متطلبات وتطور شبكة الجيل الخامس 5G

تم دفع التطوير المكثف لنظام الاتصالات المتنقلة من الجيل الخامس (5G) إلى الأمام في جميع أنحاء العالم باعتباره تقدمًا شاملاً لأنظمة الاتصالات المحمولة الحالية، بناءً على أبحاث شاملة لاتجاهات السوق والطلبات المستقبلية لأنظمة الاتصالات المتنقلة حتى عام (2020م).

متطلبات شبكة الجيل الخامس 5G

في عام (2020م)، تم نشر الجيل الخامس من الاتصالات المتنقلة في العديد من البلدان والتي تهدف إلى توفير عالم لاسلكي حقيقي خالٍ من العقبات الموجودة في نظام الاتصالات، وهو عامل تحفيزي كبير لجميع الباحثين والأكاديميين والمهندسين.

يجري التحقيق في التقنيات الجديدة التي توفر سرعة عالية وقدرة وكفاءة طيفية وكفاءة في استخدام الطاقة واتصالات زائفة خارجية وما إلى ذلك، والتي تحل المشكلات الموجودة في نظام الاتصالات المتنقلة وشبكات المحمول من الجيل الخامس أو الأنظمة اللاسلكية من الجيل الخامس.

وهي معايير الاتصالات التالية المقترحة التي تتعدى معايير (4G / IMT) المتطورة الحالية، كما يهدف تخطيط (5G) إلى سعة أعلى من (4G) الحالية ممّا يسمح بكثافة أعلى لمستخدمي النطاق العريض للأجهزة المحمولة، ويدعم اتصالات الأجهزة الضخمة والموثوقة للغاية من جهاز إلى آخر.

سيناريوهات شبكة الجيل الخامس 5G

يربط الجيل الخامس من تقنيات الهاتف المحمول (5G) الأشخاص والمعدات والمعلومات والتطبيقات وأنظمة الإرسال والمناطق في بيئات الاتصالات الشبكية الذكية، حيث تنقل الشبكات قدرًا هائلاً من البيانات بشكل أسرع بكثير وتتصل بشكل موثوق بعدد كبير جدًا من الأجهزة وتعالج كميات كبيرة جدًا من البيانات بأقل تأخير.

الجيل الخامس للاتصالات المتنقلة هي واحدة من التقنيات الناشئة التي ستغير وجه نظام الاتصالات الهندسية، ويتم تصميم وتطوير جهاز كامل موجة ملليمتر لتردد (28 جيجاهرتز) و(38 جيجاهرتز) والتي يمكن استخدامها بواسطة هوائيات اتجاهية قابلة للتوجيه في القاعدة والمحطة المتنقلة، كما يتم تقنية الحوسبة السحابية في تحقيق شبكة الوصول اللاسلكي المرنة (5G).

تعتبر واحدة من أكثر المشاكل تعقيدًا نظرًا لتزايد أعداد الأجهزة اللاسلكية وأجهزة الاستشعار وما إلى ذلك ويتم تصميم وتطوير شبكة (5G) فعالة باستخدام مزيج من الاتصالات والبرمجيات، والتي تركز بشكل أساسي على التصميم الموفر للطاقة والإشارات المعرفية، والمحطة الأساسية غير المرئية والراديو المزدوج الكامل.

ميزات تطور شبكة الجيل الخامس 5G

1- الشبكة السريعة

• معدل بيانات المستخدم لنظام الاتصال اللاسلكي (4G) هو (100 ميجابت في الثانية) وهو سريع ولكنه ليس كذلك وسريع يلبي الطلبات المتزايدة باستمرار للمشتركين والصناعات وما إلى ذلك.

• سيشهد المستخدم عند استخدام شبكة الجيل الخامس معدل بيانات أكبر أو يساوي (1 جيجابت في الثانية).

2- خدمة موثوقة في مناطق الازدحام

• نظرًا لحركة المرور الهائلة يواجه المستخدمون رفضًا للخدمة بسبب الحمل الزائد على الشبكة.

• ومن ثم تهدف (5G) إلى تقديم خدمة واتصال أفضل في الأماكن المزدحمة مثل مراكز التسوق ومحطة المترو.

3- الخدمة في مكان بعيد

• تتضمن بعض التطبيقات الخاصة بالمكان البعيد قراءة العدادات عن بُعد لغرض الفوترة والصحة الإلكترونية مثل: العلاج عن بُعد والمدينة الذكية والمراقبة بالفيديو.

• تهدف (5G) إلى تحسين هذه الخدمات في مكان بعيد.

4- تكامل عدد الأجهزة منخفضة الطاقة

• يدعم (4G) بالفعل عددًا كبيرًا من الأجهزة منخفضة الطاقة ولكن لا يزال (4G) لا يلبي المتطلبات لبعض التطبيقات.

• تهدف (5G) إلى دعم عدد كبير من الأجهزة التي تستهلك طاقة منخفضة وسيتم دمج هذه الأجهزة بسلاسة في الهاتف المحمول (5G) التجاري.

5- التسليم الذكي

• يعني التسليم تحويل المكالمة من شبكة إلى شبكة أو التبديل داخل خلية نفس الشبكة.

• السيناريو الحالي للتسليم معقد للغاية لأنّ التأخير يحدث أثناء التسليم كبير ممّا يؤدي إلى إسقاط المكالمة.

• ومن ثم في (5G) من المتوقع تسليم ذكي مع أقل تأخير أثناء تبديل الشبكة.

6- الاتصالات الخارجية الزائفة

• أثبتت الأبحاث أن أكثر من (50%) من حركة الصوت و(70%) من حركة البيانات تنشأ من المناطق الداخلية، ولكن تغطية الشبكة والخدمة في المنطقة الداخلية ليست جيدة مقارنة بالمنطقة الخارجية.

• ومن ثم فإنّ نظام الاتصالات المتنقلة من الجيل التالي يهدف إلى الاتصالات الخارجية الزائفة، حيث تكون تغطية الشبكة ومعدل البيانات والخدمات الأخرى في المنطقة الداخلية مساوية للمنطقة الخارجية.

7- استخدام الطيف الأبيض

يجب أن يكون استخدام النطاق الأبيض أحد الأهداف المهمة لشبكة الجيل الخامس لأنّه في الوقت الحالي لا يتم استخدام طيف النطاق الأبيض واستخدامه يحل مشكلة أزمة الطيف إلى أقصى حد ممكن.

8- سعة عالية

من المتوقع أن يزداد استهلاك الحركة اللاسلكية بنسبة (30%)؛ وبالتالي يجب أن تستوعب شبكة (5G) الأعداد المتزايدة من المستخدمين الذين يتمتعون بأفضل جودة للخدمة.

التقنيات الرئيسية في شبكة الجيل الخامس 5G

1- مضاعفة تقسيم التردد المتعامد OFDM

• يتم تقسيم عرض النطاق إلى عدد من الموجات الحاملة الفرعية المتعامدة مع بعضها البعض، كما يتم تنفيذه باستخدام تحويل فورييه السريع (FFT) وتحويل فورييه السريع العكسي (IFFT) في المرسل والمستقبل.

• يتم زيادة ميزة هذه التقنية في معدل البيانات والسعة العالية والمناعة ضد تداخل الرموز (ISI).

• أثناء تقسيم الناقلات الفرعية، تكون استجابة القناة مسطحة مما يجعل هذا النظام أكثر كفاءة وبالتالي فهو مفضل في (4G mobile) المعروف أيضًا باسم (LTE).

• عندما يتعلق الأمر بـ (5G)، فإنّ (OFDM) ليس مرشحًا مناسبًا بسبب العديد من العيوب مثل البادئة الدورية (CP) ومعدل ذروة الطاقة (PAPR).

• عندما تكون الرموز قريبة جدًا من بعضها البعض فقد يتسبب ذلك في حدوث ضوضاء.

• وبالتالي يتم إدخال (CP) بين الرموز التي يتم بسببها تقليل (ISI). ولكن إضافة (CP) تؤدي أيضًا إلى فقدان عرض النطاق وفقد حوالي (9%) من عرض النطاق بسبب (CP) وتقليل الكفاءة الطيفية.

• كما قلل (PAPR) بشكل كبير من أداء النظام مما أدى إلى إضافة البيانات في الحاملات الفرعية.

• إذا كان (PAPR) للنظام هو (10 ديسيبل)، فهذا يعني أنّه من أجل إرساله إلى إشارة (1 ديسيبل)، ويحتاج إلى (10 واط) من الطاقة ممّا يقلل بشكل فعال من أداء النظام.

• إنّ (OFDM) ليست تقنية تشكيل مناسبة للجيل الخامس.

ملاحظة:“OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal Frequency Division Multiplexing”.

ملاحظة:“PAPR” هي اختصار لـ “Peak-to-average power ratio”.

ملاحظة:“LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution”.

2- نطاق مرشح متعدد الحامل FBMC

• إنّها تقنية متقدمة من (OFDM) لا تستخدم (CP) ولكنها تستخدم صفائف من المرشحات في المرسل والمستقبل.

• ميزة هذه التقنية هي أنه بدون استخدام (CP)، ويمكن أن تعطي أداءً فعالاً وأفضل من (OFDM) وبالتالي فهي واحدة من أكثر تقنيات التعديل الواعدة لـ (5G).

• في هذه التقنية يتم استخدام بنك مرشح يتم من خلاله نقل مجموعة من البيانات المتوازية.

• يمكن التحكم في التسرب المجاور وتحديد موقع التردد باستخدام مرشح نموذج أولي مناسب.

• نظرًا للمرونة في مجال التردد الخاص بـ (FBMC)، فهو مناسب بشكل أفضل لتلفاز الطيف الأبيض (TVWS) واستخدام الطيف.

• يمكن لقناة (FBMC) معالجة تمديد تأخير القناة بسهولة.

ملاحظة: “FBMC” هي اختصار لـ “Filter band multi carrier”.

في النهاية، يعني (5G) أنّه جيل من التكنولوجيا اللاسلكية، حيث في حين أن معظم الأجيال قد تم تعريفها تقنيًا من خلال سرعات نقل البيانات الخاصة بها، فقد تم تعيين كل منها بانقطاع طرق الترميز أو “واجهات الهواء” ممّا يجعلها غير متوافقة مع الجيل السابق.