الحماية الكهرومغناطيسية بين المشغلين المتواجدين في نفس الموقع على قطب أحادي واحد

مع تسابق شركات تشغيل شبكات الهاتف المحمول لنشر تقنية الجيل الخامس وتوسيع نطاق التغطية، أصبح الضغط على مشاركة البنية التحتية أكبر من أي وقت مضى. وتتمثل هذه المشاركة في وضع هوائيات عدة شركات تشغيل على برج واحد. برج أحادي القطب يُقلل هذا بشكل كبير من النفقات الرأسمالية، ويُسرّع من وتيرة التنفيذ، ويُقلل من انتشار الأبراج المشوهة للمنظر. ومع ذلك، يُطرح التواجد المشترك تحديًا تقنيًا بالغ الأهمية: التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بين الهوائيات المتقاربة. على عكس النزاعات الهيكلية التي يتم حلها باستخدام التسليح الفولاذي، فإن التداخل غير مرئي، ويعتمد على التردد، ويمكن أن يشل أداء الشبكة إذا لم تتم إدارته بشكل صحيح.

تتناول هذه المدونة فيزياء اقتران الهوائيات على هوائي أحادي القطب مشترك، وتستكشف المعايير الهندسية التي تحدد العزل المطلوب، وتقدم استراتيجيات التخفيف الرئيسية الثلاث - تباعد الهوائيات، والحواجز المادية، والأجهزة المحسّنة لتقنية PIM —التي تُمكّن العديد من المشغلين من التعايش على بنية واحدة دون التأثير سلبًا على شبكات بعضهم البعض.

مشكلة التداخل: عندما يتشارك المشغلون برجًا واحدًا

عندما تُركّب هوائيات من مشغلين مختلفين على نفس العمود الأحادي، يُشعّ كل هوائي إرسال طاقةً قد تتداخل مع هوائيات الاستقبال المجاورة. هذا التداخل غير المرغوب فيه، والذي يُقاس بالعزل، يظهر على شكل تداخل يُقلّل من حساسية استقبال الهاتف، ويُضعف نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وفي الحالات الشديدة، يحجب المكالمات تمامًا.

ويتفاقم التحدي بسبب ثلاثة عوامل خاصة بالتواجد المشترك:

1. · القرب: على عكس الأبراج المملوكة للمشغلين حيث يمكن فصل الهوائيات على نطاق واسع، فإن الأبراج أحادية القطب المشتركة تجبر الهوائيات على التقارب. عادةً ما تكون المسافة بين المنصات المتعددة 5 أمتار فقط في تصميمات الأبراج القياسية، وهو ما قد لا يكون كافيًا لبعض تركيبات الأنظمة.

2. • تنوع التردد: تستخدم شركات الاتصالات المختلفة تقنيات متنوعة (GSM، CDMA، LTE، 5G NR) عبر نطاقات تردد متعددة. وقد يحدث التداخل حتى عندما تعمل الأنظمة على ترددات مختلفة، من خلال آليات مثل التداخل السلبي (PIM) حيث تختلط إشارات متعددة لتكوين توافقيات زائفة تقع ضمن نطاق استقبال شركة اتصالات أخرى.

3. التحميل الديناميكي: مع قيام المشغلين بإضافة سعة أكبر - المزيد من القطاعات، والمزيد من الهوائيات، والمزيد من الناقلات - تتطور بيئة التداخل، مما يتطلب تصميمات عزل بهامش مدمج للتوسع المستقبلي.

المعيار الصناعي لعزل الهوائيات في الموقع المشترك هو 30 ديسيبل كحد أدنى يُقاس هذا المؤشر بنسبة القدرة بين الإشارة المُغذّاة إلى هوائي واحد والإشارة التي يلتقطها الهوائي الآخر. ويتطلب تحقيق هذا الهدف عبر مختلف تركيبات الترددات الموجودة على هوائي أحادي القطب مشترك هندسة دقيقة عبر ثلاثة أبعاد متفاعلة: الفصل الرأسي، والفصل الأفقي، وتطبيق الحاجز المادي.

فيزياء العزل: كيف تقترن الهوائيات

قبل الخوض في تقنيات التخفيف، من الضروري فهم كيفية تفاعل الهوائيات. في حالة التواجد المشترك، يحدث الاقتران من خلال آليتين رئيسيتين:

1. الاقتران في المجال القريب: في نطاق قريب (في حدود بضعة أطوال موجية)، تتبادل الهوائيات الطاقة الكهرومغناطيسية مباشرةً من خلال المعاوقة المتبادلة. تقل قوة الاقتران مع المسافة، ولكنها قد تظل كبيرة حتى عند فواصل تصل إلى عدة أمتار.

2. الاقتران في المجال البعيد: مع ازدياد المسافة، تتفاعل الهوائيات من خلال المجالات المشعة. يمكن التقاط الطاقة من الفصوص الجانبية لهوائي الإرسال - الإشعاع غير المقصود خارج شعاعه الرئيسي - بواسطة الفص الرئيسي أو الفصوص الجانبية لهوائي مجاور.

الفكرة الأساسية للمهندسين هي أن الفصل الرأسي أكثر فعالية بشكل كبير من الفصل الأفقي مع الحفاظ على ثبات المسافة بين الهوائيات، يوفر التركيب الرأسي عزلاً أكبر بكثير من التركيب الأفقي. بالنسبة للفصل الرأسي، تتناسب المسافة المطلوبة بين مراكز الهوائيات عكسياً مع التردد: فالترددات المنخفضة تتطلب مسافة أكبر بكثير. على سبيل المثال، أظهرت دراسة صينية أن مسافة العزل الرأسي المطلوبة بين أنظمة CDMA 1X وGSM900 تصل إلى 9.7 متر، وعند أخذ أبعاد الهوائيات في الاعتبار، يجب أن تتجاوز المسافة الإجمالية بين المنصات 11.7 متر. وهذا يتجاوز بكثير المسافة النموذجية بين المنصات البالغة 5 أمتار في تصميمات الأبراج القياسية، مما يوضح سبب عدم كفاية العديد من الأبراج الحالية من الناحية الهيكلية لاستضافة اتصالات متعددة المشغلين.

ويعني هذا أن العزل لا يمكن تحقيقه من خلال الفصل الأفقي وحده. ويتطلب تحسين تصميمات المشغلين المتعددين الاستفادة من الكفاءة العالية للفصل الرأسي مع تقليل عدد المنصات وارتفاع الأبراج والتكلفة الإنشائية.

الاستراتيجية الأولى: تباعد الهوائيات - الفصل الرأسي والأفقي

إنّ الطريقة الأساسية لتحقيق العزل هي ببساطة زيادة المسافة بين الهوائيات. فوضع الهوائيات على مسافة أبعد يقلل من الاقتران بشكل عكسي مع المسافة، وبالنسبة لمعظم النطاقات، فإنّ فصل نصف الطول الموجي (حوالي 0.4-0.5λ) كافية لمنع الاقتران الكبير بين العناصر المتقاربة.

في إطار هذه الاستراتيجية، يتعين على المهندسين الاختيار بين نهجين للتوظيف:

بالنسبة للفصل الأفقي، توفر الإرشادات العملية من معايير تركيب الهوائيات الصناعية معايير واضحة:

1. هوائيات ثنائية الاستقطاب (±45 درجة): تباعد 20-30 سم (تؤدي تعامد الاستقطاب إلى عزل متأصل)

2. الهوائيات الاتجاهية (منصة واحدة): ≥ 2.5 متر

3. هوائيات متعددة الاتجاهات (منصة واحدة): ≥ 4 أمتار

4. هوائيات استقبال التنوع في نفس الخلية: ≥3 أمتار

5. هوائيات الإرسال والاستقبال عبر المنصات: مسافة رأسية ≥ 1 متر

لا توجد قاعدة ثابتة للفصل الرأسي، إذ يجب حساب المسافة المطلوبة بناءً على نطاقات التردد المحددة، وقدرات الإرسال، وحساسية أجهزة الاستقبال لدى المشغلين الذين يتشاركون البرج. يُفضّل الفصل الرأسي كلما سمحت ظروف الموقع بذلك، لأنه يوفر عزلاً أكبر لكل متر من مسافة الفصل.

يُعدّ نظام المنصات المتدرجة البنية الأكثر فعالية للهوائيات أحادية القطب المشتركة، حيث تُخصص لكل مشغل منصة خاصة به. يوفر هذا النظام فصلاً رأسياً واضحاً بين المشغلين، مع السماح لكل منهم بتحسين توجيه هوائياته ضمن المنصة المخصصة له.

الاستراتيجية الثانية: التخفيف من التداخل السلبي - الحماية من التداخل السلبي

يُعدّ التداخل السلبي (PIM) مشكلة رئيسية في شبكات الاتصالات الخلوية. فمع إضافة العديد من المشغلين معدات إلى برج مشترك، يُدخلون حتمًا مكونات سلبية جديدة - مثل الموصلات والكابلات والتركيبات والوصلات - إلى سلسلة الترددات اللاسلكية. ويمكن أن يصبح كل مكون من هذه المكونات، إذا تم تركيبه بشكل غير صحيح، أو كان مصنوعًا من مواد مغناطيسية حديدية، أو كان عرضة للتآكل، مصدرًا لعدم الخطية.

عندما تمر إشارتان أو أكثر من إشارات الوصلة الهابطة عالية الطاقة عبر وصلة سلبية غير خطية، فإنها تمتزج لتُنتج ترددات جديدة. إذا وقع أي من هذه النواتج الطفيلية ضمن نطاق استقبال المشغل، فإنها تظهر كتداخل قد يحجب المكالمات أو يقلل حساسية الاستقبال بشكل كبير.

يُعدّ التشويه الناتج عن التداخل السلبي (PIM) خبيثًا بشكل خاص في سيناريوهات المواقع المشتركة، نظرًا لظهور آثاره بشكل غير متوقع. فقد يُظهر الموقع نتائج اختبار سليمة عند التشغيل، ثم يُصاب بالتشويه الناتج عن التداخل السلبي بعد أشهر نتيجةً لتأكسد الموصلات، أو ارتخاء قواعد التثبيت، أو فقدان عزم الدوران. ولأن التشويه الناتج عن التداخل السلبي يتولد في قمة البرج، فإن تشخيصه يتطلب معدات اختبار متخصصة، وغالبًا ما يستلزم الصعود إلى كل نقطة توصيل.

نشرت هيئات المعايير مثل مبادرة GTI (المبادرة العالمية لتقنية TD-LTE) دراسات تعايش واسعة النطاق تتناول PIM وآليات التداخل الأخرى بين مشغلين متعددين يتشاركون الطيف والبنية التحتية، بما في ذلك متطلبات نطاق الحماية وأطر التزامن لشبكات TDD.

على الصعيد التجاري، استجابت الصناعة بأجهزة مُحسّنة لتقنية PIM. تُقدّم شركات مثل ANDREW (إحدى شركات Amphenol) منصات أحادية القطب مُصممة خصيصًا للتخفيف من تأثير PIM في بيئات متعددة المشغلين. تتميز هذه المنصات بما يلي:

1. التباعد الأمثل بين القطاعات: تعمل الإطارات الممتدة على زيادة المسافة بين الهوائيات دون الحاجة إلى ارتفاع إضافي للبرج.

2. أعمدة تثبيت ممتدة: توفر الأعمدة التي يبلغ طولها 10 أقدام مناطق تثبيت مخصصة لوحدات الراديو عن بعد (RRUs)، مما يفصل فعليًا أجهزة الراديو النشطة عن نقاط توصيل الهوائي لتقليل مسارات اقتران PIM.

3. المواد المحددة للأجهزة: جميع الأقواس والأنابيب والأجهزة مصنوعة من مواد غير مغناطيسية وتخضع لاختبارات تأهيل PIM لضمان عدم إدخالها مصادر إضافية للتشويه البيني.

تُصنف هذه المنصات المُحسّنة لإدارة معلومات المنتجات عادةً وفقًا لـ سعة عالية -قادرة على استضافة ما يصل إلى ثلاثة قطاعات مع أنابيب هوائي متعددة لكل قطاع- ومصممة لتكون متوافقة مع حوامل PIM-Guard التي تقلل بشكل أكبر من احتمالية التداخل عند نقاط اتصال الترددات اللاسلكية.

الاستراتيجية الثالثة: الحواجز المادية - الحواجز الواقية، والدروع، والممتصات

عندما تكون المسافة محدودة أو تكون ضوابط إدارة الطاقة غير كافية، توفر الحواجز المادية طبقة إضافية من العزل. وتتخذ هذه الحواجز ثلاثة أشكال رئيسية:

حواجز معدنية وجدران واقية

تُعالج طرق حماية الهوائيات الحاصلة على براءة اختراع مشكلة التداخل بين الهوائيات المتجاورة على الأبراج. تستخدم هذه الأجهزة أسطحًا موصلة موضوعة استراتيجيًا لإنشاء مناطق عزل محلية، مما يسمح بوضع الهوائيات على مسافة أقرب مما كان ممكنًا لولا وجود التداخل. بالنسبة لمصفوفات MIMO الضخمة، يجب أن توفر جدران الحماية بين وحدات الهوائي الفردية على الأقل عزل X-POL و CO-POL بمقدار 20 ديسيبل لتحقيق الحد الأدنى من متطلبات الأداء.

التمويه بالوشاح (تقنية ناشئة)

أظهرت الأبحاث المتقدمة أن التصميم السليم عباءات شتوية تسمح الصفائح المعدنية المزخرفة الموضوعة حول أقطاب أحادية أسطوانية، للهوائيات المتراصة بإحكام بالعمل كما لو كانت معزولة في الفضاء الحر. يُمكّن هذا النهج من وضع الهوائيات على مسافة تصل إلى عُشر الطول الموجي التشغيلي الأقصر، مما يوفر مسارًا محتملاً نحو كثافات تعبئة أعلى بكثير على هياكل الأقطاب الأحادية الحالية.

مادة امتصاص الرادار (RAM)

يمكن استخدام مواد امتصاص الإشعاع (RAM) كحواجز عازلة بين الهوائيات على نفس المنصة. تعمل هذه المواد على تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية الساقطة إلى حرارة، مما يقلل الطاقة المتاحة للاقتران مع الهوائيات المجاورة. ويمكن دمج حواجز امتصاص الإشعاع مع تموجات محملة بمواد عازلة لتوسيع نطاق قدرات العزل إلى نطاقات التردد المنخفضة حيث تكون فعالية امتصاص الإشعاع التقليدي محدودة.

إن دمج التموجات المحملة بمادة عازلة مع مادة RAM يوسع نطاق فعالية الحاجز إلى نطاق التردد المنخفض، مما يخلق بنية هجينة تجمع بين امتصاص واسع النطاق وانعكاس انتقائي للتردد.

لكن، لا يوجد حل واحد يصلح للجميع يعتمد اختيار تقنية الحاجز المادي بشكل كبير على نطاقات التردد المحددة المعنية، ومسافة الفصل التي يمكن تحقيقها، ومساحة التركيب المتاحة على المنصة.

نظرة عامة مقارنة: فصل الهوائيات مقابل الحواجز المادية

تساعد مقارنة أساليب العزل الأساسية في توضيح المفاضلات التصميمية:

مسوحات المواقع المنظمة يُعدّ دمج هذه الأساليب أمرًا ضروريًا. يجب على كل مشغل تقديم مواصفات تفصيلية: قدرة الإرسال لكل موجة حاملة، وحساسية الاستقبال، ونطاقات تردد التشغيل، وأنماط إشعاع الهوائي. تُستخدم هذه المدخلات بعد ذلك لحساب ما يلي:

1. مسافة العزل الرأسي المطلوبة (عبر نماذج الانتشار لكل زوج من المشغلين)

2. المسافة الأفقية المطلوبة للعزل (في حال وجود قيود على التباعد الرأسي)

3. التداخل المتبقي بعد التباعد - يحدد ما إذا كانت هناك حاجة إلى حواجز أو ذاكرة وصول عشوائي

4. تحليل PIM (بناءً على مستويات طاقة الإرسال وأنواع الموصلات)

هذه العملية التحليلية غير قابلة للتفاوض. إن تركيب الحواجز أو زيادة المسافة بينها دون نموذج واضح لآليات الربط يمكن أن يؤدي إلى هندسة زائدة (تكلفة مهدرة) أو هندسة ناقصة (تداخل يظهر بعد التشغيل).

دمج مسح الموقع: قائمة مراجعة هندسية

بالنسبة لمخططي الشبكات ومالكي الأبراج، يتطلب تحقيق عزل موثوق بين المشغلين عملية منضبطة:

1. جمع مواصفات المشغل: طاقة الإرسال لكل حامل، حساسية الاستقبال، نطاقات التشغيل، أنماط إشعاع الهوائي.

2. احسب العزل المطلوب باستخدام نماذج موحدة (على سبيل المثال، إجراءات TIA لقياس العزل بين الهوائيات المتجاورة).

3. تحديد متطلبات التباعد: عمودي مقابل أفقي - أعط الأولوية للعمودي حيثما أمكن.

4. تحقق من التداخل المتبقي: إذا لم يكن التباعد وحده كافياً لتحقيق عزل 30 ديسيبل، فحدد الحواجز أو ذاكرة الوصول العشوائي.

5. التحقق من ضوابط إدارة معلومات المنتج (PIM): تأكد من أن جميع حوامل التثبيت والموصلات حاصلة على شهادة انخفاض PIM وأن فرق التركيب مدربة على ممارسات السلامة من PIM.

6. الاختبار بعد التشغيل: قم بإجراء اختبارات PIM والتحقق من العزل قبل إعلان تشغيل الموقع.

لا يُمكن المُبالغة في أهمية التحقق. يُعدّ التداخل السلبي المُحتمل (PIM) مشكلةً رئيسيةً في شبكات الهاتف المحمول، وينتج عن تقادم المعدات، وإضافة معدات جديدة، وسوء ممارسات التركيب. قد يفشل موقعٌ يستوفي متطلبات العزل في اليوم الأول بعد أشهر بسبب تآكل الموصلات أو ارتخاء التثبيت.

خاتمة

يُعدّ التواجد المشترك لعدة مشغلين على هوائي أحادي القطب ضرورة اقتصادية وبيئية في نشر الشبكات الحديثة. ومع ذلك، فإن التحدي الخفي المتمثل في التداخل الكهرومغناطيسي - اقتران الهوائي وتداخل التشويه السلبي - يتطلب نفس الدقة الهندسية المطبقة على حسابات الأحمال الهيكلية.

يتطلب تحقيق عزل موثوق اتباع نهج متوازن يجمع بين ثلاث استراتيجيات أساسية: زيادة الفصل الرأسي إلى أقصى حد، واستخدام أجهزة تثبيت مُحسّنة لتقنية PIM، واستخدام حواجز مادية في الأماكن ذات المسافات المحدودة. لكل استراتيجية نطاق تطبيقها الأمثل، ويعتمد التوازن الصحيح على نطاقات التردد المحددة، ومستويات الطاقة، والقيود المادية للموقع.

يُمكن تحقيق معيار العزل البالغ 30 ديسيبل في صناعة الاتصالات على الأعمدة الأحادية المشتركة، ولكن فقط من خلال هندسة مدروسة تعتمد على البيانات. يتجنب المشغلون الذين يستثمرون في تصميم عزل مناسب في مرحلة التخطيط إعادة العمل المكلفة لتحديث الحماية بعد أن يتسبب التداخل بالفعل في انقطاع الخدمة. في عصر البنية التحتية المشتركة، لا يقتصر تبادل الجيران الجيدين على استخدام الفولاذ فحسب، بل يشمل أيضًا تبادل الطيف الكهرومغناطيسي دون التداخل مع إشارات بعضهم البعض.

تعرف على المزيد في www.alttower.com

اتصل بنا