الوحدة 9 · الدرس 4

تحليل موازنة الوصلة

18 دقيقة قراءة
مقال

لا شيء في هذا الدرس جديد. وذلك هو مقصده. فموازنة الوصلة هي الحساب الوحيد الذي يستنفد كل كميّةٍ بنتها الوحدات من 5 إلى 9 — حساب الديسيبل في الدرس M2-L4، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة لكل تضمين في الدرسين M5-L2 وM6-L4، وكسب الهوائي في الدرس M7-L2، وفقد المسار في الدرسين M8-L1 وM8-L4، وإحصاء الخبوت في الدرس M8-L3، وأرضيّة الضوضاء والحساسية في الدرس M9-L1، والتداخل في الدرس M9-L3 — ويردّها إلى عمودٍ واحدٍ من الأعداد إمّا يستقيم مجموعه وإمّا لا. وإن أحسنت بناء واحدةٍ منها بصدقٍ أجبت السؤال الوحيد الذي يسأله أي مشروع راديو حقّاً: هل ستعمل هذه الوصلة، وإلى أي مدى؟

الموازنة سطرٌ واحد من الجمع

كل حدٍّ في موازنة الوصلة كميّةٌ بالديسيبل، فيكون الحساب كلّه جمعاً وطرحاً. وهذا ليس ترفاً؛ بل هو سبب تعليم الدرس M2-L4 اللوغاريتمات أصلاً، وقد عمل ذلك الدرس موازنةً من خمسة حدود انتهت عند −73 dBm. وهذا هو السطر نفسه، مكتوباً كما يجب:

القدرة المستقبَلة، بالـdBm
P_{rx} = P_{tx} + G_{tx} - L_{tx} - PL - L_{misc} + G_{rx} \quad [\text{dBm}]
تدخل المكاسب بإشارة زائد والفواقد بإشارة ناقص، ويحمل حدٌّ واحدٌ بالضبط حرف مرجعٍ — وهو dBm قدرة الإرسال — فتكون النتيجة بالـdBm. وذلك هو اختبار السلامة الذي أوصى به الدرس M2-L4، وهو يلتقط معظم أخطاء الإشارة قبل أن تنتشر. والمقدار Ptx + Gtx − Ltx هو EIRP في الدرس M8-L1: أي كل ما تراه بقيّة الوصلة عن المُرسِل.

والقدرة المستقبَلة وحدها لا تقرّر شيئاً. بل يجب مقارنتها بأضعف إشارةٍ يستطيع المستقبِل الإفادة منها فعلاً، وهي التي سمّاها الدرس M9-L1 الحساسية. والفرق بين الاثنتين هو هامش الوصلة، وهو العدد الذي وُجد كل هذا العمل لإنتاجه:

هامش الوصلة، وشرط عمل الوصلة
M_{link} = P_{rx} - S \;\ge\; M_{fade} + M_{shadow} + M_{interf} + M_{impl}
هامشٌ قدره صفر ديسيبل بالضبط يعني وصلةً تعمل في المتوسّط وتفشل نصف الوقت، لأن نصف كل تغيّرٍ عشوائي نزولاً. فالهامش المطلوب في الطرف الأيمن ليس حشواً، وليس عدداً واحداً: بل هو مجموعٌ مقصودٌ من مخصّصاتٍ لأشياء بعينها يُعلَم أنها تتغيّر. وإحسان ذلك المجموع هو موضع الفوز والخسارة في الموازنات.

كل حدٍّ، ومن أين يأتي

الموازنة الناقصة حدّاً ليست متحفّظة، بل خاطئةٌ في اتجاهٍ لا تراه. فأحصِ جانب الإرسال إحصاءً كاملاً، بقيمٍ واقعيّة ومع الدرس الذي جاء منه كل رقم. ولا معلومة جديدة هنا — فالجدول كلّه قراءةٌ ثانية للوحدتين 7 و8 في عمودٍ واحد.

الحدّالإشارةقيمة واقعيةالمصدر وملاحظات
قدرة الإرسال Ptx+20 dBm لنقطة وصول واي فاي، و23 dBm لهاتف، و46 dBm لمحطّة قاعدة كبيرةالحدّ المطلق الوحيد. فـ20 dBm هي 100 مِلّي واط، و23 dBm هي 200 مِلّي واط، و46 dBm هي 40 واط (الدرس M2-L4)
فقد المغذّي والموصّلات Ltx−0.2–0.5 ديسيبل لضفيرةٍ قصيرة؛ و2–4 ديسيبل صعوداً في صارٍفقد المحوري ينمو بالتردّد والطول. وعلى جانب الاستقبال يرفع هذا الفقد عامل الضوضاء أيضاً، وهي الحسبة المزدوجة الكلاسيكية — انظر أدناه
كسب الهوائي Gtx وGrx+0 dBi لسوط هاتف، و2 dBi لثنائي قطب واي فاي، و17 dBi لِلوح قطاعي، و38 dBi لطبقٍ قطره متر عند 10 غيغاهرتزالدرس M7-L2. تحقّق من المرجع: dBi = dBd + 2.15. والمصفوفات تشتري الكسب بالفتحة لا بالقدرة (الدرس M7-L4)
عدم تطابق الاستقطاب−3 ديسيبل من الخطّي إلى الدائري؛ و20–30 ديسيبل عند التعاكس التامّالدرس M7-L2. وتدفع وصلات GPS والسواتل الـ3 ديسيبل المتوقّعة بدل المجازفة بالعشرين غير المتوقّعة
فقد الجسم−2–4 ديسيبل، خُذ 3 ديسيبل لهاتفٍ عند الرأسالنسيج يمتصّ ويُخرِج الهوائي عن توليفه. غائبٌ في الوصلات الثابتة، ولا مهرب منه في الخلوي
فقد المسار PL−80 و100 و150 و205 ديسيبل — فهو يمتدّ على كل شيءالفضاء الحرّ من الدرس M8-L1، واللوغاريتمي بالمسافة أو هاتا من الدرس M8-L4. وهو أكبر حدٍّ منفرد دائماً تقريباً
فقد التنفيذ−1–3 ديسيبلضوضاء الطور، والتكميم، والتزامن غير التامّ — أي الفجوة بين مُزيل تضمينٍ حقيقي ونظرية الدرس M5-L2

جانب الاستقبال عددٌ واحد مبنيٌّ من أربعة

كل ما يساهم به المستقبِل يتقلّص إلى الحساسية، وقد استنبطها الدرس M9-L1 أصلاً. أربعة حدودٍ بالديسيبل، مجموعة:

الحساسية، من الدرس M9-L1
S_{\text{dBm}} = -174 + 10\log_{10} B_{\text{Hz}} + \mathrm{NF}_{\text{dB}} + \mathrm{SNR}_{\text{req,dB}}
و−174 dBm/Hz هي kT₀ عند مرجع 290 كلفن — فيزياءٌ لا تُفاوَض. و10 log₁₀B هو اختيارك للقناة، وهو نطاقٌ راديوي ثنائي الجانب (الدرس M6-L2). وعامل الضوضاء هو مقدّمة جهازك، وتحكمه المرحلة الأولى عبر تعاقب فرايز. أمّا SNRreq فهي ملك التضمين والشفرة ومعدّل الخطأ الهدف — أي الدروس M5-L2 وM6-L4 وM9-L2.

الهوامش ليست عدداً واحداً

وهنا تخطئ الموازنات. فجدولٌ فيه سطرٌ واحد مكتوبٌ عليه «هامش: 20 ديسيبل» يخفي أي خطرٍ يغطّيه، فلا يمكن مجادلته ولا تدقيقه ولا تقليصه حين تكسب حملة قياسٍ حقَّ تقليصه. وهناك أربعة مخصّصاتٍ متمايزة، تجيب عن أربع آليّاتٍ فيزيائيّةٍ مختلفة، وينبغي أن تظهر أربعة أسطر:

جمع الهوامش مقابل الجذر التربيعي لمجموع المربّعات

تُدمَج الهوامش أحياناً بالجذر التربيعي لمجموع المربّعات بدل جمعها، والاختيار قد يساوي خمسة ديسيبلات — فيلزمه قاعدةٌ لا تفضيل. والقاعدة تتبع طبيعة الحدود. فكميّتان مستقلّتان غاوسيّتان كلتاهما بالديسيبل مجموعهما غاوسيٌّ بالديسيبل أيضاً، بانحرافٍ معياري يُعطيه الدمج الفيثاغوري، فيكون مئينٌ واحدٌ للمتغيّر المدموج أصغر من مجموع المئينين المنفردين:

دمج هامشين لوغاريتميّين طبيعيّين
\sigma_{tot} = \sqrt{\sigma_1^2 + \sigma_2^2} \quad\Longrightarrow\quad M = z\,\sigma_{tot} \;\le\; z\sigma_1 + z\sigma_2
محسوباً: تظليلٌ خارجي عند σ₁ = 8 ديسيبل مدموجاً بتغيّر نفاذ المباني عند σ₂ = 6 ديسيبل يعطي √(64 + 36) = 10 ديسيبل، فيكون هامش 90% هو 1.28 × 10 = 12.8 ديسيبل — مقابل 1.28 × 8 + 1.28 × 6 = 17.9 ديسيبل لو جمعت الهامشين. فالجذر التربيعي يوفّر 5.1 ديسيبل، وهو مشروعٌ هنا لأن الحدّين مستقلّان ولوغاريتميّان طبيعيّان.

واجمع، بدل أن تدمج، في ثلاث حالات. حين لا يكون الحدّان غاوسيّين بالديسيبل كلاهما — فالخبوت السريع الرايليّ ليس كذلك، فهامش خبوتٍ رايليّ وهامش تظليلٍ لوغاريتمي طبيعي يُجمَعان جمعاً لا يُدمَجان. وحين يكونان مترابطين، لأن الصورة الفيثاغوريّة تفترض الاستقلال والترابط يدفع الجواب عودةً نحو المجموع الصريح. وحين يكون حدٌّ محدَّداً لا إحصائيّاً: فمخصّص التنفيذ أو التعتيق ليس مئيناً لشيء، فهو يُجمَع ببساطة. والخلاصة الصادقة أن الجذر التربيعي لمجموع المربّعات أداةٌ بعينها لدمج تغيّراتٍ لوغاريتميّة طبيعيّة مستقلّة، لا حسمٌ عامٌّ على الحذر.

مثال محسوب: وصلة واي فاي عند 2.4 غيغاهرتز

نقطة وصولٍ في مكتبٍ عند 2.4 غيغاهرتز على قناة 20 ميغاهرتز، تحدّث عميلاً محمولاً يريد 64-QAM. ابدأ بالحساسية، بصيغة الدرس M9-L1 وبعامل ضوضاءٍ للعميل قدره 6 ديسيبل، وبالعشرين ديسيبل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي نسبها الدرس M9-L1 إلى 64-QAM بمعدّل 3/4:

وإلى الموازنة الكاملة الآن. كل حدٍّ من الجدول أعلاه ينطبق، في عمودٍ واحد:

السطرالقيمةالمجموع الجاريملاحظة
قدرة إرسال نقطة الوصول+20.0 dBm20.0100 مِلّي واط، نموذجيّة لنقطة وصول 2.4 غيغاهرتز لكل سلسلة
فقد الموصّل والضفيرة−0.5 ديسيبل19.5كبلٌ داخليٌّ قصير
كسب هوائي نقطة الوصول+2.0 dBi21.5EIRP = 21.5 dBm (الدرس M8-L1)
فقد المسار−PL21.5 − PLالمجهول الذي نحلّ من أجله
كسب هوائي العميل+2.0 dBi23.5 − PLثنائي قطبٍ صغير، الدرس M7-L2
فقد الجسم−3.0 ديسيبل20.5 − PLجهازٌ محمولٌ باليد
فقد التنفيذ−2.0 ديسيبل18.5 − PLمُزيل تضمينٍ حقيقي مقابل النظرية
القدرة المستقبَلة—18.5 − PL dBmحرف مرجعٍ واحدٌ بالضبط بقي ✓
هامش الخبوت8.0 ديسيبل—يوزّع OFDM الرمز على 20 ميغاهرتز، أعرض بكثيرٍ من نطاق تماسك مكتب، فتكسب هذه الوصلة تنويعاً تردّديّاً ولا تحتاج العشرين ديسيبل التي تحتاجها وصلة رايلي المستوية (الدرس M8-L3)
هامش التظليل5.1 ديسيبل—1.28 × 4 ديسيبل، وهي σ الداخلية عند موثوقيّة 90% (الدرس M8-L4)
هامش التداخل3.0 ديسيبل—نطاق 2.4 غيغاهرتز مشتركٌ مع كل شيء (الدرس M9-L3)
مجموع الهامش المطلوب16.1 ديسيبل—8.0 + 5.1 + 3.0، مجموعةً لأنها ليست كلّها لوغاريتميّة طبيعيّة

حُلَّها. تعمل الوصلة حين تتجاوز القدرة المستقبَلة الحساسية بالهامش المطلوب، أي 18.5 − PL ≥ −75.0 + 16.1 = −58.9 dBm، وهذا يعطي فقد مسارٍ مسموحاً قدره 18.5 + 58.9 = 77.4 ديسيبل. وحوّل ذلك إلى مسافةٍ بأنموذج الدرس M8-L4 اللوغاريتمي بالمسافة، مثبَّتاً عند PL(1 م) = 40.05 ديسيبل لـ2.4 غيغاهرتز وبأُسّ فقد مسار n = 3.0 لطابق مكاتب:

سبعة عشر متراً. وذلك هو مدى 64-QAM الصادق لنقطة وصولٍ عند 2.4 غيغاهرتز في مكتبٍ بهذه الهوامش، وهو أقلّ بكثيرٍ من المدى الذي يذكره الناس للواي فاي — لأن المدى المذكور هو مدى التضمين الأبطأ لا الأسرع. أعِد الأسطر الثلاثة الأخيرة بأدنى معدّلٍ بدل ذلك، وهو يحتاج نحو 5 ديسيبل من النسبة لا 20: فتصير الحساسية −174 + 73.01 + 6 + 5 = −90.0 dBm، ويصير فقد المسار المسموح 18.5 + 90.0 − 16.1 = 92.4 ديسيبل، ويصير المدى 10(92.4−40.05)/30 = 101.745 = 55.6 م. فخمسة عشر ديسيبلاً من نسبةٍ مُرخاة اشترت عامل 1015/30 = 3.16 في المسافة، و55.6/17.6 = 3.16 ✓. نقطة وصولٍ واحدة، وبيئةٌ ماديّة واحدة، ومديان يفترقان بأكثر من ثلاثة أضعاف، والشيء الوحيد الذي تغيّر هو كم بتّاً في الرمز طلبت.

الفواقد الصغيرة ليست صغيرة. أسقِط الـ0.5 ديسيبل للموصّل، والـ3 ديسيبل لفقد الجسم، والـ2 ديسيبل لفقد التنفيذ — وهي الأسطر الثلاثة التي تحذفها الموازنة العَجولة — فيرتفع فقد المسار المسموح من 77.4 ديسيبل إلى 20 + 2 + 2 + 75.0 − 16.1 = 82.9 ديسيبل، فيعطي مدى 10(82.9−40.05)/30 = 26.8 م. فتلك الديسيبلات الخمسة والنصف المنسيّة هي 105.5/30 = 1.53 في المسافة، فتتنبّأ الموازنة الأنيقة بمدىً أكبر بـ52% من الصادقة. وعند n = 3 يساوي الديسيبل 7.7% من مداك؛ والـ5.5 ديسيبل نفسها في انتشار الفضاء الحرّ، أي n = 2، تساوي 1.9 ضعفاً.

مثال محسوب: خليّة خلويّة عند 900 ميغاهرتز، ولماذا تخسر الوصلة الصاعدة

وإلى الحالة التي يجب فيها عمل الموازنة مرّتين، لأن الوصلة الخلويّة غير متناظرة. خُذ خليّةً كبيرةً عند 900 ميغاهرتز بصارٍ ارتفاعه 30 متراً، ولوحٍ قطاعي كسبه 17 dBi، وفقد مغذٍّ قدره 2 ديسيبل، وهاتفاً في الطرف الآخر. ترسل المحطّة القاعدة عند 46 dBm ويرسل الهاتف عند 23 dBm — أي 23 ديسيبل لصالح الوصلة الهابطة — وللمحطّة القاعدة كذلك هوائيٌّ أفضل وعامل ضوضاءٍ أفضل. والسؤال المُهِمّ هو هل تتلاشى تلك المزايا. وهي لا تتلاشى، واتجاه الجواب يحدّد كم محطّة قاعدةٍ تحتاجها مدينة. وتستعمل الموازنتان أدناه تخصيصاً قدره 1.08 ميغاهرتز، فيكون 10 log₁₀(1.08 × 10⁶) = 60.33 ديسيبل، ونسبة إشارةٍ إلى ضوضاء مطلوبة قدرها 0 ديسيبل لـQPSK بترميز معدّله 1/3.

الوصلة الصاعدة: من الهاتف إلى المحطّة القاعدة

الوصلة الهابطة: من المحطّة القاعدة إلى الهاتف

وهناك عدم التناظر، وهو كبير: 141.5 − 123.5 = 18.0 ديسيبل. وهو يتوافق بالضبط، وذلك هو الاختبار على أن الموازنتين بُنِيَتا بانسجام. فالوصلة الهابطة تبدأ متقدّمةً 46 − 23 = 23 ديسيبل في قدرة الإرسال. ويعيد عامل الضوضاء الأفضل للمحطّة القاعدة 5 ديسيبل من ذلك إلى الوصلة الصاعدة، إذ حساسيّتها −111.7 dBm مقابل −106.7 dBm للهاتف. وكل سطرٍ آخر — اللوح 17 dBi، والمغذّي 2 ديسيبل، وفقد الجسم 3 ديسيبل، والهوامش الثلاثة — يظهر متماثلاً في الاتجاهين فيتلاشى. فيكون 23 − 5 = 18 ديسيبل ✓، والوصلة الصاعدة هي القيد الحاكم رغم أن المحطّة القاعدة أفضل في كل شيءٍ إلا قدرة الخرج. فالهاتف يعمل ببطّاريّة والمحطّة القاعدة تعمل بالشبكة الكهربائية، ولا هندسة أبراجٍ تنقض ذلك.

وحوّل الاثنين إلى نصف قطر خليّةٍ بملاءمة هاتا في الدرس M8-L4 عند 900 ميغاهرتز وhb = 30 م وhm = 1.5 م. فقد حسب ذلك الدرس 151.0 ديسيبل عند 5 كم بميل مسافةٍ قدره 44.9 − 6.55 log₁₀(30) = 35.22 ديسيبل للمرتبة العشرية، فيُعاد ترتيب الأنموذج إلى PL(d) = 126.4 + 35.22 log₁₀(dكم). وتحقّق من ذلك مقابل المصدر: 126.4 + 35.22 × log₁₀(5) = 126.4 + 24.62 = 151.0 ديسيبل ✓.

وليست تلك النقطة الأخيرة تنطّعاً. فالأنموذج المسؤول سؤالاً خارج مداه لا يفشل بصوتٍ عالٍ؛ بل يعيد عدداً واثقاً، تماماً كما حذّر الدرس M8-L4. ونسبة المساحة 10.5 أضعافٍ هي أنفع بصيرةٍ منفردة في هذا الدرس: فهي سبب وجود تحكّم القدرة الصاعدة في الأنظمة الخلويّة، وسبب إعطائها تخصيصاتٍ ضيّقةً للمستخدمين البعيدين، وسبب كون رقم التغطية الذي تلتزم به الشبكة رقماً صاعداً دائماً.

تحقّق معقوليّة تلك الحساسية. يبدو −111.7 dBm جسوراً حتى تلاحظ أنه لـ1.08 ميغاهرتز. فالحساسية تتحجّم بحدّ النطاق، فوسّع الراديو نفسه إلى تخصيصٍ مشغولٍ قدره 9 ميغاهرتز فتتدهور بـ10 log₁₀(9/1.08) = 9.2 ديسيبل، إلى −102.5 dBm — وهي رتبة الأرقام المذكورة للمحطّات القاعدة واسعة المدى. والعددان يوصّفان العتاد نفسه. ولهذا لا يمكن مقارنة حساسيّةٍ بلا نطاقٍ بأي شيء، ولهذا كان التخصيص الصاعد الضيّق أداةً حقيقيّةً لتمديد حدّ الخليّة: فأقلّ هرتزاتٍ تعني أقلّ ضوضاء.

قراءة الجدول الحسابي وبناؤه

موازنة الوصلة عمليّاً ورقةٌ من عمودين: اسمٌ وقيمةٌ بالديسيبل بإشارتها، ومجموعٌ جارٍ إلى جانبها، وملاحظة مصدرٍ لكل سطر. وثلاث اصطلاحاتٍ وثلاثة اختباراتٍ هي الفرق بين ورقةٍ يمكن الدفاع عنها وورقةٍ تجمع فقط.

وعادةٌ واحدة أنفع من كل ما سبق. اعمل الموازنة مرّتين، مرّةً طرداً لإيجاد القدرة المستقبَلة عند مسافةٍ مُعلَنة، ومرّةً عكساً لإيجاد المسافة عند هامشٍ مُعلَن. فإن اختلفت النتيجتان فعندك خطأ إشارة، وستجده في نحو دقيقة.

ما بنته الوحدات من 5 إلى 9

يُغلق هذا الدرس قوساً من عشرين درساً، ويجدر تسمية ما تجمّع منها، لأن موازنة الوصلة هي بالضبط الموضع الذي تلتقي فيه. اقرأ جدول الواي فاي مرّةً أخرى ولاحظ أن كل سطرٍ فيه درسٌ لغيره:

ولاحظ ما لا تستطيعه الموازنة. فكل حسابٍ في هذه الصفحة يوصّف وصلةً واحدة، منفردةً في نطاقها، تستعمل القناة كلّها. والأنظمة الحقيقيّة تضع مستخدمين كثيرين في الطيف نفسه في الوقت نفسه، وتقسم القناة آلاف الحوامل الفرعيّة الضيّقة، وتستعمل هوائيّاتٍ عدّة في الطرفين لإرسال تدفّقاتٍ متوازية عبر تعدّد المسار نفسه الذي عاملَه هذا الدرس خطراً محضاً. وتلك الأفكار الثلاث — النفاذ المتعدّد وOFDM وMIMO — هي الوحدة 10 وما بعدها، وكلٌّ منها يغيّر الموازنة لا يستبدلها: فتكسب أسطراً جديدة، ويصير الخبوت الذي كلّفك 8 ديسيبل هنا شيئاً يستطيع نظامٌ استغلاله.

أبرز النقاط

اكتملت الوحدة 9 — واكتمل القوس معها. فالضوضاء الحرارية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (الدرس M9-L1)، ومعدّل خطأ البت (الدرس M9-L2)، ومصادر التداخل (الدرس M9-L3)، وموازنة الوصلة هذه تُغلق الوحدة، وتُغلق معها الوحدات من 5 إلى 9. وتالياً تسأل الوحدة 10 كيف يتشارك مستخدمون كثيرون قناةً واحدة في الوقت نفسه — بالتردد، وبالزمن، وبالشيفرة، وبالمكان.

السابق: مصادر التداخل نظرة عامة التالي: FDMA وTDMA وCDMA