الجيل الخامس بالموجات المليمترية: ما الذي حدث خطأ وما الذي يعلمنا إياه حول التيراهرتز

عندما أطلقت Verizon خدمة 5G Ultra Wideband في أبريل 2019، وعدت الشركة بسرعات تحميل تتجاوز 1 Gbps وثورة لاسلكية مدعومة بترددات millimeter wave. بعد خمس سنوات، لا تزال mmWave 5G محصورة إلى حد كبير في المناطق الحضرية الكثيفة والأماكن الداخلية، مما يشكل قصة تحذيرية لصناعة الاتصالات اللاسلكية. إن مشاكل mmWave 5G التي ظهرت تقدم رؤى مهمة لتطوير ترددات terahertz (THz) المخططة لشبكات 7G.

لم تتغير الفيزياء الأساسية التي حدت من تغطية millimeter wave، والدروس المستفادة من نشر mmWave ستثبت أهميتها حيث تتجه الصناعة نحو ترددات أعلى في نطاق 100 GHz إلى 3 THz لأنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل التالي.

وعد mmWave مقابل الواقع

تعمل تقنية 5G للموجات المليمترية في نطاقات ترددية بين 24 GHz و 100 GHz، مما يوفر توفراً غير مسبوق للطيف وسرعات ذروة نظرية تتجاوز 10 Gbps. قامت 3GPP بتوحيد عدة نطاقات mmWave بما في ذلك n257 (28 GHz) و n258 (26 GHz) و n260 (39 GHz) و n261 (28 GHz) خصيصاً لنشر 5G New Radio.

كانت العروض التوضيحية المبكرة مثيرة للإعجاب. في Mobile World Congress 2018، عرضت Qualcomm اتصالات mmWave حققت سرعات تحميل بلغت 4.2 Gbps. قدمت خدمة Verizon الأولية 5G Home في Sacramento متوسط سرعات 300 Mbps مع ذرى قريبة من 1 Gbps. ومع ذلك، أخفت هذه العروض التوضيحية المتحكم فيها تحديات انتشار أساسية من شأنها أن تحد من النشر في العالم الحقيقي.

بحلول عام 2023، بقيت تغطية mmWave 5G متناثرة. غطت شبكة Verizon Ultra Wideband حوالي 200 مليون شخص، لكن توفر mmWave الفعلي كان محدوداً بكتل مدينة محددة والملاعب والمطارات. تخلت T-Mobile إلى حد كبير عن توسع mmWave لصالح طيف النطاق المتوسط، بينما بقيت بصمة AT&T mmWave مركزة في المناطق التجارية للمناطق الحضرية الكبرى.

القيود التقنية التي أخرجت mmWave عن مسارها

تنبع مشاكل mmWave 5G الأساسية من فيزياء انتشار الموجات الكهرومغناطيسية الأساسية. عند 28 GHz، تزداد خسارة المسار في الفضاء الحر بحوالي 20 dB مقارنة بترددات الشبكة الخلوية 2.4 GHz. هذا يعني أن الإشارات تتضاءل 100 مرة أسرع عبر نفس المسافة، مما يقلل بشكل كبير من نصف قطر تغطية الخلية.

الامتصاص الجوي يزيد من تعقيد المشكلة. جزيئات الأكسجين تمتص بقوة عند 60 GHz، بينما بخار الماء يخلق قمم امتصاص حول 22 GHz و 183 GHz. يصبح تخفيف المطر شديداً فوق 10 GHz، حيث يسبب المطر الغزير (25 mm/hr) خسارة إضافية تبلغ 6-8 dB/km عند ترددات 28 GHz.

أثبت اختراق المباني أنه مستحيل تقريباً. القياسات التي أجرتها NYU Wireless أظهرت أن إشارات 28 GHz تواجه خسارة اختراق تبلغ 20-40 dB عبر مواد البناء الشائعة. النوافذ الزجاجية مع طلاءات منخفضة الانبعاثية، المعيارية في البناء الحديث، يمكن أن تخفف إشارات mmWave بـ 30 dB أو أكثر. حتى أجسام البشر تسبب حجب 20-35 dB، مما يؤدي إلى انقطاع الاتصال المتكرر أثناء الاستخدام العادي للجهاز.

Beamforming، رغم تمكينها لروابط mmWave، قدمت تعقيدات جديدة. أصبحت مصفوفات Massive MIMO مع 64-256 عنصر هوائي ضرورية لتحقيق ميزانية رابط كافية، لكن محاذاة الشعاع وتتبعه في السيناريوهات المتنقلة أثبت أنه صعب. التنقل بين الحزم الضيقة خلق انقطاعات في الخدمة قللت من تجربة المستخدم مقارنة بالتغطية الخلوية التقليدية.

اقتصاديات البنية التحتية

القيود الفيزيائية ترجمت مباشرة إلى تحديات اقتصادية. أصبح النشر الكثيف للخلايا إلزامياً، مع تحديد نصف قطر خلية mmWave النموذجي بـ 100-300 متر في البيئات الحضرية. نشرت Verizon أكثر من 5,000 خلية صغيرة في مدينة New York وحدها، مما تطلب backhaul ألياف بصرية واسع النطاق وتكاليف الحصول على المواقع.

بقيت تكاليف المعدات عالية بسبب RF front-ends المعقدة ومصفوفات الهوائيات المتقدمة. كلفت محطات mmWave الأساسية المبكرة 3-5 أضعاف معدات sub-6 GHz المكافئة، بينما زاد استهلاك الطاقة بشكل كبير بسبب متطلبات معالجة digital beamforming.

تطبيقات mmWave الناجحة

رغم قيود التغطية، وجدت mmWave نجاحاً في حالات استخدام محددة تناسبت مع خصائصها التقنية. برز الوصول اللاسلكي الثابت (FWA) كأكثر التطبيقات قابلية للتطبيق، حيث وصلت خدمة Verizon's 5G Home إلى أكثر من 2 مليون عميل بحلول عام 2023. الطبيعة الثابتة لـ FWA ألغت تحديات التنقل بينما سمحت بوضع الهوائيات الأمثل ومحاذاة الحزمة.

أثبتت عمليات النشر المؤسسية الداخلية نجاحها في المستودعات والمصانع والأماكن الكبيرة. نفذت شركات مثل Boeing شبكات mmWave خاصة لتطبيقات التصنيع، مستفيدة من النطاق الترددي العالي بينما تجنبت تحديات الانتشار الخارجي. أصبحت الملاعب الرياضية والمطارات بيئات عرض حيث كثافة المستخدمين العالية برررت نشر الخلايا الصغيرة الكثيفة.

أظهرت اتصالات Vehicle-to-everything (V2X) وعداً لـ mmWave في المدى القصير. مكّن النطاق الترددي العالي من مشاركة بيانات أجهزة الاستشعار التفصيلية بين المركبات ذاتية القيادة، بينما تناسب المدى المحدود مع مسافات اتصال V2X النموذجية من 100-500 متر.

الدروس الحاسمة لتطوير THz 7G

إن دروس mmWave لترددات THz التي يجب معالجتها تصبح أكثر وضوحاً عند ترددات terahertz. فقدان المسار يزداد بشكل متناسب مع مربع التردد، مما يعني أن إشارات THz بتردد 300 GHz ستواجه توهيناً أكبر بـ 20 dB من mmWave بتردد 28 GHz عبر نفس المسافات.

يصبح الامتصاص الجوي شديداً في نطاقات THz، مع خطوط امتصاص جزيئية متعددة تخلق نوافذ انتشار تعتمد على التردد. امتصاص بخار الماء عند 183 GHz و 325 GHz و 448 GHz سيخلق مناطق "ممنوعة" لاتصالات THz الخارجية، مما يتطلب تخطيطاً دقيقاً للترددات حول نوافذ النقل الجوي.

ومع ذلك، تقدم ترددات THz فرصاً لم تكن متاحة لـ mmWave. الاتجاهية الشديدة الممكنة مع حزم THz تمكن من إعادة الاستخدام المكاني الذي يمكن أن يدعم كثافات هائلة من الأجهزة. عروض النطاق التي تتجاوز 10 GHz تصبح ممكنة، مما قد يمكن من معدلات بيانات تزيد عن 100+ Gbps لتطبيقات محددة.

تداعيات استراتيجية النشر

يجب أن تتعلم شبكات THz 7G من أخطاء نشر mmWave من خلال استهداف حالات الاستخدام المناسبة من البداية. تطبيقات المدى القصير جداً مثل التواصل بين الأجهزة والواقع المعزز والاستشعار عالي الدقة تتماشى بشكل أفضل مع خصائص انتشار THz من محاولة تحقيق تغطية شاملة.

تصبح معماريات الشبكة الهجينة ضرورية، حيث توفر THz نقاط سعة ساخنة بينما تحافظ ترددات sub-6 GHz على التغطية والحركة. التقنيات المتقدمة مثل الأسطح العاكسة الذكية (IRS) وتشكيل الحزمة الموزعة قد تساعد في التغلب على بعض قيود الانتشار التي أثبتت أنها غير قابلة للتجاوز بالنسبة لـ mmWave.

الخلاصة

تجربة mmWave 5G تُظهر أن التقنيات اللاسلكية الثورية يجب أن تتماشى مع القدرات التقنية مع سيناريوهات النشر الواقعية. بينما تغطية millimeter wave لم تحقق أبداً الانتشار الواسع الذي وُعد به في البداية، وجدت mmWave مجالات قيمة في الوصول اللاسلكي الثابت والبيئات الداخلية عالية الكثافة. الفكرة الأساسية لتطوير THz 7G هي أن الترددات المتطرفة تتطلب دقة متطرفة في استهداف التطبيقات. بدلاً من تكرار الوعود المفرطة لـ mmWave، يجب أن تركز شبكات THz على حالات استخدام محددة حيث خصائصها الفريدة توفر مزايا واضحة، وبناء نماذج نشر مستدامة تعترف بدلاً من محاربة قيود الفيزياء الأساسية.