في وقت مبكر من عام 1958م، كانت هناك الهواتف التماثلية الأولى التي سمحت بالاتصالات المحمولة، ومع ذلك، كان الهاتف المحمول لا يزال يملأ صندوق السيارة وتم تصميم الجيل الرابع الحالي (4G) خصيصاً لتطبيقات البيانات المتنقلة، حيث تم التخطيط للجيل الخامس للاتصالات المتنقلة (5G) في حوالي عام 2020م، وبفضل المزيد من عرض النطاق الترددي ونطاقات التردد الجديدة ستزيد معدلات النقل مرة أخرى عدة مرات.
ما هي شبكة الجيل الخامس؟
شبكة الجيل الخامس: هي البنية التحتية التكنولوجية التي يمكنها زيادة سرعة شبكة البيانات الحالية لدعم العدد المتزايد من المستخدمين والخدمات التي يمكن الوصول إليها عن طريق شبكة الهاتف المحمول.
متطلبات 5G:
1. سرعة عالية وسعة عالية:
نظراً لاستخدام (LTE) على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم بالفعل حيث يتم تطوير (LTE-Advanced) في دول أو مناطق مختلفة مع مستوى معين من الطلبات على السرعات العالية والاتصالات عالية السعة الناتجة عن تزايد حركة الاتصالات كنتيجة لزيادة عدد الهواتف الذكية ذات التطبيقات الغنية سيكون راضياً في الوقت الحاضر.
ومع ذلك، سيكون من الحتمي تحقيق مزيد من التقدم في نظام الاتصالات حيث يجب أن يؤخذ في الاعتبار الاختراق الكبير للأجهزة القابلة للارتداء ومحتويات الفيديو المحمية التي توفرها أنظمة الفيديو (4K أو 8K) حيث لن يكون مهماً جداً فقط لحالات الترفيه أو الإعلان، ولكن لحالات الاستخدام مثل الأمان والرعاية الصحية والتعليم.
أمّا بالنسبة لحالات الاستخدام فمن المتوقع أن تكون حركة الاتصالات أعلى بآلاف المرات في عشرينيات القرن الحادي والعشرين ممّا كانت عليه في 2010م ويجب أن توسع أنظمة (5G) من قدرتها لدعم هذا الطلب، وبالإضافة إلى ذلك ستكون هناك حاجة إلى نقل فائق السرعة يصل إلى (10 جيجابت في الثانية) للسماح للمستخدمين بالوصول إلى محتويات فائقة السعة.
2. أجهزة متصلة ضخمة:
كانت الاتصالات بين الأشخاص والأشياء المستهدفة للاستفادة من محتويات الخدمة المتنوعة على الخوادم من السيناريوهات الرئيسية التي تدعمها أنظمة الاتصال حيث تم تمثيله من خلال اتصالات إنترنت الأشياء (IoT) أو اتصالات آلة إلى آلة (M2M)، وسيبدأ عدد هائل من الكائنات في التواصل مع بعضها البعض عاجلاً أم آجلاً.
يتزايد عدد وحدات الاتصال التي تنشئ اتصالات بين عدادات الغاز والكهرباء تدريجياً، بالتوازي مع ذلك يتم تطوير الطلبات على أجهزة الاستشعار المتوقع استخدامها في الزراعة أو صناعات الثروة الحيوانية أو صناعة البناء، وسيتقدم اختراق إضافي لهذه المستشعرات وسيتم ربط مجموعة متنوعة من الأشياء من خلال مجموعة متنوعة من وحدات الاتصال، والتي ستوفر فائدة أفضل للمستخدم وأماناً أعلى بتكلفة منخفضة.
بالنسبة لحالات الاستخدام في أنظمة النقل مثل السيارات أو القطارات، فإنّ التوقعات بتدوير أنظمة الاتصالات المتنقلة تبدو عالية جداً، ومن بين حالات الاستخدام يبدو وجود اهتماماً كبيراً بشكل خاص بدعم قيادة السيارة بما في ذلك القيادة الذاتية أو الترفيه داخل السيارة أو ضمان السلامة.
ومن المتوقع أن يتم استخدام مرافق التحكم عن بعد أو أجهزة تأمين المنازل أو الأجهزة الكهربائية أو المعدات في المكاتب على نطاق واسع حيث ستتوفر مجموعة متنوعة من الأجهزة القابلة للارتداء وستساعد في توفير أنواع مختلفة من الدعم للأنشطة البشرية، وفي الوقت الحالي ستكون النظارات القابلة للارتداء واحدة من الأمثلة النموذجية وستصبح خدمات الاتصال عن طريق اللمس حقيقة واقعة في المستقبل القريب حيث يتم النظر في المستشعرات المضمنة في الملابس لأغراض الرعاية الصحية.
مع الأخذ بعين الاعتبار حالات الاستخدام المختلفة حيث يجب أن تدعم أنظمة التبديل في 2020م عدداً هائلاً من الأجهزة التي يمكن أن يكون عددها أكثر من (100) مقارنةً بالأجهزة الموجودة في الأنظمة الحالية.
3. زمن انتقال منخفض للغاية وموثوقية فائقة:
لقد حققت (LTE أو LTE Advanced) وقت استجابة قصير للإرسال في حدود (10 مللي ثانية) حيث يوجد هناك حاجة إلى مزيد من التخفيض الشديد في زمن الانتقال لبعض حالات الاستخدام كالاتصالات اللمسية، وفي بعض حالات الاستخدام ستكون هناك حاجة إلى كل من زمن الوصول المنخفض والاتصالات الموثوقة العالية حيث سيتم العثور على حالات الاستخدام في حالة الاتصال بين البطاقات لتجنب الحوادث أو التحكم عن بعد في الروبوتات.
كما ستكون هناك حاجة إلى زمن انتقال من طرف إلى طرف يصل إلى بضعة أجزاء من الألف من الثانية أو أقل من واحد من الألف من الثانية لجزء الوصول اللاسلكي، أمّا بالنسبة لموثوقية الاتصال فيمكن أن يكون الهدف هو معدل نجاح (99.999%) حيث أنّ نشر شبكات الاتصال التي توفر وقت استجابة منخفض للغاية وقابلية ارتباط عالية جداً لكل حالة استخدام سيكون ممكناً تقنياً ولكنّه لن يكون واقعياً بسبب التكلفة المطلوبة، كما يوصى بإجراء دراسة متأنية لاختيار حالات الاستخدام المناسبة لهذه المتطلبات المعقدة.
4. توفير الطاقة والتكلفة:
يُعد توفير الطاقة أولوية قصوى في كل صناعة أو مجتمع في السنوات الأخيرة وصناعة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات ليست استثناء حيث تزداد حصة استهلاك صناعة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات من الطاقة في الصناعة بأكملها مع زيادة نموها ولا يمكن اعتبارها هامشية، كما سيؤدي توفير الطاقة إلى توفير التكاليف.
كان توفير التكلفة من المتطلبات الأساسية وتم تحديده كهدف نوعي في كل جيل سابق من أنظمة الاتصالات المحمولة، وسيكون مهماً لشبكة الجيل الخامس وبالنظر إلى التناقض بين الزيادة الملحوظة المستمرة لحركة الاتصالات وإيرادات الأعمال المشبعة لشركات الاتصالات السلكية واللاسلكية، يُنظر إلى توفير التكاليف الإضافية على أنّه العامل الأساسي لنشر (5G).
تقنية راديو 5G:
1. الاستفادة من نطاقات التردد العالي:
سيكون من الصعب تحقيق متطلبات للسرعة العالية والقدرة العالية إذا اعتمد فقط على تعزيز تكنولوجيا الوصول إلى الراديو الحالية، ومن الضروري تطبيق نشر الخلايا الصغيرة بشكل أكبر واستخدام طيف تردد أوسع حيث ستكون نطاقات التردد التي تصل إلى عدة مئات من ميغا هرتز أو أكثر ضرورية إذا تم تحقيق سرعات إرسال تبلغ (10 جيجابت في الثانية).
وإنّ العثور على طيف جديد إضافي ببضع مئات مبجا هيرتز أو أكثر لـ (5G) في النطاقات من عدة (مئات من ميجا هيرتز إلى 3 جيجا هيرتز) ويكاد يكون مستحيلاً لأنّ النطاق يستخدم على نطاق واسع من قبل أنظمة أو خدمات الراديو الحالية، بما في ذلك أنظمة الاتصالات المتنقلة في كل مكان في العالم.
ونتيجة لذلك، فإنّ توقع استخدام نطاقات طيف أعلى في المليمتر الصغير أو المليمتر مع اختراق تقني لاستخدام الطيف يصبح مرتفعاً حيث يتم إجراء عدد من الأبحاث باستخدام طيف تردد يصل إلى (100 جيجاهرتز) كنطاقات مرشحة محتملة للجيل الخامس.
إنّ استخدام نطاقات التردد الأعلى للاتصالات المتنقلة يمثل تحدياً كبيراً بسبب خصائص انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في نطاقات التردد هذه، وهي خسارة انتشار كبيرة نسبياً في الهواء وبالتالي تقليل أحجام الخلايا المتنقلة لأنظمة الاتصالات بسبب خصائصها المتقدمة المستقيمة مع تأثير التظليل الناتج الناجم عن المباني أو الغطاء النباتي أو حتى الأجسام البشرية، لذلك يجب أن تكون هناك عوامل فنية جديدة للتغلب على هذه العيوب، وإحدى التقنيات المتوقعة التي توليها الصناعة أكبر قدر من الاهتمام وهي استخدام تقنية هوائي العنصر الضخم للإرسال اللاسلكي.
من أجل تطوير التقنيات التي تستخدم نطاقات الطيف الأعلى لـ (5G) فمن الضروري فهم بيئة الإرسال المتنقلة في الترددات الأعلى، وستكون نماذج الانتشار المطبقة في أدوات المحاكاة لتقييم أداء النظام هي المفتاح، أمّا في الوقت الحالي يتم العمل على البحث لتطوير أدوات القياس والمحللات ونماذج الانتشار ذات الصلة.
2. تقنيات الهوائي ذات العناصر الضخمة:
ستعمل تقنية هوائي العنصر الضخم على تمكين ما يسمى بتقنية تشكيل الحزمة، والتي تجمع بين موجات الراديو وتشكل حزمة واحدة حادة حيث تكون الحزمة قادرة على تعويض خسارة الانتشار في الترددات العالية وضمان منطقة إرسال تبلغ عدة مئات من الأمتار نصف قطرها.
تم تطبيق نوعين من تقنيات الهوائيات المتعددة في (LTE وLTE-Advanced) والتي يمكن أن تكون أساساً لتقنية هوائي العنصر الضخم في (5G) حيث تستخدم هذه التقنيات مسارات انتشار متعددة متاحة في وصلة اتصالات راديوية بين محطة متنقلة ومحطة قاعدة، أحدهما هو (MIMO) أحادي المستعمل (SU-MIMO) الذي يشكل حزم هوائي جماعية تستهدف اتجاهات مختلفة وتحقق إرسال بيانات عالي السرعة عبر تعدد إرسال البيانات عبر مسيرات الانتشار الجمع.
أمّا الآخر هو (MIMO) متعدد المستخدمين والذي يجعل مخطط تعدد إرسال الفضاء في (SU-MIMO) كمجموعة من روابط الاتصال المخصصة لكل من محطات الهاتف المحمول المتعددة ويحسن سعة النظام (نحو 5G) كما يتم التخطيط للاستخدام المكثف لعدد هائل من الهوائيات ممّا يسمح بزيادة القدرة على تعدد الإرسال ويهدف إلى زيادة معدل البيانات مع قدرة النظام المحسنة، ما يسمى (Massive-MIMO).
تم تطبيق تشكيل الحزمة الأفقية في الأنظمة الحالية، ولكن أنشطة التقييس (3GPP) تعمل لكل من مخططات تشكيل الحزمة الأفقية والرأسية و(Massive – MIMO) حيث أن تكنولوجيا تشكيل حزمة الهوائي التالية لـ (5G) سيكون لها نفس المخطط.
يستخدم الجيل الخامس موجات المليمتر أو الموجات دون المليمترية، وسيكون لتطبيق تقنيات الهوائيات المتعددة في طيف التردد العالي هذا ميزة نظراً لأنّ الأحجام المادية لعناصر الهوائي وكذلك امتدادات العناصر تتناسب مع طول موجة الإشارات الراديوية، وهو تناسبي عكسي إلى التردد وهذا من شأنه أن يؤدي إلى أجهزة هوائي مدمجة في نطاقات التردد الأعلى.
تعمل شبكة (5G) باستخدم ترددات لاسلكية أعلى وأقل ازدحاماً، وهذا يسمح لها بحمل المزيد من المعلومات بمعدل أسرع بكثير حيث تسمى هذه النطاقات الأعلى موجات المليمتر أي الموجات المليمترية حيث لم تكن مستخدمة من قبل.
بينما تكون النطاقات الأعلى أسرع في نقل المعلومات، يمكن أن تكون هناك مشاكل في الإرسال عبر مسافات كبيرة حيث يتم حظرها بسهولة بواسطة أشياء مادية مثل الأشجار والمباني، ومن أجل التحايل على هذا التحدي ستستخدم (5G) هوائيات إدخال وإخراج متعددة لتعزيز الإشارات والسعة عبر الشبكة اللاسلكية، كما ستستخدم التكنولوجيا أجهزة إرسال أصغر توضع على المباني والشوارع، وتشير التقديرات الحالية إلى أنّ شبكة (5G) ستكون قادرة على دعم ما يصل إلى (1000 جهاز إضافي لكل متر) من (4G).
ستكون تقنية (5G) قادرة على تقسيم الشبكة المادية إلى شبكات افتراضية متعددة، و هذا يعني أنّ المشغلين سيكونون قادرين على تقديم الشريحة الصحيحة من الشبكة اعتماداً على كيفية استخدامها، وبالتالي إدارة شبكاتهم بشكل أفضل أي أنّ المشغل سيكون قادراً على استخدام سعات شرائح مختلفة حسب الأهمية، كما يمكن لمستخدم واحد يقوم ببث مقطع فيديو أن يستخدم شريحة مختلفة للعمل التجاري، بينما يمكن فصل الأجهزة الأبسط عن التطبيقات الأكثر تعقيداً مثل التحكم في المركبات المستقلة.
ما هي ميزة شبكة 5G على شبكة 4G؟
الميزة الأكثر وضوحاً لشبكات (5G) عبر (4G) هي سرعة الشبكة، ومع ذلك هناك مزايا تتعلق بتقليل زمن الوصول ممّا يعني أوقات استجابة أسرع بالإضافة إلى سرعات تنزيل عالية، وهذا يفتح ثروة من التطبيقات المحتملة في جميع أنحاء الصناعة بسبب تحسين الكفاءة التشغيلية.
من بين تطبيقات (5G) النطاق العريض فائق السرعة دون الحاجة إلى خطوط أرضية واتصالات الهاتف المحمول (5G) وإنشاء مصانع ذكية وتقنيات ثلاثية الأبعاد وأجهزة التلفاز والرعاية الصحية عن بُعد، وسيارات بدون سائق مزودة باتصال (5G) بالإضافة إلى الاتصالات من سيارة إلى سيارة حيث توفر العديد من هذه التطورات التكنولوجية من خلال تقليل زمن الوصول، ممّا يسمح لأجهزة (5G) بالاستجابة للأوامر بشكل أسرع.
سيكون هناك وصول إلى طيف أكبر بترددات أعلى، ممّا يعني أنّ الشبكات ستكون قادرة على التعامل مع المزيد من التطبيقات عالية الطلب في وقت واحد، وهذا يعني أنّه يمكن أن يوفر تجربة شبيهة بالألياف للتطبيقات اللاسلكية الثابتة، ممّا يسمح لأولئك الموجودين في المناطق التي يصعب الوصول إليها بالاستمتاع بخدمة النطاق العريض المحسنة بشكل كبير.
هناك عوامل يجب أخذها في الاعتبار، مثل المسافة بين الشخص وبين محطة أساسية وعدد الأشخاص الآخرين المتصلين بالشبكة في نفس الوقت، ولكن لا يزال من المتوقع أن يكون معدل بيانات التنزيل لدى المستخدم (100 ميجابت في الثانية) كحد أدنى وهو ما يزال أسرع بكثير من (4G).
