في التاريخ التطوري لتقنيات الاتصالات المتنقلة، كان كل جيل من التكرار التكنولوجي مصحوبًا بتحسينات كبيرة في أداء الشبكة، وقد أدى ظهور تقنية الجيل الخامس (5G) إلى إحداث تغييرات هدامة. تهدف شبكات 5G إلى تلبية الاحتياجات المتنوعة مثل معدلات البيانات العالية للغاية، وزمن الوصول المنخفض للغاية، واتصالات الأجهزة الضخمة. ويعتمد تحقيق هذه الأهداف على سلسلة من التقنيات الرئيسية، من بينها تقنية Massive MIMO (مدخلات متعددة ومخرجات ضخمة) التي تلعب دورًا أساسيًا في ترقية هوائيات الترددات الراديوية لمحطة 5G الأساسية، وإعادة تشكيل تغطية شبكة الاتصالات بطريقة غير مسبوقة.
في شبكات الاتصالات التقليدية، تعتمد هوائيات المحطة الأساسية عادةً تقنيات أحادية المدخلات ومخرجات واحدة (SISO) أو تقنيات متعددة المدخلات والمخرجات المتعددة (MIMO). تستخدم أنظمة SISO هوائي إرسال واحد وهوائي استقبال واحد فقط، مع قدرة محدودة على نقل البيانات، مما يجعل من الصعب تلبية احتياجات الاتصالات المتزايدة. خذ شبكة 2G المبكرة كمثال. في ظل تقنية SISO، يمكن أن يصل معدل نقل بيانات الشبكة إلى عشرات كيلوبت في الثانية فقط، وهو غير قادر على دعم النقل السريع للبيانات ذات السعة الكبيرة مثل الصور ومقاطع الفيديو عالية الوضوح. من ناحية أخرى، تعمل تقنية MIMO، من خلال تجهيز هوائيات متعددة في كل من المحطة الأساسية والمحطة الطرفية، واستخدام تقنيات تعدد الإرسال والتنوع المكاني، على تحسين قدرة النظام وموثوقيته بشكل كبير دون زيادة موارد الطيف. على سبيل المثال، في شبكات 4G، أدت تقنيات 2×2 MIMO أو 4×4 MIMO الشائعة إلى زيادة معدل نقل بيانات الشبكة إلى مستوى مائة ميغابت، مما أدى إلى تحسين تجربة المستخدمين عبر الإنترنت بشكل كبير. ومع ذلك، مع التطور السريع للإنترنت عبر الهاتف المحمول، زاد طلب المستخدمين على حركة البيانات بشكل كبير، واقترب أداء تقنية MIMO التقليدية تدريجيًا من عنق الزجاجة، غير قادر على تلبية المتطلبات الصارمة لشبكات 5G. تشير الإحصائيات إلى أنه في سيناريوهات مثل أماكن الأحداث واسعة النطاق أو المناطق الحضرية الكثيفة، غالبًا ما تعاني شبكات 4G من الازدحام وانخفاض السرعة، مما يجعل من الصعب دعم عدد كبير من المستخدمين للمشاركة في وقت واحد في التطبيقات ذات متطلبات النطاق الترددي العالي مثل تشغيل الفيديو عالي الوضوح والألعاب عبر الإنترنت.
باعتبارها تطورًا إضافيًا لتقنية MIMO، أدت تقنية MIMO الضخمة إلى زيادة كبيرة في عدد هوائيات المحطة الأساسية، حيث توسعت من عدد قليل أو عشرات من الهوائيات في MIMO التقليدية إلى مئات أو حتى آلاف الهوائيات. وتجلب هذه الزيادة الكبيرة في عدد الهوائيات مزايا تقنية متعددة، مما يعيد تشكيل تغطية شبكات الاتصالات. من حيث المبدأ، يستخدم Massive MIMO الاستقلال المكاني للقنوات. ومن خلال تجهيز عدد كبير من الهوائيات في المحطة الأساسية، يمكنها التواصل مع العديد من المستخدمين في وقت واحد، مما يحقق تعدد إرسال البعد المكاني. في أنظمة الاتصالات التقليدية، ونظرًا للعدد المحدود من الهوائيات، لا يمكن نقل البيانات إلا إلى عدد قليل من المستخدمين في نفس الوقت. ومع ذلك، يمكن لأنظمة MIMO الضخمة، من خلال زيادة عدد الهوائيات، دعم المزيد من المستخدمين على نفس موارد التردد الزمني، مما يحسن بشكل كبير قدرة النظام وكفاءة الطيف. أظهرت الدراسات النظرية أنه عندما يميل عدد هوائيات المحطة الأساسية إلى اللانهائي، سيتم تحسين كفاءة الطيف وكفاءة الطاقة لأنظمة MIMO الضخمة بشكل كبير.
فيما يتعلق بتغطية الشبكة، فقد أدت تقنية Massive MIMO إلى تحسين نطاق التغطية وجودة الإشارات بشكل كبير من خلال تقنية تكوين الشعاع. يشير تكوين الشعاع إلى وزن الإشارات المرسلة بواسطة هوائيات المحطة الأساسية وفقًا لمعلومات حالة القناة، بحيث تتركز طاقة الإشارة في اتجاه محدد لتكوين شعاع. في أنظمة MIMO الضخمة، نظرًا للعدد الكبير من الهوائيات، يمكن تحقيق تحكم أكثر دقة في الحزمة، والذي يمكنه توجيه طاقة الإشارة بدقة إلى المستخدمين المستهدفين، وتقليل فقدان الإشارة في اتجاهات أخرى، وبالتالي تحسين نطاق التغطية وقوة الإشارات. خاصة في البيئات الحضرية المعقدة، حيث تحجب المباني الإشارات وتعكسها، مما يؤدي إلى تلاشي الإشارة وتداخلها، يمكن لتقنية تشكيل الحزم الضخمة MIMO التغلب على هذه المشكلات بشكل فعال، مما يضمن حصول المستخدمين على خدمات اتصالات مستقرة وعالية السرعة في سيناريوهات مختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن لتقنية Massive MIMO أيضًا تحسين موثوقية أنظمة الاتصالات من خلال تقنية التنوع. تشير تقنية التنوع إلى إرسال نفس المعلومات عبر قنوات مستقلة متعددة لتقليل تأثير تلاشي القناة على إرسال الإشارة. في أنظمة MIMO الضخمة، ونظرًا للعدد الكبير من الهوائيات، يمكن استخدام طرق التنوع المختلفة مثل التنوع المكاني والتنوع الزمني وتنوع التردد لتحسين موثوقية إرسال الإشارة. عندما تتأثر قناة معينة بالتلاشي أو التداخل، تظل القنوات الأخرى قادرة على إرسال الإشارات بشكل طبيعي، مما يضمن استمرارية واستقرار الاتصال. وتعد هذه الموثوقية العالية ذات أهمية خاصة لتطبيقات الجيل الخامس التي تتطلب متطلبات عالية على جودة الاتصالات، مثل القيادة الذاتية والتطبيب عن بعد. في سيناريو القيادة الذاتية، تحتاج المركبات إلى التفاعل مع السحابة والمركبات المحيطة بها في الوقت الفعلي مع كمية كبيرة من البيانات، الأمر الذي يتطلب متطلبات عالية للغاية على موثوقية الشبكة وزمن الوصول المنخفض. يمكن لتقنية MIMO الضخمة أن تقلل بشكل فعال من معدل خطأ البت أثناء نقل الإشارة من خلال تقنية التنوع، وتضمن النقل الدقيق وفي الوقت المناسب لأوامر التحكم في السيارة، وتضمن سلامة القيادة. في التطبيب عن بعد، عندما يقوم الأطباء بإجراء التشخيص والعمليات الجراحية عن بعد للمرضى من خلال مقاطع فيديو عالية الوضوح، يمكن للشبكة المستقرة والموثوقة التي توفرها تقنية Massive MIMO ضمان النقل السلس لصور الفيديو، وتجنب الأخطاء التشخيصية أو المخاطر الجراحية الناجمة عن مشاكل الشبكة.
من منظور النشر الفعلي، يواجه تطبيق تقنية MIMO الضخمة في ترقية هوائيات الترددات الراديوية لمحطة 5G الأساسية أيضًا العديد من التحديات. أولا، سيؤدي استخدام عدد كبير من الهوائيات إلى زيادة تكلفة الأجهزة واستهلاك الطاقة للمحطة الأساسية. يجب أن يكون كل هوائي مجهزًا بمعدات أمامية للترددات الراديوية المقابلة، بما في ذلك مكبرات الصوت، ومكبرات الصوت منخفضة الضوضاء، والمرشحات، وما إلى ذلك. ومع زيادة عدد الهوائيات، سيزداد أيضًا عدد هذه الأجهزة بشكل كبير، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير في تكلفة معدات المحطة الأساسية. وفي الوقت نفسه، فإن تشغيل عدد كبير من الهوائيات سوف يستهلك المزيد من الطاقة الكهربائية، مما يزيد من تكاليف التشغيل للمشغلين. ثانيًا، نظرًا للعدد الكبير من الهوائيات، تكون بيئة القناة أكثر تعقيدًا، مما يزيد من صعوبة تقدير معلومات حالة القناة بدقة، الأمر الذي يتطلب خوارزميات وتقنيات أكثر تقدمًا. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب معالجة الإشارات المرسلة والمستقبلة بواسطة عدد كبير من الهوائيات قوة حاسوبية قوية، مما يفرض متطلبات أعلى على وحدة معالجة الإشارات في المحطة الأساسية.
ولمواجهة هذه التحديات، بذل الباحثون وشركات الاتصالات جهودًا كبيرة في البحث والتطوير التكنولوجي وتحسين المعدات. فيما يتعلق بالأجهزة، ومن خلال اعتماد مواد جديدة وتقنيات التكامل، يتم تقليل تكلفة واستهلاك الطاقة للهوائيات والمعدات الأمامية للترددات الراديوية بشكل مستمر. على سبيل المثال، استخدام نطاق تردد الموجة المليمترية للاتصالات، والذي يتمتع بموارد طيف وفيرة ويمكنه تلبية احتياجات شبكات 5G لنقل البيانات بسرعة عالية. وفي الوقت نفسه، تكون هوائيات الموجات المليمترية صغيرة الحجم، وهي ملائمة لدمج عدد كبير من الهوائيات في المحطة الأساسية. في الوقت الحاضر، قامت بعض الشركات المصنعة بتطوير مصفوفات هوائي MIMO ضخمة تعتمد على الموجات المليمترية، والتي تقلل بشكل فعال من حجم الجهاز وتكلفته من خلال تصميم متكامل للغاية. فيما يتعلق بمعالجة الإشارات، تتم دراسة وتحسين خوارزميات تقدير القناة وكشف الإشارة بشكل مستمر لتحسين دقة وكفاءة الخوارزميات. على سبيل المثال، استخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي مثل التعلم العميق للتنبؤ وتقدير معلومات حالة القناة، مما يؤدي إلى تحسين دقة وسرعة تقدير القناة.
ومع التطور المستمر ونضج التكنولوجيا، سيصبح تطبيق تقنية Massive MIMO في شبكات 5G أكثر شمولاً وتعمقًا. في المستقبل، لن يتم تطبيق تقنية Massive MIMO على محطات قاعدة الماكرو فحسب، بل سيتم أيضًا الترويج لها في محطات قاعدة صغيرة مثل محطات قاعدة صغيرة ومحطات قاعدة بيكو، مما يزيد من تحسين تغطية الشبكة وسعتها. وفي الوقت نفسه، سيتم أيضًا دمج تقنية Massive MIMO مع تقنيات 5G الرئيسية الأخرى، مثل اتصالات الموجات المليمترية وتقطيع الشبكة، لتزويد المستخدمين بخدمات اتصالات أفضل وأكثر تنوعًا. وفي أبحاث تقنية 6G، ستستمر تقنية Massive MIMO في لعب دور مهم، والتحرك نحو أهداف أداء أعلى ووضع أساس متين لتطوير شبكات الاتصالات المستقبلية.
تأسست شركة Shenzhen Keesun Technology Co.,Ltd في أغسطس من عام 2012، وهي مؤسسة ذات تقنية عالية متخصصة في أنواع مختلفة من تصنيع الهوائيات وكابلات الشبكة.
