تتيح شبكة (5G Next Gen) الأساسية دوراً رئيسياً في تمكين أداء نظام الاتصالات المتنقلة (5G)، وتقع مسؤولية تحديد بنية الجيل التالي على عاتق مجموعة المواصفات الفنية لهندسة النظام (SA) التابعة لـ (3GPP) في جوانب الخدمة والنظام، كما اكتملت مرحلة الدراسة في عام 2016م وحددت الشكل الذي ستبدو عليه هذه الشبكة الأساسية الجديدة، والمعروفة باسم (NG Core) أو شبكة (Next Gen) الأساسية.
أساسيات شبكة الجيل الخامس – 5G NexGen core network:
تُعد متطلبات شبكة (5G) متنوعة بشكل خاص، وفي إحدى الحالات هناك حاجة إلى اتصالات ذات نطاق ترددي عالٍ للغاية، وفي التطبيقات الأخرى هناك حاجة إلى زمن انتقال منخفض للغاية ومن ثم هناك أيضاً متطلبات للاتصالات ذات معدل نقل بيانات منخفض للآلة وتطبيقات إنترنت الأشياء، كما تكون هناك اتصالات صوتية عادية وتصفح الإنترنت وجميع التطبيقات الأخرى التي استخدمناها وتعودنا على استخدامها.
ونتيجةً لذلك، تتطلب شبكة الجيل الخامس (Next Gen) في استيعاب تنوع كبير في أنواع حركة المرور وستحتاج إلى أن تكون قادرة على استيعاب كل واحدة بكفاءة وفعالية كبيرة، وغالباً ما يُعتقد أنّ النوع الذي يناسب الجميع لا يعطي الأداء الأمثل في أي تطبيق ولكن هذا هو المطلوب لشبكة (5G)، ولتحقيق متطلبات شبكة (5G)، يتم استخدام عدد من التقنيات، كما يؤدي ذلك إلى جعل شبكة (5G) أكثر قابلية للتوسع ومرونة وفعالية.
- الشبكات المعرفة بالبرمجيات (SDN): باستخدام الشبكات المعرفة بالبرمجيات، يصبح من الممكن تشغيل الشبكة باستخدام البرامج بدلاً من الأجهزة، حيث يوفر هذا تحسينات كبيرة من حيث المرونة والكفاءة.
- التمثيل الافتراضي لوظائف الشبكة (NFV): عند استخدام الشبكات المعرفة بالبرمجيات من الممكن تشغيل وظيفة الشبكة المختلفة باستخدام البرنامج فقط، ممّا يعني أنّه يمكن إعادة تكوين الأجهزة العامة لتوفير الوظائف المختلفة، ويمكن نشرها كما هو مطلوب على الشبكة.
- تقطيع الشبكة (Network slicing): نظراً لأنّ (5G) تتطلب أنواعاً مختلفةً من الشبكات للتطبيقات المختلفة، فقد تم استخدام مخطط يعرف باسم تقسيم الشبكة كأجهزة، وذلك باستخدام (SDN وNFV) سيكون من الممكن تكوين نوع الشبكة التي سيطلبها المستخدم الفردي لتطبيقه.
وبهذه الطريقة، تُعد الأجهزة التي تستخدم برامج مختلفة بأنّها تتميز بالقدرة على توفر مستوى زمن انتقال منخفضاً لمستخدم واحد، ومع توفير الاتصالات الصوتية لمستخدم آخر باستخدام برامج مختلفة وقد يرغب المستخدمون الآخرون في أنواع أخرى من أداء الشبكة ويمكن لكل منهم الحصول على شريحة من الشبكة مع الأداء المطلوب، كما تم تحديد الأداء المطلوب لشبكة (5G NextGen) من قبل تحالف شبكات المحمول من الجيل التالي (NGMN).
وعلى هذا النحو، فإنّ شبكة الجيل الخامس (5G NG) يصبح لديها القدرة على الاستفادة من مستويات أعلى بكثير من المرونة؛ لتمكينها من تلبية المتطلبات المتزايدة والمتنوعة التي تفرضها عليها شبكة الوصول اللاسلكي والعدد المتزايد من الاتصالات وحركة المرور.
تحالف شبكات المحمول من الجيل التالي (NGMN): هو عبارة عن اتحاد اتصالات متنقلة يضم مشغلي شبكات الهاتف المحمول والبائعين والمصنعين ومعاهد البحث وباستخدام خبرة جميع الأطراف كما إنّه قادر على تطوير استراتيجيات شبكات الهاتف المحمول من الجيل التالي، مثل تلك الخاصة بشبكات الجيل الخامس.
أساسيات راديو 5G جديد:
تم تطوير راديو (5G) الجديد لتوفير تحسينات كبيرة في مجالات، مثل المرونة وقابلية التوسع والكفاءة وسواء من حيث استخدام الطاقة أو الطيف، حيث أنّ راديو (5G) الجديد قادر على توفير اتصالات لنطاقات عالية جداً مع عمليات إرسال، مثل دفق الفيديو بالإضافة إلى اتصالات بزمن انتقال منخفض لاتصالات السيارة للتحكم عن بعد، وكذلك اتصالات النطاق الترددي المنخفض لمعدل البيانات لاتصالات نوع الآلة وهناك العديد من الركائز الأساسية للراديو الجديد المستخدم في شبكات الجيل الخامس:
1. الطيف الراديوي الجديد – New radio spectrum:
يتزايد استخدام الاتصالات المتنقلة بسرعة، وسيؤدي إدخال الجيل الخامس إلى تسريع هذا الاتجاه مع استيعاب العديد من التطبيقات بواسطة التكنولوجيا، وفي حين سيتم إجراء تحسينات في كفاءة الطيف فلن تكون هذه التحسينات قادرة على استيعاب الزيادات الهائلة في الاستخدام، لذلك هناك حاجة إلى مزيد من الطيف، كما يحدد الإصدار (15) عدة مجموعات من الطيف الجديد خصيصاً لعمليات نشر (NR) تتراوح هذه الترددات من (2.5 جيجا هيرتز إلى 40 جيجا هيرتز)، ويتم استهداف نطاقين للنشر الفوري في مناطق (3.3 جيجا هيرتز إلى 3.8 جيجا هيرتز و(4.4 جيجا هيرتز إلى 5.0 جيجا هيرتز).
تم إصدار الطيف من (3.3 جيجا هيرتز إلى 3.8 جيجا هيرتز) بالفعل في بلدان مثل الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا وبعض البلدان الآسيوية ويمكن أن يشهدوا انتشاراً في وقت مبكر من عام 2018م، كما يتم حجز نطاقات تردد أعلى أخرى ولكن أقل من (40 جيجا هيرتز) لـ (5G)، ولكن هناك إمكانية استخدام ترددات تصل إلى (86 جيجا هرتز)، وتتمثل ميزة نطاقات التردد الأعلى في أنّها أوسع بكثير وستكون قادرة على السماح بنطاقات إشارة أعلى بكثير وبالتالي دعم معدلات نقل بيانات أعلى بكثير، أمّا العيب في أحد جوانبه هو أنّه سيكون لها نطاق أقصر بكثير، ولكن هذه ميزة لأنّها ستسمح بإعادة استخدام تردد أكبر بكثير.
2. محسن OFDM:
تم اتخاذ قرار مبكر لاستخدام شكل (OFDM) كشكل موجة للمرحلة الأولى من راديو (5G) الجديد، ولقد تم استخدامه بنجاح كبير مع (4G) ومعايير (Wi-Fi) الأحدث والعديد من الأنظمة الأخرى ونتج منه أنّ النوع الأمثل لشكل الموجة لمجموعة متنوعة من التطبيقات المختلفة لـ (5G) مع قوة المعالجة الإضافية المتاحة لشبكة (5G)، يمكن تطبيق أشكال مختلفة من التحسين، أمّا الإصدار المحدد من (OFDM) المستخدم في الوصلة الهابطة (5G NR) هو البادئة الدورية (CP-OFDM)، وهو نفس الشكل الموجي الذي اعتمدته (LTE) لإشارة الوصلة الهابطة.
3. تقنية Beamforming:
تقنية (Beamforming): هي تقنية أصبحت مستخدمة في السنوات الأخيرة وتقدم بعض المزايا المهمة لشبكة (5G)، حيث يتيح تكوين الشعاع توجيه الحزمة من المحطة الأساسية نحو الهاتف المحمول، وبهذه الطريقة يمكن إرسال الإشارة المثلى إلى الهاتف المحمول واستقبالها منه مع قطع التداخل مع الهواتف المحمولة الأخرى.
يسمح (Beamforming) الانتقال إلى ترددات أعلى بهوائيات أصغر بكثير، وإمكانية مستويات اتجاهية عالية قابلة للبرمجة وفي الترددات التي تزيد عن (24 جيجا هيرتز) حيث تكون الهوائيات أصغر، وهناك إمكانية لوجود هوائيات توجيه شعاع عالية الأداء قادرة على توجيه الطاقة بدقة إلى الهاتف المحمول المعني، وكذلك توفير كسب المستقبل في هذا الاتجاه.
4. تقنية MIMO:
تم استخدام تقنية المخرجات المتعددة والمدخلات المتعددة (MIMO) في العديد من الأنظمة اللاسلكية من (Wi-Fi) إلى النظام الخلوي (4G) الحالي ويوفر بعض التحسينات المهمة، أمّا ضمن (5G) ستكون (MIMO) واحدة من التقنيات الأساسية، كما ستستفيد (5G) بشكل كامل من (MU-MIMO) حيث ستوفر إمكانيات وصول متعددة إلى (MIMO) من خلال الاستفادة من الموقع المكاني الموزع وغير المترابط لمختلف المستخدمين.
عند تنفيذ ذلك، ترسل (gNB) أي محطة قاعدة (5G) إشارة مرجعية لمعلومات حالة القناة (CSI-RS) إلى أجهزة المستخدم المختلفة، ثم تعتمد على الاستجابات وتحسب (gNB) المعلومات المكانية لكل مستخدم، وهي تستخدم هذه المعلومات لحساب المعلومات المطلوبة لمصفوفة التشفير المسبق (W-Matrix) حيث يتم إنشاء رموز البيانات في الإشارات لكل عنصر من عناصر صفيف هوائي (gNB)، كما تحتوي تدفقات البيانات المتعددة على أوزانها الخاصة التي تتضمن إزاحات الطور لكل تيار؛ لتمكين أشكال الموجة من التداخل البناء في المستقبل، حيث يعمل هذا على زيادة قوة الإشارة للمستخدم مع تقليل الإشارة إلى الحد الأدنى وبالتالي التداخل مع المستخدمين الآخرين.
وبهذه الطريقة، يمكن لـ (gNB) التحدث إلى أجهزة متعددة بشكل متزامن ومستقل باستخدام المعلومات المكانية، ممّا يعني أنّ (5G MU-MIMO) يُمكّن تجهيزات المستعمل من العمل دون الحاجة إلى معرفة القناة أو معالجة إضافية للحصول على تدفقات البيانات، حيث تعمل تقنية (MU-MIMO) على الوصلة الهابطة على تحسين قدرة هوائيات (gNB) بشكل ملحوظ، كما يتم قياسه باستخدام الحد الأدنى من عدد هوائيات (gNB) ومجموع عدد أجهزة المستخدم مضروباً في عدد الهوائيات لكل جهاز (UE)، ويعني أنّه باستخدام (5G MU-MIMO) يمكن للنظام تحقيق مكاسب في السعة باستخدام مصفوفات هوائي (gNB) وأجهزة (UE) أبسط بكثير.
5. تقنيات تقاسم الطيف – Spectrum sharing techniques:
الكثير من الطيف الراديوي على الرغم من توزيعه لا يستخدم بطريقة فعالة، أمّا إحدى التقنيات المقترحة هي تقاسم الطيف.
6. تصميم موحد عبر الترددات – Unified design across frequencies:
مع راديو (5G) الجديد الذي يستخدم مجموعة متنوعة من الترددات، ربما تكون (3.4 إلى 3.6 جيجا هيرتز) أقل من (6 جيجا هيرتز ثم 24.25 إلى 27.5 جيجا هيرتز و27.5 إلى 29.5 جيجا هيرتز و37 جيجا هيرتز و39 جيجا هيرتز و57 إلى 71 جيجا هيرتز) كإمكانيات راديو (mmWave)، ومن المهم أن يكون هناك واجهة مشتركة عبر هذه الترددات.
7. الخلايا الصغيرة – Small cells:
نظراً لأنّ تكثيف الشبكة مطلوب لتوفير قدرة البيانات المطلوبة، يتم اقتراح المزيد من استخدام الخلايا الصغيرة وشبكات الخلايا الصغيرة، والشبكة الخلوية الصغيرة عبارة عن مجموعة من محطات الإرسال منخفضة الطاقة التي تستخدم موجات المليمتر لتعزيز سعة الشبكة الإجمالية، حيث تعمل شبكة الخلايا الصغيرة (5G) من خلال تنسيق مجموعة من الخلايا الصغيرة؛ لمشاركة الحمل وتقليل صعوبات العوائق المادية التي تصبح أكثر أهمية عند الموجات المليمترية.
