نظام اتصالات البيانات في نظام الاتصالات اللاسلكية

لتلبية الطلب على حركة البيانات اللاسلكية التي ازدادت منذ نشر أنظمة اتصالات “4G“، بُذلت جهود لتطوير نظام اتصالات “5G” محسّن أو ما قبل “5G”، لذلك يُطلق على نظام الاتصال “5G” أو ما قبل “5G” أيضاً اسم “شبكة ما وراء شبكة 4G” أو “نظام ما بعد LTE“، كما يُعتبر نظام الاتصالات “5G” مطبقاً في نطاقات تردد أعلى “mmWave” وعلى سبيل المثال نطاقات “60 جيجاهرتز” وذلك لتحقيق معدلات بيانات أعلى.

أساسيات نظام اتصالات البيانات في نظام الاتصالات اللاسلكية

يتم تقليل خسارة انتشار الموجات الراديوية وزيادة مسافة الإرسال في تقنيات تشكيل الحزمة ومخرجات متعددة المدخلات الضخمة “MIMO“، و”MIMO” كامل الأبعاد أي “FD-MIMO” وهوائي الصفيف وتشكيل الحزمة التماثلية وتقنيات الهوائي واسع النطاق في أنظمة اتصالات “5G”، بالإضافة إلى ذلك في أنظمة اتصالات “5G” يجري تطوير لتحسين شبكة النظام على أساس الخلايا الصغيرة المتقدمة وشبكات الوصول إلى الراديو السحابي “RAN” والشبكات فائقة الكثافة والاتصال من جهاز إلى جهاز “D2D“.

كما يتم تحسين إعادة التوصيل اللاسلكي ونقل الشبكة والتواصل التعاوني والنقاط المتعددة المنسقة “CoMP” وإلغاء تداخل نهاية الاستقبال، وفي نظام “5G” و”Hybrid FSK” و”FQAM” وتشفير تراكب النافذة المنزلقة “SWSC” كتعديل ترميز متقدم “ACM”، وحامل متعدد للبنك “FBMC” وصول متعدد غير متعامد “NOMA” ومتناثر تم تطوير الوصول المتعدد برمز “SCMA” كتقنية وصول متقدمة.

كما أنّ الإنترنت وهي شبكة اتصال تتمحور حول الإنسان، حيث يقوم البشر بتوليد المعلومات واستهلاكها تتطور الآن إلى إنترنت الأشياء “IoT”، حيث تقوم الكيانات الموزعة مثل الأشياء بتبادل ومعالجة المعلومات دون تدخل بشري، وظهرت إنترنت كل شيء “IoE” وهي مزيج من تقنية إنترنت الأشياء وتقنية معالجة البيانات الضخمة من خلال الاتصال بخادم سحابي.

نظراً لأنّ عناصر التكنولوجيا مثل “تقنية الاستشعار” و”الاتصالات السلكية أو اللاسلكية والبنية التحتية للشبكة” و”تقنية واجهة الخدمة”، و”تقنية الأمان” قد تم طلبها لتنفيذ إنترنت الأشياء وشبكة أجهزة الاستشعار و”آلة إلى آلة” تم البحث مؤخرًا عن اتصالات “M2M”، واتصالات نوع الماكينة “MTC” وقد توفر بيئة إنترنت الأشياء هذه خدمات تقنية الإنترنت الذكية التي تخلق قيمة جديدة لحياة الإنسان من خلال جمع وتحليل البيانات التي يتم إنشاؤها بين الأشياء المتصلة.

كما يمكن تطبيق إنترنت الأشياء في مجموعة متنوعة من المجالات بما في ذلك المنزل الذكي والمباني الذكية والمدينة الذكية والشبكة الذكية، والرعاية الصحية والأجهزة الذكية والخدمات الطبية المتقدمة من خلال التقارب والجمع بين تكنولوجيا المعلومات الحالية “IT” والمتنوعة، كما تم إجراء محاولات مختلفة لتطبيق أنظمة اتصالات “5G” على شبكات إنترنت الأشياء.

وعلى سبيل المثال يمكن تنفيذ تقنيات مثل شبكة المستشعرات والاتصال من نوع الآلة “MTC” والاتصال من آلة إلى آلة “M2M” عن طريق هوائيات تشكيل الحزمة وهوائيات “MIMO” والمصفوفة، كما يمكن اعتبار تطبيق شبكة الوصول إلى الراديو السحابي “RAN” كتقنية معالجة البيانات الضخمة كمثال على التقارب بين تقنية “5G” وتقنية إنترنت الأشياء.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution” و”RAN” هي اختصار لـ “Radio access network”.

• “M2M” هي اختصار لـ “Machine-to-machine” و”5G” هي اختصار لـ “Fifth-generation wireless”.

• “MTC” هي اختصار لـ “Machine type connections” و”IT” هي اختصار لـ “information technology”.

• “IoE” هي اختصار لـ “Internet of Everything” و”IoT” هي اختصار لـ “Internet of things”.

• “SCMA” هي اختصار لـ “Systems Communications Management Association” و”NOMA” هي اختصار لـ “Non-orthogonal multiple access”.

• “FD-MIMO” هي اختصار لـ “Full Dimension Multiple-In Multiple-Out” و”MIMO” هي اختصار لـ “Multiple-In Multiple-Out”.

• “CoMP” هي اختصار لـ “comprehensive or comprehensive” و”FSK” هي اختصار لـ “Frequency-shift keying”.

• “FQAM” هي اختصار لـ “Frequency and Quadrature Amplitude Modulation” و”SWSC” هي اختصار لـ “Sliding-Window Superposition Coding”.

• “ACM” هي اختصار لـ “Advanced encoding modification” و”FBMC” هي اختصار لـ “filter bank multi-carrier”.

مبدأ عمل نظام اتصالات البيانات في نظام الاتصالات اللاسلكية

يتم توفير طريقة اتصال بواسطة طرف في نظام اتصال لاسلكي وتشتمل الطريقة على:

• إرسال إلى محطة أساسية.

• رسالة أولية تتضمن معلومات المساعدة المرتبطة بجدولة شبه دائمة “SPS”.

• تلقي رسالة ثانية من المحطة الأساسية تتضمن معلومات تكوين “SPS”.

• استقبال رسالة ثالثة من المحطة الأساسية تتضمن معلومات التحكم في الوصلة الهابطة “DCI” المرتبطة بتنشيط “SPS”.

• ونقل البيانات إلى محطة أخرى بناءً على معلومات تكوين “SPS” و”DCI”.

كما أنّ محطة “Abase” التي تدعم الاتصال من اتصالات البيانات في نظام اتصال لاسلكي، تكون المحطة الأساسية من:

• جهاز إرسال واستقبال مهيأ لإرسال الإشارات واستقبالها.

• ووحدة تحكم تم تكوينها من أجل تلقي البيانات من محطة زرسالة أولى بما في ذلك معلومات المساعدة المرتبطة بجدولة شبه دائمة “SPS”.

• إرسال رسالة ثانية إلى الجهاز تتضمن معلومات تكوين “SPS” لاتصال البيانات.

• إرسال رسالة ثالثة إلى الجهاز تتضمن معلومات التحكم في الوصلة الهابطة “DCI” المرتبطة بتنشيط “SPS” لاتصالات البيانات، حيث يتم نقل البيانات من الجهاز إلى طرف آخر بناءً على معلومات تكوين “SPS” و”DCI”.

ملاحظة:“SPS” هي اختصار لـ “Semi-permanent scheduling” و”DCI” هي اختصار لـ “Downlink Control Information”.

تطور عمل نظام اتصالات البيانات في نظام الاتصالات اللاسلكية

يتكون البروتوكول الراديوي لنظام “LTE” من بروتوكولات تقارب حزم البيانات “PDCPs” وعناصر تحكم الارتباط الراديوي “RLC”، وعناصر تحكم الوصول المتوسط ​​”MMCs” في المحطة و”ENB” على التوالي وكما تؤدي بروتوكولات تقارب حزم البيانات “PDCPs” عمليات، مثل ضغط أو استرداد رأس “IP” وعناصر تحكم الارتباط الراديوي والمشار إليها فيما يلي باسم “RLC” وأعادة تكوين وحدة بيانات حزم “PDCP (PDU)” بحجم مناسب.

كما يتم توصيل أجهزة “MAC” بالعديد من أجهزة طبقة “RLC” المكونة في طرف واحد وتقوم بعملية تعدد إرسال وحدات “RLC PDU” في “MAC PDU” وإزالة تعدد إرسال وحدات “RLC PDU” من “MAC PDU”، كما يتم تنفذ الطبقات المادية عملية تشفير القناة وتعديل بيانات الطبقة العليا، ممّا يجعل بيانات الطبقة العليا كرمز “OFDM” وإرسالها إلى قناة راديوية، أو إزالة التشكيل وفك تشفير القناة من رمز “OFDM” عبر القناة الراديوية وإرسال رمز “OFDM” المزال تشكيله وفك تشفير القناة إلى الطبقة الأعلى.

وعلاوة على ذلك حتى الطبقة المادية تستخدم “ARQ” مختلطاً لتصحيح الخطأ الإضافي، بينما يرسل الطرف المستقبل ما إذا كان سيستقبل حزمة مرسلة من طرف الإرسال بمقدار بتة واحدة، وهذا ما يسمى معلومات “HARQ ACK / NACK”.

ويمكن إرسال معلومات “HARQ ACK / NACK” للوصلة الهابطة بشأن إرسال الوصلة الصاعدة من خلال قناة مادية لمؤشر “ARQ” الهجين “PHICH”، ويمكن إرسال معلومات “HARQ ACK / NACK” للوصلة الصاعدة على إرسال الوصلة الهابطة عبر قناة تحكم في الوصلة الصاعدة “PUCCH” أو القناة المادية المشتركة للوصلة الصاعدة “PUSCH” المادية.

• “RLC” هي اختصار لـ “Radio link control” و”PUSCH” هي اختصار لـ “Physical Uplink Shared Channel”.

• “PHICH” هي اختصار لـ “Physical Hybrid ARQ Indicator Channel” و”ARQ” هي اختصار لـ “Automatic repeat request”.

• “PUCCH” هي اختصار لـ “Physical Uplink Control Channel” و”MAC” هي اختصار لـ “media access control”.

• “PDU” هي اختصار لـ “protocol data unit” و”OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency division multiplexing”.

• “MMC” هي اختصار لـ “Medium Machine Controls” و”ENB” هي اختصار لـ “evolved NodeBs”.

• “IP” هي اختصار لـ “Internet Protocol” و”NACK” هي اختصار لـ “negative acknowledgment”.