تتطلب الإشارات الموجودة في نطاق mmWave عناية إضافية ومكونات أكثر تكلفة مقارنةً بالترددات دون 6 جيجاهرتز.
تستمر طلبات البيانات في المطالبة بمزيد من عرض النطاق الترددي في الشبكات اللاسلكية، ومن المؤكد أن هذا الاتجاه سيستمر. وسيعمل الذكاء الاصطناعي، والمركبات ذاتية القيادة، والواقع المعزز/الواقع الافتراضي، وغيرها من التقنيات على تحقيق ذلك. يمكن أن يلبي طيف mmWave المخصص لشبكات الجيل الخامس احتياجات النطاق الترددي، ولكن ليس بدون مقايضات اقتصادية وفنية.
تدور فوائد mmWave حول قدرتها. يوفر هذا الطيف، من 30 جيجا هرتز إلى 300 جيجا هرتز تقريبًا (تبدأ موجة 5G mmWave عند 24 جيجا هرتز)، آلاف الميجا هرتز من عرض النطاق الترددي مقارنة بـ 6G دون 5 جيجا هرتز، الذي يحتوي على مئات الميجا هرتز. ومع ذلك، تدرس الصناعة اللاسلكية ترددات تصل إلى 100 جيجا هرتز لشبكات 5G، مع بحث أبحاث 6G في 140 جيجا هرتز وما بعدها. تجلب هذه الترددات تحديات تقنية من حيث فقدان الإشارة في الموصلات والكابلات وآثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور وعبر الهواء.
الشكل 1. الأشجار والزجاج والمباني والجدران والأمطار ومعظم الأشياء الأخرى تحجب إشارات الموجات المليمترية. في هذه الترددات، خط البصر المباشر يصنع الفارق.
يختلف الانتشار، أو قدرة الإشارة على الانتقال عبر وسيط، بشكل كبير بين ترددات 6G دون 5 جيجاهرتز والموجات المليمترية. مثل الشكل 1 كما يظهر، تتمتع إشارات الموجات المليمترية بقدرة محدودة أو متضائلة على المرور عبر المباني والأشجار والأمطار والأشياء الأخرى بين جهاز الإرسال والاستقبال. يمكن لأجهزة إعادة الإرسال والخلايا الصغيرة التخفيف من هذه المشكلات.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم أجهزة الراديو mmWave هوائيات MIMO ضخمة مع توجيه شعاعي لزيادة الكفاءة وبمستويات طاقة إرسال أقل بكثير من الهوائيات متعددة الاتجاهات. يعني النطاق القصير لإشارات الموجات المليمترية أنه قد يلزم وضع أجهزة الراديو كل 1,000 متر، على عكس أجهزة الراديو دون 6 جيجا هرتز، والتي يمكن أن تكون على بعد أميال. وهذا أحد عناصر التكلفة التي يواجهها مشغلو الشبكات.
تحديات تصميم mmWave
تصميم راديو mmWave يجلب تحديات أخرى. مع زيادة الترددات، تعمل مكونات mmWave، ومواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وآثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور، والوصلات البينية على تقليل تكاليف فقدان الإشارة أكثر من تلك المصممة للترددات المنخفضة. لهذا، فكر في الموصلات المحورية الموضحة في الشكل 2. يمكن أن يعمل موصل SMA المشترك حتى 18 جيجا هرتز.
الشكل 2. تعمل الترددات الأعلى على تقليل حجم الموصل، ولكن تفاوتات التصنيع تتقلص أيضًا، مما يجعلها أكثر تكلفة.
عند ترددات mmWave، تحتاج موصلات التردد اللاسلكي إلى أحجام أصغر لنقل الإشارة بكفاءة. عند الانتقال إلى mmWave، يمكنك استخدام موصل مقاس 2.92 مم يمكنه العمل بتردد 40 جيجا هرتز. لسوء الحظ، يجب أن تكون التفاوتات الميكانيكية للمكونات الداخلية داخل الموصل أكثر صرامة من موصلات SMA. يمكن أن تكون هذه التفاوتات الأكثر صرامة أكثر تكلفة مرتين إلى ثلاث مرات من تلك المستخدمة في الأنظمة التي تعمل تحت 10 جيجاهرتز.
في نظام الراديو 5G تحت 6 جيجا هرتز، غالبًا ما تقوم الموصلات المحورية للتردد اللاسلكي من لوحة إلى لوحة بتوجيه إشارات التردد اللاسلكي بين لوحة مضخم الطاقة والفلتر والهوائي. ومع زيادة عدد قنوات الإرسال، يفضل المهندسون التوصيلات ثلاثية القطع الموضحة في الصورة الشكل 3 لتحقيق المحاذاة المحورية والشعاعية أثناء التجميع.
الشكل 3. زيادة التردد تجعل الموصلات أقصر وأكثر كثافة.
بالنسبة لنظام هوائي MIMO ضخم ونشط مع 64 قناة إرسال، فإن هذا يعادل ما لا يقل عن 64 مجموعة من لوحة إلى لوحة RF لكل راديو. تحتوي بعض أنظمة هوائي MIMO النشطة الضخمة على 128 قناة إرسال/128 قناة استقبال أو أكثر. إذا كان الحل المكون من ثلاث قطع لموصل التردد اللاسلكي يبلغ متوسطه 0.60 دولارًا أمريكيًا لكل مجموعة، فهذا يشير إلى أن محتوى الموصل الخاص بالهوائي/الراديو النشط قد يزيد عن 150 دولارًا أمريكيًا.
EMI والحديث المتبادل
تشكل الإشارات عالية التردد تحديات إضافية لتصميمات الموصلات والكابلات. باستخدام مثال MIMO الضخم، مع وجود أنظمة الترددات اللاسلكية المحورية بالقرب من بعضها البعض، يجب عليك تقليل EMI والتداخل. يصبح التدريع أكثر أهمية على الواجهات القابلة للفصل (الموصلات المحورية) أو الكابلات المحورية في حالة استخدامها. تستخدم العديد من موصلات لوحة إلى لوحة RF موصلات أرضية خارجية مشقوقة تسمح لها بالانزلاق أو التثبيت معًا عند التزاوج. يجب إدارة تصميم هذه الفتحات وأي فتحات محتملة ذات محاذاة محورية خاطئة بعناية لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي.
الشكل 4. تتعامل موصلات SMP مع ترددات تصل إلى 40 جيجا هرتز.
يمثل توهين الإشارة تحديًا آخر. مع زيادة أرقام القنوات، تنخفض عادةً طاقة الخرج لكل قناة. يؤدي انخفاض طاقة الخرج إلى زيادة الحاجة إلى مسارات إرسال التردد اللاسلكي منخفضة التوهين (مثل أنظمة الموصل من لوحة إلى لوحة). تستخدم العديد من الموصلات الموجودة في تطبيقات دون 6 جيجاهرتز مواد عازلة مقولبة كحل وسط بين توهين الإشارة والتكلفة. نظرًا لأن التوهين يزداد مع التردد، فإن معظم المواد العازلة المقولبة المستخدمة في موصلات التردد اللاسلكي ليست فعالة بدرجة كافية لأنظمة الراديو mmWave. عادةً ما تستخدم موصلات التردد اللاسلكي التي تعمل بتردد 100 جيجا هرتز أو أعلى الهواء باعتباره العازل الأساسي. يتم دعم الموصلات المركزية بواسطة حبات دعم صغيرة مصبوبة. بعض الموصلات، مثل SMP أو SMPM (الشكل 4) ، تحتوي على مواد عازلة من مادة البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) وقد تكون بمثابة حل وسط معقول.
تقوم مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور أيضًا بتمرير إشارات التردد اللاسلكي داخل أجهزة الراديو. هناك اعتبارات مماثلة لمواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور وبناء التحديات المحورية RF المذكورة أعلاه. تتوفر اليوم مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور منخفضة الفقد، ولكنها تحمل قيمة أعلى مقارنة بالمواد المستخدمة في أنظمة أقل من 6 جيجاهيرتز. تتم إدارة التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) والتداخل المتبادل باستخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) متعددة الطبقات، والمنافذ، وتقنيات العزل الأخرى. قد تستخدم هوائيات MIMO الضخمة لشبكة 5G التي تغطي ترددات mmWave بين 22 جيجا هرتز و39 جيجا هرتز عشر طبقات أو أكثر من طبقات PCB لتحقيق أداء معقول. وبالنظر إلى قدرة الخرج المعتدلة لكل قناة وتأثيرات توجيه الحزمة لإشارات MIMO الضخمة، قد يكون تحقيق القدرة المشعة الفعالة المتناحية (EIRP) للنظام أمرًا صعبًا.
ماذا عن 6G؟
في 6G، تتضمن أنظمة الراديو mmWave التي قد تلعب دورًا، مجموعة من المنتجات بدءًا من أدلة الموجات العازلة وحتى الهوائيات المقولبة. تقوم هذه التقنيات بتوجيه زاوية سقوط الشعاع نحو المستخدم، مما يقلل من تقليل القدرة المشعة المكافئة المشعة (EIRP) في توجيه الشعاع. يستمر العمل على أجهزة توجيه الشعاع الرقمي والتقنيات الأخرى لتحسين أداء الراديو mmWave. تتوفر الآن الموصلات المحورية التي تعمل بتردد يصل إلى 145 جيجا هرتز في حالة انتقال 6G إلى طيف تردد تيراهيرتز.
ومع استمرار أبحاث الجيل السادس، يتم أيضًا النظر في الترددات بين 6 جيجا هرتز و6.4 جيجا هرتز. قد يشير هذا إلى أن 15G ستتبنى بعض الدروس المستفادة في استراتيجيات نشر 6G RAN، مع الاعتماد على طيف تردد أقل.
في الوقت الحالي، ما زلنا لا نعرف كيف ستختلف 6G عن 5G أو 5G-Advanced. تتمتع ترددات الموجات المليمترية بعرض نطاق أكبر بكثير من الإشارات دون 6 جيجا هرتز، أي حوالي 1.2 جيجا هرتز مقابل أقل من 600 ميجا هرتز. كيف سيتم تطوير ونشر الأنظمة التي لها معنى اقتصادي لمشغلي الشبكات اللاسلكية؟ نظرًا لأن حالات الاستخدام النظرية تستغرق وقتًا طويلاً للتطوير، فهل ستكون تقنية 6G بمثابة حل وسط يحقق أقصى استفادة من الطيف من 7 جيجا هرتز إلى 15 جيجا هرتز؟ ربما يؤدي الذكاء الاصطناعي، والمركبات ذاتية القيادة، والواقع الافتراضي، وتوسيع الوصول اللاسلكي الثابت (FWA) إلى دفع الصناعة نحو استخدام أكبر لطيف الموجات المليمترية. من الممكن أنه بحلول عام 2035، سنرغب جميعًا في إجراء مكالمات ثلاثية الأبعاد للاجتماعات بدلاً من مؤتمرات الفيديو. وبالنظر إلى كيفية استخدامنا لأجهزتنا المحمولة خلال عصر 2G/3G مقارنة باليوم، فمن الواضح أننا قطعنا شوطًا طويلاً.
يجب أن تكون هناك حالة استخدام أو تطبيق جديد في المستقبل غير البعيد والذي سيستمر في زيادة الحاجة إلى نطاق ترددي أكبر. ونظرًا لأن العديد من مشغلي الشبكات اللاسلكية يمتلكون بالفعل هذا الطيف القيم، فسيكونون سعداء بإتاحته طالما أن الجدوى الاقتصادية منطقية.