إنّ الجيل الخامس (5G) أكثر موثوقية بتكلفة منخفضة للغاية ويوفر سعة أكبر (10 مرات) من الأجيال الأخرى وتُعد السرعة العالية والكمون القليل والسعة الكبيرة، هي الخصائص الرئيسية لشبكة الجيل الخامس لدعم مختلف الوسائط المتعددة في الوقت الفعلي.
كيفية تمكين تقنية شبكة 5G
من الضروري تطوير تقنيات تمكين (5G)، حيث تشمل تقنيات التمكين الرئيسية المستخدمة في شبكات (5G):
- الاتصال من جهاز إلى جهاز (D2D).
- الاتصال من آلة إلى آلة (M2M).
- موجة المليمتر
- جودة الخدمة (QoS)
- المحاكاة الافتراضية لوظيفة الشبكة (NFV).
- اتصال مزدوج كامل وصديق للبيئة.
ملاحظة:يسمح (5G) بنقل البيانات بسرعة (10 جيجابت في الثانية) – (20 جيجابت في الثانية) وهو أكبر (100 مرة) من تقنية (4G) التي تخلق تطبيقات جراحة روبوتية جديدة لإنترنت الأشياء.
ملاحظة:“D2D” هي اختصار لـ “Device-to-Device” و”QoS” هي اختصار لـ “Quality of Service”.
ملاحظة:“M2M” هي اختصار لـ “Machine-to-machine” و”NFV” هي اختصار لـ “Network functions virtualization”.
أساسيات تمكين تقنية شبكة 5G
إنّ تقنية (5G) ستجعل إنترنت الأشياء والواقع المعزز والواقع الافتراضي والسيارات المتصلة والعديد من تقنيات الجيل التالي الأخرى غير المتوقعة أمرًا شائعًا، وتعمل شبكات لاسلكية فائقة الكثافة مع خلايا متعددة المستويات بما في ذلك الخلايا الصغيرة الكثيفة التي تدعم نطاقات تردد متعددة (تردد الموجات الميكروية والملليمترية).
وكذلك تقنيات الوصول إلى الراديو المتعددة (RATs متعددة) لتعزيز قدرة الشبكة وكفاءة الطاقة من خلال الاتصالات قصيرة المدى، والحمل الديناميكي تلعب الموازنة دورًا مهمًا في شبكات الجيل الخامس المستقبلية ولتحسين كفاءة التكلفة والمرونة بشكل كبير في إدارة حركة المرور والشبكات، من المتوقع أن يؤدي تمكين تقنيات (5G) القائمة على الحوسبة السحابية والشبكات المعرفة بالبرمجيات (SDN).
والمحاكاة الافتراضية للشبكة تُعد الطريقة التي يتم بها تصميم وإدارة شبكة (5G) اللاسلكية، وعلى وجه الخصوص تهدف شبكات الوصول إلى الراديو السحابي (C-RAN)، إلى تحقيق العديد من خوارزميات الشبكة ووظائف الشبكة في طبقات مختلفة من مكدس بروتوكول الشبكة في السحابة.
يسمح ذلك باستغلال كسب الإرسال المتعدد بسبب المعالجة المركزية في السحابة، وعلاوةً على ذلك توفر شبكة (SDN) والافتراضية آليات وأدوات لاستخدام موارد الشبكة بكفاءة مع إدارة أفضل لحركة المرور، ممّا يؤدي إلى تحسينات في النفقات الرأسمالية (CAPEX) وتكاليف التشغيل (OPEX)، كما تلعب كل هذه التقنيات دورًا حيويًا في ضمان النشر الناجح لأنظمة (5G) اللاسلكية، ممّا يؤدي إلى فوائد كبيرة في اتصالات الهاتف المحمول بالإضافة إلى العديد من قطاعات التطبيقات الأخرى.
ملاحظة:“LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution” و”CAPEX” هي اختصار لـ “Capital expenditures”.
ملاحظة: “OPEX” هي اختصار لـ “operational expenditure” و”C-RAN” هي اختصار لـ “cloud radio access network”.
ملاحظة: “SDN” هي اختصار لـ “Software-Defined Networking” و”RAT” هي اختصار لـ “Radio access technology”.
الهدف من تمكين تقنية شبكة 5G
تقدم تقنية (5G) العديد من القضايا البحثية المثيرة والتي تستحق المزيد من البحث في السنوات القادمة، وعلاوةً على ذلك يجب تطوير حلول مبتكرة للجمع بين نقاط قوتها بكفاءة في بنية شبكة مناسبة، حيث يمكن لتقنيات (MIMO) الضخمة أن تلعب دورًا مهمًا في دعم استغلال طيف الموجات (mmWave) في الشبكات اللاسلكية الكثيفة في المستقبل؛ لأنها توفر مكاسب كافية للهوائي لتعويض التوهين العالي للإشارة في هذه الترددات.
علاوةً على ذلك يجب البحث عن حلول جديدة للاستفادة بشكل فعال من (C-RAN) المركزي لنشر الشبكة الكثيفة، ويمكن لتقنيات المحاكاة الافتراضية أن تمكن من استغلال موارد الحوسبة السحابية في (C-RAN) وتشكيل الطرق التي يتم بها هندسة كل من الوصول اللاسلكي، والشبكات الأساسية في شبكة (5G) اللاسلكية المتنقلة.
ملاحظة:“MIMO” هي اختصار لـ “multiple-input and multiple-output”.
1- التصميم الموجي لأنظمة 5G اللاسلكية
من المعروف أنّ شكل الموجة (OFDM) المعتمد حاليًا في معيار التطور طويل المدى (LTE) له العديد من القيود في دعم متطلبات (5G)، وعلى وجه التحديد من المتوقع أن يكون لحركة (5G) خصائص ومتطلبات متنوعة للغاية في عمود البيانات ومعدل الاتصالات والتأخير والموثوقية.
كما تحتاج التطبيقات مثل: دفق الفيديو والواقع المعزز معدلات اتصال عالية جدًا للاتصالات في الوقت الفعلي وإنّ العديد من تطبيقات (M2M) الناشئة، مثل تلك الخاصة بالشبكات الذكية لديها حركة مرور متقطعة ومتفجرة مع كمية صغيرة من البيانات ليتم تسليمها في كل عملية إرسال، وتتطلب التطبيقات اللاسلكية الأخرى مثل: اتصالات المركبات والتحكم في الروبوتات تأخيرًا موثوقًا للغاية ومنخفضًا للغاية.
ومن المتوقع أن يكون عدد الاتصالات اللاسلكية التي تدعم تطبيقات (M2M) وتطبيقات إنترنت الأشياء المستقبلية أكبر بكثير من ذلك، بسبب الاتصالات من النوع البشري في الغالب في الشبكات اللاسلكية اليوم ويمتلك شكل موجة (OFDM) العديد من الميزات المرغوبة، بما في ذلك التنفيذ منخفض التعقيد باستخدام تحويل فورييه السريع (FFT) وفترات (FFT) العكسية، والمعادلة البسيطة والمرونة في دعم التعديل التكيفي لكل موجة حاملة فرعية واتصالات (MIMO).
ومع ذلك فإنّ التزامن الصارم الذي يتضمن إرسال إشارات علوية كبيرة مطلوب للحفاظ على تعامد الاتصالات وجودة اتصال مرضية، وعلاوة على ذلك تتطلب إشارات (OFDM) بادئة دورية (CP) ونطاقات حماية فارغة عند حواف الطيف، ممّا يقلل من الكفاءة الطيفية.
كما يُعد تطوير أشكال موجية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة والطيف مقارنةً بأحدث التقنيات ذات أهمية كبيرة لدعم النمو المتسارع لحركة مرور الهاتف المحمول، وتقليل تكلفة التشغيل في النظام اللاسلكي المستقبلي ويوفر هيكل الإطار الحالي، وتنفيذ البروتوكولات المختلفة مثل الجدولة وإعادة الإرسال في أنظمة (4G LTE) زمن انتقال يصل إلى (10 مللي ثانية)، وهو ما يتجاوز بكثير متطلبات تأخير (5G) الصارمة البالغة (1 مللي ثانية).
ملاحظة: “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiplexing” و”FFT” هي اختصار لـ “Fast Fourier transform”.
2- شبكات لاسلكية فائقة الكثافة تعتمد اتصالات الموجات الدقيقة
النشر فائق الكثافة للخلايا الصغيرة والمرحلات وأنظمة الهوائيات الموزعة التي تعمل على نطاقات تردد مختلفة كميكروويف وموجات مم استنادًا إلى عدة (RATs)، في بنية شبكة غير متجانسة متعددة المستويات (HetNet) توفر طريقة أساسية لتلبية الطلب على السعة شبكات (5G) اللاسلكية المستقبلية، كما يتم تمكّن بنية الشبكة غير المتجانسة هذه أيضًا من التفريغ الفعال لحركة المرور بين طبقات الشبكة المختلفة و(RATs) لدعم حركة المرور المتنامية بشكل أفضل مع تحسين جودة الخدمة ومعدلات الاتصال وكفاءة الطاقة.
كان (HetNets) متعدد المستويات، حيث الاتصالات بين طبقات الشبكات المختلفة كطبقات الخلايا الكبيرة والصغيرة تشترك في نفس طيف الميكروويف، وكان أحد أكثر موضوعات البحث نشاطًا على مدار السنوات الماضية، وأحد الموضوعات البحثية المهمة جدًا في هذا الاتجاه هو إدارة التداخل والتي يمكن إجراؤها باستخدام أساليب التحكم في الوقت والتردد والمكانية والقدرة.
في النهاية، تُعد (Massive MIMO) إحدى التقنيات التمكينية الرئيسية لشبكات الجيل التالي، حيث حفز النقص في النطاق الترددي العالمي في قطاع الاتصالات اللاسلكية تكنولوجيا الوصول اللاسلكي (MIMO).
