الشبكة فائقة الكثافة Ultra-Dense Network

في السنوات الأخيرة برزت “UDN” كحل بارز لمواجهة تحديات تلبية متطلبات “IMT-2020 (5G)” ذات السعة العالية للغاية التي تصل إلى “10 ميجابت / م 2″، ومن الناحية النوعية “UDN” عبارة عن شبكة ذات كثافة أعلى بكثير من الموارد الراديوية من تلك الموجودة في الشبكات الحالية، أي شبكة خلوية صغيرة أكثر كثافة من حيث الكثافة النسبية أو الكثافة المطلقة لمحطات القاعدة.

ما هي الشبكة فائقة الكثافة Ultra-Dense Network

الشبكة فائقة الكثافة “Ultra-Dense Network”: هي شبكة حيث من المحتمل أن تصل كثافة “BS” أو “AP” إلى كثافة المستخدم أو حتى تتجاوزها، وهو أمر مناسب لتوصيف السيناريو عندما تزداد حركة المرور لكل مستخدم بينما لا يزيد عدد المستخدمين، وتتميز بأنّها شبكة حيث تكون المسافة بين المواقع بضعة أمتار فقط، كما تم تحديدها على أنّها شبكة تصل إلى النقطة التي تنمو فيها سعتها بشكل شبه خطي بسبب التأثير المتزايد للتداخل، مع زيادة كثافة المحطة القاعدة.

• “UDN” هي اختصار لـ “Ultra-Dense Network”.

• “BS” هي اختصار لـ “Base Station”.

• “AP” هي اختصار لـ “access point”.

تحديات شبكة UDN

يصبح التداخل في “UDN” أكثر شدة مع تقلبات أعلى وقد يكون هناك عدد كبير من مصادر التداخل القوية ولكن لا يوجد شيء مهيمن، وهذا يؤدي إلى إحصائيات تداخل مختلفة عن تلك الخاصة بشبكة موجودة مع أحد أو عدد قليل من مصادر التداخل المهيمنة، وفي ظل افتراض حمل حركة المرور الثقيل والموحد فإنّ جميع محطات “BS” نشطة دائماً في الشبكات الخلوية التقليدية.

وفي هذه الشبكات ذات المحطات القاعدية المنتشرة بشكل ضئيل غالباً ما تتجاوز كثافة المستخدمين كثافة المحطات القاعدية وعلى الأقل خلال وقت الذروة، وبالنسبة لمثل هذه الشبكات المتفرقة كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنّ إعادة استخدام التردد العالمي هو الأمثل لتعظيم السعة، والافتراض القائل بأن كل محطة لديها مستخدم واحد على الأقل للخدمة، وبالتالي يجب تنشيط جميع المحطات القاعدة هو افتراض معقول.

وفي شبكة متفرقة لإعادة استخدام التردد العالمي مع وصول متعدد بتقسيم الوقت يزداد متوسط “​​SE” للشبكة مع كثافة “BS” خطياً، وعندما تصبح الشبكة كثيفة، حيث لا يوجد مستخدم للخدمة لبعض المحطات ولكن لا يزال يتم تنشيطها، ويزيد “SE” أولاً ببطء ثم يتناقص مع كثافة “BS” وبالتالي يمكن تحسين كثافة “BS”.

كما أنّه يجب معالجة التداخل بشكل مختلف في “UDN”، ونظراً لتقلبات الحمل المروري فإنّ إيقاف تشغيل “BS” في الخلايا ذات الحمل المنخفض، أو بدون حمل حركة المرور هو وسيلة أساسية لشبكات “UDN” في تحسين كفاءة الطاقة وكذلك تقليل التداخل، وفي الممارسة العملية تتقلب حركة مرور الشبكة على مدار أوقات ومواقع مختلفة بسبب سلوك المستخدم وتنقله، وهذا ينطبق بشكل خاص على “UDNs” ويدعو بشكل طبيعي إلى كمون “BS”.

وفي شبكة متفرقة لإعادة استخدام التردد العالمي مع كمون “BS”، حيث تكون كثافة “BS” أقل من كثافة المستخدم، لا يزال متوسط “SE” يزيد خطياً مع كثافة “BS”، كما هو الحال في الشبكة بدون كمون “BS” في “UDN” لإعادة استخدام التردد العالمي مع كمون “BS”، حيث تكون كثافة “BS” أكبر من كثافة المستخدم ويزيد “SE” لوغاريتمياً فقط مع كثافة “BS”.

يصبح استخدام الكم الهائل من الموارد الراديوية على النحو الأمثل في “UDN” معقداً بشكل متزايد، كما يمكن أن يؤدي سوء تخصيص موارد الراديو المتزايدة إلى حدوث تداخل أعلى، وتوزيعات غير متوازنة للأحمال واستهلاك أعلى للطاقة، وعلاوة على ذلك وبسبب التداخل قد يكون لتخصيص الموارد الراديوية المحلية تأثير عالمي على “UDN”، أي لا توجد “المنطقة” حقاً في “UDN” ويجب أن يتم تخصيص الموارد الراديوية بناءً على صورة أكبر لـ “UDN” من خلال مراعاة الاقتران الضيق عبر الشبكة.

قد يكون عرض النطاق الترددي الكافي عبر التوصيل السلكي من أجل التوصيل المباشر لكل محطة قاعدة في شبكة “UDN” غير عملي عملياً، حيث تم اقتراح إعادة الاتصال اللاسلكي الذاتي والتي تستهلك موارد لاسلكية قيمة وتولد تداخلاً إضافياً وتؤدي إلى زمن انتقال إضافي.

إعادة استخدام التردد العالمي في شبكة UDN

أصبحت إعادة استخدام التردد العالمي شائعة منذ عصر الجيل الثالث، وإنّها أيضاً ممارسة شائعة يتم النظر فيها في “UDN”، ويتأثر كل من “SE” و”EE” بالتداخل في مثل هذا السيناريو وكما تنسيق التداخل المعقد في “UDN” غير مرغوب فيه بسبب نطاق الشبكة ووصلة التوصيل الباهظة الثمن، ولإدارة التداخل مع مشاركة أقل للمعلومات بين المحطات القاعدة تم اقتراح أساسيات مختلفة لتجنب التداخل شبه الديناميكي مثل إعادة استخدام التردد الناعم.

وعندما تصبح الشبكة أكثر كثافة على سبيل المثال مع زيادة نسبة كثافة “BS” إلى كثافة المستخدم تعمل “BS” بشكل فعال على تقليل التداخل في الشبكة، ولزيادة تحسين متوسط ​​كفاءة الطاقة وكفاءة الطاقة لشبكة “UDN” مع كمون “BS”، تم التحقيق في إعادة استخدام التردد الجزئي أي مع عامل إعادة استخدام أكبر من 1.

عندما يُسمح بالكمون “BS” للخلايا بدون مستخدمين نشطين تم العثور على عامل إعادة استخدام التردد الذي يزيد من الحد الأعلى “SE” أو “EE” للشبكة، ومع نسبة معينة من كثافة “BS” إلى كثافة المستخدم ومكاسب “SE” و”EE” لإعادة استخدام التردد العالمي أكثر تم تحديد كمية إعادة استخدام التردد الجزئي في “UDNs”.

كما أنّ إعادة استخدام التردد العالمي هو “SE” الأمثل للشبكات ذات النسب التعسفية “BS” أو كثافة المستخدم ولكنّه يعتبر الأمثل لكفاءة الطاقة فقط عندما تتجاوز النسبة حداً، كما تعتمد هذه العتبة بشكل كبير على إجمالي عرض النطاق للشبكة وعدد الهوائيات في كل محطة قاعدة، وتزداد كل من مكاسب “SE” و”EE” المقيسة لإعادة استخدام التردد العالمي مع نسبة كثافة “BS” أو المستخدم وتقترب ببطء من ثابت يعتمد على عامل إعادة الاستخدام.

• “EE” هي اختصار لـ “End-to-End”.

التخصيص المتكامل للموارد وإدارة التداخل وتوجيه المرور في UDN

هناك تفاعلات معقدة بين تخصيص الموارد وإدارة التداخل وتوجيه حركة المرور في شبكة “UDN”، حيث أنّ الاعتبارات المشتركة لإعادة تشكيل التداخل، وتوجيه حمل حركة المرور على النحو المرغوب فيه تبرز تقنيات مثل أنماط إعادة استخدام الموارد المتغيرة والمرنة وتجميع أو موازنة الأحمال والارتباط المحسن بين “UE-BS”، واختيار الناقل و”BS on / off”، وفي شبه مقاييس زمنية ثابتة وعلى سبيل المثال مئات من المللي ثانية أو أكثر.

أظهر التخصيص الأمثل للموارد مع الأخذ في الاعتبار توزيع الحركة والتداخل ومتطلبات الأداء مثل الكمون الكلي تحسناً كبيراً في كفاءة استخدام موارد الشبكة، والتي بدورها تسبب تداخلاً أقل وتؤدي إلى زيادة “SE””، كما يتطلب التأثير غير المحلي للتداخل في “UDN” مشكلة تحسين على نطاق واسع ليتم حلها بكفاءة.

تم اتباع الخوارزميات القابلة للتطوير بما في ذلك تحويل البرمجة غير المحدبة إلى سلسلة من البرمجة المحدبة واتخاذ القرار الموزع مع التكرارات على مستوى الشبكة، وعلاوة على ذلك يمكن متابعة الحل الأمثل والفرعي لـ “UDN” عبر الحلول المثلى لمجموعات “BS” بتجاهل مصادر التداخل البعيدة والنظر في قيود حدود الكتلة، كما يمكن الحصول على مثل هذا الحل لمجموعة “UDN” تبلغ حوالي “100 BSs” و”1000 UEs” في غضون ثوانٍ على جهاز كمبيوتر عادي وهو قابل للتطبيق في شبكة عملية.