ما هي تقنية Beamforming؟ هل فكرت يوماً كيف يمكن لإشارة لاسلكية أن تجد طريقها إليك بدقة وسط زحام الأجهزة والمباني؟
إذا كانت شبكات الاتصال التقليدية تُرسل الإشارة بشكل عشوائي في كل الاتجاهات، فإن تقنية Beamforming جاءت لتقلب المعادلة. فهي تشبه إلى حد بعيد أن تتحدث في ميكروفون موجه نحو شخص واحد بدلاً من الصراخ في غرفة ممتلئة بالأشخاص.
في هذا المقال، سنغوص سوياً لفهم ما هي تقنية Beamforming؟ متى وأين ظهرت؟ وما هي التحديات التي تواجهها هذه التقنية الرائدة في عالم الاتصالات الحديثة؟
وما أثرها في الجيل الخامس ؟
تقنية Beamforming تعني تشكيل الحزمة أو توجيه الإشارة. وهي طريقة ذكية لتركيز إرسال الإشارات اللاسلكية نحو اتجاهات محددة بدلاً من نشرها بشكل دائري وعشوائي.
حيث تقوم مجموعة الهوائيات بحساب شكل واتجاه الموجة بحيث تلتقي موجات الإرسال بطريقة بنّاءة (Constructive Interference) نحو جهة معينة بدلاً من أن تُبعث الإشارة في جميع الاتجاهات، وهذا ما يعزز قوة الإشارة وجودتها.
الجدير بالذكر أن تقنية الBeamforming ليست حكراً على 5G فهي كفكرة وتطبيق موجودة من قبل ظهور شبكات الجيل الخامس وتم استخدامها في مجالات عديدة بشكل محدود .
لكن التحوّل الرقمي وتطور المعالجات هو ما جعل تطبيق Beamforming على نطاق واسع ممكنًا في الهواتف، الشبكات وحتى إنترنت الأشياء IOT .
كما وبداية ظهورها كان في التطبيقات العسكرية والرادارات في خمسينيات القرن الماضي، لاكتشاف الأهداف بدقة. أي في أنظمة الرادار الدفاعية والمراقبة الجوية، ثم تطورت لاحقاً لتدخل عالم الاتصالات اللاسلكية مثل Wi-Fi ، 4G ، وتحديداً في شبكات الجيل الخامس 5G، بالإضافة إلى أنظمة Wi-Fi 6/6E/7، الأقمار الصناعية، تقنيات الصوت في المؤتمرات الذكية وحتى في السيارات ذاتية القيادة.
تعتمد ھذه التقنية على مصفوفة من الهوائيات (Antenna Array) حيث يرسل كل هوائي إشارة مع إزاحة طور (Phase Shift) محسوبة بدقة، بحيث تندمج جميع الإشارات في الاتجاه المطلوب بقوة أعلى، بينما يحدث تداخل إلغائي في الاتجاهات الأخرى لتقليل التشويش.والنتيجة ھي شعاع مركّز من الإشارة یُشبه الليزر ، یصل إلى المستخدم المطلوب بأعلى كفاءة ممكنة.
وتشمل أنواعه :
یتم توجیھ الإشارة في المجال التماثلي قبل التحویل الرقمي، ویُستخدم غالبًا في التطبیقات منخفضة التكلفة أو الطاقة.
تتم معالجة كل إشارة من كل ھوائي بشكل مستقل في المجال الرقمي، مما یُوفر دقة أعلى وقابلیة للتكیّف مع تغیّر البیئة.
مزیج بین الاثنین، بین التكلفة والأداء، ویُستخدم بكثرة في أنظمة 5G الحدیث
| النوع | العيوب | المميزات |
| تناظري | مرونة محدودة | بسيط ، أقل تكلفة |
| رقمي | تكلفة مرتفعة، استهلاك طاقة أعلى | أعلى دقة ، توجيه أكثر ديناميكية |
| هجين | معقد في التصميم | توازن بين التناظري والرقمي |
إنّ تقنية Beamforming واحدة من الأعمدة الأساسية في ثورة شبكات الجيل الخامس وما بعده، كما و أنها لا تعزز فقط جودة الاتصال، بل تعيد تعريف الطريقة التي تنتقل بها الإشارات في عالم أصبح أكثر ازدحاماً بالأجهزة والبيانات. و لأنها توجّه الإشارة بدقة نحو كل مستخدم، مما يحسّن التغطية ويقلّل التداخل ويُعزز الأداء في بيئة 5G المليئة بالأجهزة والترددات العالية.
كذلك فإن بيئة شبكات 5G خلقت الحاجة المثالية لتطبيق Beamforming بأقصى إمكانياته فهي تعتمد على :
ترددات عالية (خصوصًا mmWave)، وهي ترددات لا تنتشر جيداً وتحتاج لتوجيه دقيق للإشارة. حيث أن هذه الترادات ذات مدى قصير في 5G وبالتالي أصبح Beamforming ضرورة وليس رفاهية.
و كلما تطورت أنظمة الشبكات، سيزداد الاعتماد على هذه التقنية لتقديم تجارب اتصال أكثر سرعة، أكثر استقراراً وأكثر ذكاء.
بالإضافة لاستخدام Massive MIMO يعني وجود عدد كبير من الهوائيات، وهذا يوفّر البنية اللازمة لتطبيق Beamforming بمرونة ودقة.
كما أن حاجتنا إلى سرعة استجابة وزمن تأخير منخفض (Latency) في 5G تجعل التوجيه الذكي للإشارة ضروريًا، وليس فقط ميزة إضافية
Beamforming يعزز جودة الإشارة والاتجاهية، بينما MIMO يعزز سعة القناة وكفاءة الطيف. وفي شبكات 5G، يعملان معًا لتحقيق أداء فائق.
| العنصر | MIMO | Beamforming |
| التعريف | استخدام عدة هوائيات لإرسال واستقبال بيانات متعددة في آنٍ واحد. | توجيه الإشارة نحو مستخدم أو جهة معينة. |
| الهدف الأساسي | زيادة سعة القناة و تحسين سرعة نقل البيانات . | تعزيز جودة الإشارة و تقليل التداخل . |
| طريقة العمل | إرسال واستقبال إشارات متعددة عبر مسارات مستقلة. | تعديل طور واتجاه الإشارة لتكوين حزمة موجهة. |
| التطبيق في 5G | رفع قدرة الشبكة عبر دعم الاتصالات المتزامنة لمستخدمين أكثر . | تحسين التغطية والاتصال في ترددات mmWave العالية. |
| التحديات | تعقيد في إدارة القنوات و التداخل بين المسارات. | تتبع الحركة ، تعقيد حسابي ، تأثير العوائق . |
يلعب الذكاء الاصطناعي (AI) دوراً متزايد الأهمية في تعزيز فعالية تقنية Beamforming، خاصة في البيئات الديناميكية والمعقدة مثل شبكات 5G وما بعدها. تعتمد أنظمة Beamforming التقليدية على نماذج حسابية معقدة لضبط طور الإشارة واتجاهها، لكن إدماج الذكاء الاصطناعي يُحدث نقلة نوعية في الأداء.
من خلال تحليل البيانات في الزمن الحقيقي، يستطيع الذكاء الاصطناعي التنبؤ بحركة المستخدمين وتغير ظروف البيئة مثل وجود عوائق أو مصادر تداخل. هذا يسمح للنظام بتعديل اتجاه الحزم بسرعة فائقة للحفاظ على جودة الاتصال واستمراريته.
كما ويساهم الذكاء الاصطناعي في تخفيف التداخل بين المستخدمين عبر تقنيات التعلم الآلي التي تُمكن الشبكة من التعرف على أنماط الاستخدام، إعادة توزيع موارد الهوائيات بكفاءة أعلى وتوجيه الإشارة بأقل قدر من الضوضاء والتشتت.
أي أن الذكاء الاصطناعي يُحوّل Beamforming من تقنية استاتيكية إلى نظام ذكي قادر على اتخاذ قرارات ذاتية، مما يعزز الأداء، يقلل استهلاك الطاقة، ويرفع كفاءة الشبكة بشكل غير مسبوق.
ستبرز تقنية Beamforming كأحد الأعمدة الأساسية لشبكات المستقبل، فشبكات 6G سوف تعتمد على ترددات أعلى (تيرا هيرتز) و بالتالي تحتاج إلى توجيه دقيق للإشارة لضمان تغطية فعالة و سرعة فائقة ، كما وسيكون للتقنية دور محوري في في شبكات إنترنت الفضاء مثل منظومات ( Starlink و أمثالها ) ، حيث نستخدمها لتوجيه الإشارات بين الأقمار الصناعية والمستخدمين على الأرض بدقة عالية رغم المسافات الهائلة .
أما في المدن و إنترنت الأشياء IOT فستساعد تقنية Beamforming في تحسين الاتصال بين مليارات الأجهزة ، تقليل التداخل و ضمان نقل البيانات بشكل فوري و موثوق مما يساهم في تشغيل الخدمات الحيوية مثل المركبات ذاتية القيادة ، إدارة الطاقة الذكية و الأنظمة الصناعية المتقدمة.
رغم الفوائد الكبيرة التي تقدمها تقنية Beamforming، إلا أنها تواجه العديد من التحديات التي يجب التعامل معها بفعالية:
ولأننا نعيش في عالم أصبح فيه الاتصال الفوري حاجة أساسية، وليس ترفاً.
وفي زمن الحوسبة الطرفية ، الذكاء الاصطناعي ، والسيارات ذاتية القيادة ، لا يكفي أن تصل الإشارة فقط… بل أن تصل بدقة، وبسرعة، وبأقل ضجيج ممكن.
وهذا بالضبط ما تقدمه لنا تقنية Beamforming.
Optimized by Seraphinite Accelerator