تقنية الشبكة غير الأرضية في الاتصالات NTN

توفر الشبكات غير الأرضية (NTN) توصيلية اتصالات من الفضاء والستراتوسفير، وتعمل التطورات الجديدة في معايير 5G فرصًا لدمج الشبكات غير الأرضية (NTN) في تجربة لاسلكية قياسية قابلة للتشغيل البيني في جميع أنحاء العالم.

أساسيات تقنية الشبكة غير الأرضية NTN

يمكن أن تشمل حالات استخدام شبكات الجيل الخامس (5G) للشبكات غير الأرضية وعلى سبيل المثال خيارات الاتصال للنطاق العريض المتنقل المحسّن الذي يشمل الخلايا الثابتة والمتنقلة، فضلاً عن التوصيلية المتعددة وإنترنت الأشياء لمنطقة واسعة ومحلية والسلامة العامة التطبيقات، وتشمل الاستخدامات الإضافية تحسين مرونة الشبكة والشبكة المتطورة، والتوصيل الهجين الخلوي المتنقل من أجل النطاق العريض المتنقل المحسن بالإضافة إلى البث المباشر إلى العقدة.

يغطي “5G والشبكات غير الأرضية” الاتصالات المعتمدة على الأقمار الصناعية بالتفصيل والتي يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في الاستفادة من البنية التحتية للاتصالات؛ لتقديم خدمات (5G) في المستقبل وسد الفجوة الرقمية.

بعد حوالي 65 عامًا ظهرت الأقمار الصناعية وغيرها من الأجسام المدارية غير المرتبطة بالأرض والتي تشكل شبكات غير أرضية (NTN) كشريك ومنافس محتمل والأكثر تواجدًا على الأرض للشبكات الأرضية، ولعقود من الزمان قدمت الشبكات غير الأرضية وعودًا محيرة في القدرة على إبقاء الأشخاص والأشياء متصلة عندما كانوا “خارج الشبكة” في الأماكن، والتي لا تستطيع فيها الشبكات الخلوية الأرضية وشبكات الخطوط الأرضية الوصول أي غالبًا في البحر أو في المناطق البرية النائية.

• “NTN” هي اختصار لـ “Non-terrestrial networks”.

تطور تقنية الشبكة غير الأرضية NTN

اليوم تواصل اتصالات الشبكات غير الأرضية إحراز تقدم مع التقنيات والقدرات المتطورة حديثًا، ونظرًا لأن شبكات (NTN) أصبحت أكثر انتشارًا وتكاملًا مع الشبكات الأرضية، فقد بدأت في تقديم خيارات اتصال مختلفة لشبكات الجيل الخامس للنطاق العريض المتنقل المحسن على الخلايا الثابتة والمتنقلة، فضلاً عن التوصيلية المتعددة.

تشمل حالات الاستخدام الأخرى مرونة الشبكة المحسنة والكابلات ممّا يسمح للمستخدمين بمشاركة خطوط متعددة، وشبكة الحافة والاتصال الهجين الخلوي المتنقل وإنترنت الأشياء للمنطقة الواسعة والمحلية وتطبيقات السلامة العامة، بالإضافة إلى البث المباشر للعقدة.

أول شيء يجب مراعاته هو أنّ الأقمار الصناعية ليست سوى عنصر واحد من عناصر الشبكات غير الأرضية حيث يمكن أن تشكل مجموعة متنوعة من الكائنات جزءًا من شبكة غير أرضية، بما في ذلك محطات المنصات عالية الارتفاع مثل البالونات وشبكات (جو-أرض)، مثل تلك التي تنتقل من الطائرات والمركبات الجوية غير المأهولة، وكل منها يعمل على ارتفاعات مختلفة وتقديم أنواع مختلفة من الاتصال والإمكانيات.

كما أنّ شبكات (NTN) المختلفة قد تؤثر على شبكات (5G RAN) و(5G Core) بشكل مختلف، لا سيما عندما يتعلق الأمر بالمزامنة وتأخير البيانات، حيث أنّها منطقية ويجب دمج كل نوع من هذه الأنواع المختلفة من الشبكات مع شبكات (5G) على طول مجموعة متنوعة من الخطوط، بما في ذلك أمان (NTN) وضمان جودة الخدمة من البداية إلى النهاية، وتحديد موقع عناصر (NTN) على البنية التحتية للشبكة الأرضية الثابتة.

بالإضافة إلى ذلك توفر إنترنت الأشياء (Narrowband IoT) والاتصالات من نوع الجهاز أيضًا اعتبارات إضافية لتكامل (NTN)، كيف ستتمكن شبكات NTN هذه من الاتصال بما يصل إلى مليون جهاز لكل كيلومتر مربع وهو أمر يدعم قدرات شبكة (5G)، وعلاوة على ذلك توجد العديد من الخيارات التي تسمح لشبكات (NTN) و(TNs) بالتحدث مع بعضها البعض، بما في ذلك “وضع التعايش”.

• “RAN” هي اختصار لـ “radio access network”.

• “IoT” هي اختصار لـ “Internet of Things”.

مبدأ تقنية الشبكة غير الأرضية NTN

بالإضافة إلى أوضاع التجوال والمشاركة التي توفر درجات مختلفة من التكامل، وتشمل العوامل الأخرى لقابلية التشغيل البيني توافر معدات المستخدم النهائي، وأنظمة الشبكات المتنقلة البرية العامة الخاصة بالبلد، ومن أجل جعل كل هذا يعمل بسلاسة يُعد ضمان استمرارية خدمة الشبكة أمرًا بالغ الأهمية عند تشغيل شبكات (NTN) في نظام بيئي 5G.

نظراً لأنّ عنصر (NTN) يمر فوق الرأس يجب أن يكون قادرًا على التواصل مع جهاز مستخدم متنقل في كثير من الأحيان على الأرض، وعلى وجه التحديد ستتأثر سيناريوهات الحزمة المتحركة بالوقت الذي تبقى فيه قطعة من معدات المستخدم (UE) في منطقة خلية الحزمة، في حين أنّ الحزم الثابتة عمومًا يكون لها أوقات أطول عندما تكون تجهيزات المستعمل في منطقة الخلية.

بالإضافة إلى ذلك يجب أن تتعرف (NTN) أيضًا على العديد من العوامل الأخرى بما في ذلك التحديد الأولي للخلية والتنقل أثناء خمول الجهاز وإدارة التنقل أثناء وجودهم في وضع الاتصال، ويدور أحد مجالات التركيز العميق لـ “5G والشبكات غير الأرضية” حول استخدام الأقمار الصناعية، حيث من بين مقدمي الأقمار الصناعية هناك ثلاثة أنواع من أقمار الاتصالات:

• الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض (LEO) التي تعمل على ارتفاع (300 كيلومتر) – (1500 كيلومتر) فوق الأرض.

• الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض المتوسطة (MEO) بين (7000 كيلومتر) و(25000 كيلومتر).

• المدار الأرضي الثابت بالنسبة للأرض (GEO) والأقمار الصناعية التي تعمل على مسافة 35786 كم وفي موقع ثابت فوق الأرض.

ملاحظة: “GEO” هي اختصار لـ “geostationary, earth orbit” و”MEO” هي اختصار لـ “medium Earth orbit”.

ملاحظة:“LEO” هي اختصار لـ “Low-Earth Orbit” و”UE” هي اختصار لـ “User Equipment”.

الأقمار في تقنية الشبكة غير الأرضية NTN

يوفر كل نوع من هذه الأنواع المختلفة من الأقمار الصناعية إمكانات مختلفة نظرًا لتكلفة وتعقيد بنائها ونشرها وصيانتها، ولكن أيضًا بسبب القدرة المادية للبيانات على الإرسال عبر مسافات مختلفة تؤثر على زمن انتقال الشبكة، حيث كلما زاد زمن انتقال الشبكة كلما كانت هذه الشبكة أقل ملاءمة لحالات الاستخدام التي تتطلب القليل جدًا من الكمون، مثل الاتصالات الصوتية أو الواقع الافتراضي أو تشغيل السيارة المستقلة أو عمليات التصنيع الدقيقة للغاية أو عمليات الرعاية الصحية الحساسة.

تجعل معايير (5G) التي طورتها (3GPP) قطاعات الأقمار الصناعية جزءًا أكبر محتملًا من النظام البيئي للبنية التحتية للاتصال (5G)، كما كانت خيارات التوصيل عبر الأقمار الصناعية (MEO) و(GEO) تمثل تحديًا نظرًا لارتفاع زمن انتقالها أي يستغرق الأمر وقتًا أطول لنقل البيانات كلما ابتعدت عن القمر الصناعي، ومع ذلك إنّ (3GPP) يمكن للأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض ذات زمن الوصول المنخفض أن تُظهر أداءً محسنًا في شبكات الجيل الخامس.

بالإضافة إلى ذلك يمكن أن يكون للقمر الصناعي حمولة “شفافة” أو “متجددة” بما في ذلك المعالجة على متنها، وتوفر الحمولات الشفافة عمليات أساسية مثل ترشيح التردد اللاسلكي وتحويل التردد والتضخيم ولكن لا شيء يتطلب معالجة، مثل إزالة التشكيل أو فك التشفير أو التوجيه والتبديل أو الترميز أو التعديل على القمر الصناعي.

مع استمرار نمو الشبكات الخلوية اللاسلكية (5G)، ستكون هناك بالتأكيد أماكن في العالم، حيث من المحتمل أن تكون هناك حاجة للوصول إلى (NTN) والأقمار الصناعية، وعندما تتمكن شبكات (NTN) من الاندماج مع تغطية (5G) الحالية، يمكنها توسيع قدرات شبكات (5G) إلى الأماكن التي قد لا تتوقع أن تصل فيها التغطية الخلوية وحدها وإنّها حقًا جبهة جديدة للاتصالات الخلوية اللاسلكية.

• “3GPP” هي اختصار لـ “The 3rd Generation Partnership Project “.