وظيفة تجميع الموجات الحاملة هي ابتكار رئيسي في الجيل الرابع من تقنية الاتصالات المتنقلة لـcpe 4g lte router، حيث تعمل على تحسين سرعة الشبكة واستقرار الاتصال بشكل كبير من خلال تجميع قنوات طيف منفصلة متعددة في مسار بيانات أوسع. لا تحل هذه التقنية مشكلة تجزئة موارد الطيف فحسب، بل تحقق أيضًا جدولة ديناميكية فعالة بين المحطات الأساسية والمحطات الطرفية، مما يوفر دعمًا أساسيًا لسيناريوهات التطبيقات مثل الفيديو عالي الدقة والتفاعل في الوقت الفعلي. إنها أشبه بدمج طرق ضيقة متعددة المسارات في طريق سريع واسع، مما يسمح بتدفق البيانات بسلاسة. تكمن قيمتها الأساسية في زيادة الاستفادة من أصول الطيف الحالية وتعتبر جسرًا مهمًا نحو اتصالات الجيل الخامس.

1.التعريف الفني وخلفية تطور تجميع الموجات الحاملة

تقنية تجميع الموجات الحاملة هي في الأساس حل تقني يدمج قنوات حاملة متعددة مستمرة أو غير مستمرة في قناة منطقية واحدة. في عملية تطور تقنية الاتصالات من الجيل الثالث إلى الجيل الرابع، غالبًا ما تكون موارد الطيف التي يحصل عليها المشغلون مبعثرة في نطاقات تردد مختلفة، مشكلة توزيعًا مجزأً. لا يمكن استخدام طرق الإرسال التقليدية أحادية الموجة الحاملة، مثل استخدام مسار واحد فقط للقيادة، بفعالية حتى لو كانت موارد النطاق الترددي غير مستخدمة. لقد قدم مشروع شراكة الجيل الثالث تقنية تجميع الموجات الحاملة في معيار اتصالات الجيل الرابع المتنقلة على وجه التحديد لحل نقطة الضعف الرئيسية المتمثلة في انخفاض استخدام الطيف. وفقًا للبيانات الصادرة عن الرابطة العالمية لموردي المعدات المتنقلة، نشر أكثر من 200 مشغل حول العالم أشكالًا مختلفة من شبكات تجميع الموجات الحاملة حتى نهاية عام 2023، مما يؤكد تمامًا ضرورتها التقنية.

2.التحدي الحقيقي لتجزئة الطيف

بسبب أسباب التخصيص التاريخية، غالبًا ما يظهر الطيف الذي يملكه المشغلون حالة توزيع "فرص". على سبيل المثال، قد يمتلك مشغل واحد عرض نطاق ترددي قدره 10MHz في نطاق 800MHz، و15MHz في نطاق 1.8GHz، و20MHz في نطاق 2.6GHz في نفس الوقت. إذا لم يكن بالإمكان استخدام هذه الموارد المبعثرة معًا، فإن كل نطاق تردد يمكن أن يوفر معدلًا محدودًا بشكل مستقل فقط، وتكون هذه الظاهرة من الموارد الخاملة بارزة بشكل خاص في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية، وتعد تقنية تجميع الموجات الحاملة هي المفتاح الذهبي لحل هذه المشكلة.

3.الخصائص الفنية لأنواع طرق التجميع الثلاثة

وفقًا لخصائص توزيع الطيف، يمكن تقسيم تجميع الموجات الحاملة إلى ثلاثة أنواع: تجميع الموجات الحاملة المستمر، وتجميع الموجات الحاملة غير المستمر ضمن النطاقات الترددية، وتجميع الموجات الحاملة بين النطاقات الترددية. يعالج التجميع المستمر القنوات المتجاورة في نفس النطاق الترددي ولديه أقل تعقيد في التنفيذ؛ بينما يتطلب النوع غير المستمر معالجة قنوات منفصلة في نفس النطاق الترددي مما يضع متطلبات أعلى لتصميم التردد اللاسلكي؛ ويعكس تجميع الموجات الحاملة بين النطاقات الترددية القيمة التقنية بشكل أفضل، حيث يمكنه دمج الموارد عبر نطاقات تردد متعددة، ولكنه يتطلب حل مشكلة التزامن الناتجة عن الاختلافات في خصائص الانتشار للنطاقات الترددية المختلفة. أشار "الورقة البيضاء حول طيف 5G واتصالات الجيل المستقبلي المتنقلة" الصادرة عن وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات في بلدي إلى أن تقنية التجميع عبر النطاقات ستزيد من استخدام الطيف بأكثر من 40%.

4.الآلية الأساسية لزيادة معدل الذروة

من خلال تجميع العديد من الموجات الحاملة، يحقق إجمالي عرض النطاق الترددي للنظام نموًا حسابيًا. بافتراض أن موجة حاملة واحدة توفر معدل 75 ميغابت في الثانية، فعند تجميع ثلاث موجات حاملة، يمكن أن يصل معدل الذروة النظري إلى 225 ميغابت في الثانية، وتكون هذه العلاقة الخطية للتحسين واضحة بشكل خاص في شبكة اتصالات الجيل الرابع المتنقلة. وفقًا للبيانات المقاسة من الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات، فإن معدل التنزيل لشبكة اتصالات الجيل الرابع المتنقلة التي تستخدم تجميع الموجات الحاملة الثلاثية يمكن أن يصل إلى 2.8 ضعف معدل الشبكات التقليدية، مما يدعم بفعالية الطلب على تدفق الفيديو عالي الدقة للغاية 4K.

5.تحسين تجربة المستخدم على حافة الشبكة

على حافة تغطية المحطة الأساسية، يؤدي تلاشي قوة الإشارة إلى انخفاض في المعدلات. تتيح تقنية تجميع الموجات الحاملة للمحطات الطرفية استقبال طاقة الإشارة من عدة موجات حاملة في وقت واحد من خلال الجدولة التعاونية متعددة الموجات الحاملة. عندما تكون إشارة موجة حاملة ضعيفة، يقوم النظام تلقائيًا بتخصيص المزيد من الموارد للموجة الحاملة ذات الإشارة الأقوى. تقلل آلية التوازن الديناميكي هذه تقلبات معدل مستخدمي حافة الشبكة بنحو 60%، مما يحسن بشكل كبير من اتساق خدمات الشبكة. يُظهر تقرير اختبار من مشغل إقليمي أنه بعد تفعيل تجميع الموجات الحاملة، زاد متوسط معدل مستخدمي حافة الخلية بأكثر من ثلاثة أضعاف.

6.التعاون بين تجميع الموجات الحاملة وتقنيات الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد

تعمل تقنية الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد على تحسين كفاءة الطيف من خلال الإرسال المتوازي من هوائيات متعددة، ويزيد تجميع الموجات الحاملة السعة عن طريق توسيع عرض الطيف، ويشكلان تأثيرًا تكامليًا. عندما يتم دمج تقنية الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد مع تجميع الموجات الحاملة، لا يحصل النظام على طريق بيانات أوسع فحسب، بل يحسن أيضًا كفاءة حركة المرور لكل وحدة مساحة من خلال مسارات متعددة متوازية. لقد أكد مشروع شراكة الجيل الثالث بشكل خاص على مخطط التحسين المشترك لهما في معيار تطور اتصالات الجيل الرابع المتنقلة، ويمكن لهذه التقنية المدمجة تحقيق نمو هندسي في سعة الشبكة.

7.متطلبات التنفيذ الفني على جانب المحطة الطرفية

تحتاج المحطات الطرفية التي تدعم تجميع الموجات الحاملة إلى أن تكون مجهزة بأنظمة إرسال واستقبال متعددة للترددات اللاسلكية وقدرات معالجة إشارة أقوى، وهذا يتطلب أن تدعم شريحة المحطة الطرفية إزالة التضمين المتزامن متعدد الموجات الحاملة، وأن يدمج معالج النطاق الأساسي خوارزميات جدولة أكثر تعقيدًا. في الوقت الحالي، أطلق مصنعو الرقائق الرئيسيون مثل Qualcomm و MediaTek رقائق اتصالات متنقلة من الجيل الرابع تدعم تجميع خمس موجات حاملة، ويستخدمون بنية معالج إشارة رقمية متعددة النوى داخليًا، ويمكنهم معالجة عرض نطاق ترددي مجمع يتجاوز 400MHz في وقت واحد، ويعد التطور المستمر لقدرات المحطات الطرفية قوة دافعة مهمة لانتشار تجميع الموجات الحاملة.

8.تعديلات البنية على جانب الشبكة

تحتاج معدات المحطة الأساسية إلى ترقية وحدة معالجة النطاق الأساسي لدعم الجدولة الموحدة لموارد الموجات الحاملة المتعددة. تستخدم بطاقة النطاق الأساسي الجديدة مصفوفة معالجات متعددة النوى، والتي يمكنها حساب حالة التحميل لكل موجة حاملة في الوقت الفعلي وتخصيص الموارد ديناميكيًا. على جانب الشبكة الأساسية، من الضروري تعزيز عرض النطاق الترددي لشبكة الحامل لتجنب الاختناقات في عملية نقل تدفقات البيانات المجمعة عالية السرعة. تُظهر الورقة البيضاء التقنية لـ China Mobile أن شبكتها الحالية قد حققت تجميع الموجات الحاملة عبر المحطات الأساسية من خلال إدخال تقنية الشبكات المعرفة بالبرمجيات، مما يزيد معدل نجاح التسليم عند حدود تغطية المحطات الأساسية المختلفة إلى 99.5%.

9.تطور تجميع الموجات الحاملة في اتصالات الجيل الخامس المتنقلة

سيدفع معيار اتصالات الجيل الخامس المتنقلة تقنية تجميع الموجات الحاملة إلى آفاق جديدة ويدعم طرقًا أكثر مرونة لدمج الطيف، حيث لا يمكنه تجميع الطيف المرخص فحسب، بل يدمج أيضًا موارد الطيف غير المرخص، ويدعم التجميع المتزامن لما يصل إلى 16 موجة حاملة. لقد حدد مشروع شراكة الجيل الثالث أكثر من 100 مخطط لدمج النطاقات الترددية في معيار اتصالات الجيل الخامس المتنقلة، بما في ذلك التجميع الهجين لموجات المليمتر والنطاقات الترددية الأقل من 6 GHz، مما يوفر مساحة كافية لتطور الشبكة المستقبلي.

10.التحديات التقنية في إدارة الطاقة

سيؤدي التشغيل المتزامن لعدة موجات حاملة إلى زيادة استهلاك طاقة المحطة الطرفية، مما يشكل تحديًا لعمر البطارية. تعتمد رقائق الاتصالات الحديثة آلية تفعيل ذكية تقوم بتشغيل جميع الموجات الحاملة فقط عند الحاجة إلى نقل البيانات بسرعة عالية، وتنتقل تلقائيًا إلى وضع توفير الطاقة أحادي الموجة الحاملة في حالة الاستعداد اليومية. تُظهر البيانات من مختبر MediaTek أن خوارزمية الجدولة الديناميكية للموجات الحاملة لرقاقتها الأحدث يمكن أن تزيد عمر البطارية بنسبة 15%، محققة توازنًا أمثل بين الأداء واستهلاك الطاقة.

11.أساليب ومعايير التحقق من الاختبار

تتطلب وظيفة تجميع الموجات الحاملة اختبارات اتساق صارمة، تشمل 128 مؤشرًا مثل دقة تزامن الموجات الحاملة ومعدل نجاح التسليم، وتتطلب معايير الاختبار الدولية من المعدات الحفاظ على أخطاء توقيت بين الموجات الحاملة أقل من 130 nanoseconds عند درجات حرارة محيطة تتراوح من -40 ° C إلى +85 ° C. يمكن لنظام الاختبار الآلي الذي طوره مختبر Tell في بلدي محاكاة الأداء في سيناريوهات النطاقات الترددية المتعددة المعقدة وضمان أن المعدات التجارية تلبي متطلبات معايير منظمة برنامج شراكة الجيل الثالث.

12.الوضع الحالي للنشر التجاري العالمي

حتى نهاية عام 2023، نشرت 89 دولة حول العالم شبكات تجميع الموجات الحاملة. كان المشغلون الكوريون الجنوبيون هم الأوائل في تحقيق تجميع الموجات الحاملة الخماسية للاستخدام التجاري، ويمكنهم الوصول إلى معدل ذروة قدره 1.2 غيغابت في الثانية. أكمل المشغلون الرئيسيون الثلاثة في بلدي تغطية تجميع الموجات الحاملة في المدن الرئيسية في جميع أنحاء البلاد، وقد حققت China Telecom اختبارات تجميع عبر المعايير لاتصالات الجيل الرابع المتنقلة واتصالات الجيل الخامس المتنقلة بناءً على نطاقات التردد 2.1GHz و 3.5GHz في عام 2022، مما يضع الأساس لتكامل الشبكة المستقبلي.

13.التمكين العميق للتطبيقات الصناعية

في المجال الصناعي، توفر تقنية تجميع الموجات الحاملة ضمانًا لتأخير الميلي ثانية للتحكم التعاوني بالروبوتات. بعد أن قامت مصنع لإنتاج السيارات بنشر شبكة تجميع موجات حاملة مخصصة، زادت دقة تزامن 200 روبوت لحام إلى 0.1mm. في سيناريوهات الطب عن بعد، يضمن الإرسال متعدد الموجات الحاملة نقل صور جراحية بدقة 4K في الوقت الفعلي، مما يسمح للخبراء بتقديم إرشادات دقيقة عن بعد، وتؤكد هذه التطبيقات قيمة تجميع الموجات الحاملة التي تمتد من مستوى المستهلك إلى المستوى الصناعي.

14.الدمج مع تقنية تقسيم الشبكة

في شبكات اتصالات الجيل الخامس المتنقلة، يمكن لتجميع الموجات الحاملة أن يشكل تأثيرًا تآزريًا مع تقنية تقسيم الشبكة. لتعزيز شرائح النطاق العريض المتنقل التي تتطلب عرض نطاق ترددي كبير، يمكن للنظام تخصيص المزيد من موارد الموجات الحاملة ديناميكيًا، مع الاحتفاظ بالموجة الحاملة الأساسية لشرائح شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة، وتزيد آلية التخصيص المرنة هذه من استخدام المشغلين لموارد الطيف بنسبة 35%، ويمكنها تلبية الاحتياجات المتمايزة للصناعات العمودية المختلفة.

15.اتجاه التطور التكنولوجي المستقبلي

صنفت الأبحاث حول الجيل السادس من الاتصالات المتنقلة تجميع الموجات الحاملة بمساعدة السطح الذكي كاتجاه رئيسي. من خلال تقنية السطح الذكي القابل لإعادة التشكيل، يمكن للشبكة تشكيل بيئة انتشار الموجات الراديوية ديناميكيًا، وزيادة كفاءة تجميع النطاقات الترددية غير المستمرة بنسبة 50%. في الوقت نفسه، يتم اختبار خوارزمية الجدولة التنبؤية للموجات الحاملة المدعومة بالذكاء الاصطناعي في المختبر، والتي قد تتنبأ باحتياجات الأعمال قبل 500 ميلي ثانية وتنشط مجموعات الموجات الحاملة المقابلة.

16.سياسة الطيف وتقدم التوحيد القياسي

تقوم الجهات التنظيمية في مختلف البلدان بتعديل استراتيجيات تخصيص الطيف لحجز نطاقات تردد متجاورة لتجميع الموجات الحاملة. أصدر المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية لعام 2023 التابع للاتحاد الدولي للاتصالات قرارًا يشجع الدول الأعضاء على تخطيط كتل طيف متجاورة لا تقل عن 100MHz، ويقترح "الخطة الرابعة عشرة لتطوير صناعة المعلومات والاتصالات" في بلدي بوضوح تعزيز الاستخدام المنسق لنطاقات تردد متعددة لخلق بيئة سياسية أكثر ملاءمة لتقنية تجميع الموجات الحاملة.

باعتبارها حلقة وصل رئيسية في تطور الاتصالات المتنقلة، لا تحل تقنية تجميع الموجات الحاملة نقاط الضعف في الاستفادة الحالية من موارد الطيف فحسب، بل توفر أيضًا بنية تحتية لابتكار الشبكة المستقبلي. من تحسين تجربة المستخدم إلى تمكين الرقمنة الصناعية، تستمر هذه التقنية في إطلاق العنان للقيمة الكامنة لشبكات الاتصالات. ومع تعميق انتشار اتصالات الجيل الخامس المتنقلة وتسريع البحث والتطوير في اتصالات الجيل السادس المتنقلة، تواصل تقنية تجميع الموجات الحاملة لعب دور مهم عند تقاطع تقنية الاتصال والاحتياجات العملية.