Statistical Analysis of Primary and Random Clusters in 318 GHz Terahertz Channels for Industrial IoT

تخيل عالماً تتحدث فيه الآلات داخل المصنع مع بعضها البعض بشكل فوري، حيث تتبادل كميات هائلة من البيانات لتنسيق مهام معقدة دون أدنى تأخير. تعتمد هذه الرؤية على أفق جديد للاتصالات اللاسلكية يستخدم جزءاً من الطيف الكهرومغناطيسي يُعرف بنطاق "التيراهيرتز". وبينما تعمل شبكات الواي فاي (Wi-Fi) والشبكات الخلوية التقليدية على ترددات أقل، توفر موجات التيراهيرتز عرض نطاق ترددي هائلاً، مما يعد بسرعات يمكن أن تُحدث ثورة في الأتمتة الصناعية. ومع ذلك، فإن هذه الموجات عالية التردد تسلك سلوكاً مختلفاً عن الإشارات التي نعتاد عليها؛ فهي تنتقل بشكل يشبه الضوء أكثر من كونها موجات راديو، مما يعني أنها تُحجب بسهولة بواسطة الجدران وتتردد (ترتد) عن الأسطح بطرق محددة للغاية ويمكن التنبؤ بها. وفي مصنع مزدحم بآلات الخراطة المعدنية، والأرفف، والآلات الثقيلة، يكون فهم كيفية ارتداد هذه الإشارات وتلاشيها وتشتتها بدقة أمراً بالغ الأهمية. فإذا لم يتمكن المهندسون من التنبؤ بكيفية سلوك الإشارة في مثل هذه البيئة الفوضوية، فلن يتمكنوا من بناء شبكات موثوقة لمصانع المستقبل.

ولحل هذا اللغز، أنشأ فريق من الباحثين محطة استماع متطورة داخل قاعة مصنع صناعي حقيقي. واستخدموا جهازاً متخصصاً قادراً على إرسال واستقبال الإشارات عند تردد 318 جيجاهرتز، وهي سرعة تتجاوز بكثير ما يمكن للأجهزة الاستهلاكية الحالية التعامل معه. كانت أرضية المصنع مليئة بالعوائق الصناعية المعتادة: خزائن معدنية، وأعمدة خرسانية مسلحة، وطاولات عمل كبيرة. وضع الباحثون جهاز إرسال في نقطة معينة وحركوا جهاز استقبال إلى أحد عشر موقعاً مختلفاً، بعضها كان يتمتع بخط رؤية مباشر مع جهاز الإرسال والبعض الآخر كان محجوباً بالمعدات. وللحصول على صورة كاملة للبيئة، قاموا بتدوير هوائي الاستقبال في دوائر كاملة، ماسحين الهواء من كل زاوية، مع إبقاء جهاز الإرسال مركزاً على نطاق محدد. وقد أجروا هذه القياسات طوال الليل، لضمان عدم تداخل البشر أو الآلات المتحركة مع البيانات، مما خلق لقطة ثابتة تماماً لكيفية انتقال الإشارات عبر الفضاء.

بمجرد جمع البيانات، واجه الباحثون تحدياً: لم تكن الإشارات التي تلقوها تياراً مستمراً وسلساً، بل كانت مجموعة متفرقة من الأصداء المتميزة. في الماضي، غالباً ما كان العلماء يعاملون كل هذه الأصداء كمجموعة واحدة، بافتراض أنها تتصرف بشكل متشابه. ومع ذلك، اكتشف الفريق أن هذا النهج كان بسيطاً للغاية بالنسبة لنطاق التيراهيرتز. فقد وجدوا أن الإشارات الواصلة إلى جهاز الاستقبال تنقسم إلى فئتين مختلفتين تماماً. تمثلت المجموعة الأولى في انعكاسات قوية وعالية الطاقة، والتي سلكت مسارات مشابهة جداً لخط الرؤية المباشر؛ وكانت هذه هي الإشارات "الأساسية"، التي ترتد عن الأسطح المعدنية الكبيرة والمسطحة بطاقة عالية. أما المجموعة الثانية، فكانت مكونة من إشارات أضعف وأكثر تشتتاً، تصل من اتجاهات مختلفة وبقدرة أقل بكثير؛ وكانت هذه هي الإشارات "العشوائية"، الناتجة عن تفاعلات معقدة مع الأجسام الصغيرة والأسطح الخشنة.

طوّر الباحثون طريقة جديدة لفرز هذه الإشارات، وفصل الانعكاسات القوية السائدة عن الإشارات الضعيفة والمتشتتة. ووجدوا أن هذا الفصل لم يكن مجرد تفصيل تقني، بل كان حقيقة جوهرية حول كيفية سلوك موجات التيراهيرتز في المصانع. كانت الإشارات الأساسية القوية هي المسؤولة عن معظم مدى وصول الإشارة واستقرارها؛ حيث كانت تصل في نمط يمكن التنبؤ به، وتفقد قوتها بمعدل ثابت أثناء انتقالها. وفي المقابل، كانت الإشارات العشوائية أكثر فوضوية، إذ تصل بشكل مشتت مع تأخيرات ومستويات طاقة غير متوقعة. وعندما حلل الفريق توقيت هذه الإشارات، لاحظوا أن الانعكاسات القوية تصل مع فترات زمنية أطول بينها، بينما تأتي الإشارات العشوائية الأضعف في نبضات سريعة وغير منتظمة.

لقد غيّر هذا التمييز فهم الباحثين لبيئة المصنع؛ حيث أدركوا أن الانعكاسات القوية تعمل بمثابة الطرق السريعة الرئيسية للبيانات، حاملةً الجزء الأكبر من المعلومات بموثوقية. أما الإشارات الأضعف، رغم وجودها، فقد ساهمت بشكل أقل في الاتصال وسلكت سلوك الضجيج الخلفي. ومن خلال معالجة هاتين المجموعتين بشكل منفصل، تمكن الفريق من وصف القناة بدقة أكبر بكما سبق. ووجدوا أن عدد الانعكاسات القوية كان صغيراً وثابتاً، بينما كان عدد الإشارات الأضعف يتفاوت بشكل أكبر. وبالمثل، أظهرت الزوايا التي وصلت منها هذه الإشارات أن الانعكاسات القوية اتبعت هندسة الأجسام المعدنية الكبيرة في الغرفة، في حين جاءت الإشارات الأضعف من نطاق أوسع وأكثر انتشاراً.

تخلص الدراسة إلى أنه لبناء شبكة لاسلكية موثوقة للجيل القادم من الإنترنت الصناعي، يجب على المهندسين التوقف عن معاملة جميع أصداء الإشارات كشيء واحد. بدلاً من ذلك، يحتاجون إلى نمذجة الانعكاسات المباشرة القوية والإشارات المتشتتة الضعيفة كظاهرتين متميزتين. يسمح هذا النهج بمحاكاة أكثر واقعية لكيفية انتقال البيانات عبر أرضية المصنع المزدحمة. ورغم أن البحث أُجري في بيئة مصنع واحدة، إلا أن النتائج تشير إلى أن هذا الفصل بين الإشارات القوية والضعيفة هو سمة رئيسية لاتصالات التيراهيرتز في أي بيئة مليئة بالأجسام الكبيرة العاكسة. ومن خلال فهم هذين الطبقتين من الإشارة، يمكن للمصممين إنشاء أنظمة قوية بما يكفي لتلبية متطلبات الصناعة الحديثة، مما يضمن قدرة الآلات على التواصل بالسرعة والدقة المطلوبة لمستقبل التصنيع.