ما هو هوائي الخلية الصغيرة؟ الدليل الكامل

لقد أصبح مفهوم تقنية الخلايا الصغيرة وهوائيات الخلايا الصغيرة شائعًا بشكل متزايد في أنظمة الشبكات الحديثة نظرًا لقدرتها على توفير اتصال مشترك فعال حتى في المناطق ذات الطلب العالي جدًا. وقد أصبحت هوائيات الخلايا الصغيرة منتجاً ناجحاً بسبب حجمها الصغير ووزنها الخفيف إلى جانب أدائها العالي وكفاءتها العالية التي تعتبر مثالية للعديد من البيئات مثل المناطق الحضرية والملاعب والمطارات والمدن الذكية وحتى المناطق الريفية. تناقش هذه المقالة مفهوم الخلايا الصغيرة وأهمية هوائيات الخلايا الصغيرة وميزاتها وإيجابياتها وسلبياتها وتطبيقاتها وغير ذلك الكثير.

مقدمة في تقنية الخلايا الصغيرة

الخلايا الصغيرة هي عُقد وصول لاسلكية منخفضة الطاقة مدمجة الحجم وذات نطاق أقل وطاقة أقل مقارنةً بالأبراج الخلوية التقليدية. وهي تُستخدم بشكل عام إلى جانب الشبكة الكلية التي تكمل وتعزز أداءها. تلعب تكنولوجيا الخلايا الصغيرة دوراً رئيسياً في تعزيز أداء الشبكة من خلال تحسين سعتها وتغطيتها وجودة الخدمة مما يجعلها ضرورية في دعم أنظمة الشبكات في المناطق المكتظة بالسكان. مع انتقال العالم إلى شبكات الجيل الخامس وما بعدها من بنيات الشبكات، ستكون تكنولوجيا الخلايا الصغيرة عنصراً حاسماً. ستكون تقنية الخلايا الصغيرة مفيدة للغاية في المناطق ذات الطلب المرتفع على الشبكات اللاسلكية مثل المناطق الحضرية والملاعب ومراكز التسوق وغيرها من المواقع المزدحمة. هوائيات الخلايا الصغيرة هي العنصر الأكثر أهمية في إنشاء تقنية الخلايا الصغيرة. تتوفر هذه الأجهزة بأحجام مختلفة وبمعايير أداء مختلفة مثل النطاق ومستويات الطاقة وعوامل الشكل ويمكن استخدامها في البيئات الداخلية والخارجية على حد سواء. ويمكنها دعم وتشغيل تقنيات لاسلكية مختلفة بما في ذلك الجيل الثالث والجيل الرابع والجيل الخامس. وهي مريحة في التعامل معها ومرنة مما يجعلها سهلة التركيب في مصابيح الشوارع وأعمدة المرافق والمباني وما إلى ذلك. يختلف أفضل نوع من هوائي الخلايا الصغيرة باختلاف حالة الاستخدام، وذلك وفقاً لحالة الاستخدام. بشكل عام، ستعمل تقنية الخلايا الصغيرة على تقريب نقاط الوصول إلى المستخدمين النهائيين، وبالتالي تقليل حركة مرور الشبكة وتحسين سرعة البيانات وجودتها، وفي النهاية توفير تجربة أفضل للمستخدم.

تطور الشبكات الخلوية

تطورت التكنولوجيا على قدم وساق على مدى العقود القليلة الماضية. عبر أجيال الشبكات الخلوية ظهرت تقنيات مختلفة. مع تقنيات الجيل الخامس وما بعدها، والكميات الهائلة من المستخدمين، ومتطلبات سرعات البيانات العالية، والحد الأدنى من زمن الوصول، وما إلى ذلك، أصبحت هوائيات الخلايا الصغيرة عنصراً حاسماً.

خصائص هوائيات الخلايا الصغيرة

يلعب الهوائي الدور الأكثر أهمية في شبكة الخلايا الصغيرة. تم تصميم هوائيات الخلايا الصغيرة وبناؤها لتوفير تغطية محلية وسعة شبكة معززة. تتواصل هوائيات الخلايا الصغيرة مع أجهزة المستخدم النهائي من خلال إشارات التردد اللاسلكي وهي قادرة على استقبال وإرسال هذه الإشارات اللاسلكية عبر نطاقات تردد مختلفة مخصصة للشبكات المختلفة في نطاقات الجيل الثالث أو الجيل الرابع LTE أو الجيل الخامس. هوائيات الخلايا الصغيرة، كما يوحي الاسم، أصغر حجماً وصغيرة الحجم من هوائيات المحطات الأساسية التقليدية، ويمكن تركيبها وتركيبها بسهولة في معظم المواقع. وهذا يجعلها مريحة ومفيدة عند توفير تغطية محلية ضمن نطاق محدد. تعتمد منطقة تغطية هوائي الخلايا الصغيرة على معايير أدائه مثل الكسب، ونطاقات تردد التشغيل، وشكل الهوائي، والتكوينات بالإضافة إلى الظروف البيئية التشغيلية. عادةً ما يتم نشر هوائيات الخلايا الصغيرة كشبكة من العقد المترابطة مع وحدة تحكم مركزية وتقوم وحدة التحكم هذه بتنسيق الأداء بين هوائيات الخلايا الصغيرة والشبكة الخلوية الكلية مع المحطات الأساسية العادية من خلال تحسين تخصيص الموارد وتقليل التداخل بين الخلايا الصغيرة القريبة. يجب توصيل هوائيات الخلايا الصغيرة بالشبكة الأساسية وعادةً ما يتم تحقيق ذلك من خلال وصلات الربط باستخدام كابلات الألياف البصرية أو الوصلات اللاسلكية. سيضمن التكامل السليم بين هوائيات الخلايا الصغيرة والخلايا الكبيرة اتصالاً سلساً للمستخدمين.

ما هي الفوائد الرئيسية لنشر الخلايا الصغيرة؟

• يمكن لهوائيات الخلايا الصغيرة توسيع نطاق تغطية شبكات الهاتف المحمول الخلوي، خاصة في المناطق ذات الكثافة العالية. وهذا يزيد من السعة الإجمالية للشبكة، وبالتالي فهو مثالي لإضافة سعة للبيئات التي يتزايد فيها الطلب على الاتصال بالشبكة مثل المناطق السكنية أو الحضرية أو المناطق التجارية ذات الكثافة العالية. تُعد هوائيات الخلايا الصغيرة مفيدة أيضاً عند توفير الاتصال بالشبكة في المناطق التي قد تكون فيها الإشارات من الخلايا الكبيرة الأخرى ضعيفة أو غير متوفرة.  

• هوائيات الخلايا الصغيرة أرخص عموماً من هوائيات المحطات القاعدية التقليدية.

• عادة ما تكون هوائيات الخلايا الصغيرة أسهل وأسرع في النشر والتشغيل. ويجعل الحجم الصغير والتصميم الصغير هوائيات الخلايا الصغيرة مرنة للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات.

• إن هوائيات الخلايا الصغيرة قادرة على دعم عدد أكبر من المستخدمين لأنها تستفيد بشكل أفضل من الطيف المرخص وغير المرخص المتاح. وهي مصممة لتكون أكثر فعالية من الخلايا الكبيرة. يمكن للهوائيات الخلوية الصغيرة إعادة استخدام نفس الترددات لأن أهدافها تتركز بشكل عام على مناطق صغيرة فريدة من نوعها.

• يكون فقدان الإشارة والتداخل في هوائيات الخلايا الصغيرة محدودًا حيث يتم وضعها بشكل عام بالقرب من المستخدمين النهائيين. ويؤدي ذلك أيضًا إلى نقل البيانات بشكل أسرع وانخفاض زمن الوصول، وهو أمر مثالي لتوفير تجربة مستخدم سلسة وعالية الجودة.                                                                                                                                                                                                                                                          

أنواع هوائيات الخلايا الصغيرة

تتوفّر هوائيات الخلايا الصغيرة في ثلاثة نماذج رئيسية: الخلايا الصغيرة وخلايا البيكو وخلايا الفيمتو.

• خلية متناهية الصغر:

هوائيات الخلايا متناهية الصغر هي الأقرب من حيث الشكل وكذلك من حيث الأداء إلى هوائيات الخلايا الكبيرة وهي أنواع الهوائيات الموجودة عادةً. يبلغ مدى هوائيات الخلايا الصغيرة بشكل عام كيلومترين أو أقل، ولكن اعتماداً على الهوائي، يمكن أن يستمر حتى بضعة عشرات من الكيلومترات. تُستخدم الهوائيات الخلوية متناهية الصغر عادةً في المناطق الحضرية الخارجية حيث تكون الهوائيات الكلية ذات تغطية محدودة وكثافة عالية. يمكن استخدام الهوائيات الخلوية متناهية الصغر لتوفير خدمات الشبكة المحلية مع تغطية وسعة محسّنة. هذه الهوائيات هي الأكثر تكلفة من بين أنواع الخلايا الصغيرة ويمكنها دعم أعلى سعة.

• خلية بيكو:

تتمتع هوائيات Pico الخلوية بمساحة تغطية أصغر مقارنةً بالخلايا الصغيرة. ويمكنها بشكل عام الاتصال في نطاق 200 متر أو أقل، ولكن بعض هوائيات خلايا بيكو الخلوية يمكن أن يمتد نطاقها إلى بضعة كيلومترات. وهي تستخدم في التطبيقات الخارجية والداخلية على حد سواء ويمكن العثور عليها في أماكن مثل مراكز التسوق أو المطارات أو مباني المكاتب.

• خلية فيمتو

تتمتع هوائيات خلايا الفيمتو بمناطق تغطية أصغر وطاقة أقل من هوائيات خلايا البيكو. يبلغ مداها عموماً حوالي 40 متراً أو أقل ولكن يمكن أن تمتد إلى بضع مئات من الأمتار. وغالباً ما تستخدم هذه الهوائيات في التطبيقات الداخلية مثل البيئات السكنية أو بيئات الأعمال الصغيرة. يمكن أن تتصل هوائيات خلايا الفيمتو الخلوية بالاتصال المحلي عريض النطاق للمستخدم لتوفير تغطية خلوية محلية ضمن نطاق محدود، وبالتالي تعزيز التغطية الداخلية وتحسين قوة الإشارة لأجهزة المستخدم النهائي. هوائيات خلايا الفيمتو الخلوية أقل تكلفة بشكل عام.

يمكن أن تختلف مواصفات ومعايير أداء الأنواع المختلفة من هوائيات الخلايا الصغيرة باختلاف البائعين والمصنعين. يعتمد اختيار نوع معين من هوائيات الخلايا الصغيرة لحالة استخدام ما على عوامل متعددة بما في ذلك منطقة التغطية المطلوبة، وكثافة المستخدم، ومتطلبات حركة البيانات، وبيئة النشر المستهدفة. بالمقارنة مع هوائيات الخلايا الكبيرة، يمكن أن توفر هوائيات الخلايا الصغيرة تناسقًا وموثوقية أفضل ضمن نطاقها المحدود.

Summary

يعتمد اختيار النوع المناسب من الخلايا الصغيرة على سيناريو التطبيق المحدد وكثافة المستخدم ومتطلبات التغطية واحتياجات حركة البيانات.

التطورات التكنولوجية

تُعد هوائيات الخلايا الصغيرة جزءًا من ثورة تكنولوجيا الاتصالات الحديثة communication. وتلعب تقنيات تشكيل الحزمة و MIMO (المدخلات الضخمة والمخرجات الضخمة) دوراً رئيسياً في هوائيات الخلايا الصغيرة. تشكيل الشعاع هو القدرة على تكييف نمط الإشعاع لهوائيات الخلايا الصغيرة مع سيناريو معين حيث يتم تطبيق إبدالات السعة والطور النسبية على كل عنصر هوائي بحيث تتجمع إشارات الخرج معًا بشكل متماسك في زوايا معينة وتلغي إشارات الخرج لبعضها البعض بشكل هدام في زوايا معينة. MIMO الهائل هو عندما يتم نشر عدد كبير جداً من الهوائيات في المحطة القاعدية مما يحسن كفاءة الطاقة والكفاءة الطيفية للشبكات اللاسلكية. أنظمة MIMO قادرة على التعامل مع عمليات التسليم المتكرر في شبكات الخلايا الصغيرة مما يحسن الجودة الإجمالية للشبكة بأكملها.

دور الخلايا الصغيرة في شبكات الجيل الخامس 5G

تُعد تقنية الخلايا الصغيرة ضرورية لشبكات الجيل الخامس (5G) لأسباب عديدة نناقش فيما يلي بعضاً من أهمها.

• زيادة السعة الاستيعابية: تتميز شبكات الجيل الخامس بسرعات بيانات أعلى ووقت استجابة أقل مقارنة بشبكات الجيل الثالث أو الجيل الرابع. تعمل شبكات الجيل الخامس 5G عادةً بنطاقات تردد عالية ولها نطاقات إرسال قصيرة. تُعد هوائيات الخلايا الصغيرة مثالية لتنفيذ الشبكة في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية مع زيادة احتياجات السعة بسبب تغطيتها المحلية وانخفاض طاقة الإرسال.

• بنية شبكة أكثر كثافة: تحتاج شبكات الجيل الخامس إلى تلبية احتياجات عدد هائل من المستخدمين وبمعدلات بيانات عالية. عادةً ما تكون بنية الخلايا الصغيرة عبارة عن عدد كبير من المحطات القاعدية منخفضة الطاقة المتصلة بنمط محدد مع وحدة تحكم مركزية بطريقة مركزة. وهذا يوفر بنية شبكة أكثر دقة مما يعزز التغطية والسعة والأداء العام للشبكة.

• تقنية الموجات المليمترية: تعمل شبكات الجيل الخامس 5G في نطاقات تردد الموجات المليمترية وبالتالي تدعم معدلات بيانات عالية للغاية ولكن قدرتها على الانتشار محدودة. وتتعرض إشارات شبكات الجيل الخامس ذات الموجات المليمترية للتوهين بسهولة بسبب العوائق مثل المباني وأوراق الشجر. تُعد الخلايا الصغيرة مفيدة للغاية في تنفيذ عمليات نشر الموجات mmWave حيث يمكنها تقريب الإشارات من المستخدم.

• تغطية داخلية محسّنة: تُعد شبكة الجيل الخامس (5G) مهمة للغاية في التطبيقات الداخلية مثل المنازل الذكية والمكاتب الذكية والأتمتة الصناعية وتتطلب اتصالاً شبكيًا مستقرًا وموثوقًا للغاية. تُعد هوائيات الخلايا الصغيرة مثالية لمثل هذه التطبيقات الداخلية حيث يمكن تركيبها بسهولة في المباني لتعزيز التغطية والسعة وسرعات البيانات.

• تشريح الشبكة والحوسبة الطرفية: يستخدم الجيل الخامس مفهوم تشريح الشبكة الذي يسمح بتخصيص موارد الشبكة عند الطلب لحالات استخدام أو خدمات محددة. كما أن الخلايا الصغيرة قادرة أيضاً على تسهيل تشريح الشبكة وتوفير موارد مخصصة واتصال مخصص لتطبيقات محددة في منطقة معينة. كما تدعم الخلايا الصغيرة أيضاً الحوسبة الطرفية مما يجعل موارد الشبكة أقرب إلى المستخدمين ويقلل من زمن الوصول، مما يجعلها مثالية للتطبيقات في الوقت الفعلي.

• التنقل السلس والتسليم السلس: يجب أن توفر تقنية الجيل الخامس 5G اتصالاً سلسًا دون انقطاع لعدد هائل من المستخدمين. يمكن للخلايا الصغيرة أن تكون مفيدة للغاية في إنشاء مثل هذه الشبكات السلسة والجودة والموثوقية لأنه عندما تتكامل الخلايا الصغيرة مع الشبكة الخلوية الكلية، فإنها ستمكن المستخدمين من التنقل بسلاسة بين مناطق التغطية المختلفة للمحطات الأساسية المختلفة دون فقدان الاتصال.  

تطبيقات هوائيات الخلايا الصغيرة

• حضري:

تُعد هوائيات الخلايا الصغيرة طريقة فعالة من حيث التكلفة لتنفيذ الشبكات في المناطق الحضرية حيث يوجد طلب غير منتظم مرتفع. يمكن لهوائيات الخلايا الصغيرة تفريغ حركة المرور من الشبكة الخلوية الكلية ويمكنها أيضًا المساعدة في سد ثغرات التغطية وبالتالي تحسين جودة خدمة الشبكة الإجمالية وسعتها وسرعات البيانات ونطاقها. يمكن تركيب الهوائيات الخلوية الصغيرة بسهولة على أضواء الشوارع أو أعمدة المرافق أو المباني لتوفير تغطية محلية.

• الملاعب:

للملاعب متطلبات محددة فيما يتعلق بالاتصال بالشبكة حيث إن متوسط عدد المستخدمين فيها عادةً ما يكون قليلاً في غير أوقات الذروة، ثم خلال الفعاليات أو العروض في الملعب، فإنها تشهد زيادة هائلة في عدد المستخدمين ويزداد الطلب على الاتصال بالشبكة بشكل كبير. يمكن استخدام الهوائيات الخلوية الصغيرة في مثل هذه السيناريوهات لتلبية الطلب المرتفع ودعم الشبكة الخلوية الرئيسية الكلية للتعامل مع حركة المرور خلال أوقات الذروة.

• المطارات:

تُستخدم الخلايا الصغيرة في الأماكن المغلقة مثل المطارات لأنها غالباً ما تشهد حركة مرور كثيفة للمستخدمين وتحتاج إلى توفير تغطية موثوقة. يمكن أن تساعد هوائيات الخلايا الصغيرة في تحسين قوة الإشارة والسعة وسرعات البيانات داخل المباني وبالتالي تزويد المستخدمين بتجربة أفضل في مجال الشبكات.

• المدن الذكية:

تعمل المدن الذكية في الغالب بتقنية الجيل الخامس 5G التي تتطلب معدلات بيانات عالية وزمن استجابة منخفض، وتحتاج إلى دعم عدد هائل من المستخدمين. تلعب هوائيات الخلايا الصغيرة دورًا حاسمًا من خلال العمل في نطاقات تردد أعلى وبنى شبكات أكثر كثافة تتطلبها المدن الذكية. فهي تقرب الشبكة من المستخدمين وتتيح استخدامًا أكثر كفاءة للطيف المتاح.

• الاتصال الريفي:

يمكن أن تكون هوائيات الخلايا الصغيرة مفيدة للغاية في إنشاء شبكات في المناطق الريفية أو النائية حيث قد لا تكون الشبكات الخلوية التقليدية الكلية غير مجدية. سيؤدي ذلك إلى توسيع نطاق التغطية اللاسلكية إلى المناطق المحرومة من الخدمات، وبالتالي تقليل الفجوة الرقمية.

التحديات في نشر الخلايا الصغيرة

• الاستحواذ على الموقع:

مع نشر شبكات الجيل الخامس، يجب تركيب هوائيات الخلايا الصغيرة في بنية كثيفة. ومع ذلك، فإن تركيب مجموعة من الهوائيات يشغل مساحة كبيرة ويمكن أن يقلل أيضاً من قيمة العقار الذي يتم تركيبها فيه. قد يكون الحصول على مساحة كافية دون تعطيل البيئة أمراً صعباً للغاية. قد يتطلب الحصول على مواقع للهوائيات الخلوية الصغيرة أيضاً الحصول على عدد لا يحصى من التصاريح وعقود الإيجار والأوراق، وما إلى ذلك، وهو أمر غير مثالي أيضاً.

• إدارة التداخلات:

نظرًا لأن هوائيات الخلايا الصغيرة عادةً ما يتم نشرها بطريقة مجمعة، فإن تصميم البنية والموضع والتوجيه يمكن أن يكون صعبًا للغاية حيث يجب أن يتم وضعها بحيث يتم تقليل التداخل بين كل هوائي خلية صغيرة وكذلك التداخل بين هوائيات الخلايا الصغيرة وهوائيات الخلايا الكبيرة.

• النفقات المالية العامة:

قد يكون تنفيذ إعداد هوائي الخلايا الصغيرة صعباً للغاية من الناحية المالية. وعادة ما تكون تكاليف التنفيذ وكذلك تكاليف التشغيل والصيانة لهوائيات الخلايا الصغيرة باهظة الثمن مقارنة باستخدام أجهزة إعادة الإرسال أو أجهزة الترحيل التقليدية. يتطلب الأمر ميزانية أكبر لنشر عدد كبير من هوائيات الخلايا الصغيرة في منطقة ما.

الخاتمة

لقد أصبحت تقنية الخلايا الصغيرة حيوية في عالم الاتصالات في عالم اليوم communication. في العالم الحديث، ولتحقيق مستويات الأداء المتوقعة لسرعة البيانات والتغطية وجودة الخدمة وتقليل التداخل والكمون والتغلب على قيود نطاقات التردد الأعلى ودعم الكثافة المتزايدة للأجهزة المتصلة، فإن هوائيات الخلايا الصغيرة أمر بالغ الأهمية. تتوفر هوائيات الخلايا الصغيرة في نماذج مختلفة ويعتمد اختيار النموذج المناسب على بيئة التشغيل ومتطلبات الأداء للتطبيق المحدد. في الختام، تعتبر تقنية الخلايا الصغيرة أداة مهمة للطلب المتزايد باستمرار على الاتصال اللاسلكي.