عدم پوشش مناسب برای اپراتورهای شبکهی مخابرات سیار در محیطهای انتشاری به عنوان یک چالش بزرگ محسوب میشود. این چالش در شهرهای متراکم به دلیل وجود ساختمانها و اماکن پیچیده، بیشتر دیده میشود به طوری که امواج الکترومغناطیسی برای انتشار در این محیطها با سختی بسیاری مواجه هستند و در مسیر انتشار با تلفات زیادی همراه هستند. به همین دلیل ارتباط رادیویی در این نقاط غیرقابل کنترل خواهد بود و همچنین اپراتورهای شبکه نسبت به فرآیندهای ارتباطی دیگر در این اماکن که در باند فرکانسی مخابرات سیار عمل میکنند (هر نوع سیگنالی اعم از سنسورها، سیگنالهای اخلالگر و…)، بیاطلاع خواهند بود. از این رو برای برطرف نمودن این چالش، راهحلهای متعددی مطرح میشود که یکی از این راهحلها استفاده از آنتنهای آرایه انتقالی/انعکاسی میباشد که اخیراً مورد توجه محققین قرار گرفته است.
کلیدواژه: پوششدهی سیگنال موبایل، نسل 5G و 6G مخابرات، راهحلهای درون ساختمانی، آنتن آرایه انتقالی/انعکاسی.
مقدمه
به کمک آنتنهای آرایه انتقالی/انعکاسی میتوان به یک محیط هوشمند پسیو دست پیدا کرد به طوری که پوششدهی سیگنال در نقاط کور داخل ساختمان و یا حتی اماکن دیگر را تامین نماید. از این راهکار میتوان در راهحلهای درون ساختمانی(IBS)[1]بهره برد و با توجه به این موضوع که در نسل مخابراتی 5G، فرکانس کاری بالا میباشد بنابراین این نوع از آنتنها میتوانند در ابعادی مناسب عملکرد بهینهای داشته باشند. به دلیل این که این آنتنها غالباً از نوع پسیو محسوب میشوند از لحاظ سلامت و ایمنی افراد میتوانند گزینهی بسیار مناسبی باشند، همین طور اختلال در باند فرکانسی دیگر اپراتورها را نخواهند داشت و همچنین نگرانی افزایش RTWP[2] از سمت BTS به وجود نخواهد آمد. در واقع استفاده از این فناوری، چالشهایی که ریپیتر با خود به همراه دارد اعم از افزایش RTWP، اختلال در باند فرکانسی اپراتورهای دیگر، افزایش ناخواستهی توان الکتریکی و امکان بروز صدمات جسمانی، پیچیدگی پیادهسازی IBS، هزینهی بالا و… را تا حد امکان مرتفع میکند.
آنتن آرایه انتقالی در کاربرد IBS نسل 5G و 6G
در سال 1986 برای اولین بار McGrath به معرفی ساختار لنز مایکروویو پرداخت. در این مقاله، یک ساختار ساده متشکل از دو آنتن چاپی متصل شده توسط رابط هادی معرفی گردید. در این ساختار بر قابلیت تمرکز و پویش تاکید شده است.
در نتیجه مفهوم جدیدی با نام آنتن آرایه انتقالی مورد توجه محققین قرار گرفت. این ساختار به طور معمول از چندین عنصر تشدیدگر به نام سلول واحد ساخته میشود که بهصورت متناوب در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. برای پیادهسازی آرایه انتقالی معمولاً از تکنولوژی ساخت مدارات چاپی استفاده میشود. از این رو، علاوه بر پیادهسازی سادهتر، قابلیت یکپارچه شدن با مولفههای دیگر نیز فراهم گردید، از این رو این ساختارها میتوانند با تکنولوژی صفحهای (SMT)[3] به سادگی سازگار شده تا ابعاد نهایی ساختار کاهش یابد. با توجه به اینکه تغذیهی این آنتنها از قسمت آرایه مجزا است، بنابراین برای کاربردهایی که در آنها نیاز به چرخش پرتو[4] باشد میتوان از آنتنهای مرسوم بهره برد. طراحی عناصر آرایه انتقالی به شکلی است که برای ایجاد شکل پرتو[5] مورد نظر باید فاز هر المان را بتوان تنظیم کرد بنابراین سلولهای واحد باید در حدود 360 درجه قابلیت جابجایی فاز را داشته باشند. هر سلول واحد در یک لایه، مستقل از شکل به کار رفته در آن حداکثر قادر است 90 درجه جابجایی فاز را در محدوده پهنای باند 3 دسیبل خود ایجاد نماید.
در این راستا با قرار دادن چند لایه در کنار یکدیگر میتوان محدوده فاز را افزایش داد، همانگونه که بیان شد به این روش تشدید کنندههای تزویج شده میگویند. آنتنهای آرایه انتقالی به روشدیگری مانند روش موج هدایت شده نیز پیادهسازی شدهاند. در این ساختارها معمولاً لایهی اول و آخر نقش آنتن را ایفا میکنند به طوری که آنتن لایه اول وظیفهی دریافت امواج را بر عهده دارد و آنتن لایه آخر نیز امواج را بار دیگر در محیط منتشر میکند. لایههای میانی در این ساختار عملیات تغییر فاز، امکان چرخش الگوی تشعشعی و حتی پیادهسازی یک فیلتر را فراهم میسازند. در روش اول به کمک تزویج بین لایههای مایکرواستریپی از طریق روزنه، امواج انتقال مییابند و در روش دوم از طریق تزویج روزنه به یک خط انتقال و سپس تزویج به لایهی آخر، این کار صورت میپذیرد. روشهای طراحی آرایه انتقالی به این دو دسته کلی قابل تقسیم هستند که هریک از این روشها نقاط قوتوضعف خاصی دارند و متناسب با کاربرد مورد نظر ارائه میشوند.
شکل 1: آنتن آرایه انعکاسی
آنتنهای قطبش دایروی این امکان را فراهم میسازند که اطلاعات در دو قطبش V یا H در محیط منتشر شوند، به طوری که اگر یک مولفه با تلفات همراه باشد آنگاه اطلاعات سیگنال در قطبش دیگر H یا V همچنان باقی مانده باشد و موج الکترومغناطیسی با این قطبش در محیط منتشر شود. این مسئله به خصوص داخل اماکن مسکونی میتواند حائز اهمیت باشد به طوری که با توجه به قرار گیری مصالح ساختمانی اعم از دیوار، ستون و… ممکن است امواج در مؤلفهی H یا V با تلفات همراه شود و از این رو ارتباط کاربر در مسیر فروسو[6] و فراسو[7] با BTS دچار اختلال گردد. بر این اساس طراحی و ساخت آنتنهای آرایه انتقالی با قابلیت تبدیل قطبش خطی به دایروی میتواند گزینهی مناسبی باشد بهطوری که امواج با قطبش خطی را از BTS در یافت نماید و با قطبش دایروی داخل ساختمان هدایت نماید. در سالهای اخیر این نوع از آنتنهای مخابراتی با ویژگیهای چرخش و شکل دهی پرتو مناسب و میزان بهرهی بالا مورد توجه محققین قرار گرفته است که البته با توجه به چالش مخابرات سیار در زمینهی راهحلهای درون ساختمانی نیز میتواند پوششدهی سیگنال مخابراتی درون ساختمانها و اماکن کور را تامین کند. در این راستا بهطور آزمایشگاهی تیمی متشکل از دانشجویان و اساتید ایرانی و هندی دانشگاه Surrey به دنبال پیادهسازی آنتن آرایه انتقالی در باند 5G و 6G به صورت تجاری هستند و نتایج اندازهگیری شده نشان میدهد که نتایج مناسبی برای این لینک مخابراتی به دست آمده است [6]. همچنین در کشور ایران نیز نمونههای دانشگاهی و تحقیقاتی از این آنتنها مورد بررسی و ساخت قرار گرفته است که برخی از آنها مورد حمایت اپراتور همراه اول میباشد [7].
شکل 2: آنتن آرایه انتقالی نسل 5G بین ساختمانی و درون ساختمانی
نتیجهگیری
با توجه به این موضوع که پوششدهی سیگنال مخابرات برای ارائهی سرویسهای صوت و دیتا درون ساختمانها و اماکن کور با چالش همراه است از این رو راهکارهای متنوعی تحت عنوان راهحلهای داخل ساختمانی (IBS) برای حل این موضوع پیشنهاد میشود. چالش اصلی راهحلهای فوق، هزینهی بالای راه اندازی آنها میباشد یعنی نسبت هزینههای مالی به تعداد مشترکین در محیط انتشاری بسیار بالا است، بنابراین اپراتورهای شبکه با چالش مواجه خواهند شد و بعضاً به همین خاطر، راهاندازی چنین سیستمی توسط خود مشترکین انجام میشود.
با توجه به بالا بودن فرکانس در نسل مخابراتی 5G میتوان طراحی آنتن آرایهای را در ابعاد و وزن بهینه انجام داد به طوری که پهنای باند فرکانسی مورد نظر اپراتورهای شبکه را با بهره[8] بالایی تامین نماید.
برای راهاندازی آنتن آرایهای، ابتدا باید آن را در مکانی از ساختمان قرار داد که سیگنالدهی مناسبی داشته باشد بنابراین سیگنال از آنتن BTS به سمت آنتن آرایه انتقالی و بالعکس (UL,DL) تابیده میشود در گام بعدی امواج الکترومغناطیسی را میتوان به سمت نقاط کور داخل ساختمان هدایت نمود.
شرکتها و استارتاپهای مرتبط
با توجه به چالش پوششدهی سیگنال در نقاط کور، اپراتورها و شرکتهای خصوصی بزرگ و کوچک در زمینهی راهحلهای درون ساختمانی یا همان IBS ورود کردهاند که از این شرکتها میتوان نمونههای داخلی و خارجی زیر را نام برد:
شرکت نقش اول کیفیت (ناک)- همراه اول
ایرانسل
تلکام آرین با انجام پروژههای خارج و داخل ایران مانند پروژه ایرانمال، فرمانیه و…
شرکت چشمانداز ارتباط
شرکت zyxel
شرکت Huaptec
شرکت Action
شرکت Nextivity
شرکت Kathrein Nokia
منابع
[1] Mei P, Pedersen GF, Zhang S. A broadband and FSS-based transmitarray antenna for 5G millimeter-wave applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2020 Dec 3;20(1):103-7.
[2] Song C, Pan L, Jiao Y, Jia J. A high-performance transmitarray antenna with thin metasurface for 5G communication based on PSO (particle swarm optimization). Sensors. 2020 Jan;20(16):4460.
[3] Matos SA, Teixeira JP, Costa JR, Fernandes CA, Nachabe N, Luxey C, Titz D, Gianesello F, Del Rio C, Arboleya A, Garnero JP. 3-D-Printed Transmit-Array Antenna for Broadband Backhaul 5G Links at V-Band. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2020 Apr 6;19(6):977-81.
[4] Prather DW, Shi S, Schneider GJ, Yao P, Schuetz C, Murakowski J, Deroba JC, Wang F, Konkol MR, Ross DD. Optically upconverted, spatially coherent phased-array-antenna feed networks for beam-space MIMO in 5G cellular communications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017 Aug 3;65(12):6432-43.
[5] D. McGrath, “Planar Three-Dimensional Constrained Lenses,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 34, no. 1, pp. 46–50, Jan 1986.
[6] Reconfigurable Reflecting Surfaces for 5G/6G | University of Surrey – YouTube
[7] H. Rezayati, “Design, analysis, and optimization of transmit array antenna with wide axial ratio bandwidth based on linear to circular polarizer implemented by non-resonant frequency selector surfaces,” Ph.D. Thesis, University of Shahed, Jul. 2022.
[8] RECONFIGURABLE INTELLIGENT SURFACES: THE RESURRECTION OF RELAYING. 2020. https://ma-mimo.ellintech.se/2020/06/08/reconfigurable-intelligent-surfaces-the-resurrection-of-relaying/
پینوشت
[1] In-Building Solution
[2] Received Total Wide Band Power
[3] Surface Mount Technology
[4] Beam Steering
[5] Beamforming
[6] DownLink
[7] UpLink
[8] Gain
