المعرفة الهندسية لهوائيات محطات البث من الجيل الرابع والخامس وسيناريوهات التطبيق

1 نظرة عامة على هوائيات المحطة الأساسية

يقدم هذا الفصل تصنيف هوائيات محطات القاعدة ومظهر الأنواع المختلفة من الهوائيات في الاتصالات المتنقلة.

1.1 تصنيف هوائيات المحطات الأساسية

هوائي متعدد الاتجاهات:في النمط الأفقي، يظهر الإشعاع بشكل منتظم بزاوية 360 درجة، وهو ما يُعرف عادةً بالإشعاع غير الموجه. أما في النمط الرأسي، فيظهر على شكل حزمة ذات عرض محدد. وبشكل عام، كلما قلّ عرض الحزمة، زاد الكسب. تُستخدم الهوائيات متعددة الاتجاهات عادةً في أنظمة الاتصالات المتنقلة في محطات الضواحي والمراكز الحضرية، والتي تغطي مساحات واسعة.

هوائي اتجاهي:في النمط الأفقي، يظهر الإشعاع ضمن نطاق زاوية محدد، يُعرف عادةً بالاتجاهية. أما في النمط الرأسي، فيظهر كحزمة ذات عرض محدد. وكما هو الحال في الهوائي متعدد الاتجاهات، كلما قلّ عرض الحزمة، زاد الكسب. تُستخدم الهوائيات الاتجاهية عادةً في محطات الاتصالات الخلوية الحضرية ضمن أنظمة الاتصالات المتنقلة، حيث تكون التغطية محدودة، وكثافة المستخدمين عالية، والاستخدام عالي التردد.

تُنشأ أنواع مختلفة من المحطات الأساسية وفقًا لمتطلبات الشبكة، ويمكن لكل نوع منها اختيار أنواع مختلفة من الهوائيات حسب الحاجة. ويستند هذا الاختيار إلى المعايير الفنية المذكورة أعلاه. فعلى سبيل المثال، تستخدم المحطة متعددة الاتجاهات هوائيًا متعدد الاتجاهات بكسب ثابت تقريبًا في جميع الاتجاهات الأفقية، بينما تستخدم المحطة الموجهة هوائيًا موجهًا بتغيرات ملحوظة في الكسب في الاتجاه الأفقي. وعمومًا، تُختار هوائيات بزاوية شعاع أفقية تبلغ 65 درجة في المناطق الحضرية. أما في المناطق شبه الحضرية، فيمكن اختيار هوائيات بزاوية شعاع أفقية تبلغ 65 درجة أو 90 درجة أو 120 درجة (بحسب تصميم المحطة والبيئة الجغرافية المحلية). وفي المناطق الريفية، يُعد اختيار هوائي متعدد الاتجاهات، الذي يوفر تغطية واسعة النطاق، الخيار الأمثل من الناحية الاقتصادية.

هوائي ميكانيكي:يشير هذا المصطلح إلى هوائي متنقل يستخدم تعديلًا ميكانيكيًا لزاوية الميل. بعد تثبيت الهوائي الميكانيكي عموديًا على الأرض، إذا لزم تحسين الشبكة، فمن الضروري تعديل موضع الدعامة الموجودة في الجزء الخلفي من الهوائي وتغيير ميله. أثناء عملية التعديل، على الرغم من أن مسافة التغطية في اتجاه الفص الرئيسي للهوائي تتغير بشكل ملحوظ، إلا أن سعة المكونات الرأسية والأفقية للهوائي تبقى ثابتة، مما يؤدي إلى تشوه نمط الإشارة بسهولة.

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

هوائي قابل للتعديل إلكترونياً:يشير هذا المصطلح إلى هوائي متنقل يستخدم تعديلًا إلكترونيًا لزاوية ميله. ويعتمد مبدأ الميل الإلكتروني على إمالة النمط الرأسي للهوائي نحو الأسفل عن طريق تغيير طور مذبذب الهوائي الخطي، وتغيير سعة كل من المكون الرأسي والمكون الأفقي، وتغيير شدة المجال للمكون المركب. وبما أن شدة المجال في جميع اتجاهات الهوائي تزداد وتنقص في الوقت نفسه، فإنه يضمن عدم تغير نمط الهوائي إلا قليلًا بعد تغيير زاوية الميل، مما يقلل مسافة التغطية في اتجاه الفص الرئيسي، ويحد في الوقت نفسه من مساحة التغطية الإجمالية للنمط داخل قطاع الخلية المضيفة دون التسبب في أي تداخل. وقد أثبتت التجارب العملية أنه عندما تتغير زاوية ميل الهوائي القابل للتعديل كهربائيًا من 1° إلى 5°، يكون نمطه مشابهًا تقريبًا لنمط الهوائي الميكانيكي؛ وعندما تتغير زاوية الميل من 5° إلى 10°، يتحسن نمطه قليلًا مقارنةً بالهوائي الميكانيكي؛ وعندما تتغير زاوية الميل من 10° إلى 15°، يكون نمطه أفضل من نمط الهوائي الميكانيكي. التغيير أكبر؛ فعند إمالة الهوائي الميكانيكي لأسفل بزاوية 15 درجة، يختلف نمط إشعاعه بشكل ملحوظ عن نمط الهوائي الميكانيكي. في هذه الحالة، لا يتغير شكل نمط الإشعاع كثيرًا، لكن مسافة تغطية اتجاه الفص الرئيسي تتقلص بشكل كبير، ويقع نمط الإشعاع بالكامل ضمن قطاع محطة القاعدة. يمكن لزيادة زاوية الإمالة لأسفل تقليل مساحة تغطية القطاع دون التسبب في تداخل. لذلك، يمكن استخدام هوائي قابل للتعديل كهربائيًا لتقليل فقدان المكالمات والتداخل. بالإضافة إلى ذلك، يسمح الهوائي القابل للتعديل إلكترونيًا للنظام بضبط زاوية الإمالة السفلية لنمط التوجيه الرأسي دون إيقاف التشغيل، ومراقبة تأثير التعديل في الوقت الفعلي. كما أن دقة خطوة ضبط زاوية الإمالة عالية (0.1 درجة)، مما يسمح بضبط الشبكة بدقة؛ ويبلغ معامل التشكيل البيني من الدرجة الثالثة للهوائي القابل للتعديل كهربائيًا -150 ديسيبل، وهو أقل بمقدار 30 ديسيبل من الهوائي الميكانيكي، مما يُسهم في التخلص من تداخل القنوات المتجاورة والتداخلات غير المرغوب فيها.

هوائي ثنائي الاستقطاب:هوائي الاستقطاب المزدوج هو نوع جديد من تقنيات الهوائيات يجمع بين هوائيين باستقطاب متعامد بزاوية +45° و-45°، ويعمل في وضع الإرسال والاستقبال المزدوج في آن واحد. ولذلك، فإن أبرز مزاياه هي توفير عدد الهوائيات اللازمة لمحطة قاعدة أحادية الاتجاه. عادةً، تستخدم محطة القاعدة أحادية الاتجاه (ثلاثة قطاعات) في شبكة الاتصالات المتنقلة الرقمية LTE تسعة هوائيات، ويستخدم كل قطاع ثلاثة هوائيات (للتنويع المكاني، هوائي إرسال واحد وهوائيان استقبال). أما عند استخدام هوائيات الاستقطاب المزدوج، فيحتاج كل قطاع إلى هوائي واحد فقط. في الوقت نفسه، وبفضل تعامد الاستقطاب بزاوية ±45° بين هوائيات الاستقطاب المزدوج، يضمن ذلك أن العزل بين هوائيات +45° و-45° يفي بمتطلبات العزل بين الهوائيات (≥30 ديسيبل)، وبالتالي لا تتطلب هوائيات الاستقطاب المزدوج سوى مسافة مكانية تتراوح بين 20 و30 سم. بالإضافة إلى ذلك، تتميز الهوائيات ثنائية الاستقطاب بمزايا الهوائيات القابلة للتعديل كهربائيًا. فاستخدامها في شبكات الاتصالات المتنقلة، كما هو الحال مع الهوائيات القابلة للتعديل كهربائيًا، يُقلل من فقدان المكالمات والتداخل، ويُحسّن جودة الخدمة في الشبكة ككل. ونظرًا لسهولة تركيبها، لا تتطلب الهوائيات ثنائية الاستقطاب مساحة كبيرة لبناء برج. يكفي فقط نصب عمود حديدي بقطر 20 سم، وتثبيت الهوائي ثنائي الاستقطاب عليه وفقًا لاتجاه التغطية المطلوب. هذا يوفر تكاليف البنية التحتية، ويجعل تصميم محطة القاعدة أكثر منطقية، ويُسهّل اختيار موقعها.

لاختيار الهوائيات، ينبغي اختيار هوائيات الهاتف المحمول التي تناسب احتياجات شبكات الهاتف المحمول في المنطقة بناءً على الظروف الفعلية مثل تغطية الشبكة وحجم الأعمال والتداخل وجودة خدمة الشبكة:

· في المناطق ذات الحركة المرورية العالية والمحطات الأساسية الكثيفة، ينبغي استخدام الهوائيات ثنائية الاستقطاب والهوائيات القابلة للتعديل كهربائياً قدر الإمكان؛

· يمكن استخدام الهوائيات الميكانيكية التقليدية في مناطق مثل الحدود والضواحي حيث لا يكون حجم حركة المرور مرتفعًا، ولا تكون محطات القاعدة مكتظة بالسكان، والمطلوب هو التغطية فقط.

1.2 البنية الداخلية وأنواع هوائيات محطات الاتصالات المتنقلة

1.2.1 هوائي مصفوفة عناصر اللوحة الاتجاهية

يُعدّ الهوائي الاتجاهي ذو الصفيحة النوع الأكثر شيوعًا من هوائيات محطات القاعدة بالغة الأهمية. وتشمل مزايا هذا النوع من الهوائيات: كسبًا عاليًا، ونمطًا قطاعيًا جيدًا، وفصًا خلفيًا صغيرًا، وسهولة التحكم في زاوية انخفاض النمط الرأسي، وأداءً موثوقًا في منع التسرب، وعمرًا تشغيليًا طويلًا. يوضح الشكل أدناه شكل الهوائي.

الشكل 1-1: رسم تخطيطي لشكل هوائي لوحي اتجاهي

1.2.1.1 تشكيل هوائي صفيحي عالي الكسب

الشكل 1-2: استخدام عدة مذبذبات نصف موجة لتشكيل مصفوفة خطية رأسية

الشكل 1-3 مبدأ إضافة لوحة عاكسة إلى جانب واحد من المصفوفة الخطية لتحقيق التوجيه الأفقي (مع أخذ المصفوفة الرأسية المكونة من مذبذبين نصف موجة مع لوحة عاكسة كمثال).

تعتمد تصاميم هوائيات المحطات الأساسية الاتجاهية لدى مصنعي الهوائيات حاليًا بشكل أساسي على هياكل مصفوفة المذبذبات من نوع الألواح. ويتم اختيار نوعين من المذبذبات، كما هو موضح في القسمين التاليين.

1.2.1.2 المذبذب المتناظر

مصفوفة متناظرة قياسية بنصف موجة (إضافة مذبذب إضافي لتقليل ارتفاع المذبذب عن الأرض وتقليل سمك الهوائي)

الشكل 1-4: هوائي صفيحي اتجاهي مُركّب بواسطة مذبذبات نصف موجة متعددة

1.2.1.3 مذبذب Microstrip

يستخدم تشوه مذبذب نصف الموجة مبدأ خط النقل بطول ربع الموجة لتشكيل الإشعاع:

الشكل 1-5: هوائي صفيحي اتجاهي مُصنّع بواسطة مذبذبات ميكروستريب متعددة

1.2.2 هوائي ثنائي القطب متعدد الاتجاهات ذو تغذية متسلسلة

يستخدم الهوائي متعدد الاتجاهات مذبذبات نصف موجة متعددة لتحقيق توليف وتعزيز كسب الإشعاع.

الشكل 1-7: بنية المذبذب ذي التغذية التسلسلية وشكل ناتج الهوائي متعدد الاتجاهات

2 4 جي إل تي إيأنواع الهوائيات والتحليل المقارن

يتمثل المحتوى الرئيسي لهذا القسم في تقديم التحليل المقارن للتغطية وحركة المرور بين هوائيات LTE ثنائية الاستقطاب وهوائيات أحادية الاستقطاب.

2.1 تحليل الارتباط بين هوائي LTE ثنائي الاستقطاب وهوائي أحادي الاستقطاب

يُضيف إدخال تقنية الهوائيات المتعددة في LTE بُعدًا مكانيًا جديدًا لموارد الاتصالات اللاسلكية، ويفرض متطلبات جديدة على نماذج قنوات الاتصال اللاسلكي. وقد طُرح نموذج القناة المكانية (SCM) في التقرير الفني 3GPP TR 25.996. يُناسب هذا النموذج الأنظمة ذات عرض نطاق ترددي 5 ميجاهرتز وتردد حامل يبلغ حوالي 2 جيجاهرتز، مع حد أقصى لعدد المسارات المتعددة يبلغ 6. يتطلب نظام LTE أن تدعم قناة الاتصال اللاسلكي عرض نطاق ترددي يصل إلى 20 ميجاهرتز. لذلك، يُستخدم نموذج SCME (امتداد SCM) في التقرير الفني 36.803 لتوسيع عرض نطاق القناة إلى 20 ميجاهرتز ودعم حد أقصى لعدد المسارات المتعددة يصل إلى 9. ومن بين هذه المتطلبات، تُعد خصائص الإرسال اللاسلكي بين محطة eNB وجهاز المستخدم (UE) دالة متغيرة مع الزمن، تتغير بتغيرات تكوين الهوائي، وزاوية اتجاهه، وارتباطه، وبيئة التشتت، كما هو موضح في الشكل أدناه.

الشكل 2-1: رسم تخطيطي لمعلمات زاوية SCM

يعتمد الفرق في أداء الاتصال اللاسلكي بين الهوائيات ثنائية الاستقطاب والهوائيات أحادية الاستقطاب (بمسافة 10λ بين الهوائيات) بشكل أساسي على معامل الارتباط لهوائي المحطة الأساسية. عندما يكون معامل الارتباط صفرًا، فهذا يشير إلى استقلالية نسبية بين الهوائيات وانخفاض مستوى الارتباط. أما عندما يكون معامل الارتباط واحدًا، فهذا يشير إلى وجود ارتباط قوي بين الهوائيات. عند استخدام النظام لأنماط تنوع الإرسال (مثل SFBC) وتنوع الاستقبال ونمط MIMO ثنائي التدفق، يكون أداء الهوائيات منخفضة الارتباط أفضل من أداء الهوائيات عالية الارتباط. يوضح الشكل أدناه نتائج محاكاة أداء SFBC بمعاملات ارتباط 0.25 و0.5 و0.6 و1 على التوالي. من نتائج المحاكاة، يتضح أن أداء النظام لا يتأثر بشكل ملحوظ عند معامل ارتباط 0.25 (مقارنةً بمعامل ارتباط صفري). ينخفض ​​أداء SFBC بمعاملات ارتباط تبلغ 0.5 و 0.6 بمقدار 0.3 ديسيبل إلى 0.4 ديسيبل تقريبًا.

الشكل 2-2: مقارنة أداء وصلات SFBC بمعاملات ارتباط مختلفة

أجرت شركة تشاينا موبايل اختبارات على معاملات الارتباط لتكوينات الهوائيات المختلفة في يوليو 2008. وتظهر معاملات الارتباط المحددة في الجدول أدناه:

الجدول 2-1: معاملات الارتباط المقابلة لتكوينات الهوائي المختلفة

ملاحظة: تم الحصول على معاملات الارتباط في الجدول أعلاه من قِبل شركة تشاينا موبايل بناءً على اختبار نموذج SCME في المناطق الحضرية المكتظة. في هذه المناطق، يُعدّ معامل الارتباط هذا ممثلاً إلى حد ما. مع ذلك، لا يعني هذا إمكانية تطبيقه على مشروع محدد، ولا يعني أيضاً أنه ينطبق على جميع نماذج المناطق الحضرية المكتظة.

2.2 مقارنة الأداء بين هوائي LTE ثنائي الاستقطاب وهوائي أحادي الاستقطاب

تُحدد تقنية LTE سبعة أنماط إرسال متعددة الهوائيات، تشمل تنوع الإرسال، وMIMO القائم على التشفير المسبق، وتشكيل الحزمة، وغيرها. تهدف أنماط الإرسال السبعة التي تُحددها LTE بشكل أساسي إلى مراعاة المرونة في اختيار أنماط الإرسال في ظل سيناريوهات ونماذج قنوات مختلفة. عادةً ما تُصنف نقاط الضعف والقصور في أداء شبكات الاتصالات اللاسلكية المتنقلة إلى الفئات الثلاث التالية:

الأنظمة ذات القدرة المحدودة:

سيناريوهات التطبيق النموذجية: الهدف الرئيسي هو زيادة التغطية والتغلب على التلاشي، مثل المناطق الفعالة، والتغطية الواسعة في المناطق الريفية، وما إلى ذلك.

نوع تقنية الهوائي المستخدمة: تنوع الإرسال، تنوع الاستقبال

فجوة الأداء: إن تحسين أداء الهوائي أحادي الاستقطاب بطول 10λ أقل من 5٪ مقارنة بالهوائي ثنائي الاستقطاب، وفجوة الأداء بين الاثنين ليست كبيرة.

أنظمة محدودة التداخل:

سيناريوهات التطبيق النموذجية: تُستخدم بشكل أساسي في المناطق الحضرية المكتظة حيث تكون المسافة بين المحطات صغيرة نسبيًا. يُعد التداخل عاملاً رئيسيًا يؤثر على أداء الشبكة.

نوع تقنية الهوائي المعتمدة: RANK=2 MIMO ثنائي التدفق، RANK=1 MIMO أحادي التدفق، RANK تكيفي

فجوة الأداء: خوارزمية RANK التكيفية أفضل بكثير من MIMO القسري ثنائي التدفق؛ في الوقت نفسه، يكون أداء الهوائيات ثنائية الاستقطاب هو نفسه بشكل أساسي أداء الهوائيات أحادية الاستقطاب 10λ.

الأنظمة ذات النطاق الترددي المحدود:

سيناريوهات التطبيق النموذجية: تكون ظروف القناة (مؤشر جودة القناة) جيدة نسبيًا، ولا يوجد تغطية مستمرة بين المحطات الأساسية، والمسافة بين المحطات الأساسية كبيرة نسبيًا، وعدد المستخدمين قليل نسبيًا. على سبيل المثال: تغطية خلية واحدة في المرحلة الأولى من الشبكة التجريبية، وما إلى ذلك.

نوع تقنية الهوائي: RANK=2 MIMO ثنائي التدفق

مقارنة الأداء: أداء الهوائي أحادي الاستقطاب بطول 10λ أفضل من أداء الهوائي ثنائي الاستقطاب، ويبلغ تحسن الأداء حوالي 20٪.

الجدول 2-2: جدول استنتاجات سيناريوهات تطبيق الهوائي

يركز التحليل أعلاه بشكل أساسي على فجوة الأداء بين الهوائيات أحادية الاستقطاب والهوائيات ثنائية الاستقطاب. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الهوائيات ثنائية الاستقطاب تتميز بسهولة تركيبها في التطبيقات الهندسية، بما في ذلك إمكانية استخدام قطب واحد، وضبط زاوية الميل السفلي بشكل موحد، مما يسهل تحسين مظهر الهوائي، وغير ذلك. في ظل الوضع الراهن الذي يزداد فيه اختيار مواقع الشبكات اللاسلكية وتركيبها صعوبة، تكتسب هذه المزايا أهمية بالغة للهوائيات ثنائية الاستقطاب.

3 4 جي إل تي إيسيناريوهات استخدام هوائيات محطات القاعدة واختيارها

يشرح المحتوى الرئيسي لهذا القسم تصنيف مناطق تغطية الشبكة اللاسلكية واختيار الهوائي المقابل بناءً على سيناريوهات نشر الشبكة الفعلية.

3.1 اختيار هوائي محطة القاعدة الحضرية

خصائص بيئة التطبيق: تتميز محطات البث بتوزيعها الكثيف، مما يتطلب تغطية محدودة لكل محطة. ويهدف ذلك إلى تقليل التغطية بين المناطق، والحد من التداخل بين محطات البث، وزيادة سرعات التنزيل.

مبادئ اختيار الهوائي:

اختيار نمط الاستقطاب: نظرًا لصعوبة اختيار مواقع محطات القاعدة في المناطق الحضرية ومحدودية مساحة تركيب الهوائيات، يوصى باستخدام هوائيات ثنائية الاستقطاب وهوائيات ذات نطاق عريض؛

اختيار نمط الاتجاه: في المناطق الحضرية، يتمثل الاعتبار الرئيسي في تحسين إعادة استخدام التردد، لذلك يتم استخدام الهوائيات الاتجاهية بشكل عام؛

اختيار عرض حزمة نصف الطاقة: من أجل التحكم بشكل أفضل في تغطية الخلية لقمع التداخل، يتم اختيار عرض حزمة نصف الطاقة الأفقية للهوائي الحضري ليكون 60 ~ 65 درجة؛

اختيار كسب الهوائي: بما أن محطات البث في المناطق الحضرية لا تتطلب عادةً تغطية واسعة النطاق، يُنصح باستخدام هوائي متوسط ​​الكسب. يُوصى باستخدام هوائي بكسب يتراوح بين 15 و18 ديسيبل في المناطق الحضرية. أما إذا استُخدم هوائي الخلية الصغيرة لتغطية المناطق التي لا تغطيها الإشارة في المناطق الحضرية، فيمكن اختيار هوائي ذي كسب أقل.

اختيار زاوية الميل السفلي: نظرًا لتعديل زاوية ميل الهوائي في المناطق الحضرية بشكل متكرر، ولأن بعض الهوائيات تتطلب ضبطها على زاوية ميل أكبر، ولأن الميل السفلي الميكانيكي لا يُساعد على التحكم في التداخل، يُنصح باستخدام هوائي بزاوية ميل سفلي مُسبقة الضبط. يُمكنك اختيار هوائي بزاوية ميل سفلي كهربائية ثابتة، أو هوائي قابل للتعديل كهربائيًا عند توفر الشروط.

3.2 اختيار الهوائي لمحطات القاعدة الريفية في الضواحي

خصائص بيئة التطبيق: محطات البث موزعة بشكل متفرق، وحجم الأعمال صغير، ومتطلبات خدمة البيانات منخفضة نسبيًا، والحاجة إلى تغطية واسعة. في بعض المناطق، لا توجد سوى محطة بث واحدة، لذا تصبح التغطية هي الشغل الشاغل. في هذه الحالة، يجب اختيار الهوائي بناءً على المنطقة المراد تغطيتها حول محطة البث.

مبادئ اختيار الهوائي:

اختيار نمط التوجيه: إذا كانت المحطة الأساسية بحاجة لتغطية المنطقة المحيطة، ولم يكن هناك اتجاه واضح، وكان توزيع حركة البيانات حول المحطة متفرقًا نسبيًا، يُنصح باستخدام تغطية شاملة الاتجاهات. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لانخفاض كسب المحطات الشاملة الاتجاهات، فإن مسافة التغطية ليست بعيدة مثل المحطات الموجهة. عند تركيب هوائيات شاملة الاتجاهات، يجب مراعاة تأثير البرج على التغطية، ويجب أن يكون الهوائي عموديًا على مستوى الأرض. إذا كانت السلطات المحلية تفرض متطلبات تغطية أوسع للمحطة الأساسية، فيجب استخدام هوائيات موجهة لتحقيق ذلك. بشكل عام، يُنصح باستخدام هوائيات موجهة بنصف عرض حزمة يبلغ 90° و105° و120° في المستوى الأفقي.

اختيار كسب الهوائي: اختر كسب الهوائي وفقًا لمتطلبات التغطية. يوصى باختيار هوائي اتجاهي ذي كسب أعلى (16-18 ديسيبل) أو هوائي متعدد الاتجاهات ذي كسب 9-11 ديسيبل في المناطق شبه الحضرية والريفية؛

اختيار طريقة إمالة الهوائي: في المناطق شبه الحضرية والريفية، لا تتوفر خيارات كثيرة لتعديل إمالة الهوائي، كما أن نطاق التعديل وخصائص زاوية الإمالة محدودة. لذا يُنصح باستخدام هوائي ذي إمالة ميكانيكية. في الوقت نفسه، عند تعليق الهوائي على ارتفاع يزيد عن 50 مترًا، وفي حال وجود متطلبات تغطية قريبة، يُفضل استخدام هوائيات ملء نقطة الصفر لتجنب مشكلة انقطاع الإشارة أسفل البرج.

3.3 تغطية الطرق السريعة | اختيار هوائي محطة القاعدة

خصائص بيئة التطبيق:في هذا السياق، يكون حجم الأعمال منخفضًا ويتنقل المستخدمون بسرعة عالية. في هذه الحالة، ينصب التركيز على حل مشكلة التغطية. وبشكل عام، يُراد تحقيق تغطية شريطية، لذا تُستخدم الخلايا ثنائية الاتجاه في الغالب لتغطية الطرق السريعة؛ كما تُستخدم الخلايا متعددة الاتجاهات في المناطق التي تمر عبر المدن والمواقع السياحية؛ ثم تُشدد على التغطية الواسعة، ويجب تحديد نوع الهوائي المستخدم بناءً على اختيار الموقع ونوعه. تختلف بيئات الطرق السريعة اختلافًا كبيرًا. بشكل عام، هناك طرق سريعة مستقيمة نسبيًا، مثل الطرق السريعة والسكك الحديدية والطرق الوطنية والإقليمية، وما إلى ذلك. يُوصى ببناء محطة بجوار الطريق السريع، باستخدام محطة من نوع S1/1/1 أو S1/1، مع هوائيات اتجاهية عالية الكسب لتحقيق التغطية. هناك طرق متعرجة ومتعرجة مثل الطرق الجبلية المتعرجة، والطرق الجبلية التي تم إنشاؤها ذاتيًا على مستوى المقاطعة، وما إلى ذلك. يجب دمجها مع التغطية الريفية بالقرب من الطريق السريع واختيار مكان مرتفع لبناء المحطة.

عند اختيار الهوائي أثناء التخطيط الأولي، حاول اختيار هوائي عالي الكسب بمسافة تغطية واسعة لتغطية واسعة.

مبادئ اختيار الهوائي:

اختيار نمط الاتجاه: في المحطات الأساسية التي تهدف إلى تغطية خطوط السكك الحديدية والطرق السريعة، يمكن استخدام هوائيات اتجاهية ذات حزمة ضيقة وكسب عالٍ. يمكن اختيار شكل الهوائي بمرونة وفقًا لعوامل مثل تموجات التضاريس المحلية والمنعطفات في موقع النشر؛

اختيار كسب الهوائي، يمكن اختيار كسب الهوائي الاتجاهي من 17 ديسيبل إلى 22 ديسيبل، ويمكن اختيار كسب الهوائي متعدد الاتجاهات من 11 ديسيبل؛

اختيار طريقة الميل السفلي: لا تتطلب تغطية الطرق السريعة عادةً زاوية ميل سفلي. يُنصح باستخدام هوائي ميكانيكي رخيص الثمن ذي ميل سفلي. عندما تتجاوز المسافة 50 مترًا وتكون هناك متطلبات تغطية قريبة، يمكن إعطاء الأولوية للهوائيات ذات نسبة ملء النقطة الصفرية (أكثر من 15٪) لحل مشكلة النقاط السوداء أسفل البرج.

نسبة الأمام إلى الخلف: بما أن معظم مستخدمي تغطية الطرق السريعة هم مستخدمون سريعو الحركة، ولضمان التسليم الطبيعي، يجب ألا تكون نسبة الأمام إلى الخلف للهوائي الاتجاهي عالية جدًا.

3.4 اختيار هوائي المحطة الأساسية لتغطية المناطق الجبلية

خصائص بيئة التطبيق:في المناطق الجبلية والتلالية النائية، تحجب الجبال موجات الراديو بشدة، مما يؤدي إلى ضعف انتشارها وصعوبة التغطية. عادةً ما تتميز هذه المناطق بتغطية واسعة، مع وجود مستخدمين متفرقين ضمن نطاق تغطية واسع لمحطة القاعدة، وحجم أعمال صغير. يمكن بناء محطة القاعدة على قمة الجبل، أو على سفحه، أو عند سفحه، أو في موقع مناسب في المنطقة الجبلية. من الضروري مراعاة توزيع المستخدمين وخصائص التضاريس المختلفة لاختيار مواقع محطات القاعدة ونماذجها وهوائياتها. من الحالات الشائعة نسبيًا: إنشاء موقع إلكتروني في منطقة جبلية منخفضة، أو على قمة جبل شاهق، أو في منتصف جبل، أو في منطقة جبلية عادية، إلخ.

مبادئ اختيار الهوائي:

اختيار نمط الإرسال: يعتمد اختيار نمط الإرسال على الموقع ونوع المحطة ومتطلبات التغطية المحيطة بها. يمكنك اختيار هوائي متعدد الاتجاهات أو هوائي اتجاهي. بالنسبة للمحطات المبنية على الجبال، إذا كان الموقع المراد تغطيته منخفضًا نسبيًا، فينبغي اختيار نمط ذي زاوية نصف طاقة رأسية أكبر لتلبية متطلبات التغطية الرأسية بشكل أفضل.

اختيار كسب الهوائي: اختر كسب هوائي متوسط، هوائي متعدد الاتجاهات (9-11 ديسيبل)، هوائي اتجاهي (15-18 ديسيبل) حسب مسافة المنطقة المطلوب تغطيتها؛

اختيار زاوية الميل: عند إنشاء محطة على جبل، وكانت المنطقة المراد تغطيتها تقع أسفل الجبل، يُنصح باختيار هوائي ذي نقطة صفرية أو بزاوية ميل سفلية مُسبقة الضبط. ويُحدد مقدار زاوية الميل السفلية المُسبقة الضبط بناءً على الارتفاع النسبي للمحطة الأساسية والمنطقة المراد تغطيتها. فكلما زاد الارتفاع النسبي، زادت زاوية الميل السفلية المُسبقة الضبط المطلوبة.

3.5 LTEملخص سيناريوهات استخدام هوائيات المحطات الأساسية

بناءً على الخيارات المذكورة أعلاه، وبالنظر إلى الظروف الخاصة بتقنية LTE، فإن مبادئ اختيار الهوائي الموصى بها هي:

الجدول 3-1: ملخص سيناريوهات استخدام الهوائيات

بشكل عام، يعتمد اختيار مواقع شبكات LTE على البنية التحتية القائمة، لذا فإن توفر مساحة كافية لتركيب هوائيات LTE ومدى توافق الارتفاع مع خطة LTE يُعدّان من أهم التحديات. لذلك، يعتمد المشروع الفعلي على معايير فنية مثل طريقة الاستقطاب، واستخدام هوائي واسع النطاق، وطريقة زاوية الميل. من الضروري إجراء مسح تفصيلي للبنية التحتية القائمة ووضع خطة مناسبة بناءً على الوضع الفعلي. نظرًا لوجود تقنية MIMO في شبكات LTE، يُستخدم حاليًا نظاما 2T2R و4T4R بشكل شائع. مع مراعاة عوامل مثل تكاليف إنشاء الموقع، تُستخدم عادةً هوائيات ثنائية الاستقطاب في نظام 2T2R، بينما يُستخدم في نظام 4T4R هوائيان ثنائيا الاستقطاب، وتتراوح المسافة بينهما بين 1 و2λ، أي ما يعادل 30-50 سم تقريبًا لتردد 2.6 جيجاهرتز.

4 5G ضخمة MIMO AAUوسيناريوهات التطبيق

يصف المحتوى الرئيسي لهذا القسم بإيجاز اختيار الهوائي وسيناريو التطبيق لتقنية 5G AAU.

4.1 5G MIMO AAU الضخم

تقنية الإدخال والإخراج المتعددة (MIMO)، التي أصبحت ناضجة للغاية في عصر الجيل الرابع، يمكنها الاستفادة بشكل فعال من القنوات المكانية المتعددة الموجودة بين الهوائيات المتعددة بين جهاز الإرسال والاستقبال وأنظمة الإرسال والاستقبال لنقل تدفقات بيانات متعددة متعامدة بشكل متبادل، مما يؤدي إلى تحسين إنتاجية البيانات واستقرار الاتصال دون زيادة عرض نطاق الاتصال.

تُعدّ تقنية MIMO الضخمة، التي طُوّرت من الجيل الرابع إلى الجيل الخامس، نسخةً مُطوّرة من تقنية MIMO. وبفضل محدودية موارد الوقت والتردد، تُستخدم مئات وحدات الهوائي لخدمة عشرات الأجهزة المحمولة في آنٍ واحد، مما يُحسّن بشكلٍ كبير من معدل نقل البيانات وكفاءة استهلاك الطاقة. يتميز الجيل الخامس بتردد اتصال عالٍ وحجم هوائي أصغر، مما يسمح بوضع عدد أكبر من الهوائيات في المساحة الأصلية. وقد أرست تقنية MIMO الضخمة معايير تكنولوجيا الاتصالات في عصر الجيل الخامس. لذا، أصبحت الهوائيات عنصرًا آخر يشهد نموًا هائلاً بعد وحدة الترددات الراديوية الأمامية في هذا العصر. تُمثّل هوائيات المحطات الأساسية 20%، بينما تُمثّل هوائيات الأجهزة المحمولة 80%.

نظراً للاستخدام الواسع لتقنية MIMO الضخمة في محطات الجيل الخامس، يستخدم الهوائي المدمج داخلياً عدداً كبيراً من المذبذبات، كما يضم وحدات إرسال واستقبال مدمجة، ولذلك يُطلق عليه أيضاً اسم وحدة مصفوفة الهوائيات النشطة (AAU). يوضح الشكل أدناه مخطط هيكله الداخلي وشكل المنتج.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

في نطاق الترددات الأقل من 6 جيجاهرتز، يستخدم مصنّعو معدات الاتصالات عادةً 192 مذبذبًا في نظام الهوائيات المساعدة (AAU). يتكون هذا النظام من 12 صفًا أفقيًا و8 أعمدة رأسيًا. مع إضافة استقطاب مزدوج بزاوية 45 درجة، يصبح المجموع 192 مذبذبًا (12 × 8 × 2). تُسمى كل مجموعة من ثلاثة مذبذبات هوائيًا، لذا يحتوي نظام AAU على 64 هوائيًا (192 ÷ 3). إذا تم تشكيل هوائي من كل 6 مذبذبات، يصبح عدد الهوائيات في نظام AAU 32 هوائيًا (192 ÷ 6).

الشكل 4-3: مخطط عناصر هوائي AAU 65TR و 32TR

تستخدم وحدات الهوائيات المساعدة (AAUs) في نطاق الترددات الأقل من 6 جيجاهرتز عادةً تقنية تشكيل الحزمة الرقمية بالكامل. ويمكن اعتبار أن عدد الهوائيات وقنوات الإرسال ومضخمات الطاقة متساوية. يُعد عدد الهوائيات عاملاً مهماً في التغطية، فكلما زاد عدد العناصر، ضاق نطاق الحزمة وزاد تركيز الطاقة. ومع زيادة عدد الهوائيات والقنوات، زاد عدد مضخمات الطاقة داخل وحدة الهوائيات المساعدة، مما يزيد من استهلاك موارد النطاق الأساسي، وبالتالي ترتفع تكلفة المعدات.

4.2 5Gنموذج تلاشي الإشارة

يُقدّم معيار 3GPP TR 38.901 أربعة سيناريوهات: منطقة مكتبية داخلية ذات نقطة اتصال لاسلكية (InH-Office)، وشارع خلوي صغير حضري (UMi-Street Canyon)، وخلية كبيرة حضرية (Uma)، وخلية كبيرة ريفية (RMa). يُقسّم كل نوع من هذه السيناريوهات إلى سيناريوهات بدون خط رؤية مباشر (NLOS) وسيناريوهات بخط رؤية مباشر (LOS)، بإجمالي ثمانية نماذج انتشار. تُركّز هذه المقالة على نموذج فقدان الإشارة في سيناريو محطة كبيرة حضرية Uma-LOS/NLOS.cتردد التشغيل (جيجاهرتز)، ساعةBSالارتفاع الفعال لهوائي المحطة الأساسية (م)، حUTالارتفاع الفعال لهوائي المحطة المتنقلة (م)، د2Dالمسافة الأفقية بين المحطة الأساسية والمحطة المتنقلة (م)، د3Dالمسافة المستقيمة بين هوائي المحطة الأساسية وهوائي المحطة المتنقلة (م).

وفقًا للجدول أعلاه، يمكن حساب الحد الأقصى المسموح به لفقد الإشارة (MAPL) لقنوات محطات الماكرو الحضرية المختلفة باستخدام الصيغة التالية. يتضح أن الحد الأقصى المسموح به لفقد الإشارة بين الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة لشبكة الجيل الخامس NR بتردد 3.5 جيجاهرتز يصل إلى 13.65 ديسيبل، مما يعني أن تغطية الشبكة محدودة في الوصلة الصاعدة، ومحدودة أيضًا بقناة PUSCH الخاصة بها.

PLماكس=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

أين صTxطاقة إرسال المحطة الأساسية، Lfفقدان المغذية، GTxكسب هوائي المحطة الأساسية، مfبهتان الظل وهامش التلاشي السريع، Mlهامش التداخل، GRxكسب هوائي الهاتف الخلوي، Lpفقدان اختراق المبنى، Lbتآكل الهيكل، SRxحساسية استقبال الهاتف المحمول

4.3 5G AAUسيناريوهات التطبيق

في المناطق الحضرية المكتظة، تؤدي بيئة الاتصالات اللاسلكية المعقدة إلى تفاقم التداخل، وتؤدي المباني الشاهقة إلى متطلبات تغطية رأسية عالية وسعة مستخدمين كبيرة. يمكن لمعدات 64TR توفير تشكيل حزمة MIMO ضخم أفضل، وتحقيق نقل MIMO متعدد المستخدمين عالي الحركة، وتحسين التغطية الرأسية بشكل ملحوظ. في الضواحي والمناطق الريفية، ينخفض ​​معدل نجاح اقتران MU-MIMO، ولا تستطيع معدات 64TR الاستفادة الكاملة من مزايا سعتها، لذا يمكن استخدام معدات ذات تكوين منخفض. استخدام 32 هوائيًا يفي بالاحتياجات. بالنسبة للمناطق النائية، لا تكون متطلبات السعة عالية، والمشكلة الرئيسية هي حل مشكلة التغطية. في هذه الحالة، لا حاجة حتى إلى تقنية MIMO الضخمة. يكفي استخدام وحدة RRU ذات 8 منافذ لتوصيل الهوائي.

يوضح الشكل أدناه حلاً لتغطية الشبكة قائمًا على سيناريوهات محددة، مُقترحًا من قِبل مُصنِّع معدات. يُعدّ موقع الماكرو أهمّ أشكال المنتجات. يُلبي مُوَزِّع الترددات الراديوية 64TR الطلب المُستمر على السعة العالية في مرحلتي الجيل الرابع والخامس، بينما يُلبي مُوَزِّع الترددات الراديوية 32TR ذو التكوين المنخفض متطلبات إنشاء شبكة منخفضة التكلفة في مناطق الجيل الرابع والخامس ذات حركة المرور المنخفضة. تشمل منتجات نظام التوزيع الداخلي معدات 2TR و4TR، والتي تستخدم أنظمة توزيع داخلية سلبية على الشبكة القائمة أو في الإنشاءات الجديدة، لتلبية احتياجات سيناريوهات داخلية عالية القيمة وعالية حركة المرور. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم منتجات وحدات الترددات الراديوية (RRU) لمحطات القاعدة الصغيرة 4TR على نطاق واسع في سيناريوهات الازدحام والحرارة، مثل المناطق السكنية وشوارع المشاة.

الشكل 4-4: حل لتغطية الشبكة قائم على سيناريوهات محددة من شركة مصنعة للمعدات

يتضح من نتائج الحسابات في القسم 4.2 أن تغطية وصلة الإرسال لشبكة الجيل الخامس NR في نطاق 3.5 جيجاهرتز محدودة، ويعود ذلك أساسًا إلى محدودية طاقة الأجهزة الطرفية. ونظرًا لأن متطلبات معدل نقل البيانات بين وصلة الإرسال ووصلة الاستقبال ستظل غير متناظرة بعد إطلاق الجيل الخامس (حيث تكون متطلبات معدل نقل البيانات في وصلة الاستقبال أعلى بكثير من متطلبات وصلة الإرسال)، وللحفاظ على بنية الشبكة الحالية دون تغيير وخفض تكاليف إنشائها، بما يُمكّن المشغلين من دمج ونشر الجيل الخامس بسرعة في مواقع الجيل الرابع العاملة، يُمكن استخدام فصل وصلة الإرسال عن وصلة الاستقبال (SUL) لحل مشكلة اختناقات تغطية وصلة الإرسال. أي، يتم استخدام معدات LTE القديمة في وصلة الإرسال، ويُعاد تخصيص جزء من عرض النطاق الترددي FDD بتردد 1.8 جيجاهرتز لشبكة الجيل الخامس NR لتحسين التغطية، بينما يتم نشر شبكة الجيل الخامس NR في نطاق 3.5 جيجاهرتز في وصلة الاستقبال.

الشكل 4-5: حل فصل الإشارات باستخدام نطاقات تردد مختلفة للوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة

هذه المقالة مستنسخة من " Microwave Radio Frequency Network ندعم حماية حقوق الملكية الفكرية، لذا يُرجى ذكر المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذف المحتوى.