في نظام الشبكات الخلوية، سواء كانت 4G LTE أو 5G NR، تُعد كل من تقنية Multiple-input multiple output (MIMO) وتقنية Carrier Aggregation (CA) من التقنيات الأساسية، لكن ما الفرق بينهما؟

تُعد Carrier Aggregation تقنية مبتكرة للغاية أُدخلت في شبكات LTE Advanced، حيث تسمح للشبكة الخلوية بدمج عدة موجات حاملة للترددات في موجة واحدة لزيادة إجمالي عرض النطاق الترددي للحامل، مما يحقق زيادة أكثر أهمية في معدل البيانات لمستخدمي الهواتف المحمولة. في البداية، لم تكن شبكات LTE المعتمدة على 3GPP Release 8 تدعم Carrier Aggregation، لكن شبكات LTE تدعم إعدادًا مرنًا لعرض النطاق الترددي، أي أنها تستطيع استخدام موجات حاملة بعرض نطاق مختلف مثل 1.4 MHz و3 MHz و5 MHz و10 MHz و15 MHz و20 MHz.

كان Release 10 من LTE-Advanced أول نسخة LTE تقدم تقنية Carrier Aggregation (داخل النطاق المستمر وبين النطاقات)، مع اعتماد 5×20 MHz كمعيار لتقنية CA، لكنها كانت مخصصة لموجتين حاملتين فقط. أما الإصدار Release 12 من LTE-Advanced الذي تم تقديمه في عام 2012، فقد أضاف دعمًا لتجميع الموجات الحاملة غير المتجاورة داخل النطاق، كما يدعم تجميع ما يصل إلى 5 موجات حاملة للترددات بعرض نطاق مرن، وبحد أقصى 100MHz. وحتى عرض النطاق 100MHz كان مثيرًا للإعجاب بالفعل، لكن شبكات LTE-Advanced Pro جاءت بإعدادات Carrier Aggregation بمواصفات أعلى، تهدف إلى توفير إنتاجية قصوى تصل إلى 3 Gbps في الإرسال الهبوطي، الأمر الذي يتطلب أحجامًا أكبر للموجات الحاملة. وقد قدّم إصدار 3GPP Release 13 شبكات LTE-Advanced Pro التي تمكّن تجميع الموجات الحاملة حتى 32 موجة حاملة، لتصل إلى أقصى عرض نطاق يبلغ 640MHz.

على الرغم من أن Carrier Aggregation تقنية أساسية ظهرت بالفعل في شبكات LTE-Advanced، وتمكّن تطور LTE من تحقيق معدل بيانات للمستخدم يتجاوز 1Gbps، إلا أنها في شبكات 5G ستدعم التطور نحو 5G متعدد الجيجابت، حيث يصل معدل بيانات المستخدم إلى حوالي 4 Gbps أو أكثر.

بعد الحديث عن Carrier Aggregation، دعنا نلقي نظرة على ما هي تقنية MIMO بالضبط؟

في الشبكة اللاسلكية، تتواصل عقدتان لاسلكيتان لإرسال واستقبال البيانات عبر قناة راديوية، وتستخدم هذه القناة قدرًا من الطيف اللاسلكي. لكن في مناطق كثيرة، يكون الطيف المناسب نادرًا، واستخدام المزيد من الطيف غير عملي.

يرمز MIMO إلى Multiple Input Multiple Output، وهي تقنية هوائيات متقدمة يمكنها زيادة السعة دون الحاجة إلى زيادة الطيف، لذلك اعتمدتها شبكات 4G LTE وLTE-Advanced وLTE-Advanced Pro على نطاق واسع. تعمل MIMO على تحسين معدل البيانات وجودة الإشارة بفعالية من خلال الإرسال المكاني المتعدد (Spatial Multiplexing)، وتنوع الهوائيات (Antenna Diversity)، وتشكيل الحزمة (Beamforming).

تركز MIMO في شبكات 4G LTE على مبدأ الإرسال المكاني المتعدد، أي أن الاتصال يتم عبر هوائيات متعددة مفصولة مكانيًا (تقسيم الإرسال المكاني). في الوقت نفسه، تحسّن MIMO أيضًا جودة الإشارات الخلوية من خلال تقليل تأثيرات خبو تعدد المسارات (Multipath Fading) عبر تنوع الهوائيات.

بالإضافة إلى ذلك، تستفيد MIMO من تقنية تشكيل الحزمة (Beamforming)، حيث ترسل هوائيات متعددة الإشارات إلى نفس جهاز الاستقبال ليتمكن من استقبال إشارة أقوى. تستخدم شبكات LTE إعدادات MIMO مختلفة للإرسال الهبوطي والإرسال الصاعد، ويجب أن تدعم كل من أجهزة الإرسال وأجهزة الاستقبال هذه الإعدادات.

وفقًا لإصدار 3GPP Release 8، تدعم شبكات LTE الأصلية إعدادات MIMO 4×4 في الإرسال الهبوطي وإعدادات MIMO 2×2 في الإرسال الصاعد. يعني إعداد 4×4 في الإرسال الهبوطي أن أربعة عناصر هوائية في جهاز إرسال المحطة الأساسية ترسل الإشارة إلى الهاتف المحمول، بينما تتولى أربعة عناصر هوائية في مستقبل الهاتف المحمول استقبال الإشارة. أما الإرسال الصاعد فيكون من الهاتف المحمول عائدًا إلى المحطة الأساسية.

تستخدم شبكات LTE-Advanced وLTE-Advanced Pro إعداد MIMO 8×8 في الإرسال الهبوطي وإعداد MIMO 4×4 في الإرسال الصاعد. باختصار، تؤدي MIMO وCarrier Aggregation دورًا فريدًا وحاسمًا في الشبكات الخلوية الحديثة، إذ تقدمان معًا للمستخدمين تجربة اتصال أسرع وأكثر استقرارًا. في شبكات 5G (NR)، يتم اعتماد تقنية MIMO متقدمة تُعرف باسم Massive MIMO، والتي تستخدم إعدادات أعلى وتقنية MIMO متعددة المستخدمين. أصبحت Massive MIMO عامل تمكين رئيسيًا ومكونًا أساسيًا لشبكات 5G فائقة السرعة المعتمدة على الموجات المليمترية.

لا يوجد تعريف ثابت يحدد عدد الهوائيات التي يجب أن يمتلكها النظام ليُعد نظام Massive MIMO، لكن الأنظمة التي تحتوي على أكثر من 8×8 هوائيًا تُعد عمومًا أنظمة Massive MIMO. ويشير الرقم 8×8 إلى 8 هوائيات إرسال و8 هوائيات استقبال. بشكل عام، تعمل MIMO كتقنية هوائيات، ويختلف تركيزها عن Carrier Aggregation.

تركز Carrier Aggregation على دمج الموجات الحاملة للترددات، بينما تزيد MIMO معدل البيانات لمستخدمي الهواتف المحمولة من خلال الإرسال المكاني المتعدد للموجات الحاملة الحالية بشكل أكثر كفاءة. وتجمع Carrier Aggregation الموجات الحاملة المتعددة معًا لتخصيص عرض نطاق أكبر للهواتف المحمولة. أما MIMO فتستخدم عددًا كبيرًا من عناصر الهوائي في جهاز الإرسال لإرسال تدفقات بيانات متوازية متعددة إلى جهاز الاستقبال. كما تُجهَّز مستقبلات MIMO بعدة عناصر هوائية لاستقبال تدفقات البيانات هذه، ويتم تكوين الناتج لدى جهاز المستخدم من خلال دمج تدفقات البيانات المختلفة. وبهذه الطريقة، يعمل كل تدفق بيانات كقناة افتراضية بين المحطة الأساسية وجهاز المستخدم.