كيف يمكن لمعدات الراديو تحسين تغطية الإشارة لمحطات الإرسال والاستقبال الأساسية؟

دور معدات الراديو في نقل إشارة محطة الإرسال والاستقبال الأساسية (BTS) وموثوقية الشبكة

محطات التحويل الأساسية، أو ما تُعرف اختصارًا بـ BTS، تجمع عدة أجزاء مهمة تشمل أجهزة الإرسال والاستقبال، ومضخمات القدرة، والهوائيات. وهذه الأجزاء تعمل معًا على تحويل المكالمات الصوتية والبيانات إلى موجات راديوية تنتقل عبر شبكات الهواتف المحمولة. ومركز معظم أنظمة BTS الحديثة هو ما نسميه التكوين الموزع. وإليك كيف يعمل: تقوم وحدات القاعدة النطاقية (BBUs) بالتعامل مع جميع مهام معالجة الإشارة، في حين تقوم وحدات الراديو عن بُعد (RRUs) بنقل الترددات فعليًا. وتُربط هذه المكونات بكابلات ألياف بصرية سريعة للحفاظ على التشغيل السلس دون تأخير (وفقًا لبحث شركة Fibconet من العام الماضي). وبوضع وحدات RRUs بجوار الهوائيات مباشرةً، يمكن لمزودي الشبكة تقليل فقدان الإشارة على المدى بشكل كبير. وللحفاظ على اتصالات جيدة، يعتمد المهندسون على أساليب متقدمة مثل تعديل OFDM إضافةً إلى استراتيجيات مختلفة للتصحيح الخاطئ. وتساعد هذه التقنيات في مكافحة مشكلات تداخل الإشارة، التي تصبح واضحة بوجه خاص في المناطق الحضرية المزدحمة حيث تتنافس العديد من الأجهزة على المساحة نفسها ضمن الترددات ذاتها.

يُعدّ موثوقية وحدات الراديو أمراً بالغ الأهمية للحفاظ على تشغيل الشبكات بسلاسة بفضل قدراتها على التكرار. تحدث معظم المشكلات التي نلاحظها بسبب تفعيل هذه المقاييس التلقائية عندما تنخفض الإشارات عن المسار الصحيح. وفقاً لبيانات صناعية حديثة من Hebeimailing في عام 2024، فإن جميع حالات انقطاع الشبكة تقريباً تعود إلى مشكلات في كابلات الترددات اللاسلكية أو الموصلات التي تتلف. ولهذا السبب يُعطي العديد من المشغلين الأولوية الآن لاستخدام كابلات تماثلية مدرعة ويُجرين فحوصات دورية على قوة الإشارة عبر أنظمتهم. عندما يعمل كل شيء بشكل متناسق، يمكن لأنظمة محطات القاعدة الحديثة الحفاظ على مستويات خدمة شبه مثالية بنسبة توافر تصل إلى 99.99 بالمئة، حتى عند ارتفاع الطلب خلال ساعات الذروة.

أنظمة الهوائيات وتوزيع الإشارة المحسّن بالراديو

أنظمة الهوائيات ودورها في توسيع التغطية

تعتمد محطات الإرسال الأساسية الحديثة أو وحدات BTS بشكل كبير على تجهيزات هوائيات ذكية لمعالجة فجوات التغطية المزعجة التي نعرفها جميعًا. تقوم النماذج الشعاعية المنتظمة بنشر الإشارات في جميع الاتجاهات من حولها، مما يغطي كل شيء تقريبًا ضمن نطاقها. أما الهوائيات الاتجاهية فتعمل بشكل مختلف، حيث تركّز الطاقة نحو مناطق معينة. أظهرت اختبارات ميدانية أجريت العام الماضي أن هذه الأساليب الاتجاهية زادت من قوة الإشارة عند حواف الخلايا بنسبة تتراوح بين 35 إلى 50 بالمئة في المناطق suburban وفقًا لتقارير صناعية عديدة. إن اختيار النوع الصحيح من الهوائيات وتثبيتها بشكل دقيق يُعد أمرًا بالغ الأهمية عند محاولة القضاء على تلك النقاط الميتة المزعجة التي تتوقف فيها الخدمة تمامًا.

تقنيات تشكيل الحزمة والتعددية في الإرسال والاستقبال (MIMO) في محطات الإرسال اللاسلكية الحديثة

تعمل تقنية تشكيل الحزمة عن طريق تغيير طور وشدة إشارات الراديو بحيث تتركز على أجهزة محددة. ويمكن أن يُحسّن ذلك جودة الإشارة بشكل كبير، ويصل إلى جعل الإشارات أقوى بحوالي 12 ديسيبل مقارنة بالإشارات التي توفرها الهوائيات الثابتة. وعند دمج تشكيل الحزمة مع تقنية MIMO، فإن ذلك يفتح آفاقاً جديدة. إذ تتيح المدخلات والمخرجات المتعددة نقل عدة تدفقات بيانات في آنٍ واحد، ما يعني أن الشبكات يمكنها التعامل مع كمية تزيد بنحو ثلاثة أضعاف من حركة المرور دون الحاجة إلى مساحة طيف إضافية. كما أظهرت الاختبارات الميدانية من العام الماضي أمراً مثيراً للاهتمام أيضاً. فعندما قام المهندسون بتركيب وحدات راديو عن بعد بشكل استراتيجي عبر الملاعب، تم تخفيض خسائر الكابلات النحاسية المزعجة بنسبة 50%. والأفضل من ذلك، أنهم تمكنوا من الحفاظ على زمن التأخير أقل من ملي ثانيتين خلال الفعاليات الكبيرة التي يتصل فيها آلاف الأشخاص في وقت واحد.

تقييم ارتفاع الهوائي، وميله، واستقطابه لتحقيق تغطية راديوية مثلى

يقوم مخططو الشبكة بتحسين التغطية من خلال ثلاث معايير رئيسية للهوائي:

• تعديلات الارتفاع (30–50 متر نموذجي) مدى إشارة التوازن مع إدارة التداخل
• الميل الكهربائي (4–10°) يضبط أنماط التغطية الرأسية بدقة لتتناسب مع التضاريس
• الantennas المستقطبة بشكل متقاطع (±45°) لمكافحة ضعف الإشارة في البيئات الحضرية متعددة المسارات

يُضمن المحاذاة السليمة لهذه العوامل توفر الموقع بنسبة 98% لخدمات 4G/5G وفقًا لنماذج انتشار الإشارة الحضرية حسب 3GPP.

نمذجة انتشار الإشارة القائمة على الراديو وتخطيط التغطية

نمذجة انتشار الإشارة باستخدام بيانات البيئة اللاسلكية

ينطوي نمذجة كيفية انتشار الإشارات الراديوية عبر بيئات مختلفة على دراسة عوامل مثل ارتفاع التضاريس، وتكاثف المباني في مناطق معينة، ومواقع تجمع الأشجار بكثافة. وفيما يتعلق بتحديد سلوك الإشارة، يستخدم الخبراء الآن أساليب مثل تتبع الشعاع جنبًا إلى جنب مع خوارزميات التعلّم الآلي. تساعد هذه الأدوات في اكتشاف المشكلات المتعلقة بمسارات الإشارة، كما يمكنها إعلامنا بدقة عن الثغرات في التغطية. أظهرت بعض الدراسات أن هذه النماذج حققت هامش دقة يبلغ حوالي 3.5 ديسيبل عند اختبارها في المناطق السكنية عام 2023 وفقًا لنتائج معهد بونيمان. على سبيل المثال، في عمل حديث قام فيه الباحثون بتدريب شبكات عصبية متقاربة على مشاهد مدن فعلية، تمكنوا من التنبؤ بخسائر إشارة الموجة الملليمترية بنجاح بنسبة 89 بالمئة عبر مختلف البيئات الحضرية. ما يعنيه هذا كله هو أن مصممي الشبكات لم يعدوا بحاجة إلى بناء أبراج لمجرد التحقق مما إذا كانت تعمل أم لا. بل يمكنهم بدلًا من ذلك تشغيل عمليات محاكاة على نماذج حاسوبية، وهو ما يوفر على الشركات نحو 740 ألف دولار أمريكي في كل مرة يبدأون فيها تخطيط طرح شبكة جديدة.

تخطيط التغطية واختيار المواقع لمحطات القاعدة باستخدام التحليل الإشعاعي التنبؤي

عندما يتعلق الأمر بإيجاد أفضل الأماكن لتركيب محطات القاعدة (BTS)، فإن التحليلات التنبؤية تجمع بين نماذج الانتشار، والخرائط التي تُظهر أماكن تركّز المشتركين، والتنبؤات حول كمية حركة المرور التي ستشغلها الشبكة. عادةً ما تتبع شركات الاتصالات عملية من أربع مراحل: تحليل البيئة أولاً، ثم تخطيط التغطية، يليه تعديل المعايير، وأخيراً تحديد الأبعاد. ويقلل هذا النهج من مشكلات السعة بنحو الثلثين في الشبكات التي تخدم عدة مشغلين. كما أثبتت الأدوات الجديدة التي تستخدم خرائط الحرارة الراديوية ثلاثية الأبعاد فعالية كبيرة أيضًا، حيث قللت من الأخطاء أثناء اختيار الموقع بأكثر من 40٪ بالمقارنة مع عمليات فحص شدة الإشارة التقليدية. فخذ على سبيل المثال محاكاة ميزانية الربط (Link Budget Simulations)؛ هذه الحسابات تنظر إلى مستويات الطاقة في الاتجاه الصاعد والاتجاه الهابط، ويمكنها أن توسع مناطق التغطية في المناطق الريفية بنحو ربع المساحة تقريبًا دون الحاجة إلى أي استثمارات في معدات جديدة.

تحديات انتشار الإشارات اللاسلكية في المناطق الحضرية مقابل الريفية عند نشر محطات القاعدة (BTS)

تتطلب النشرات في المناطق الحضرية هوامش إشارة أعلى بنسبة 7–9 ديسيبل لمواجهة الظل الناتج عن ناطحات السحاب، في حين تواجه الشبكات الريفية تبايناً في التغطية أوسع بنسبة 12–18٪ بسبب التضاريس غير المنتظمة. وتُعالج أدوات التخطيط المدعومة بالذكاء الاصطناعي هذه التقلبات القصوى، وتحقق دقة تغطية بنسبة 91٪ من المحاولة الأولى في التضاريس الهجينة.

تحسين تغطية محطة قاعدة 5G باستخدام تقنيات الراديو المتقدمة

تحسين تغطية محطة قاعدة 5G باستخدام أنظمة راديو الموجات الملليمترية

تتعامل أنظمة الراديو ذات الموجات الملليمترية مع التوازن الصعب بين التغطية والسعة في تكنولوجيا الجيل الخامس (5G) من خلال العمل ضمن النطاقات الترددية العالية التي تتراوح بين 28 و47 جيجاهرتز وفقًا لنتائج نشرتها دورية Nature العام الماضي. ويمكن لهذه الأنظمة توفير عرض نطاق ترددي يُقاس بعدة جيجاهرتز، مما ينعكس على سرعات نقل البيانات بزيادة تصل إلى عشر مرات مقارنةً بالشبكات القديمة التي تعمل تحت 6 جيجاهرتز والتي اعتدنا استخدامها. لكن هناك عقبة، إذ لا تمتد الإشارة لمسافات بعيدة جدًا، بل فقط حوالي 300 إلى 500 متر قبل أن تبدأ في الضعف. وهذا يعني أن المشغلين بحاجة إلى التفكير بعناية حول أماكن تركيب هذه الأنظمة، وغالبًا ما يعتمدون على تقنيات مثل تشكيل الحزمة (beamforming) وتقنية Massive MIMO للتركيز الدقيق لتلك الإشارات. وأظهرت بعض الأبحاث المنشورة في عام 2023 نتائج مثيرة للاهتمام عند دمج تقنية الموجات الملليمترية مع الترددات التقليدية تحت 6 جيجاهرتز، حيث شهدت المدن المزدحمة بالمباني تحسنًا ملحوظًا في فجوات تغطية الشبكة، بنحو انخفاض بنسبة 41% فعليًا، ما يجعل هذه الأساليب الهجينة واعدة جدًا في حل مشكلات الاتصال في البيئات الحضرية.

الخلايا الصغيرة ووحدات الراديو الموزعة في تعزيز تغطية الجيل الخامس

عندما تعمل وحدات الراديو الموزعة (DRUs) بالتعاون مع نشر الخلايا الصغيرة، فإنها تتغلب فعليًا على مشكلات الانتشار المزعجة التي تُعاني منها تقنية الموجة المليمترية من خلال إنشاء هذه الشبكات الكثيفة جدًا. وجدت شركات الاتصالات أن تركيب ما يقارب 120 إلى 150 عقدة لكل كيلومتر مربع يحدث فرقًا كبيرًا في إيصال الإشارات داخل المباني، حيث تزيد معدلات الاختراق بنسبة حوالي 60 بالمئة. كما أن هذا يخفف من الضغط الواقع على أنظمة المحطات الأساسية الكبرى (macro BTS). شهدنا تطبيق ذلك عمليًا خلال اختبارات أجريت في سيول، حيث حققت هذه التركيبات من وحدات DRU تغطية موثوقة تصل إلى نحو 98% في تلك المناطق المرتفعة الصعبة. وقد فعلوا ذلك الشيء الذكي المتمثل في تحويل حركة البيانات ذهابًا وإيابًا بين نطاقي التردد 28 غيغاهرتز و3.5 غيغاهرتز في الوقت الفعلي، حسب ما كان الأفضل في كل لحظة.

مشاركة الطيف الديناميكية وتأثيرها على مدى إشارة الراديو

تتيح مشاركة الطيف الديناميكية (DSS) تشغيل شبكتي 4G و5G في نفس الوقت على نطاقات التردد من 1.8 إلى 2.1 جيجاهرتز. هذه الطريقة الذكية تمنح المشغلين زيادة تقارب الثلث في تغطية 5G دون الحاجة إلى تراخيص طيف إضافية. ويقوم النظام بتعديل تقنيات التعديل تلقائيًا، بالتبديل بين QPSK و256-QAM حسب احتياجات الإشارات، مما يحافظ على استقرار الاتصالات حتى عندما يكون المستخدم عند حافة منطقة الخلية وبقوة إشارة تبلغ فقط 65 ديسيبل ميلي. وأظهرت الاختبارات الميدانية أن مزودي الشبكات الذين نفذوا تقنية DSS شهدوا انخفاضًا يقارب الخمس في عدد انقطاعات المكالمات عند التقاطع بين الخلايا الكبيرة العادية ومناطق الموجات الملليمترية عالية السرعة. وهذا منطقي حقًا لأن هذه المناطق الانتقالية كانت دائمًا مشكلة في ضمان خدمة مستمرة.

مراقبة وتحسين تغطية الراديو من خلال الأساليب القائمة على البيانات

تقنيات تقييم قوة إشارة الراديو لمراقبة فورية

أصبحت مراقبة قوة الإشارة ممارسة قياسية بالنسبة لمتعاملي الشبكات الذين يتتبعون مؤشرات رئيسية مثل معدل خطأ البت (BER) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). عندما تقوم الشبكات بتحليل معدل خطأ البت (BER) في الوقت الفعلي، يمكنها تقليل مشكلات التغطية بنحو ثلث خلال فترات الذروة. وفي الوقت نفسه، تساعد خرائط نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) التفصيلية في تحديد المناطق التي تعاني فيها الإشارات من ضعف، وغالبًا ما تكون هذه المناطق على بعد نحو 200 متر تقريبًا. حاليًا، تربط الأنظمة المتقدمة بين بيانات معدل خطأ البت (BER) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وبين الظروف الجوية المحلية وتخطيطات المباني. ويتيح ذلك للمهندسين تعديل مستويات القدرة ديناميكيًا عبر أجزاء مختلفة من البنية التحتية للترددات الراديوية، رغم أن تحقيق عمل سلس لكل هذا يظل تحدّيًا للكثير من الفرق الميدانية العاملة في البيئات الحضرية المعقدة.

تحديد النقاط العمياء في التغطية باستخدام بيانات راديو من اختبارات القيادة والبيانات المستمدة من الجمهور

يجمع النهج الهجين لاكتشاف مشكلات الإشارة بين عنصرين رئيسيين: سيارات اختبار خاصة تتجول لجمع البيانات، بالإضافة إلى معلومات مجهولة المصدر من معظم الأجهزة المتصلة الموجودة في السوق، والتي تغطي على الأرجح حوالي 85٪ منها. وعندما تكون هذه السيارات الخاصة في الطريق، فإنها تتتبع بشكل أساسي قوة الإشارات عند نقاط مختلفة على الطرق الرئيسية، وتحدد المواقع التي تنخفض فيها جودة الاستقبال دون المستوى المقبول (-90 دي بي أم هو الحد الأدنى). ولكن الأمر لا يقتصر فقط على هذه الاختبارات الواسعة النطاق. السر الحقيقي يكمن عندما يساهم المستخدمون العاديون أيضًا ببيانات أجهزتهم. ويُظهر هذا المعلومات الجماعية وجود مناطق ميتة صغيرة جدًا، قد لا تزيد أحيانًا عن 50 مترًا في العرض، مختبئة بين المباني في مراكز المدن. ووفقًا للتقارير الصناعية، فإن هذه الطريقة المدمجة تكتشف المشكلات أكثر بنسبة 40 بالمئة تقريبًا مقارنة بالتقنيات القديمة السابقة.

تحليلات الراديو المعززة بالذكاء الاصطناعي للصيانة التنبؤية للتغطية

من خلال النظر إلى بيانات الأداء السابقة، يمكن لنماذج التعلم الآلي الآن التنبؤ ببدء تدهور التغطية قبل حدوثه بحوالي ثلاثة أيام. وقد حقق إعداد ذكاء اصطناعي معين يعمل بطبقات نسبة دقة بلغت حوالي 98.6٪ عند تحديد أفضل إعدادات التعديل. وأظهرت الاختبارات الميدانية أن هذا الإجراء قلل فعليًا من انقطاع المكالمات بنسبة تتراوح بين 20 و25٪، وفقًا للبحث المنشور في مجلة نيتشر العام الماضي. ما يجعل هذه الأنظمة مفيدة حقًا هو طريقة عملها بالتوازي مع القواعد المتغيرة للطيف. فعندما يكون هناك ازدحام شديد في منطقة معينة، تقوم هذه الأنظمة تلقائيًا بنقل جزء من الاتصالات إلى الترددات التي لا تُستخدم بكثافة. ويساعد ذلك في الحفاظ على جودة الخدمة مستقرة بالنسبة لمعظم المستخدمين، حيث أفاد حوالي 95٪ من المستخدمين بعدم مواجهتهم لأي مشكلات حتى في أوقات الذروة.