الشبكات الخلوية غير المتجانسة في الاتصالات

تُعد الشبكات من جهاز إلى جهاز (D2D) والشبكات غير المتجانسة مفتاح نجاح شبكات الجيل الخامس بحيث تتكون الشبكات غير المتجانسة من محطات قاعدة ذات مواقع ثابتة أو خلايا صغيرة، وقد يكون لكل منها نطاق ونوع اتصال مختلفان لمشغل شبكة الهاتف المحمول (MNO)، ومن ناحية أخرى فإنّ شبكات (D2D) هي شبكات مخصصة للهاتف المحمول ويمكن أن تعمل بمثابة مرحلات للشبكات غير المتجانسة، ويشكلون معًا جزءًا أساسيًا من نظام (5G) البيئي.

ما هي الشبكات الخلوية غير المتجانسة

الشبكات الخلوية غير المتجانسة (HCN): هي شبكة خلوية متعددة المستويات، حيث توجد محطات قاعدية (BS) لكل طبقة بشكل عشوائي ولها قدرة إرسال معينة، وأسس فقدان المسار والكثافة المكانية والتحيز تجاه قبول المستخدمين المتنقلين.

• “D2D” هي اختصار لـ “Device-to-Device”.

• “HCN” هي اختصار لـ “heterogeneous cellular networks”.

• “MNO” هي اختصار لـ “mobile network operator”.

أساسيات الشبكات الخلوية غير المتجانسة

سيستمر انتشار الأجهزة المحمولة المتصلة بالإنترنت في دفع النمو في حركة البيانات بشكل أسي ممّا يجبر مشغلي الشبكات على زيادة سعة شبكاتهم بشكل كبير، وللقيام بذلك بشكل فعال من حيث التكلفة يحدث تحول نموذجي في نشر البنية التحتية للشبكة الخلوية، بعيدًا عن المحطات القاعدية التقليدية أي باهظة الثمن عالية الطاقة المثبتة على الأبراج ونحو العناصر غير المتجانسة.

تتضمن أمثلة العناصر غير المتجانسة الخلايا الدقيقة والخلايا البيكوسية وخلايا الفيمتوسيل وأنظمة الهوائي الموزعة أي رؤوس الراديو البعيدة، والتي تتميز بقدرات الإرسال أو مناطق التغطية والحجم المادي والوصلة وخصائص الانتشار، حيث يقدم هذا التحول العديد من الفرص لتحسين القدرات والعديد من التحديات الجديدة للتعايش وإدارة الشبكة.

اكتسب موضوع الشبكات الخلوية غير المتجانسة زخماً في الصناعة، ممّا جذب انتباه هيئات التقييس مثل (3GPP) أو (LTE) و (IEEE 802.16j) والتي تهدف أهدافها إلى زيادة سعة الشبكات الخلوية وتغطيتها، حيث يتم نشر الشبكة غير المتجانسة وإدارة التداخل في نشر الشبكة غير المتجانسة، وتجميع الناقل في شبكة غير متجانسة والراديو المعرفي، واختيار الخلية أو إعادة الاختيار وموازنة الحمل وإدارة التنقل والتسليم والقدرة وتحسين التغطية للشبكات غير المتجانسة وإدارة حركة المرور والتحكم في الازدحام.

يتم نشر الخلايا الكبيرة بالتساوي، بحيث تنتشر الخلايا الصغيرة بكثافة في المكاتب والأماكن العامة وتنتشر بشكل ضئيل في مناطق الجامعات، كما يتم نشر (femtocells) في المناطق السكنية ويتم تعريف نمط تنقل المستخدم لنمذجة بيئة الاتصال الحقيقية، حيث تُظهر نتائج المحاكاة أنّ (HTCN) تتطلب طاقة أقل (بالواط / كم ² / ميجابت في الثانية) وتحقق إنتاجية أعلى مقارنةً بشبكة (HMCN).

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

• “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution”.

مبدأ عمل الشبكات الخلوية غير المتجانسة

بالمقارنة مع الخلايا الكبيرة، عادةً ما تتمتع الخلايا البيكوسية بقدرة إرسال أقل وأسِّ خسارة أكبر للمسار أي هوائيات أقل، وكثافة مكانية أعلى أي العديد من الخلايا البيكوسيلية لكل خلية ماكروسيل وتحيز إيجابي بحيث يتم تشجيع مستخدمي الخلية الكبيرة بنشاط على استخدام المزيد بيكوسيلات محملة بخفة.

تُعد (HCNs) هي عامل التمكين الرئيسي للشبكة الخلوية (5G) لضمان اتصال أفضل للمستخدم في الشبكات فائقة الكثافة، كما يتم نشر أعداد كبيرة من الخلايا الصغيرة تحت نقطة ساخنة لشبكة استهداف الخلايا الكبيرة، ومع ذلك فإنّ ضمان تغطية سلسة للمشتركين المتنقلين يمثل تحديًا في مثل هذه الشبكات.

يؤدي التمرير المتكرر بين الخلايا ذات النطاق الترددي المختلف والإنتاجية والكمون واختراقات التغطية إلى زيادة كبيرة في حمل الإشارة في الشبكة، حيث يلعب مخطط إدارة التنقل الفعال دوراً رئيسيًا في نجاح تقنية (HCN)، كما أنّه بالنسبة لمستخدمي الأجهزة المحمولة في الشبكة يتم تقييم استهلاك الطاقة وتأخير اختيار الشبكة لمعمارية (k-tier) لـ (HCN).

كيفية لإدارة الشبكات الخلوية غير المتجانسة

يتم توفير طريقة لإدارة الشبكات الخلوية غير المتجانسة، وتتضمن الحصول على تقارير القياس من الكيانات اللاسلكية المتعلقة بكثافة تلقي الإشارات من قبل كل كيان لاسلكي، وبناءً على تقارير القياس هذه أو بناءً على المعلومات الجغرافية لعناصر (HetNet)، وتحديد خلية كبيرة تقع بالقرب من الخلايا الصغيرة اختيار إحدى الخلايا الصغيرة لتكون خلية بوابة والخلايا الصغيرة الأخرى لتكون خلايا داخلية.

خلية البوابة هي خلية صغيرة تستقبل أو تستقبل المحطات المتنقلة المتصلة بها والإشارات المرسلة بواسطة الخلية الكبيرة بكثافة تشبه على الأقل شدة استقبال هذه الإشارات في الخلايا الداخلية، كما تحديد معرفات الطبقة المادية (PLIs) المستخدمة في خلية الماكرو، وتحديد (PLI) لخلية البوابة التي لا تستخدمها حاليًا خلية الماكرو و(PLIs) المتاحة للاستخدام بواسطة الخلايا الداخلية.

لكي يتمكن مشغلو الشبكات اللاسلكية من حل واحدة من أكبر مشكلاتهم وكيفية الحصول على قوة إشارة أكبر، حيث يحتاج المرء أو يريدها أكثر من أي شيء آخر بدأ المشغلون في السنوات الأخيرة بنشر أنشطتهم الخاصة أو الاعتماد على المستخدمين النهائيين لشراء قاعدة صغيرة جدًا المحطات، ومن أجل تلبية الطلب المتزايد على حركة البيانات.

هذا النوع الجديد من مواقع الخلايا والمشار إليه بالخلايا الصغيرة أو الخلايا المركزية، يتم استخدامه بالاقتران مع الخلايا اللاسلكية للشبكات الخلوية التقليدية أي الخلايا الكلية، ويشار إلى الشبكات التي تتضمن كلاً من الخلايا الكبيرة والخلايا الكبرى على أنّها شبكات غير متجانسة (HetNets).

يمكن أيضاً تحقيق شبكات الخلايا الصغيرة عن طريق تكنولوجيا الراديو الموزعة التي تتكون من وحدات النطاق الأساسي المركزية ورؤوس الراديو البعيدة، كما يمكن استخدام تقنية (Beamforming) التي تركز على إشارة الراديو على منطقة محددة جدًا لزيادة تعزيز تغطية الخلايا الصغيرة أو تركيزها، والعامل المشترك في كل هذه الأساليب للخلايا الصغيرة هو أنّها تدار مركزيًا بواسطة مشغلي شبكات الهاتف المحمول.

كما يمكن للمستخدمين النهائيين شراء أجهزة صغيرة تمثل محطات قاعدة خلوية شخصية ويحتوي الجهاز عادةً على هوائي لتعزيز الإشارة المتاحة بالإضافة إلى الاتصال بالإنترنت، كما يستخدم الجهاز اتصال الإنترنت للمستخدم النهائي للاتصال بشبكة مزود الخدمة وتوجيه مكالمات المستخدم الهاتفية.

تشتمل المعلومات المتعلقة بالعلاقة الجغرافية على تقارير القياس للكيانات اللاسلكية العاملة حاليًا بالقرب من المجموعة الثانية من الخلايا الصغيرة، حيث تشتمل تقارير القياس على معلومات تتعلق بكثافة استقبال إشارات الاتصال من قبل كل واحد من المستقبلين، والكيانات اللاسلكية أو المعلومات هي معلومات التكوين التي تتعلق بخلايا ماكرو واحدة أو أكثر والمواقع الخاصة بها والخلايا الصغيرة والمواقع الخاصة بها.

تكون الخلية الصغيرة على الأقل التي يتم اختيارها كخلية بوابة، عبارة عن خلية صغيرة لها كثافة استقبال مساوية أو أعلى من إشارات الاتصالات المرسلة، بواسطة محطة قاعدة موجودة في خلية ماكرو واحدة على الأقل تم تحديدها، وأكثر من أي خلية أخرى خلايا صغيرة مدرجة في المجموعة الثانية من الخلايا الصغيرة.

كما يتم الاستقبال عن طريق الأجهزة المحمولة التي تبلغ عن تقارير القياس والتي تكون إما بالقرب من خلية صغيرة للبوابة أو بالقرب من الخلايا الصغيرة للشبكة الداخلية، أو بواسطة الخلية الصغيرة نفسها عند العمل في وضع قياس ذاتي أي أثناء التواجد في وضع الاستماع إلى الشبكة.

• “PLI” هي اختصار لـ “physical layer identifiers”.