فهم تقنية الترددات الراديوية 5G في مقال واحد: التعقيد مرعب، ويضاهي تعقيد النطاق الأساسي.

أصبحت الهواتف المحمولة، كميزة أساسية في عصر الإنترنت عبر الهاتف المحمول، جزءاً لا يتجزأ من حياتنا. بفضلها، نستطيع الدردشة والتسوق ومشاهدة البرامج التلفزيونية كما نشاء، والاستمتاع بحياة رائعة.

نظراً لأهمية الهواتف المحمولة، يولي الناس اهتماماً بالغاً لتطوير التقنيات المرتبطة بها. فكلما طُرح منتج جديد، تنشر وسائل الإعلام تقارير مطولة عنه، وتدور نقاشات حادة على مواقع التواصل الاجتماعي.

مع ذلك، غالبًا ما ينصبّ اهتمام الناس بالهواتف المحمولة على المعالج المركزي، ومعالج الرسوميات، والنطاق الأساسي، والشاشة، والكاميرا. يوجد مكون خاص بالغ الأهمية للهواتف المحمولة، لكن قليلًا ما يلتفت إليه الناس.

أي جزء هو؟ نعم، إنه بطل مقالنا اليوم - الترددات الراديوية.

▉ما هو التردد الراديوي؟

التردد الراديوي، أو ما يُعرف بالإنجليزية باسم Radio Frequency، وهو اختصار شائع RF. ويعني حرفيًا التردد الراديوي. وتشير إشارات التردد الراديوي تحديدًا إلى الموجات الكهرومغناطيسية الراديوية التي يتراوح ترددها بين 300 كيلوهرتز و300 جيجاهرتز.

كما نعلم جميعاً، فإن السبب وراء قدرة الهواتف المحمولة على التواصل مع محطات البث يعتمد على إرسال واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية اللاسلكية فيما بينها.

تُسمى سلسلة الدوائر والرقائق والمكونات وما إلى ذلك الموجودة في الهاتف المحمول والمسؤولة تحديدًا عن إرسال واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية الراديوية مجتمعة بنظام الترددات الراديوية، أو "الترددات الراديوية" اختصارًا (نفس الشيء أدناه).

تُعدّ الترددات الراديوية والنطاق الأساسي حجر الزاوية في وظائف الاتصال بالهواتف المحمولة. إذا اعتبرنا الاتصال بين الهاتف المحمول والعالم الخارجي بمثابة "خدمة سريعة"، فإنّ مهمة النطاق الأساسي هي "تغليف/فك تغليف" البيانات. أما مهمة الترددات الراديوية فهي إرسال/استقبال "حزم" البيانات عبر نطاق الترددات الراديوية المُخصّص.

مخطط توضيحي: نطاق القاعدة على اليسار ونطاق الترددات الراديوية على اليمين

كيف يبدو شكل التردد اللاسلكي؟ الصورة أدناه توضح التصميم الأمامي والخلفي للوحة الدائرة الرئيسية لهاتف محمول من ماركة معينة.

(图片来自ABI Research)

في الصورة، جميع الأجزاء المحاطة بدائرة صفراء تنتمي إلى نطاق الترددات الراديوية. ويتضح أن مكونات الترددات الراديوية تشكل نسبة كبيرة من بنية الهواتف المحمولة.

من الناحية المعمارية، يتألف نظام الترددات الراديوية المتكامل من ثلاثة أجزاء: جهاز الإرسال والاستقبال، ووحدة الاستقبال الأمامية، والهوائي. وتشمل وحدة الاستقبال الأمامية مكونات متعددة مثل مضخمات الطاقة، وأجهزة تتبع الغلاف، ومضخمات الضوضاء المنخفضة، والمرشحات، ومفاتيح الهوائي، وموالفات الهوائي.

هندسة الترددات الراديوية

وظائف كل مكون من مكونات الواجهة الأمامية للترددات الراديوية ليست معقدة. على سبيل المثال، يعمل المضخم على تضخيم الإشارة لكي تتمكن من الإرسال لمسافات أبعد؛ ويعمل المرشح على إزالة التشويش وجعل الإشارة أكثر نقاءً؛ ويُستخدم مفتاح الهوائي للتحكم في فتح وإغلاق الهوائي؛ أما الوظيفة الرئيسية لموالف الهوائي فهي ضبط الهوائي للحصول على أفضل أداء لجهاز الإرسال والاستقبال.

يتعاون عدد كبير من مكونات الترددات الراديوية مع بعضها البعض ويعملون معًا لإكمال "الخطوة النهائية" ونقل البيانات المعبأة بواسطة النطاق الأساسي "biu~biu~biu~".

إذا كان تصميم الترددات اللاسلكية غير مناسب، وتراجع أداء المكونات، فسيؤثر ذلك بشكل مباشر على قدرات إرسال واستقبال الإشارات اللاسلكية للهاتف المحمول، وبالتالي على قدرات الاتصال لديه. ومن مظاهر ذلك ضعف الإشارة اللاسلكية، وقصر مسافة الاتصال، وبطء سرعة الشبكة، وغيرها.

بمعنى آخر، إذا كانت قدرة التردد اللاسلكي للهاتف المحمول ضعيفة، فهو أشبه بسيارة ذات قوة محرك غير كافية. مهما كانت الميزات الأخرى متطورة، فلن يتقبلها المستخدمون.

لذلك، عندما يقوم مصنعو الهواتف المحمولة بتطوير وتصميم الهواتف المحمولة، فإنهم عادة ما يبذلون الكثير من الجهد في مجال الترددات اللاسلكية، ويفكرون ملياً ويجرون الاختبارات والتحقق قبل أن يجرؤوا على إطلاق المنتج النهائي.

▉تحديات الترددات الراديوية لتقنية الجيل الخامس

ندخل اليوم عصر الجيل الخامس (5G) بثقة عالية. فهل طرأت أي تغييرات على نظام الترددات اللاسلكية في الجيل الخامس مقارنةً بالجيل الرابع التقليدي (4G)؟

نعم، الإجابة هي نعم. ليس هناك تغيير فحسب، بل هو تغيير جذري.

بالمقارنة مع الجيل الرابع، حقق الجيل الخامس تحسناً كبيراً في مؤشرات الأداء. ويرفع سيناريو النطاق العريض المحسن للهواتف المحمولة (eMBB) في الجيل الخامس سرعات الهواتف المحمولة إلى مستويات جيجابت أو حتى 10 جيجابت، أي ما يعادل 10 أضعاف/100 ضعف سرعة الجيل الرابع LTE (100 ميجابت في الثانية) على التوالي.

تدعم تقنية الجيل الثاني والثالث والرابع، بالإضافة إلى الجيل الخامس، وتقنية MIMO (تقنية الهوائيات المتعددة)، وتقنية شريحتي SIM في وضع الاستعداد المزدوج، أي ضعف عدد الهوائيات ونطاقات التردد المدعومة في الهواتف المحمولة. في بدايات تقنية الجيل الرابع، كان عدد تركيبات نطاقات التردد أقل من 20 تركيبة. في المقابل،تضم تقنية الجيل الخامس أكثر من 10,000 تركيبة من نطاقات الترددإن التعقيد أمر مرعب.

في الوقت نفسه، ولضمان رغبة المستخدمين في الترقية (tāo) (qián)، لا يمكن زيادة سمك ووزن الهواتف المحمولة من الجيل الخامس، ولا يمكن زيادة استهلاك الطاقة، ولا يمكن تقليل وقت الاستعداد.

لو كنتَ مصنّعاً للهواتف المحمولة، هل ستصاب بالجنون؟

لذلك، يجب على ترددات الراديو الخاصة بالهواتف المحمولة من الجيل الخامس أن تعيد ابتكار نفسها وأن تخلق معجزات وابتكارات بقوة.

كيف يمكن حل مشاكل تصميم أنظمة الترددات الراديوية؟ اقترحت شركة كوالكوم فكرة شاملة وقدمت مباشرةً "نظام مودم وترددات راديوية متكامل". ويعني هذا المفهوم الشائع أن النطاق الأساسي، وجهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي، والواجهة الأمامية للترددات الراديوية، ووحدة الهوائي، وإطار البرمجيات، وغيرها، كلها مكتملة، ويتم توفير حل متكامل للمصنّع.

وبعبارة أخرى، يجب أن يتخلى مفهوم تصميم المكونات الطرفية مثل الهواتف المحمولة من الجيل الخامس عن الفكرة السابقة المتمثلة في "شراء حصان في السوق الشرقية، وسرج في السوق الغربية، ولجام في السوق الجنوبية، وسوط في السوق الشمالية" والتركيز على المكونات الفردية، وأن يتبنى بدلاً من ذلك حلاً متكاملاً على مستوى النظام لـ "تصميم الحزمة".

على سبيل المثال، في الماضي، كان المصنع (أ) يصنع النطاق الأساسي، والمصنع (ب) يصنع الترددات اللاسلكية، والمصنع (ج) يصنع الهوائي، ثم يقوم مصنع الهواتف المحمولة (د) بدمجها وتوصيلها. أما اليوم، فتقوم الشركات المصنعة الكبرى بتصميم وتغليف النطاق الأساسي والترددات اللاسلكية والهوائي، وغيرها، ثم تسلمها مباشرةً إلى مصنعي الهواتف المحمولة، مما يتيح استخدامها بسرعة.

يُعد التكامل على مستوى النظام نتيجة حتمية للزيادة الكبيرة في تعقيد النطاق الأساسي لشبكات الجيل الخامس والترددات الراديوية.

يشبه الأمر القطار. في الماضي، كانت سرعة عربات القطارات ذات المقاعد الجلدية الخضراء بطيئة، وكان من الممكن تصميم وتصنيع العربة ومقدمتها بشكل منفصل، ثم تشغيلهما معًا. أما في عصر القطارات فائقة السرعة، فقد تضاعفت مؤشرات السرعة. إذا استمر تصميم وتصنيع العربات والقاطرة بشكل منفصل، فلن يكون من الممكن تحقيق التنسيق الأمثل بينهما. لن يقتصر الأمر على صعوبة تحقيق مؤشرات السرعة المطلوبة، بل قد تنشأ أيضًا مشكلات تتعلق بالسلامة.

لذلك، عادةً ما يتم تصميم وتصنيع وحدات القطارات الكهربائية عالية السرعة بطريقة موحدة.

بمعنى آخر، في ظل مؤشرات الجيل الخامس الصعبة المذكورة أعلاه، من الضروري إجراء تصميم شامل للنطاق الأساسي والترددات الراديوية من منظور التكامل على مستوى النظام. وبهذه الطريقة، يمكن تحقيق تآزر مثالي بين البرمجيات والأجهزة، وبالتالي تحقيق الأداء الأمثل (معدل نقل البيانات، والتغطية، وما إلى ذلك).

إضافةً إلى تحقيق المؤشرات المطلوبة، يُسهم التصميم المتكامل في تقليل الحجم النهائي للنظام، وبالتالي تقليل المساحة التي يشغلها الهاتف المحمول. كما يتميز التصميم المتكامل بمزايا واضحة فيما يتعلق باستهلاك الطاقة للنظام والتحكم في تبديد الحرارة.

وأخيرًا وليس آخرًا، فإن توفير حلول التكامل على مستوى النظام يمكن أن يقلل من صعوبة تصميم مصنعي الهواتف المحمولة، مما يسمح لهم بإطلاق المنتجات بشكل أسرع والاستحواذ على السوق.

▉تقنية الترددات اللاسلكية 5G السوداء

دعونا نلقي نظرة فاحصة على التقنيات السوداء المثيرة للاهتمام لراديو الجيل الخامس المتكامل على مستوى النظام.

أولاً وقبل كل شيء، أول تقنية سوداء هي تتبع غلاف النطاق العريض.

عندما قدمتُ بنية الترددات الراديوية سابقاً، كان هناك جهاز تتبع الطاقة ضمنها. تُستخدم أجهزة تتبع الطاقة مع مضخمات الطاقة.

يُعد مُضخّم الطاقة المكوّن الأساسي للترددات الراديوية. وهو يشبه مكبر الصوت، حيث يحوّل الأصوات (الإشارات) الضعيفة إلى أصوات (إشارات) عالية.

إذا أردتَ النفخ في البوق، فأنتَ بالتأكيد بحاجة إلى بذل جهد كبير (مصدر طاقة). وظيفة جهاز تتبع الطاقة هي التحكم في شدة (قوة) النفخ في البوق.

الطريقة التقليدية للنفخ هي طريقة تتبع متوسط ​​القدرة (APT). وخلال فترة زمنية محددة، تظل قوة النفخ ثابتة.

وتتيح تقنية تتبع الغلاف واسع النطاق (ET) التحكم الدقيق في الطاقة. بعبارة أخرى، يمكن للمودم (النطاق الأساسي) التحكم في متتبع الغلاف في نطاق الترددات الراديوية وفقًا للتغيرات في الإشارة، وبالتالي التحكم بدقة في طاقة إرسال الإشارة اللاسلكية.

يُعد استهلاك الطاقة المهدرة لتتبع الغلاف أقل بكثير من استهلاك الطاقة المهدرة لتتبع متوسط ​​الطاقة التقليدي.

(صورة من شركة كوالكوم)

وبهذه الطريقة، يتم توفير القوة البدنية (الطاقة) بشكل كبير، ويتم تقليل استهلاك طاقة الترددات اللاسلكية، ويزداد وقت الاستعداد للهاتف المحمول.

يُسهم التحكم الدقيق في طاقة الإرسال في حصول الهواتف المحمولة على أفضل كفاءة لنقل الإشارة، مما يُحسّن جودة القناة. خلال عملية الاتصال ثنائي الاتجاه بين الهاتف المحمول ومحطة القاعدة، عندما يحصل الهاتف على جودة قناة أفضل، تستطيع محطة القاعدة دعم الهاتف لتحقيق خدمات تحميل وتنزيل أفضل، مثل دعم تقنية MIMO 2×2، مما يُحسّن سرعة الشبكة. إضافةً إلى ذلك، تُهيئ جودة القناة الأفضل الظروف لمحطة القاعدة لتخصيص طرق تعديل أعلى رتبة (مثل 256QAM) للهواتف المحمولة، مما يُحسّن إنتاجية الهاتف ويدعم خدمات نقل بيانات أسرع وأفضل.

اعتمدت عدة أجيال من مودمات سنابدراغون 5G وأجهزة تتبع نطاق الترددات العريضة المدمجة في أنظمة الترددات اللاسلكية، والتي سبق أن طرحتها شركة كوالكوم، هذه التقنية. ويتميز أحدث جهاز تتبع نطاق الترددات العريضة من كوالكوم، QET7100، بتحسين كفاءة الطاقة بنسبة 30% مقارنةً بأحدث المنتجات المتوفرة حاليًا من الشركات المصنعة الأخرى في السوق.

أما التقنية السوداء الثانية التي قدمناها فهي تقنية تحسين الإشارة بمساعدة الذكاء الاصطناعي.

تُعدّ هذه التقنية أحدث التقنيات المُتاحة في مودم Snapdragon X65 5G ونظام الترددات اللاسلكية الذي تم إطلاقه في فبراير الماضي. كما أنها المرة الأولى في هذا المجال التي يتم فيها دمج تقنية الذكاء الاصطناعي المتطورة في نظام الترددات اللاسلكية للهواتف المحمولة لتحسين الإشارة.

يكمن جوهر تقنية تحسين الإشارة المدعومة بالذكاء الاصطناعي في إدخال هذه التقنية في نظام ضبط الهوائي. وهناك طريقتان لضبط الهوائي، إحداهما مطابقة المعاوقة والأخرى ضبط الفتحة.

دعونا نلقي نظرة على مطابقة المعاوقة أولاً.

يمكن فهم ما يسمى بمطابقة المعاوقة على أنه نوع من أعمال "أنابيب المياه".

يشبه الربط بين مكونات نظام الترددات الراديوية والهوائي الربط بين أنبوبي ماء. عندما تكون المعاوقات متطابقة، تتطابق المواضع تمامًا. في هذه الحالة، يكون تدفق الماء في أقصى حالاته وكفاءة الإشارة في أعلى مستوياتها. أما إذا تغيرت معاوقة المكون، فسيصبح الأنبوب غير مستقيم، ويقل تدفق الماء، ويُهدر جزء منه.

هناك العديد من الأسباب لتغيرات المعاوقة، مثل لمس اليد، وتوصيل خطوط البيانات، وتركيب أغطية الهواتف المحمولة، وما إلى ذلك. حتى إيماءات الإمساك المختلفة (اليد اليسرى، اليد اليمنى، يد واحدة، كلتا اليدين) ستؤدي إلى معاوقات مختلفة.

تتمثل طريقة مطابقة المعاوقة التقليدية في اختبار الأسباب المختلفة لتغيرات المعاوقة في المختبر للعثور على قيم خصائص الهوائي، ثم التحكم في مكونات الترددات الراديوية من خلال المودم لضبط المعاوقة بحيث يتم محاذاة أنبوب استقبال المياه مع أنبوب إمداد المياه قدر الإمكان.

تُدخل تقنية تحسين الإشارة المدعومة بالذكاء الاصطناعي خوارزميات الذكاء الاصطناعي لإجراء تحليل البيانات الضخمة والتعلم الآلي على قيم خصائص الهوائي بسبب تغيرات المعاوقة المختلفة لتحقيق ضبط ذكي للمعاوقة وتحقيق تأثير المطابقة الأمثل.

وبصراحة، يشبه الأمر إلى حد ما تركيب خرطوم بين أنبوب إمداد المياه وأنبوب استقبال المياه لمنع هدر تدفق المياه قدر الإمكان.

يُعادل تحسين الإشارة بمساعدة الذكاء الاصطناعي وصلة الربط بين التردد اللاسلكي والهوائي

يُعد ضبط فتحة العدسة أمرًا بسيطًا نسبيًا، ما عليك سوى ضبط الطول الكهربائي للهوائي.

من منظور الأشعة، يُعتبر الطول الأمثل للهوائي ربع الطول الموجي. أما الهواتف المحمولة الحديثة، وبسبب تقنية الاتصال الشبكي الكامل، ودعم شريحتين SIM في وضع الاستعداد المزدوج، وغيرها من الأسباب، يتغير تردد تشغيل نظام الاتصالات المتنقلة بشكل ديناميكي. فعلى سبيل المثال، يعمل أحيانًا على تردد 2.6 جيجاهرتز وأحيانًا أخرى على تردد 3.5 جيجاهرتز.

إذا تغير تردد التشغيل، فهذا يعني أن الطول الموجي الأمثل يتغير أيضاً. لذا، من الضروري ضبط فتحة الهوائي، وتعديل طوله، وإطالة ذروة الموجة لتحقيق أفضل النتائج.

بشكل عام، تتمثل الوظيفة الرئيسية لتقنية ضبط الهوائي القائمة على مطابقة المعاوقة وضبط الفتحة في التغلب على تأثير البيئة الخارجية على إشارة الهوائي، وضبط الإشارة ديناميكيًا، وتحسين تجربة المستخدم.

وفقًا للتحقق الفعلي، يمكن تحسين دقة الوعي الظرفي للنظام بنسبة 30٪ باستخدام تقنية تحسين الإشارة المدعومة بالذكاء الاصطناعي، مما يقلل بشكل كبير من معدل انقطاع المكالمات ويحسن السرعة والتغطية وعمر البطارية.

▉خاتمة

توجد العديد من التقنيات المبتكرة لأنظمة ترددات الجيل الخامس، مثل تحسين تعدد الموجات الحاملة، وضبط فصل الإشارات، وتعزيز التزامن باستخدام شرائح SIM متعددة، وغيرها. هذه التقنيات هي ثمرة الابتكار التكنولوجي، حيث جمعت خبرات المهندسين ومهدت الطريق لإطلاق سلس لأجهزة الجيل الخامس.

لم يعد تردد الراديو 5G اليوم مجرد عنصر مساعد للنطاق الأساسي، بل أصبح مكونًا مهمًا للهاتف المحمول يمكن أن يكون على قدم المساواة مع النطاق الأساسي ويكمل كل منهما الآخر.

مع التوسع المستمر في بناء شبكات الجيل الخامس، بالإضافة إلى اتصالات الهاتف المحمول، بدأت تظهر تطبيقات صناعية رأسية جديدة للجيل الخامس. ستتنوع أشكال أجهزة الجيل الخامس، وسيواجه قطاع الترددات الراديوية للجيل الخامس تحديات أكبر.

ما هي الحيل الجديدة التي ستقدمها تقنية الجيل الخامس (5G) بحلول ذلك الوقت؟ لننتظر ونرى!

هذا المقال مأخوذ من "عالم الهندسة الإلكترونيةفي حال وجود أي انتهاك أو مشاكل أخرى، يرجى الاتصال بنا لحذفها.ادعموا حماية حقوق الملكية الفكرية، ويرجى ذكر المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة النشر.