تقنية الاتصالات المتنقلة 4G LTE Advanced

تم إطلاق خدمات (LTE) الأساسية طويلة المدى الخلوية المتطورة في حوالي عام 2010م، واستغرق (LTE Advanced) بضع سنوات أخرى لتطويره بالكامل ونشره عبر الشبكات ولكن عند تقديمه، ومكّن العديد من ميزاته المتقدمة من توفير تحسينات كبيرة على (LTE) الأساسي، كما تضم (LTE Advanced) عدداً من التقنيات الجديدة التي مكنت النظام من توفير معدلات بيانات أعلى بكثير وأداءً أفضل بكثير، لا سيما في أطراف الخلايا والمجالات الأخرى التي لم يكن الأداء فيها جيداً في العادة.

تاريخ التطور المتقدم LTE:

مع إنشاء تقنية الجيل الثالث، كان معدل تطوير التكنولوجيا الخلوية لا ينبغي أن يتباطأ، ونتيجةً لذلك بدأ التحقيق في الأفكار الأولية لتطوير نظام (4G) جديد، وأحد التحقيقات المبكرة التي تم إجراؤها في عام 2006م، قدمت (NTT DoCoMo) معلومات مفصلة حول التجارب التي تمكنوا من إرسال البيانات بسرعات تصل إلى حوالي (5 جيجابت / ثانية) في الوصلة الهابطة داخل نطاق عرض النطاق الترددي (100 ميجاهرتز) إلى محطة متنقلة تتحرك بسرعة (10 كم / ساعة).

استخدم المخطط العديد من التقنيات لتحقيق ذلك، بما في ذلك تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد ومخرجات متعددة المدخلات (MIMO) واكتشاف أقصى احتمال، حيث تم تمرير تفاصيل تجارب (4G) الجديدة هذه إلى (3GPP) للنظر فيها.

في عام 2008م، عقدت (3GPP) ندوة عمل حول الاتصالات المتنقلة الدولية المتقدمة، حيث تم جمع متطلبات التقدم الإضافي لنظام (E-UTRA) ثم نُشر التقرير الفني الناتج في 2008م، وتم تقديمه إلى قطاع الاتصالات الراديوية مع تحديد نظام (LTE – Advanced) باعتباره اقتراحهم للاتصالات المتنقلة الدولية المتقدمة.

الميزات الرئيسية المتقدمة لشبكة LTE:

• معدلات بيانات الذروة (Peak data rates): الوصلة الهابطة (1 جيجابت في الثانية)، أمّا الوصلة الصاعدة (500 ميجابت في الثانية).

• كفاءة الطيف (Spectrum efficiency): أكبر بثلاث مرات من (LTE).

• كفاءة ذروة الطيف (Peak spectrum efficiency): الوصلة الهابطة (30 بت في الثانية / هرتز)، أمّا الوصلة الصاعدة (15 بت / هرتز).

• استخدام الطيف (Spectrum use): القدرة على دعم استخدام النطاق الترددي القابل للتوسع وتجميع الطيف، حيث يلزم استخدام الطيف غير المتجاور.

• وقت الاستجابة (Latency): من الخمول إلى متصل في أقل من (50 مللي ثانية) ثم أقصر من (5 مللي ثانية) في اتجاه واحد لنقل الحزمة الفردية.

• يبلغ معدل نقل مستخدم حافة الخلية ضعف سرعة (LTE).

• يبلغ متوسط ​​إنتاجية المستخدم 3 أضعاف سرعة (LTE).

• التنقل (Mobility): تماماً مثل (LTE).

• التوافق (Compatibility): يجب أن تكون (LTE Advanced) قادرة على العمل البيني مع أنظمة (LTE و3GPP) القديمة.

تقنيات LTE Advanced:

تتوفر العديد من التقنيات الرئيسية التي ستمكن (LTE Advanced) من تحقيق معدلات نقل البيانات العالية المطلوبة، حيث أنّ (MIMO وOFDM) نوعان من التقنيات الأساسية التي ستكون عوامل تمكين، كما يوجد عدد من التقنيات الأخرى التي سيتم استخدامها.

1. تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد – OFDM:

يشكل (OFDM) أساس حامل الراديو، وإلى جانب ذلك هناك الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA) جنباً إلى جنب مع الوصول المتعدد لقسم التردد المتعامد أحادي القناة (SC-FDMA)، كما يتم استخدام هذه في تنسيق مختلط، كما إنّ الأساس لجميع مخططات الوصول هذه هو (OFDM).

2. متعددة المدخلات والمخرجات المتعددة – MIMO:

أحد عوامل التمكين الرئيسية الأخرى لـ (LTE Advanced) الشائعة في (LTE) هي (MIMO)، حيث يستخدم هذا النظام في العديد من التقنيات الأخرى بما في ذلك (WiMAX وWi-Fi – 802.11n)، كما تُمكِّن المخرجات المتعددة ذات المدخلات المتعددة (MIMO) من زيادة معدلات البيانات المحققة بما يتجاوز ما يسمح به حامل الراديو الأساسي عادةً.

بالنسبة لـ (LTE Advanced)، من الممكن أن يحتوي (MIMO) على تقنيات أكثر تقدماً بما في ذلك استخدام هوائيات إضافية في المصفوفة وذلك لاستخدام مسارات إضافية، وعلى الرغم من زيادة عدد الهوائيات يزداد الحمل الزائد والعائد لكل طريق النقل، بالإضافة إلى زيادة أعداد الهوائيات من المحتمل أن تُستخدم تقنيات مثل تشكيل الحزمة؛ لتمكين تغطية الهوائي من التركيز عند الحاجة.

3. تجميع الموجات الحاملة – Carrier Aggregation:

نظراً لأنّ العديد من المشغلين ليس لديهم طيف متجاور كافٍ لتوفير عرض النطاق المطلوب لمعدلات البيانات العالية جداً، فقد تم تطوير مخطط يعرف باسم تجميع الموجة الحاملة، وباستخدام هذه التقنية يمكن للمشغلين استخدام قنوات متعددة إمّا في نفس النطاقات أو في مناطق مختلفة من الطيف لتوفير عرض النطاق الترددي المطلوب.

4. النقاط المتعددة المنسقة – Coordinated Multipoint :

إحدى المشكلات الرئيسية في العديد من الأنظمة الخلوية هي ضعف الأداء عند حواف الخلية، حيث يؤدي التداخل من الخلايا المجاورة إلى جانب ضعف جودة الإشارة إلى انخفاض معدلات البيانات، أمّا بالنسبة لـ (LTE – Advanced)، تم تقديم مخطط يعرف بالنقاط المتعددة المنسقة.

5. ترحيل LTE:

ترحيل (LTE): هو عبارة عن مخطط يتيح إعادة توجيه الإشارات بواسطة محطات بعيدة من محطة أساسية رئيسية؛ لتحسين التغطية.

6. جهاز إلى جهاز – LTE D2D:

جهاز (LTE D2D): هو مرفق تم طلبه من قبل عدد من المستخدمين ولا سيما خدمات الطوارئ، حيث يتيح الوصول السريع عبر الاتصال المباشر، وهو مرفق ضروري لخدمات الطوارئ عندما يكونون في مكان الحادث.

أساسيات تجميع ناقل LTE:

الأرقام المستهدفة لنقل البيانات في الوصلة الهابطة هي (1 جيجابت في الثانية) لشبكة (4G LTE) المطورة، وحتى مع التحسينات في الكفاءة الطيفية لا يمكن توفير معدلات نقل البيانات الرئيسية المطلوبة ضمن قناة (20 ميجا هيرتز) كحد أقصى، أمّا الطريقة الوحيدة لتحقيق معدلات بيانات أعلى هي زيادة عرض النطاق الترددي العام المستخدم.

تحدد (IMT Advanced) الحد الأعلى لعرض النطاق الترددي عند (100 ميجا هيرتز)، ولكن مع توقع استخدام (40 ميجا هيرتز) لأدنى أداء، أمّا بالنسبة للمستقبل فمن الممكن تمديد الحد الأقصى البالغ (100 ميجا هرتز)، وبالنسبة إلى محطة (LTE) يظهر كل ناقل مكون كحامل (LTE) بينما يمكن لمحطة (LTE – Advanced) أن تستغل إجمالي النطاق الترددي المجمع.

إنّ الطيف هو سلعة ثمينة، ويستغرق الأمر وقتاً لإعادة تخصيصه من استخدام إلى آخر في العرض، أمّا تكلفة إجبار المستخدمين على الانتقال ضخمة، حيث يلزم شراء معدات جديدة وعندما تصبح أقسام الطيف غير صالحة للاستعمال، يمكن إعادة تخصيصها ممّا يؤدي إلى مستويات كبيرة من التجزئة.

ما هي جوانب التردد الراديوي لتجميع الموجات الحاملة؟

1. داخل النطاق – Intra band:

يستخدم هذا الشكل من أشكال تجميع الموجات الحاملة نطاقاً واحداً، حيث يوجد تنسيقان رئيسيان لهذا النوع من تجميع شركات الاتصالات:

1. متجاورة – Contiguous:

يُعد تجميع الموجات الحاملة المتجاورة داخل النطاق أسهل شكل من أشكال تجميع الموجات الحاملة (LTE) يتم تنفيذه، حيث تكون الناقلات قريبة من بعضها البعض ويمكن اعتبار القناة المجمعة من قبل المحطة كقناة واحدة مكبرة من وجهة نظر التردد اللاسلكي، حيث لا يلزم سوى جهاز إرسال واستقبال واحد داخل المطراف أو تجهيزات المستعمل، بينما يلزم المزيد عندما لا تكون القنوات متجاورة.

مع زيادة عرض النطاق الترددي (RF)، من الضروري التأكد من أنّ تجهيزات المستعمل على وجه الخصوص قادرة على العمل على مثل هذا النطاق الترددي العريض دون انخفاض في الأداء، على الرغم من أنّ متطلبات الأداء هي نفسها بالنسبة للمحطة الأساسية، إلّا أنّ المساحة واستهلاك الطاقة ومتطلبات التكلفة أقل صرامة إلى حد كبير، ممّا يتيح مرونة أكبر في التصميم.

أمّا بالنسبة للمحطة الأساسية، فإنّ التشغيل متعدد الموجات الحاملة حتى لو لم يكن مجمعاً يعد بالفعل مطلباً في كثير من الحالات، حيث يتطلب تغييراً طفيفاً أو لا يتطلب تغييراً على عناصر التردد اللاسلكي في التصميم، ومن الطبيعي أن تكون هناك حاجة إلى ترقيات البرامج لتلبية القدرة الإضافية.

2. غير متجاورة – Non-contiguous:

يُعتبر تجميع الموجات الحاملة داخل النطاق غير المتجاورة أكثر تعقيداً إلى حد ما من الحالة التي تستخدم فيها الموجات الحاملة المجاورة، ولم يعد بالإمكان التعامل مع الإشارة متعددة الموجات الحاملة كإشارة واحدة وبالتالي يلزم وجود جهازي إرسال واستقبال ممّا يضيف تعقيداً كبيراً، لا سيما إلى تجهيزات المستعمل، حيث تمثل المساحة والطاقة والتكلفة اعتبارات رئيسية.

2. غير متجاورة بين النطاقات – Inter-band non-contiguous:

يستخدم هذا الشكل من أشكال تجميع الموجات الحاملة نطاقات مختلفة، كما يكون ذا فائدة خاصةً بسبب تجزئة النطاقات وبعضها بعرض (10 ميجاهرتز) فقط، أمّا بالنسبة إلى (UE) يتطلب الأمر استخدام أجهزة إرسال واستقبال متعددة داخل عنصر واحد مع التأثير المعتاد على التكلفة والأداء والطاقة، وبالإضافة إلى ذلك هناك تعقيدات إضافية ناتجة عن متطلبات تقليل التشكيل البيني والتشكيل المتبادل من جهازي الإرسال والاستقبال.

تسمح المعايير الحالية بتجميع ما يصل إلى خمس موجات حاملة (20 ميجا هيرتز)، على الرغم من أنّه من المحتمل عملياً أن يكون اثنان أو ثلاثة هو الحد العملي، كما يمكن إرسال هذه الموجات الحاملة المجمعة بالتوازي مع أو من نفس المطراف، وبالتالي يمكن الحصول على إنتاجية أعلى بكثير.

فئات شبكات LTE المجمعة:

• ناقل المكون الأساسي (Primary component carrier): هو الناقل الرئيسي في أي مجموعة، حيث يكون هناك ناقل أساسي للوصلة الهابطة وناقل مكون أساسي للوصلة الصاعدة.

• ناقل المكون الثانوي (Secondary component carrier): قد يكون هناك حامل مكون ثانوي واحد أو أكثر.