أن تختبروا سرعة الشبكة مع العلم أن جهاز الموبايل لديك قديم و جهاز الموبايل لديه حديث، فإن السرعة عندك ستكون 1Mbps وعنده ستظهر السرعة 2Mbps
لو من البداية شبكنا جهاز واحد 2T2R على الشبكة بالتالي سيأخذ سرعة الـ2Mbps كاملة.
ولو شبكنا جهازين كل واحد منهم 2T2R والـTransmitter هو 2T2R ويعطي سرعة قصوى هي 2Mbps أي (2مليون بت بالثانية) فكيف ستوزَّع هذه السرعة على الجهازين؟
سيأخذ كل جهاز 1Mbps وبالتالي في هذه الحالة لم تزيد الـ capacity.
عندما تزيد الـthroughput بالتالي تزيد الـCapacity بشكل غير مباشر لأنه يحدث مايسمى High Cell load أي الـsite يحوي 100مستخدم وكلهم متصلين بالبرج وكل مستخدم يأخذ ½ Mbps، فماذا نفعل؟؟
نقوم بزيادة الـPolarization ونضيف Polarization أخرى والتي هي 2T2R، وبالتالي يتضاعف الـThroughput للأجهزة(أجهزة الموبايل) التي تحوي 2T2R وعوضًا من أن يأخذ المستخدم الواحد ½ Mbps يأخذ 1Mbps .
نعلم أننا إذا أرسلنا إشارتين على نفس التردد وعلى نفس الـBandwidthوفي نفس اللحظة فلن يحدث مضاعفة للـThroughput ولكن سيصبح هناك تداخل interference، فما هو الحل؟
الحل بسيط وهو الـPolarization، فما هو الـPolarization؟
هو الاستقطاب، أي زاوية إرسال الإشارة، أي نرسل الاشارتين بزاويتين مختلفتين متعامدتين على بعضهما، أي يرسل مثلا 1Mbps على الاستقطاب العمودي، و 1Mbps على الاستقطاب الأفقي، بالتالي تصل الإشارة للموبايل عبارة عن 2Mbps
مثال بسيط عن مضاعفة الThroughput: ((من الضروري أن يكون الTransmitter والـReciever معا هما عبارة عن 2T2R))
استقبال الصوت عبر مضخمات الصوت( البفلات) من اتجاهين مختلفين، كأن تكون في إحدى الاجتماعات و يتواجد بفلتين كل واحدة موجودة في جهة مختلفة وتستقبل هذه البفلات الصوت من نفس الميكروفون أي بنفس التردد والـBandwidth و تبثه من اتجاهين مختلفين بنفس اللحظة، بالتالي ستسمع صوت مُضخَّم وعالي وهذا ما يعرف بـِDouble Throughput
يمكن اعتبار الأنواع كالتالي:
1- Single User MIMO
2- Multi User MIMO
معناه أن كل مستخدم سيأخذ الـMIMO ، بالتالي هنا نضاعف الـThroughput لكل المستخدمين.
يسمح لدينا في هذه الحالة أن أعطي MIMO لجهاز واحد فقط. على سبيل المثال:
لدي مستخدم وحيد وهذا المستخدم شابك عالشبكة فهو سوف يأخذ كل الـThroughput له و سيكون سعيد جدًا وهذه هيSingle User MIMO.
أما في حالة Multi User MIMO ، نوزّع الـThroughput على كل المستخدمين بالتالي سرعة Single User MIMO لن تكون مثل Multi User MIMO لكل جهاز ولكن إذا جُمعت السرعات لكل المستخدمين ستحصل على نفس سرعة الـSingle User MIMO.
الراوتر، لأن الراوتر يوزع الإشارة على اكثر من موبايل.
ليس من العدل أن أعطي الموبايل 2Mbps و الراوتر 2Mbps ، يجب أن أعطي الراوتر أكثر لأنه يوزع الإشارة على باقي الأجهزة.
هو نفس الـ MIMO لكن عدد الهوائيات أكثر. ومن جهة أخرى في الـMIMO لدينا 2T2R,4T4R,8T8R,16T16R
أما لو كان عدد الهوائيات أكثر بالتالي نعتبره Massive MIMO.
لأنه لدي عدد هوائيات ضخم جدًا متواجد بنفس المساحة التي تحوي عدد هوائيات قليل جدًا، وما هو الفرق؟
تختلف MIMO عن Massive MIMO أننا أصبحنا بحاجة إلى عدد هوائيات كثيرة> بالإضافة إلى عدد مضخمات Amplifiers كبير جدًh> أي ضاعفنا المكونات التي تتطلبها زيادة االهوائيات.
عند زيادة عدد الهوائيات فإنها تصغُر> وعندما تصغر يصبح لدينا ما يسمى بالـ Narrow Band وهي تقنية مستخدمة في الـ5G.
نعلم أنه لحد اللحظة> لا يوجد جهاز بالعالم يدعم 32T32R أو 64T64R لأنه معظم الأجهزة 2T2Rأو 4T4R بالكثيرK و بعض الأجهزة النادرة التي تصنع لهدف ما من الممكن أن تكون 8T8R.
لو أخذت 64T64R وأرسلتها بـ 64 استقطاب و لدي مستخدمين اثنين كل واحد فيهما هو 2T2R.
وفرضنا أن لدينا 1Mbps ونريد أن نرسلها على الـ64T64R ، أي 64Mbps فلو فرضنا أن هذه الـ 64Mbps وصلت للموبايل الذي هو 2T2R، فماذا سيحدث؟
الموبايل سيأخذ الـvertical والـHorizontal يعني 1+1=2Mbps
و لو دخل موبايل جديد على الشبكة> ستقسم 2Mbps إلى المستخدمين الاثنين. بالتالي كلما زاد عدد المستخدمين لن أستفيد من الMIMO.
مع الـMassive MIMO أصبحت الBeamwidth. صغيرة بالنسبة للأنتينات بالتالي أستطيع الاستفادة بحيث. كل مستخدم أرسل له الـ polarization الخاصة فيه على حدى.
كل مستخدم أرسل له من هوائي خاص به الـThroughput خاصته على استقطابين ( الاستقطاب العمودي والأفقي).
أي كل مستخدم. في هذه الحالة سيأخذ 2Mbps ،على عكس حالة الـ MIMO العادية التي أخذ بها 1Mbps.
بالتالي في الـMassive MIMO أصبح لدي Throughput أعلى وبالتالي استطعت أن أخدّم 32 مستخدم بـ 64Mbps لكل واحد منهم 2Mbps
عملية تخديم كل مستخدم يملك 2T2R ، وهي لا تعني فقط أنه يجب أن يكون لدينا هوائي ثابت، ولكن هي عملية تحريك الهوائي و تتبع حركة المستخدم أينما ذهب حتى أضمن أن المرسِل يعطي للمستقبِل 2T2R.
ومن جهة أخرى فإن عملية تتبع المستخدم هي (Massive MIMO +Beamforming).
لا يمكن تحقيق الـBeamforming إلا في الـMassive MIMO لأن الهوائيات صغيرة بالتالي يصبح لدينا Narrow beam وبالتالي يمكن تحقيق الـBeamforming.
لا تتحرك الهوائيات في تقنية الـBeamforming. إلى اليمين واليسار بشكل ملحوظ، بل تتحرك بضعة سنتيمترات. بسبب فولطية معينة تطبق عليها، وبالتالي تشغل مساحة أكبر. تواصل معنا لو أردت المزيد من المعلومات
نستنتج أن تقنية الـ Massive MIMO تمثل نقلة نوعية. في عالم الاتصالات وتعد حلاً مبتكرًا لتحسين أداء الشبكات اللاسلكية وتلبية احتياجات مستخدمي الاتصالات الحديثة. من المتوقع أن تستمر هذه التقنية في التطور والتحسن، وسنشهد في المستقبل المزيد من التطبيقات العملية والابتكارات التي تعتمد عليها في عالم الاتصالات وتكنولوجيا المعلومات، يمكنك التعمق فيها عبر دورتنا المجانية “الطريق إلى الجيل الخامس” على موقعنا الإلكتروني!
Optimized by Seraphinite Accelerator