تشكيل الحزمة الهجين في أنظمة تعدد المداخل والمخارج المكثفة الملمترية باستخدام مصفوفة هوائي العدسة
اسم الباحث:
م. شمعون سعيد
اسم المشرف: د. عبد الكريم السالم
العنوان:تشكيل الحزمة الهجين في أنظمة تعدد المداخل والمخارج المكثفة الملمترية باستخدام مصفوفة هوائي العدسة
العنوان باللغة الإنكليزية:Hybrid Beamforming in Millimeter-Wave Massive MIMO Systems Using Lens Antenna Array
العام:2026
القسم:هندسة الالكترونيات والاتصالات
الملخص:
شهد قطاع الاتصالات اللاسلكية تحولاً جوهرياً مع الانتقال نحو أنظمة الجيل الخامس5G وما بعده، حيث تُعدّ تقنية الأمواج الملمتريةmmWave ركيزةً أساسيةً لتلبية المتطلبات المتزايدة من حيث عرض المجال الترددي ومعدلات نقل البيانات الفائقة. غير أن استثمار هذا الحيّز الطيفي الواسع يستلزم استخدام أعداد كبيرة من الهوائيات ضمن أنظمة تعدد المداخل والمخارج المكثّفة Massive MIMO، وهو ما يفرض تحديات كبيرة تتعلق بتعقيد بنية تشكيل الحزمة الهجين، واستهلاك الطاقة المرتفع لشبكات مزيحات الطور، فضلاً عن صعوبة تخمين القناة اللاسلكية بدقة كافية في ظل ظروف التشتت والتخامد الشديدين اللذين تعاني منهما الأمواج الملمترية.
تتمحور هذه الأطروحة حول ضرورة إيجاد إطار عمل متكامل يُعالج في آن واحد التعقيد البنيوي للقسم الراديوي في تشكيل الحزمة الهجين، ومحدودية دقة خوارزميات تخمين القناة التقليدية في البيئات الملمترية. يهدف البحث تحديداً إلى: استبدال شبكة مزيحات الطور المعقدة بعدسة فرينل ذات المناطقFZP خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة؛ واستثمار خاصية التناثرSparsity التي تُؤمّنها العدسة لقناة الحزمة الفراغية Beamspace في تحسين دقة التخمين؛ واقتراح خوارزمية تخمين متقدمة تجمع بين المتانة الرياضية لطريقة الاتجاه المتناوب للمضاعفاتADMM والقدرات التعلّمية للشبكات العصبونية العميقة.
اعتُمد نهج بحثي متكامل يتضمن مرحلتين متكاملتين. في المرحلة الأولى، أُنجز تصميم ومحاكاة كهرومغناطيسية لهوائي عدسة فرينل المستوية المحزّزة عند التردد60 GHz باستخدام برنامج
CST Studio Suite 2024، حيث اختُبرت ثلاثة نماذج تغذية: هوائي بوقي هرمي مفرد، ومصفوفة هوائيات بوقية 4×4، ومصفوفة هوائيات شرائحية دائرية 8×8. قُيّم الأداء وفق معايير الربح ونمط الإشعاع وعرض حزمة نصف الاستطاعة ونطاق المسح الزاوي. في المرحلة الثانية، صيغت مشكلة تخمين قناة الحزمة الفراغية على أنها مشكلة تحسين مقيّدة، وعولجت أولاً بخوارزمية ADMM، ثم طُوّرت إلى شبكة عصبونية عميقة مبتكرة أُطلق عليها LADMM (Learned ADMM) باستخدام تقنية نشر الخوارزمية
Algorithm Unfolding، مع أربعة معاملات قابلة للتعلم: معامل العقوبة، ومصفوفة التحويل الخطي، وعتبة الانكماش، ومعامل الزخم. أُجريت المحاكاة باستخدام نموذج قناة Saleh-Valenzuela ونموذج DeepMIMO لكلتا حالتي المصفوفة الخطية المنتظمة ULA والمستوية المنتظمة UPA.
أظهرت نتائج المحاكاة الكهرومغناطيسية أن دمج عدسة فرينل مع مصفوفة الهوائيات الشرائحية حقّق زيادة في الربح بمقدار 21.9 dB، مع تضييق عرض حزمة نصف الاستطاعة إلى 3.3°، ونطاق تغطية زاوي يبلغ ±46°، متفوقةً على مصفوفة الهوائيات البوقية التي حققت زيادة ربح قدرها15.1 dB ونطاق تغطية ±23° فقط. والأهم أن العدسة مكّنت من تحقيق تشكيل الحزمة الهجين بمجرد تغيير موقع عنصر التغذية دون الحاجة إلى شبكة مزيحات طور. على صعيد تخمين القناة، أثبتت خوارزميةADMM فعاليتها في بيئات الضجيج العالي SNR ≤ 4.5 dB، بيد أن زمن تنفيذها يبقى مرتفعاً. وقد أسهم تطويرها إلى شبكة LADMM في تحقيق تحسّن في دقة التخمين يصل إلى6 dB في معيار NMSE، مع تقليص زمن التنفيذ بمقدار20 ضعفاً مقارنةً بـزمن ADMM التقليدية، وتفوّق ملحوظ على أحدث طرق التخمين المعتمدة على التعلم العميق مثل شبكتيLAMP وGM-LAMP في جميع معايير الأداء المعتمدة: الفعالية الطيفية، والفعالية الطاقية، ودقة التخمين.
قدّمت هذه الأطروحة إطار عمل يربط بين تحسين تشكيل الحزمة الراديوي عبر عدسة فرينل، و تحسين تشكيل الحزمة الرقمي عبر الدمج بين ADMM، والذكاء الصنعي ، مما يوفّر حلاً شاملاً لتحديات تشكيل الحزمة الهجين في أنظمة الاتصال الملمترية. تفتح هذه النتائج آفاقاً واعدة لدمج بنية مصفوفة هوائي العدسة مع تقنيات الجيل السادس6G الناشئة، واستكشاف إمكانية التكيّف الديناميكي لشبكةLADMM مع تغيّرات القناة في الزمن الحقيقي، فضلاً عن توسيع الإطار المقترح ليشمل سيناريوهات المستخدمين المتعددين وبيئات التداخل المعقدة.
الكلمات المفتاحية: تشكيل الحزمة الهجين، الأمواج الملمترية، عدسة فرينل ذات المناطق، تخمين قناة الحزمة الفراغية، نظام تعدد المداخل وتعدد المخارج المكثف، طريقة الاتجاه المتناوب للمضاعفات، نشر الخوارزمية، التعلم العميق، الجيل الخامس.