متطلبات 5G للجيل القادم من النظام اللاسلكي المحمول

من أجل ضمان تطوير نظام (5G) اللاسلكي الصحيح، من الضروري جمع متطلبات النظام والموافقة عليها، ومن خلال جمع المتطلبات، من الممكن فهم الاحتياجات وتصميم نظام (5G) اللاسلكي لتلبية المتطلبات ومن خلال الموافقة على المتطلبات، يمكن لجميع المستخدمين العمل على تطوير نفس النظام وتطوير حلول عمل حيث قد لا يتم تلبية احتياجاتهم الخاصة بشكل كافٍ، كما يجب الحرص على أنّ يتم جمع متطلبات (5G) وتحليلها بعناية حتى يتم تحقيق أفضل نظام.

ما هي متطلبات تقنية 5G؟

في السنوات الأخيرة، كانت هناك العديد من الآراء حول الشكل النهائي الذي يجب أن تتخذه تقنية (5G) اللاسلكية، وكان هناك رأيان لما يجب أن تكون عليه تقنية (5G) اللاسلكية:

1. العرض المتصل الفائق – Hyper connected view:

يهدف هذا العرض لمتطلبات أنظمة (5G) اللاسلكية إلى أخذ التقنيات الحالية بما في ذلك (2G و3G و4G وWi-Fi) والأنظمة اللاسلكية الأخرى ذات الصلة لتوفير تغطية وتوافر أعلى إلى جانب شبكات أكثر كثافة، وبصرف النظر عن وجود متطلبات لتقديم الخدمات التقليدية، فإنّ أحد العوامل الرئيسية المميزة هو تمكين الخدمات الجديدة مثل آلة إلى آلة وتطبيقات (M2M) إلى جانب إنترنت الأشياء الإضافي، كما قد تتطلب هذه المجموعة من متطلبات (5G) تقنية راديو جديدة؛ لتمكين الأجهزة الميدانية منخفضة الطاقة والإنتاجية المنخفضة مع عمر بطارية طويل يصل إلى عشر سنوات أو أكثر.

2. تكنولوجيا الوصول إلى الراديو من الجيل التالي:

تأخذ وجهة النظر هذه لمتطلبات (5G)، وجهة نظر تعتمد على التكنولوجيا وتضع مواصفات لمعدلات البيانات والكمون والمعلمات الرئيسية الأخرى، وستمكّن هذه المتطلبات لـ (5G) من وضع فاصل واضح بين (4G) أو خدمات أخرى ونظام (5G) اللاسلكي الجديد، ومن أجل تلبية احتياجات الصناعة والمستخدم فمن الضروري استيعاب جميع المتطلبات في عملية التعريف ممّا يضمن أنّ التعريف النهائي يلبي غالبية احتياجات المستخدمين دون أن يصبح الأمر صعباً للغاية، بحيث لا يمكن لأي نظام أن ينجح.

ملخص متطلبات 5G:

• اتصالات (1 – 10 جيجابت في الثانية) لنقاط النهاية في الحقل أي ليس الحد الأقصى النظري.

• تأخير رحلة ذهاب وعودة من طرف إلى طرف بمقدار (1 مللي ثانية) أي زمن الوصول.

• 1000 × عرض النطاق الترددي لكل وحدة مساحة.

• 10 – 100 × عدد الأجهزة المتصلة.

• تصور توافر (99.999%).

• تصور التغطية (بنسبة 100%).

• (90%) تخفيض في استخدام طاقة الشبكة.

• عمر بطارية يصل إلى عشر سنوات للأجهزة منخفضة الطاقة من نوع الماكينة.

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية المتعلقة بمتطلبات (5G) في وجود العديد من الأطراف المهتمة المختلفة، كل منها يريد تلبية احتياجاته الخاصة من خلال نظام (5G) اللاسلكي الجديد، ممّا يؤدي إلى حقيقة أنّه ليست كل المتطلبات تشكل قائمة متماسكة، ولن تتمكن أي تقنية من تحقق جميع الاحتياجات معاً، ومن المحتمل أن يتم دعم مجموعات مختلفة من مجموعة فرعية من القائمة الشاملة للمتطلبات متى وأينما كان ذلك مهماً لنظام (5G) اللاسلكي.

نتيجةً لهذه المتطلبات المتنوعة على نطاق واسع لـ (5G)، يتوقع الكثير أن يكون النظام اللاسلكي الجديد بمثابة مظلة تمكن عدداً من شبكات الوصول اللاسلكي المختلفة من العمل معاً، حيث كل منها يلبي مجموعة من الاحتياجات، ونظراً لأنّ تنزيل البيانات المرتفع للغاية ومتطلبات زمن الوصول المنخفض جداً لا تتوافق بسهولة مع معدل بيانات منخفض وعمر بطارية طويل، فمن المحتمل أن تكون هناك حاجة إلى شبكات وصول لاسلكية مختلفة لكل من هذه المتطلبات.

أشكال موجة 5G:

كان تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) اختياراً ممتازاً لشكل الموجة لـ (4G LTE)، كما أنّه يوفر كفاءة طيفية ممتازة ويمكن معالجته والتعامل معه بمستويات المعالجة التي يمكن تحقيقها في الهواتف المحمولة الحالية ويعمل بشكل جيد مع تيار معدل البيانات المرتفع الذي يشغل نطاقات عريضة، كما إنّه يعمل بشكل جيد في الأماكن التي يوجد فيها خبو انتقائي، ومع التقدم في إمكانات المعالجة التي ستكون متاحة بحلول عام 2020م عندما يتم إطلاق (5G) لأول مرة، فهذا يعني أنّه يمكن النظر في أشكال موجة أخرى.

هناك العديد من المزايا لاستخدام أشكال الموجة الجديدة لتقنية (5G)، كما يتطلب (OFDM) استخدام بادئة دورية وهذا يشغل حيزاً داخل تدفقات البيانات، أمّا أحد المتطلبات الرئيسية هو توافر قوة المعالجة، وعلى الرغم من أنّ قانون مور في شكله الأساسي يعمل إلى حدود أحجام ميزات الجهاز ومن غير المرجح حدوث مزيد من التقدم في التصغير لفترة من الوقت، إلّا أنّه يتم العمل على تحسين تقنيات أخرى تعني أنّ روح قانون مور قادرة على الاستمرار وستزداد قدرة المعالجة، ولا تزال أشكال موجة (5G) الجديدة التي تتطلب طاقة معالجة إضافية، ولكنّها قادرة على توفير مزايا إضافية قابلة للتطبيق.

متطلبات شكل الموجة 5G:

التطبيقات الممكنة لاتصالات الهاتف المحمول (5G) بما في ذلك تنزيلات الفيديو عالية السرعة والألعاب والاتصالات من سيارة إلى سيارة أو من سيارة إلى البنية التحتية والاتصالات الخلوية العامة واتصالات (IoT أو M2M)، حيث تضع جميعها المتطلبات على شكل مخطط الموجي (5G) يمكن أن توفر الأداء المطلوب، كما تتضمن بعض المتطلبات الرئيسية التي يجب أن يدعمها مخطط التعديل والشكل الموجي الكلي ما يلي:

• قادر على التعامل مع إشارات النطاق الترددي العريض ذات معدل البيانات العالي.

• قادرة على توفير عمليات إرسال منخفضة وقت الاستجابة، لفترات طويلة وقصيرة من البيانات أي فترات قصيرة جداً للإرسال (TTIs) مطلوبة.

• قادر على التغيير السريع بين الوصلة الصاعدة والهابطة لأنظمة (TDD) التي يمكن استخدامها.

• القيام على تمكين إمكانية الاتصالات الموفرة للطاقة عن طريق تقليل أوقات العمل للأجهزة ذات معدل البيانات المنخفض.

البادئة الدورية – CP-OFDM:

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، وضمن (CP OFDM) يتم إلحاق الجزء الأخير من بيانات رتل (OFDM) في بداية رتل (OFDM) ويتم اختيار طول البادئة الدورية ليكون أكبر من تمديد تأخير القناة.

هذا يتغلب على التداخل بين الرموز الذي يمكن أن ينتج عن التأخير والانعكاسات، كما إنّ تمديد تأخير القناة يعتمد على التردد مع طول البادئة الدورية المختار ليكون طويلاً بما يكفي لمراعاة كلا التداخلين، لهذا السبب يكون طول (CP) متكيفاً وفقاً لظروف الارتباط، كما تستخدم الأشكال الموجية القائمة على (CP-OFDM وDFT-S-OFDM) في الوصلة الصاعدة، ويوفر (5G NR) استخدام تباعد مرن للحوامل الفرعية.

تتضمن الموجات الحاملة الفرعية (LTE) على تباعد قدره (15 كيلو هرتز)، لكن (5G NR) تتيح تباعد الموجات الحاملة الفرعية عند (15 كيلو هرتز × 2 ثانية) بحد أقصى (240 كيلو هرتز)، وتحتاج مسافات حاملة متكاملة بدلاً من مسافات حاملة كسرية للحفاظ على تعامد الموجات الحاملة، وتُستخدم المباعدة المرنة للموجة الحاملة لدعم نطاقات أو أنواع الطيف المتنوعة ونماذج النشر التي ستحتاج (5G NR) لاستيعابها.

يسعى استخدام أشكال الموجات (OFDM) على توفير تعقيداً أقل في التنفيذ مقارنةً بما قد يكون مطلوباً إذا تم تنفيذ بعض أشكال الموجات الأخرى التي تم النظر فيها لـ (5G)، بالإضافة إلى ذلك فإنّ (OFDM) مفهومة جيداً حيث تم استخدامها للجيل الرابع والعديد من الأنظمة اللاسلكية الأخرى.

أساسيات تعديل 5G:

يمكن استخدام أنواع مختلفة من تشكيل الموجة الحاملة ضمن تنسيق شكل الموجة الكلي، وضمن نظام اتصالات (5G)، هذه هي متغيرات مفتاح إزاحة الطور وتعديل سعة التربيع، كما هناك عدة اعتبارات عند استخدام تنسيقات التعديل المختلفة:

1. نسبة الذروة إلى متوسط ​​القدرة – PAPR:

نسبة الذروة إلى متوسط ​​القدرة: هو أحد أهم جوانب الأداء التي يجب مراعاتها في أي مخطط لتعديل اتصالات (5G)، حيث أنّ نسبة الذروة إلى المتوسط ​​لها تأثير كبير على كفاءة مضخمات الطاقة وبالنسبة لـ (2G GSM) ومستوى الإشارة ثابتاً، ونتيجةً لذلك كان من الممكن تشغيل مضخم التردد اللاسلكي النهائي في حالة ضغط للحصول على مستوى عالٍ من الكفاءة وإطالة عمر البطارية.

مع ظهور (3G) ثم تحسينات (HSPA) ثم (4G LTE)، تعني مخططات التعديل وأشكال الموجة أنّ الإشارات أصبحت تدريجياً أكثر “ذروة” مع مستويات أعلى من نسبة الذروة إلى متوسط ​​القدرة، ممّا يعني أنّه لا يمكن تشغيل مضخمات التردد اللاسلكي النهائية بالضغط، ومع زيادة معدل (PAPR) انخفضت كفاءة مضخمات التردد اللاسلكي وهذا أحد العوامل التي أدت إلى تقصير عمر البطارية.

يُعد ترتيب التعديل أحد العوامل التي لها تأثير كبير على (PAPR)، حيث أنّه كلما زاد مستوى “الذروة” انخفضت الكفاءة التي يمكن تحقيقها من خلال كفاءة مكبر طاقة التردد اللاسلكي، فعلى الرغم من أنّ المخططات مثل تتبع الغلاف ومكبرات (Doherty) تتيح تحسينات مصنوع.

2. الكفاءة الطيفية – Spectral efficiency:

تُعد الكفاءة الطيفية إحدى المشكلات الرئيسية في أي شكل من أشكال مخططات تعديل (5G)، ومع كون الطيف أعلى من سعره لا سيما في الترددات التي تقل عن (3 جيجاهرتز)، فمن الضروري أن يكون أي مخطط تعديل يتم اعتماده للجيل الخامس قادراً على توفير مستوى عالٍ من الكفاءة الطيفية، كما يتوفر توازن بين أوامر التعديل الأعلى مثل (64QAM) بدلاً من (16QAM) وأداء الضوضاء، وبالتالي تميل مخططات التعديل ذات الترتيب الأعلى إلى الاستخدام فقط عندما تكون هناك إشارة جيدة لنسبة الضوضاء.