MIMO
في الاتصالات اللاسلكية, يتم توزيع المستخدمين على المصادر المتوفرة للاتصال بحيث لا يحدث تداخل بينهم وهذه المصادر هي التردد والوقت, ولزيادة كمية المعلومات المرسلة في وقت محدد وتردد محدد يجب أن نقوم بزيادة كمية الوقت لإرسال معلومات أكثر أو نقوم بزيادة عرض نطاق الترددات Bandwidth المخصصة للمستخدم , ولكن هذه الترددات محدودة وتباع بأسعار باهظة الثمن, والوقت أيضا محدود, و في المناطق الحضرية المزدحمة urban area يتم استعمال معظم ترددات الطيف الكهرومغناطيسي المتاحة للاتصالات, لذلك نحتاج إلى طريقة لزيادة فعالية إرسال واستقبال البيانات من أبراج الاتصالات. وبالتالي فإن محدودية هذه المصادر جعلت المهندسين يفكرون بإيجاد مصادر أخرى تمكن من زيادة كمية المعلومات المرسلة في نفس الوقت والتردد, وهذا المصدر هو بعد فضاء الاتصال spatial dimension of communications حيث يتم استغلال بعد الفضاء عن طريق نظام) MIMO Multiple-In Multiple-Out (.
: Multiple-In Multiple-Out (MIMO) يقوم نظام الاتصالات بإرسال البيانات من عدة هوائيات عند الجهاز المرسل واستقبالها من عدة هوائيات عند الجهاز المستقبل. وهو يختلف عن نظام SISO (single input single output) الذي يقوم بإرسال البيانات واستقبالها من هوائي واحد في المرسل والمستقبل. وفي نظام الموبايل عادة يتم استخدام مصفوفة هوائيات من نوع patch antenna array [7]. يمكن خدمة عدة مستخدمين في نفس الوقت وعلى نفس التردد باستخدام نظام MIMO .
يمكن استخدام نظام MIMO في ثلاث اتجاهات جميعها تهدف إلى غاية واحدة وهي زيادة سعة قناة الاتصال CAPACITY.
وهذه الاتجاهات هي:
1) Diversity: تستخدم هذه التقنية لتحسين جودة الإشارة المستقبلة وتحسن من أداء الاتصالات اللاسلكية بشكل كبير. تقوم هذه التقنية باستخدام عدة هوائيات في الإرسال والاستقبال , وبالتالي فإن الإشارة سوف ترسل وتستقبل من مسارات متعددة, وتفوم عدة هوائيات باستقبال نسخ عدة من نفس الإشارة المرسلة من اكثر من لاقط إرسال, تمر النسخ المكررة المرسلة في مسارات مختلفة فيتم استقبال كل نسخة من نفس الإشارة على لاقط استقبال مختلف, وهذا يؤدي إلى تزويد جهاز الاستقبال بعدة نسخ من نفس الإشارة المرسلة. عندها تتم المقارنة بين النسخ المستقبلة وتنقيحها للحصول على نسخة شبه مطابقة للنسخة الأساسية المرسلة.
يمكن أن تستخدم هذه التقنية في محطة الإرسال base station أو في الهاتف المحمول أو في كليهما.الهوائيات المستخدمة في هذه التقنية يجب أن تفصل بينها مسافات تساوي أضعاف الطول الموجي المستخدم في البث لتحقيق عدم الارتباط بين النسخ المرسلة decorrelation. فإذا تأثرت النسخ المتعددة بحالات تلاشي مستقلة independent fading condition , فإن احتمالية أن يكون تلاشي النسخ المتعددة في نفس اللحظة الزمنية يكون ضئيل.
(SIMO)Receive diversity: استخدام عدة هوائيات في الجهاز المستقبل وهوائي واحد في الجهاز المرسل.
(MISO)Transmit diversity: استخدام عدة هوائيات في الجهاز المرسل وهوائي واحد في الجهاز المستقبل.
(MIMO)Receive and transmit diversity: استخدام عدة هوائيات في الجهاز المرسل والجهاز المستقبل.
Spatial multiplexing (2: تعمل هذه التقنية على زيادة الإنتاجية من دون زيادة عرض نطاق الترددات المستخدمة أو طاقة الإشارة, حيث يقوم المرسل بإرسال إشارة مختلفة من كل هوائي على نفس التردد وفي نفس الوقت. يتم تقسيم المعلومات إلى عدة أجزاء وإرسال كل جزء منها من هوائي مختلف واستلام كل جزء أيضا من هوائي مختلف , وهذا يزيد من سرعة الاتصال (معدل نقل البيانات).
في هذه التقنية, يمكن أن تكون البيانات المرسلة من الهوائيات المتعددة مخصصة لمستخدم واحد فقط(single user MIMO) , وفي هذه الحالة يحدث تحسن في الإنتاجية وسرعة الاتصال على مستوى المستخدم.ويمكن أن تكون البيانات المرسلة من الهوائيات المتعددة تخص مجموعة من المستخدمين( Multi user MIMO) , وهذا يزيد كمية المعلومات المرسلة على مستوى النظام بالكامل.
كل هوائي إرسال يرسل بيانات مختلفة عن الهوائيات الأخرى, لكن هوائي الاستقبال سوف يستقبل كل البانات المرسلة من كل الهوائيات , مما يشكل مصفوفة من القنوات (matrix of channels).
(3تكوين الشعاع beamforming: القدرة على تشكيل نمط شعاع مصفوفة الهوائيات , عندما يبث كل هوائي من هوائيات الإرسال موجة كهرومغناطيسية في محيطه, فإن الموجات المبثوثة من كل الهوائيات سوف تتداخل مع بعضها البعض, يمكن أن يؤدي التداخل إلى تكامل الموجات وتقويتها في نقاط معينة وقد يؤدي التداخل في نقاط أخرى إلى أن تلغي الموجات بعضها البعض. ويمكن التحكم بهذه الموجات بحيث نضمن أن تتداخل تداخل بناء في المناطق التي نريدها والتي يوجد بها أجهزة الاستقبال, وتلغي بعضها في المناطق الأخرى مما يؤدي إلى تكوين شعاع يعمل على إيصال الإشارة بأفضل قوة إرسال ممكنة.
ويتم استخدام مبدأ التراكب الراديوي في عملية تكوين الشعاع beamforming . لتوجيه الشعاع الراديوي المنبثق عن الهوائي يتم التحكم بقيمة magnitude وجهد التغذية voltage و زاوية الطورphase لكل هوائي داخل المصفوفة. يتم تجميع الشعاع الراديوي المبثوث من كل هوائي بمفرده مع الأشعة المبثوثة من الهوائيات الأخرى فيحدث بذلك تراكب راديوي Superposition . التراكب الراديوي يقوي إشارة البث في الاتجاه المراد إيصال الإشارة إليه ويلغيها في الاتجاهات الأخرى.
يتم استخدام عدة هوائيات للتحكم باتجاه الموجة عن طريق اختيار أوزان مناسبة لقيمة وزاوية الطور لإشارة كل هوائي بشكل منفرد, ويتم تركيز الإشارة اللاسلكية باتجاه أداة استقبال محددة. يتم إرسال نفس الإشارة من كل الهوائيات التي تفصل بينها مسافة تساوي نصف الطول الموجي المستخدم للبث. وبالتالي فإن جهاز الاستقبال سوف يستقبل عدة نسخ من نفس الإشارة. قد تمتلك هذه النسخ نفس زاوية الطور فيؤدي جمعها إلى تقوية الإشارة (جمع بناء) وقد تصل هذه النسخ بزوايا طور مختلفة فيؤدي جمعها إلى إضعاف الإشارة(جمع هدام).
تركيز الإشارة في اتجاه محدد يسمح بإيصال الإشارة بجودة عالية إلى جهاز الاستقبال وسرعة أكبر في نقل المعلومات من دون حاجة إلى زيادة قوة البث.
يمكن أن تتم عملية تكوين الشعاع بطريقتين هما تكوين الشعاع الرقمي وتكوين الشعاع المتناظر , قد نتطرق للحديث عنهما في مقالات قادمة بإذن الله.
المصادر:
1) https://www.rcrwireless.com/20180912/5g/5g-nr-massive-mimo-and-beamforming-what-does-it-mean-and-how-can-i-measure-it-in-the-field
2) https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/smart-adaptive-antennas/beamforming-beamsteering-antenna-basics.php
3) https://www.networkworld.com/article/3445039/beamforming-explained-how-it-makes-wireless-communication-faster.html
4) https://silvustechnologies.com/why-silvus/technology/introduction-to-mimo/
هنا اتصالات الجيل الخامس \ الباحثون المسلمون 5)
6) THE PRINCIPLE OF LINEAR SUPERPOSITION AND INTERFERENCE PHENOMENA here
7) مصفوفة الهوائيات\ الباحثون المسلمون هنا
8) Performance Analysis of Diversity Techniques for Wireless Communication System , Md. Jaherul Islam here
9) Book: wireless communications, Theodore S. Rappaport
