سرعة واتصال فائق مع تقنية mmWave في شبكات 5G

شبكات 5G تقدم سرعات إنترنت غير مسبوقة، ولكن هناك تقنيات مختلفة داخل هذه الشبكات تؤثر على الأداء والتغطية. من بين هذه التقنيات، تبرز mmWave التي توفر نطاقًا تردديًا عاليًا وسرعات فائقة، مما يتيح تحميل الملفات الكبيرة وتشغيل المحتوى عالي الدقة دون تأخير. هذه التقنية تمثل قفزة كبيرة في عالم الاتصال اللاسلكي، لكنها تأتي مع بعض التحديات التي تؤثر على التغطية ومدى الاستفادة منها.

تُعد تقنية 5G mmWave أسرع تقنية لشبكات الهاتف المحمول لدينا، حيث تصل سرعتها إلى 10 جيجابت في الثانية في العالم الحقيقي. دعونا نستكشف ماهيتها الفعلية ونتعرف على كيفية عمل شبكات الهاتف المحمول. قد يبدو بعضها مُعقدًا بعض الشيء، لكنني أعدكم بأن هذا سيساعدنا على فهمها بشكل أعمق.

ما هي الموجة بالضبط؟

لقد رأينا جميعًا أمواجًا على الماء عندما يكون مضطربًا. لنفترض وجود عوامة في تلك المياه المضطربة (أو أي شيء يطفو)، ستلاحظ أنها تتأرجح صعودًا وهبوطًا دون أن تتحرك. لماذا لا تتحرك ذهابًا وإيابًا كما تبدو الأمواج؟ أيضًا، كل هذا التأرجح يتطلب طاقة. من أين أتت هذه الطاقة؟

الجواب هو أنها انتقلت للخارج من المصدر الأصلي للاضطراب. لنفترض أن أحدهم أسقط حصاة في ماء راكد، مما تسبب في حدوث الموجة. حملت الموجات المتمددة طاقة تلك الحصاة معها طوال الطريق إلى العوامة.

لماذا لم تدفع تلك الطاقة العوامة للأمام؟ ذلك لأنه على الرغم من أنها تُعطي وهم التموج للخارج، إلا أن الماء في الواقع لا يتحرك أبعد. إنه يرتد لأعلى ولأسفل فقط. باختصار، تنتقل طاقة الموجة بعيدًا، لكن الموجة نفسها تبقى ثابتة. تمامًا كما يُحدث الناس موجة في ملعب بالجلوس لأعلى ولأسفل.

تخضع كل موجة لنفس المبادئ. على سبيل المثال، ستتصرف الموجة بنفس الطريقة تمامًا إذا أحدثت اضطرابًا في الهواء بدلًا من الماء (هذا هو الصوت).

علميًا، هناك مصطلح لكل من هذه السلوكيات وطريقة لقياسها. على سبيل المثال، إذا أحصيتَ عدد مرات ارتداد العوامة لأعلى ولأسفل في الثانية، فهذا يُمثل ترددها. والمسافة التي تقطعها العوامة لأعلى ولأسفل في كل مرة تُمثل سعة الموجة. وإذا أخذتَ مسطرة وقستَ المسافة بين التموجات، فهذا يُمثل طول موجتها.

عندما تتقارب الموجات، يكون طولها الموجي أقصر وترددها أعلى. ويكون التردد أقل وطولها الموجي أطول عندما تكون الموجات متباعدة. كقاعدة عامة، تعني الترددات الأعلى طاقة أكبر، والعكس صحيح.

5G نوع خاص من الموجات

تنتشر الموجات في كل مكان حولنا. الضوء الذي نراه يتصرف كموجات الماء. لكن على عكس موجات الماء أو الهواء، فهو نوع خاص من الموجات لا يحتاج إلى مادة لينتشر، بل ينتشر ببساطة عبر الفراغ. يُطلق على هذا النوع الخاص من الموجات اسم الموجات الكهرومغناطيسية.

تتكون هذه الموجات من طيف كامل من أطوال موجية مختلفة، ونطاق ضيق من هذا الطيف هو ما ندركه كضوء مرئي. جميع الألوان التي نراها هي مجرد أطوال موجية مختلفة على هذا الطيف. ببساطة، لا نرى سوى شريحة صغيرة من الموجات الكهرومغناطيسية، والباقي غير مرئي.

عندما يكون للموجة الكهرومغناطيسية طول موجي قصير جدًا، فقد تكون أشعة غاما، أو أشعة سينية، أو موجة فوق بنفسجية (وهي نفس الأشعة فوق البنفسجية التي يُفترض بنا تجنبها عند التعرض لأشعة الشمس). على النقيض من ذلك، عندما يكون لها أطول طول موجي ممكن، فهي موجة راديوية.

تستطيع موجات الراديو قطع مسافات هائلة بفضل طولها الموجي الأطول وتردداتها المنخفضة جدًا. لهذا السبب نستخدمها في الاتصالات اللاسلكية. شبكات الواي فاي والهواتف المحمولة، بما في ذلك الجيل الخامس، هي في الواقع موجات راديو.

الموجات قادرة على نقل كميات هائلة من البيانات، وبسرعة فائقة.

لكن كيف يمكن لموجة أن تحمل رسالة أو حزم بيانات إنترنت؟ يبدو الأمر محيرًا، لكن السر يكمن في بساطة لغة الرسالة نفسها.

ربما سمعتَ عن شفرة مورس. إنها لغة مكونة بالكامل من النقاط والشرطات. ثم هناك النظام الثنائي، لغة الآحاد والأصفار، التي تقرأها وتفهمها أجهزة الكمبيوتر.

هل تذكر العوامة التي تتأرجح لأعلى ولأسفل عند إسقاط حصاة في الماء؟ يمكنك إنشاء لغة منها لإرسال رسالة. يمكن أن يكون ارتفاع العوامة هو الرمز: يمكن أن يكون الارتفاع الأعلى 1، والارتفاع الأدنى صفرًا. يمكنك إسقاط صخرة كبيرة لترميز الرقم 1، وحصاة صغيرة لترميز الرقم 0. قد يكون الأمر معقدًا وبطيئًا، ولكن من حيث المبدأ، يمكن لشخص بعيد مراقبة العوامة وتفسير الرسالة التي أرسلتها عبر الأمواج.

هكذا تعمل الاتصالات اللاسلكية أساسًا. يقوم جهاز الإرسال بترميز الرقمين 1 و0 عن طريق تغيير التردد أو السعة (تمامًا مثل عوامتنا) أو طور الموجة. يُسمى هذا تقنيًا التعديل.

يمكن رسم نمط من الرقمين 1 و0 أو “ترميزه” على موجة لأن جهاز الإرسال قادر على إحداث اضطرابات دقيقة للغاية، والتي تفسرها أجهزة الاستقبال و”تفك تشفيرها” إلى رقمين 1 و0. يمكنك أن ترى كيف أن الموجة ذات التردد الأعلى (عدد أكبر من الاهتزازات في الثانية) والطول الموجي الأقصر ستسمح لك بترميز المزيد من المعلومات نظرًا لوجود المزيد من الفجوات أو الفرص لتعديل أجزاء الموجة.

نحن نعلم بالفعل أن شبكات الهاتف المحمول تعمل على موجات الراديو، ويمكن أن تكون أطوال موجات الراديو صغيرة تصل إلى مليمتر واحد أو طويلة تصل إلى عدة أميال. هذا هو المفتاح.

شرح موجات الجيل الخامس 5G mmWave

بهذا، لدينا جميع قطع اللغز لتوضيح ماهية موجات الجيل الخامس 5G mmWave.

استخدمت الأجيال الأولى من شبكات الهاتف المحمول (1G و2G) موجات راديو تهتز بمعدل 1-2 مليار مرة في الثانية (1-2 جيجاهرتز) ولها أطوال موجية تبلغ حوالي قدم واحدة. تبدو سريعة، لكن الجيل الأول لم يكن قادرًا حتى على إرسال الرسائل النصية. رفع الجيل الثالث (3G) التردد إلى 2.5 جيجاهرتز وخفض الطول الموجي إلى النصف. مع الجيل الثالث، يمكنك تصفح الإنترنت والبث بدقة قياسية. مع الجيل الرابع (4G)، وصل التردد إلى 8 جيجاهرتز، وانخفض الطول الموجي إلى 1.5 بوصة، مما سمح ببث عالي الدقة وتصفح سريع. تصل سرعتها إلى حوالي 50 إلى 100 ميجابت في الثانية في العالم الحقيقي.

تُعدّ تقنية الجيل الخامس 5G نقلة نوعية، إذ تعمل بتردد هائل يصل إلى 100 جيجاهرتز (أي مائة مليار مرة في الثانية). ويمكن أن يصل طولها الموجي إلى مليمتر واحد (مم)؛ ومن هنا جاء اسمها. وهذا ما تُعرف به تقنية الجيل الخامس 5G mmWave: شبكة خلوية تعمل بتردد عالٍ للغاية وأطوال موجية تبلغ 1 مليمتر، وتصل سرعة التنزيل المتوسطة إلى 2.5 جيجابت في الثانية.

ماذا تعني لنا؟

لا تقتصر سرعة الجيل الخامس على سرعة الجيل الرابع 4G فحسب، بل إنها أيضًا أكثر استجابة. يمكن أن يصل زمن الوصول إلى مللي ثانية واحدة، وهو زمن وصول شبه فوري. هذا يعني عدم وجود أي تأخير في الألعاب عبر الإنترنت وبث 4K أو 8K دون أي تخزين مؤقت. كما أن زمن الاستجابة شبه الفوري مثالي لأجهزة إنترنت الأشياء، والواقع المعزز، والسيارات ذاتية القيادة، والتقنيات التي تتطلب زمن وصول منخفضًا.

بالإضافة إلى نقل البيانات فائق السرعة وزمن الوصول المنخفض للغاية، تدعم تقنية 5G mmWave نطاقًا تردديًا أوسع مقارنةً بالشبكات التقليدية (حيث يمكن لعدد أكبر بكثير من الأجهزة الاتصال بها دون التعرض لازدحام الشبكة).

قيود تقنية 5G mmWave

كانت جميع تقنيات الاتصالات الخلوية قبل 5G، بما في ذلك 4G، تستخدم نطاق تردد واحدًا. أما تقنية 5G، فتستخدم العديد من النطاقات. وتُعد تقنية 5G mmWave واحدة فقط من هذه النطاقات العديدة. هناك أيضًا نطاق 5G Sub-6 GHz، الذي يعمل على نفس ترددات 4G. وهناك أيضًا نطاق Sub-1 GHz، الذي يستخدم ترددات أقل. ويمكن أن تكون نطاقات تردد 5G عالية التردد، ومتوسطة التردد، ومنخفضة التردد. ما الذي ينتج عن ذلك؟

لأن موجات الجيل الخامس (5G) متراصة بإحكام (مقارنةً بالموجات الراديوية القديمة)، فإنها لا تستطيع الانتشار لمسافات بعيدة. فالمباني والأشجار، وحتى المطر أو الثلج، قد تعيق وصول موجات الجيل الخامس المليمترية.

ولهذا السبب، لا تنتشر هذه التقنية على نطاق واسع. فهي تتطلب شبكة كثيفة من الخلايا الصغيرة لتغطية حتى بضعة أحياء سكنية، على عكس الجيل الرابع (4G)، الذي يعتمد على أبراج خلوية ضخمة تغطي عادةً عدة أميال.

تُعد موجات الجيل الخامس المليمترية أحدث وأبعد خطوة لنا في مجال الاتصالات اللاسلكية السلسة، ولكنها قد لا تحظى بالانتشار الواسع الذي شهدناه مع الأجيال السابقة. ومع ذلك، فإن رؤية سرعات الجيجابت على اتصال بيانات هاتفك ستجعلك تشعر دائمًا بأن المستقبل قد بدأ بالفعل.