كيف يعمل تصميم الهوائي المزدوج على تحسين تغطية الإشارة في المناطق النائية؟

لقد رأيت الكثير من كاميرات PTZ تفقد الاتصال في الميدان. هوائي واحد لا يكفي عندما يكون موقعك على بعد أميال من أقرب برج خلوي.

يعمل تصميم الهوائيات المزدوجة على تحسين تغطية الإشارة في المناطق النائية باستخدام التنوع الفضائي و تقنية MIMO ¹. يستقبل هوائيان الإشارات من مسارين مختلفين ويقلل من التلاشي ويزيد من إنتاجية البيانات. وهذا يحافظ على اتصال كاميرا PTZ الخاصة بك وبثها حتى على حافة التغطية الخلوية أو تغطية Wi-Fi.

تغطية إشارة كاميرا PTZ ذات الهوائي المزدوج للمناطق النائية

في هذه المقالة، أقوم بتفصيل كيفية عمل الهوائيات المزدوجة بالضبط في عمليات النشر في العالم الحقيقي. وأغطي خيارات الهوائي الخارجي، ومكاسب سرعة MIMO، ومقاومة التداخل، وتباعد الهوائي المناسب. إذا كنت تبحث عن كاميرات 4G الشمسية PTZ من الصين للمشاريع البعيدة، فهذه معلومات تحتاجها قبل تقديم طلبك التالي.

هل يمكنني استخدام هوائي ياجي خارجي عالي الكسب مع منفذ الهوائي الثانوي؟

أتلقى هذا السؤال كثيرًا من شركات تكامل الأنظمة التي تعمل في المناطق الريفية الأمريكية. فمواقعهم بعيدة عن المحطات الأساسية، والهوائيات المدمجة ليست كافية.

نعم، تحتوي معظم كاميرات 4G PTZ من الفئة الصناعية 4G المزودة بتصميم هوائي مزدوج حقيقي على منفذي تردد لاسلكي - رئيسي وشعبة - باستخدام موصلات SMA أو TS9 القياسية. يمكنك توصيل هوائي خارجي عالي الكسب هوائي ياغي ² إلى المنفذ الثانوي لتعزيز حساسية الاستقبال وتوسيع نطاقك القابل للاستخدام بمقدار 15% إلى 25%.

هوائي ياغي عالي الكسب هوائي ثانوي منفذ ثانوي كاميرا 4G PTZ

سبب أهمية المنفذ الثانوي

يعتقد الكثير من الناس أن منفذ الهوائي الثانوي هو مجرد منفذ احتياطي. إنه ليس كذلك. في نظام الهوائي المزدوج الحقيقي، تحتوي وحدة 4G داخل الكاميرا على سلسلتين منفصلتين للتردد اللاسلكي. أحدهما يتصل ب الرئيسية المنفذ. يتصل الآخر بـ القسم منفذ (التنوع). كلاهما نشط في نفس الوقت.

عندما أقوم بتوصيل هوائي Yagi عالي الكسب إلى المنفذ الثانوي، فإنني أعطي جهاز استقبال التنوع إشارة أقوى للعمل معها. ثم يجمع النظام بين الإشارتين. وهذا ما يسمى الجمع بين النسبة القصوى (MRC). والنتيجة هي ارتفاع نسبة الإشارة إلى الضوضاء الفعالة (SNR).

ما نوع هوائي ياغي الذي يجب أن أستخدمه؟

بالنسبة لنطاقات 4G LTE الشائعة الاستخدام في الولايات المتحدة (النطاق 12، والنطاق 13، والنطاق 71)، أوصي باستخدام هوائي Yagi اتجاهي مع كسب 10 ديسيبل بايت في البوصة. وجّهه نحو أقرب برج خلوي. يمكن لهذا الإعداد تحويل اتصال هامشي إلى اتصال قابل للاستخدام.

إليك مقارنة سريعة:

نوع الهوائي	المكسب النموذجي	عرض الشعاع	أفضل حالة استخدام
أومني مدمج (مخزون)	3-5 ديسيبل بايت	360°	المناطق الحضرية ذات الإشارة القوية
خارجي أومني (ترقية)	6-8 ديسيبل في البوصة	360°	ضواحي، إشارة معتدلة
ياغي خارجي (اتجاهي)	10-14 ديسيبل في البوصة	30°-60°	ريفي، إشارة ضعيفة وبعيدة المدى

احترس من تصاميم الهوائيات المزدوجة المزيفة

يجب أن أكون صادقاً هنا. تحتوي بعض الكاميرات الرخيصة في السوق على ذراعين هوائيين من الخارج، ولكن واحدة فقط متصلة فعلياً بوحدة 4G. والآخر للمظهر فقط. هذه خدعة شائعة لجعل المنتج يبدو أكثر قدرة.

عندما أقوم بتقييم أحد الموردين، أطلب دائمًا تقرير اختبار الترددات اللاسلكية. أريد أن أرى كلا المنفذين الرئيسي والمقسم مقيسين بشكل مستقل. في Loyalty-Secu، يتصل كلا منفذي الهوائي بهوائيات نحاسية عالية الكسب. نحن نختبر مطابقة التردد اللاسلكي في كل وحدة. في البيئات التي تنخفض فيها قوة الإشارة إلى -110 ديسيبل ميلي واط, ، لا تزال كاميراتنا تحافظ على اتصال مستقر بنبضات القلب. هذا هو الفرق بين نظام الهوائي المزدوج الحقيقي والنظام التجميلي.

كيف يزيد تصميم MIMO (متعدد المدخلات والمخرجات) من سرعات التحميل؟

لقد اتصل بي عملاء محبطون لأن بث كاميرا 4G PTZ الخاصة بهم يستمر في التخزين المؤقت. تعمل الكاميرا بشكل جيد في المستودع. ولكن في موقع بناء بعيد، لا يمكن مشاهدة الفيديو في موقع بناء بعيد.

يستخدم MIMO هوائيين لإرسال واستقبال تدفقات بيانات متعددة في الوقت نفسه. في إعداد 2×2 MIMO، يمكن لوحدة 4G التعامل مع تدفقين متوازيين للبيانات. يمكن أن يؤدي ذلك إلى مضاعفة سرعة التحميل تقريبًا مقارنةً بنظام أحادي الهوائي، خاصةً عندما تكون جودة الإشارة معتدلة.

كاميرا MIMO ثنائية الهوائي مزدوجة الهوائي بسرعة تحميل 4G PTZ

كيف يعمل MIMO في الواقع في الميدان

في شبكات LTE، يمكن للمحطة الأساسية تقسيم بياناتك إلى دفقين منفصلين. ينتقل كل دفق عبر مسار مكاني مختلف ويصل إلى هوائي مختلف على الكاميرا. تقوم وحدة 4G بعد ذلك بإعادة تجميع البيانات. وهذا ما يسمى تعدد الإرسال المتعدد المكاني. تعمل بشكل أفضل عندما تكون ظروف الإشارة مناسبة - عادةً عندما تكون SINR ³ أعلى من 10 ديسيبل.

ولكن إليك ما لا يدركه معظم الناس. في المناطق ذات الإشارة الضعيفة، لا تستخدم الشبكة تعدد الإرسال المكاني. بدلاً من ذلك، فإنها تتحول إلى تنوع الإرسال الوضع. في هذا الوضع، ترسل المحطة الأساسية البيانات نفسها من هوائيات متعددة. تستقبل الكاميرا ذات الهوائيات المزدوجة كلا النسختين وتجمعهما معاً. هذا لا يضاعف سرعتك، ولكنه يجعل اتصالك أكثر موثوقية. يمكن أن يعني الفرق بين البث الثابت بدقة 1080 بكسل والتخزين المؤقت المستمر.

أرقام حقيقية من عمليات نشر حقيقية

لقد شاهدت اختبارات ميدانية حيث أدى توصيل هوائي 2×2 MIMO مناسب بهوائي 2×2 MIMO إلى محطة طرفية 4G إلى تحسين معدل الاستجابة السريعة من -90 ديسيبل ميلي واط إلى -66 ديسيبل ميلي واط, وقفز معدل SINR من 0 تقريبًا إلى أكثر من 20. انتقل الرابط من “بالكاد متصل” إلى “جودة عالية” في ثوانٍ.

بالنسبة لكاميرا PTZ الشمسية 4G تعمل بتشفير H.265+، أحتاج عادةً إلى حوالي تحميل 1-3 ميغابت في الثانية لبث مستقر بدقة 1080 بكسل. إليك كيفية مساعدة MIMO:

حالة الإشارة	تحميل هوائي واحد	تحميل هوائي مزدوج (2×2 MIMO) تحميل هوائي مزدوج (2×2 MIMO)
إشارة قوية (RSRP > -80 ديسيبل ميلي واط)	8-15 ميغابت في الثانية	15-30 ميغابت في الثانية
إشارة معتدلة (-80 إلى -100 ديسيبل ميلي واط)	3-6 ميغابت في الثانية	5-12 ميغابت في الثانية
إشارة ضعيفة (-100 إلى -110 ديسيبل ميلي واط)	0.5-1.5 ميغابت في الثانية	1.5-4 ميغابت في الثانية

أهمية ذلك بالنسبة لبث 4K PTZ بدقة 4K

في نهاية الإشارة الضعيفة، بالكاد يدفع هوائي واحد 1 ميجابت في الثانية. هذا لا يكفي للحصول على فيديو سلس، حتى مع H.265+ ⁴. ولكن مع تقنية MIMO ثنائية الهوائيات MIMO، أتطلع إلى 1.5 إلى 4 ميغابت في الثانية. هذا النطاق كافٍ لتشغيل دفق واضح بدقة 1080 بكسل أو حتى دفق مضغوط بدقة 4K في المشاهد منخفضة الحركة مثل مراقبة المحيط.

دائماً ما أقول لعملائي: لن يحول MIMO “عدم وجود إشارة” إلى “أشرطة كاملة”. ولكن في المناطق التي يكون لديك فيها بعض الإشارة، أي المناطق الهامشية والأماكن التي تقع بين المناطق، فإن تقنية MIMO هي ما يحافظ على بث الفيديو الخاص بك. وعندما تجمعه مع ترميز H.265+ الذي يقلل من احتياجات النطاق الترددي بمقدار 501 تيرابايت أو أكثر، يكون لديك نظام يعمل بالفعل في العالم الحقيقي.

هل سيقلل إعداد الهوائي المزدوج من “تلاشي الإشارة” في المناطق ذات التداخل الشديد؟

لقد نشرت كاميرات بالقرب من مصافي النفط والمستودعات المعدنية وخطوط الأشجار الكثيفة. تنقطع الكاميرات أحادية الهوائي باستمرار في هذه الأماكن. الإشارة تأتي وتذهب مثل الضوء الوامض.

نعم، إن إعدادات الهوائيات المزدوجة تقلل بشكل كبير من تلاشي الإشارة الناجم عن التداخل متعدد المسارات. وباستخدام التنوع الفضائي والاستقطاب المتبادل، يلتقط هوائيان إصدارات مختلفة من نفس الإشارة. يختار النظام الأقوى أو يجمع بين الاثنين، مما يمكن أن يستعيد 3 ديسيبل إلى 5 ديسيبل من قوة الإشارة المفقودة.

هوائي مزدوج يقلل من تداخل تعدد المسارات الباهت للإشارة

ما الذي يسبب تلاشي الإشارة في المقام الأول؟

لا تنتقل الإشارات اللاسلكية في خط مستقيم وتتوقف. فهي ترتد عن المباني والأرض والأشجار والهياكل المعدنية وحتى الماء. كل ارتداد يخلق نسخة من الإشارة التي تصل إلى الهوائي الخاص بك في وقت وزاوية مختلفين قليلاً. يمكن أن تتراكم هذه النسخ بشكل بنّاء (مما يجعل الإشارة أقوى) أو بشكل هدّام (يلغي بعضها بعضاً).

عندما يحدث تداخل مدمر، تنخفض إشارتك فجأة. وهذا ما يسمى بـ التلاشي متعدد المسارات. يمكن أن يحدث ذلك في أجزاء من الثانية. قد تظهر الكاميرا ثلاثة أشرطة في ثانية واحدة وصفراً في الثانية التالية. هذا هو السبب الجذري لانقطاع الاتصال المتقطع الذي يحبط الكثير من عملائي.

كيف تحارب الهوائيات المزدوجة التلاشي

الفيزياء بسيطة. سيختبر هوائيان موضوعان في موضعين مختلفين أنماط تلاشي مختلفة. عندما يصطدم أحد الهوائيين بإشارة لاغية (بقعة ميتة)، فمن شبه المؤكد أن الهوائي الآخر ليس في نفس موضع التلاشي. يمكن للنظام بعد ذلك اختيار الإشارة الأفضل أو الجمع بينهما.

هناك ثلاث تقنيات رئيسية:

الجمع بين الاختيار

يراقب النظام كلا الهوائيين بشكل مستمر ويختار الهوائي ذا الإشارة الأقوى في أي لحظة. هذا هو أبسط نهج ويعمل بشكل جيد للتنوع الأساسي.

الجمع بين النسبة القصوى (MRC)

يزن النظام كلا الإشارتين بناءً على جودتهما ويجمعهما معاً. وهذا يعطي أفضل إخراج ممكن. تستخدم معظم وحدات 4G الحديثة نظام MRC.

تنوع الاستقطاب المتقاطع

في كاميرات PTZ ثنائية الهوائيات الخاصة بنا، أقوم بتهيئة هوائي للاستقطاب الرأسي وآخر للاستقطاب الأفقي. بعد الارتداد عن الأسطح، يتغير اتجاه استقطاب الإشارة بشكل غير متوقع. من خلال تغطية كلا مستويي الاستقطاب، ألتقط المزيد من طاقة الإشارة الكلية.

النتيجة في الممارسة العملية

في البيئات ذات المسارات المتعددة الكثيفة - مثل الأخاديد الحضرية والمجمعات الصناعية ومناطق الغابات - يوفر تنوع الهوائيات المزدوجة عادةً مكسبًا مكافئًا 3 ديسيبل إلى 5 ديسيبل عبر هوائي واحد. قد يبدو ذلك صغيراً. ولكن في هندسة الترددات اللاسلكية، كل 3 ديسيبل تضاعف طاقة الاستقبال الفعالة. هذا يعني أنه يمكن تركيب كاميرا PTZ مزدوجة الهوائي من 15% إلى 25% أبعد من المحطة الأساسية أكثر من الكاميرا أحادية الهوائي مع الحفاظ على جودة الاتصال نفسها.

بالنسبة لعملائي الذين يعملون في مزارع تكساس أو مواقع التعدين الكندية، فإن هذا الهامش الإضافي ليس مجرد ميزة لطيفة. إنه الفرق بين الكاميرا التي تعمل والكاميرا التي تومض “غير متصلة بالإنترنت”.”

ما هي المسافة الموصى بها بين الهوائيين لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة؟

كان لديّ عميل ذات مرة قام بتركيب كلا الهوائيين بجانب بعضهما البعض على نفس الحامل. اتصل بي في اليوم التالي مرتبكاً. “هان، أنا لا أرى أي تحسن على هوائي واحد.”

لتحقيق أقصى كسب للتنوع، يجب أن تكون المسافة بين الهوائيين متباعدة على الأقل نصف طول موجي. بالنسبة لترددات 4G LTE التي تبلغ حوالي 700 ميجاهرتز، هذا يعني حوالي 20 سم (8 بوصات). أما بالنسبة للنطاقات 1800-2600 ميجاهرتز، فإن 6 إلى 8 سم (حوالي 3 بوصات) كافية. يمكن أن يقلل الاستقطاب المتقاطع من التباعد المطلوب بشكل أكبر.

مسافة التباعد بين الهوائي كاميرا PTZ ثنائية الهوائي

أهمية التباعد الزمني

بيت القصيد من الهوائيات المزدوجة هو أنها تواجه ظروف إشارة مختلفة. إذا وضعتهما قريبين جدًا من بعضهما البعض، فإنهما يريان نفس الإشارة تقريبًا - نفس التلاشي ونفس حالات عدم الإشارة. تنخفض فائدة التنوع إلى الصفر تقريبًا.

القاعدة العامة في هندسة الهوائيات هي: الحد الأدنى للمسافات من λ/4 إلى λ/2, حيث λ (لامدا) هو الطول الموجي لتردد التشغيل. في ترددات 4G LTE، تختلف الأطوال الموجية كثيرًا حسب النطاق.

إرشادات التباعد حسب نطاق التردد

إليك جدول مرجعي عملي أستخدمه عند تصميم تخطيطات هوائي الكاميرا:

نطاق LTE	نطاق التردد	الطول الموجي (λ)	الحد الأدنى للتباعد (λ/4)	التباعد الموصى به (λ/2)
النطاق 71 (600 ميجاهرتز)	617-698 ميجاهرتز	~حوالي 46 سم	~حوالي 12 سم	~حوالي 23 سم
النطاق 12/13 (700 ميجاهرتز)	698-798 ميجاهرتز	~حوالي 41 سم	~حوالي 10 سم	~حوالي 20 سم
النطاق 4 (1700 ميجاهرتز)	1710-1755 ميغاهيرتز	~حوالي 17 سم	~حوالي 4 سم	~حوالي 9 سم
النطاق 7 (2600 ميجاهرتز)	2500-2690 ميجاهرتز	~حوالي 12 سم	~حوالي 3 سم	~حوالي 6 سم

في كاميرات PTZ الصناعية الخاصة بنا، يتم تحديد المسافات بين نقطتي تركيب الهوائيين مسبقًا بناءً على نطاقات LTE المستهدفة لكل سوق. بالنسبة للوحدات المتجهة إلى الولايات المتحدة التي تعمل بشكل أساسي على النطاق 12/13 والنطاق 71، أتأكد من وجود مسافة 20 سم على الأقل بين قاعدتي الهوائي.

الاستقطاب المتقاطع كبديل

في بعض الأحيان تكون المساحة المادية محدودة. مبيت كاميرا PTZ ليس كبيراً بشكل لا نهائي. في هذه الحالات، أستخدم هوائيات متقاطعة الاستقطاب بدلاً من الاعتماد فقط على الفصل المكاني. يتم توجيه أحد الهوائيين عمودياً والآخر بزاوية 45 درجة أو أفقياً.

يحقق الاستقطاب المتقاطع التنوع من خلال اختلاف الاستقطاب بدلاً من المسافة المادية. هذا يعني أنه يمكنني تركيب الهوائيين على مسافة أقرب من بعضهما البعض - في بعض الأحيان على بعد 5 إلى 8 سم فقط - مع الحصول على أداء تنوع قوي. المقياس الرئيسي هنا هو عزل الهوائي, الذي أريد أن أراه عند 15 ديسيبل أو أفضل بين المنفذين.

نصائح عملية للتركيب الميداني

عندما يقوم عملائي بتركيب هوائيات خارجية على أعمدة أو سواري، أعطيهم ثلاث قواعد:

1. أبقِ الهوائيات على مسافة 20 سم على الأقل بين الهوائيات في حالة استخدام نفس الاستقطاب.
2. استخدام هوائيات متقاطعة الاستقطاب إذا كانت المساحة ضيقة.
3. لا تلف الكابلات ببعضها البعض. حافظ على الكابلات المحورية منفصلة لتجنب الاقتران وتسرب الإشارة بين مساري التردد اللاسلكي.

لقد رأيت تركيبات حيث كانت الهوائيات متباعدة بشكل صحيح، لكن الكابلات كانت مربوطة بسحّاب معًا لمسافة 3 أمتار بالكامل. أدى ذلك إلى قتل العزل وخفض مكاسب التنوع إلى النصف. التفاصيل الصغيرة مهمة في عمل الترددات اللاسلكية.

الخاتمة

لا يُعد التصميم ثنائي الهوائي رفاهية لعمليات نشر كاميرات PTZ عن بُعد، بل هو مطلب أساسي. يحافظ التنوع الفضائي و MIMO والتباعد المناسب بين الهوائيات على ثبات تغذية الفيديو حيث تفشل الكاميرات أحادية الهوائي.

---

1. تقنية MIMO (متعدد المدخلات متعدد المخرجات) لتقنية LTE. ︎ 2. تصميم هوائي Yagi للاستقبال الاتجاهي بعيد المدى. ︎ 3. نسبة الإشارة إلى التداخل زائد الضوضاء لجودة LTE. ︎ 4. تخفيض عرض النطاق الترددي لبرنامج الترميز الذكي H.265+H.265+ Smart Codec للجيل الرابع 4G. ︎ 5. أنواع موصلات الهوائي SMA مقابل أنواع موصلات الهوائي TS9 لوحدات 4G. ︎ 6. الجمع بين أقصى نسبة (MRC) للتنوع ثنائي الهوائيات. ︎ 7. دليل قياس القدرة المستقبلة للإشارة المرجعية (RSRP). ︎ 8. التلاشي متعدد المسارات والتنوع الفضائي في الأنظمة اللاسلكية. ︎ 9. تكوين هوائي الاستقطاب المتقاطع لكاميرات PTZ. ︎ 10. قياس عزل الهوائي لأنظمة مسار الترددات الراديوية المزدوجة. ︎