يحاول فريق هندسي في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، استبدال الهوائيات التقليدية الضخمة ذات القطع المكافئ الدوارة ميكانيكيًا للمحطات الأرضية الفضائية بهوائيات مستوية صغيرة موزعة، والتي من المتوقع أن تحسن بشكل كبير قدرات نقل البيانات عبر الأقمار الصناعية مع تقليل التكاليف. يعمل نظام البحث، المسمى "ArrayLink"، معًا من خلال توزيع هوائيات متعددة المراحل بحجم الكمبيوتر المحمول على أسطح المنازل وأبراج الاتصالات والمباني الأخرى لتوفير طريقة وصول أرضية أكثر مرونة وقابلة للتطوير للأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض المزدحمة بشكل متزايد.
على الرغم من أن الأقمار الصناعية نفسها شهدت تطورًا سريعًا في العقد الماضي، حيث تحولت من أقمار اتصالات كبيرة تزن عدة أطنان في الماضي إلى أقمار صناعية صغيرة ذات مدار أرضي منخفض ومتكاملة للغاية ويمكن تحديدها بواسطة البرامج، إلا أن البنية التحتية الأرضية لا تزال عالقة إلى حد كبير في النموذج القديم المتمثل في الاعتماد على هوائيات توجيه ميكانيكية كبيرة. لا تخدم الاتصالات الساتلية الحالية الإنترنت عبر الأقمار الصناعية فحسب، بل تدعم أيضًا السيناريوهات الرئيسية مثل تحديد المواقع والملاحة العالمية، والمعاملات المالية، والتنبؤات الجوية، والاتصالات العسكرية، والاستجابة لحالات الطوارئ، وعمليات الطيران والشحن، والتطبيب عن بعد، ومراقبة الأرض. أهميتها تتجاوز بكثير الوعي العام.
في الوقت الحاضر، لا تزال الغالبية العظمى من بيانات الأقمار الصناعية بحاجة إلى "إنزالها" عبر محطات أرضية للوصول إلى الإنترنت واسع النطاق، وتعتمد هذه المحطات الأرضية عادةً على هوائيات مكافئة يبلغ قطرها حوالي 1.8 متر أو أكبر لتوفير "روابط تغذية" عالية الكسب. وعلى الرغم من أن هذا النوع من الهوائيات قوي في الأداء، إلا أنه غير مرن للغاية: فكل هوائي يمكنه تتبع قمر صناعي واحد فقط في المرة الواحدة، ويجب أيضًا تدويره ميكانيكيًا لتتبع الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض والتي تمر عبر السماء بسرعة حوالي 28000 كيلومتر في الساعة. وقد أصبح هذا النموذج على نحو متزايد بمثابة عنق الزجاجة في سياق انتشار الكوكبات ذات المدار المنخفض.
وذكر فريق البحث أن سرعة الدوران الميكانيكية لبعض هوائيات الأقمار الصناعية النشطة للمحطات الأرضية تتراوح بين 2 إلى 5 درجات في الثانية فقط. غالبًا ما يستغرق التبديل من قمر صناعي إلى آخر عدة ثوانٍ أو حتى ما يقرب من دقيقة. خلال هذه الفترة، تكون المحطة الأرضية في حالة "غير متاحة"، مما يحد من القدرة الإنتاجية الإجمالية. على الرغم من أن المصفوفات الطورية الممسوحة ضوئيًا يمكن أن تحل نظريًا محل الهوائيات الميكانيكية، إلا أن تكلفة وتعقيد تكديس ما يكفي من عناصر الهوائي على صفيف واحد لتتناسب مع كسب هوائي مكافئ كبير مرتفع جدًا حاليًا بحيث لا يمكن نشره على نطاق واسع.
تتمثل فكرة ArrayLink في التخلي عن "جعل مصفوفة واحدة أكبر" وبدلاً من ذلك استخدام عدة لوحات مصفوفة مرحلية صغيرة جاهزة وتنسيقها كنظام موزع. يمكن أن تتضمن هذه البنية ما يصل إلى 16 لوحة مصفوفة مرحلية، مع نطاق توزيع يصل إلى كيلومترات. تتمتع كل لوحة بقدرات ارتباط محدودة. ومع ذلك، بعد التنسيق الموحد، فإن الأداء العام يشبه "الهوائي الكبير الافتراضي"، ويقترب من الهوائي المكافئ التقليدي في الكسب.
وأشار دينيش بهاراديا، المؤلف المقابل للورقة، إلى أن عنق الزجاجة الأساسي الحالي في توسيع قدرة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية لم يعد في الفضاء، بل على الأرض. هذه هي المشكلة الأساسية التي يحاول ArrayLink حلها. وقال إن هذا الحل يمكن أن يساعد الصناعة على توسيع نطاق المحطات الأرضية بتكلفة أقل وسرعة أكبر، ويمكن حتى تنفيذه من خلال نشر "التعهيد الجماعي": يمكن لأي مالك أو مؤسسة لديها موارد على السطح تثبيت النظام ونقل بيانات الأقمار الصناعية مرة أخرى إلى الإنترنت.
ومن الجدير بالذكر أن ابتكار ArrayLink لا يكمن فقط في تسطيح وتوزيع الأشكال المادية، ولكن أيضًا في الاستخدام المتعمق لخصائص القناة المكانية. من خلال نشر الألواح على نطاق مادي أكبر، وجد الفريق أنه يمكنهم الاستفادة من تأثير يسمى "MIMO لخط البصر القريب من المجال" لتشكيل تدفقات بيانات متوازية متعددة بين نفس القمر الصناعي والمحطات الأرضية، مما يؤدي إلى تحسين الإنتاجية بشكل كبير.
في وصلات الأقمار الصناعية التقليدية على خط البصر، غالبًا ما "يرى" كل هوائي استقبال نفس الإشارة تقريبًا، مما يجعل من الصعب تحقيق تعدد الإرسال المكاني. عندما تكون المسافة بين اللوحات كبيرة بما فيه الكفاية، فإن الموجات الكهرومغناطيسية الساقطة التي تلاحظها كل لوحة ستختلف في المعلمات مثل الطور، مما يسمح للنظام بفصل تدفقات البيانات المستقلة المتعددة عن الإشارات الواردة من نفس القمر الصناعي. وهذا مشابه من حيث المبدأ لتقنية MIMO المستخدمة بشكل شائع في أجهزة توجيه Wi-Fi وشبكات الاتصالات المتنقلة، ولكن يتم تضخيمها على نطاق الأقمار الصناعية.
وفقًا لنتائج المحاكاة التي أجراها الفريق، يمكن لـ ArrayLink دعم ما يصل إلى 4 تدفقات بيانات متوازية مكانيًا على مسافة نقل تبلغ مئات الكيلومترات، ولا يزال بإمكانه الحفاظ على دفقين للبيانات على مسافة تزيد عن 2000 كيلومتر. يقول الباحثون أنه بالمقارنة مع أنظمة الهوائيات المكافئة التقليدية أحادية التدفق، من المتوقع أن يزيد الإنتاج الإجمالي لهذه البنية إلى حوالي ثلاثة أضعاف.
يُظهر ArrayLink أيضًا قدرة غير تقليدية: فهو لا يمكنه تركيز الطاقة في البعد الزاوي فحسب، بل يمكنه أيضًا تحقيق "توصيل نقطة ثابتة" للطاقة في بُعد المسافة. تتحكم الهوائيات التقليدية بشكل أساسي في اتجاه الحزمة عن طريق تغيير زاوية التوجيه، بينما يمكن لـ ArrayLink التحكم بدقة في الموقع المركز للطاقة في كلا الأبعاد الزاويّة والشعاعية، والذي من المتوقع أن يقلل التداخل مع أنظمة الأقمار الصناعية الأخرى في البيئات المدارية المعقدة.
هذا النظام لا يبقى على الورق. أكمل فريق البحث تجارب الأجهزة الخارجية في ظل ظروف خط البصر باستخدام هوائيات الصفيف المرحلي ومنصات الراديو البرمجية في نطاق التردد 27 جيجا هرتز. تتوافق البيانات المقاسة إلى حد كبير مع التحليل النظري ونتائج المحاكاة، والتي تتحقق إلى حد ما من الآلية الفيزيائية الرئيسية وراء المخطط.
من منظور التنفيذ الهندسي، يؤكد ArrayLink أيضًا على التطبيق العملي وقابلية التنفيذ. يعتمد تصميمه على أجهزة المصفوفة المرحلية المتوفرة تجاريًا. تشبه هذه الأجهزة الهوائيات الطرفية الحالية للإنترنت عبر الأقمار الصناعية والتي يتم إنتاجها بكميات كبيرة، مما يتجنب الحاجة إلى الاعتماد على معدات "مختبرية محددة" باهظة الثمن ومخصصة للغاية، مما يترك مسارًا ممكنًا للنشر على نطاق واسع في المستقبل.
واقترح الفريق أيضًا فكرة عملية للغاية: تثبيت هذا النوع من المصفوفات مباشرة على برج المحطة الأساسية 5G الحالي، بحيث يمكن "بدوام جزئي" كمحطة أرضية فضائية مع الحفاظ على وظيفة الاتصال الخلوي الأصلية. وبما أن هذه المحطات البرجية نفسها تتمتع بشروط أساسية مثل إمدادات الطاقة والألياف الضوئية وتأجير الموقع، فإن التكلفة الهامشية للنشر المتراكب لـ ArrayLink ستكون أقل بكثير من تكلفة المحطات الأرضية المخصصة الجديدة، والتي من المتوقع أن تسرع التوسع في البنية التحتية العالمية للوصول إلى الأقمار الصناعية.
حاليًا، لا يزال ArrayLink في مرحلة البحث التجريبي ولم يكمل بعد التحقق الشامل من الأقمار الصناعية التي تدور في مدار حقيقي. ويواصل فريق البحث تحسين تصميم النظام واستكشاف كيفية حل التحديات الهندسية مثل التحكم المنسق وإدارة التشغيل والصيانة والتوافق مع بنيات شبكات الأقمار الصناعية الحالية في عمليات النشر واسعة النطاق.
من منظور الصناعة، مع استمرار ارتفاع عدد الكوكبات ذات المدارات المنخفضة واستمرار زيادة قدرات الأقمار الصناعية، يكاد يكون من المحتم أن تضطر بنية المحطات الأرضية إلى التحول من المواقع الكبيرة "القليلة ولكن المكررة" إلى نموذج جديد من "التوزيع متعدد النقاط والتوسع المرن". إذا كان الحل الموزع القائم على المصفوفة المرحلية مثل ArrayLink يمكنه تحقيق اختراقات في التكلفة والموثوقية والتوحيد القياسي، فمن المتوقع أن يوفر نموذجًا جديدًا للبنية التحتية المجدية لشبكات الاتصالات الساتلية العالمية المستقبلية.