كيفية إعادة اختيار الخلية في وضع الخمول لأنظمة الاتصالات المتنقلة

من أجل معالجة حركة البيانات المتنقلة المتزايدة بشكل كبير في السنوات الأخيرة، فإنّ نظام الجيل الخامس (5G) أو تقنية الوصول إلى الراديو الجديدة (NR)، والتي هي عبارة عن نظام اتصالات من الجيل التالي منذ التطور طويل المدى (LTE) أو الوصول الراديوي الأرضي العالمي المتطور بنشاط.

أساسيات إعادة اختيار الخلية في وضع الخمول لأنظمة الاتصالات المتنقلة

يركز نظام الاتصالات المتنقلة الحالي على الاتصالات الصوتية أو البيانات النموذجية، بينما يهدف نظام (5G) إلى تلبية العديد من الخدمات، مثل خدمة النطاق العريض المتنقل المحسّن (eMBB) لتعزيز الاتصالات الصوتية أو البيانات الحالية وهي خدمة موثوقة للغاية أو فائقة، وخدمة اتصالات بزمن انتقال منخفض (URLLC) وخدمة اتصال من نوع الجهاز (MTC ضخمة) تدعم الاتصال الجماهيري للأشياء والمتطلبات.

تكون شبكة وصول لاسلكي من الجيل التالي من أنظمة الاتصالات المتنقلة تتضمن محطة قاعدة من الجيل التالي أي عقدة راديو جديدة (NR NB) وشبكة أساسية من الجيل التالي كشبكة راديو أساسية جديدة (NR CN) ووظيفة إدارة الوصول والتنقل (AMF)، وظيفة مستوى المستخدم (UPF) ووظيفة إدارة الجلسة (SMF)، وجهاز مستعمل لاسلكي جديد (NR UE) قد يكون متصلاً بشبكة خارجية عبر (NR NB) و(NR CN).

وفي الوقت نفسه قد يتوافق (NR NB) مع محطة قاعدة من نظام (LTE) موجود، ويتم توصيل (NR NB) بـ (NR UE) عبر قناة راديو، وقد يوفر خدمة أعلى من العقدة B الحالية وفي الجيل التالي من نظام الاتصالات المتنقلة، حيث يتم تقديم جميع حركات المستخدم من خلال قناة مشتركة يلزم وجود جهاز لجمع معلومات الحالة مثل حالة المخزن المؤقت، وحالة قدرة الإرسال المتاحة وحالة قناة تجهيزات المستعمل لإجراء الجدولة، وقد يتحكم واحد (NR NB) عادةً في خلايا متعددة.

من أجل تحقيق نقل بيانات فائقة السرعة مقارنةً بشبكة (LTE) الحالية، قد يكون لنظام الاتصالات المتنقلة من الجيل التالي عرض نطاق يساوي، أو أكبر من عرض النطاق الترددي الأقصى لشبكة (LTE) الحالية، وقد يطبق تقنية تشكيل الحزمة باستخدام تقسيم التردد المتعامد تعدد الإرسال (OFDM) كتقنية وصول إلى الراديو، وعلاوة على ذلك يمكن تطبيق مخطط تشكيل وتشفير تكييفي لتحديد مخطط تشكيل ومعدل تشفير للقناة يعتمد على حالة قناة المطراف.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution” و”NR” هي اختصار لـ “New Radio”.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiplexing” و”NR NB” هي اختصار لـ “New-Radio-Narrow-Band”.

• “UPF” هي اختصار لـ “User Plane Function” و”AMF” هي اختصار لـ “Access and Mobility Management Function”.

• “SMF” هي اختصار لـ “Single Mode Fiber” و”UE” هي اختصار لـ “User equipment”.

• “NR CN” هي اختصار لـ “New Radio computer network” و”MTC” هي اختصار لـ “Machine Type Communications”.

• “eMBB” هي اختصار لـ “enhanced Mobile Broadband” و”URLLC” هي اختصار لـ “Ultra-reliable low-latency communication”.

مبدأ إعادة اختيار الخلية في وضع الخمول لأنظمة الاتصالات المتنقلة

قد يؤدي (NR CN) وظائف مثل دعم التنقل وإعداد الحامل وإعداد (QoS) وما شابه، ويعتبر (NR CN) جهازاً يعمل على أداء وظائف التحكم المختلفة، بالإضافة إلى وظيفة إدارة التنقل للمطراف ويمكن توصيله بمجموعة من محطات القاعدة، وقد يعمل نظام الاتصالات المتنقلة من الجيل التالي حتى مع نظام (LTE) الحالي وقد يتم توصيل (NR CN) بـ (MME) من خلال واجهة شبكة، ويتم توصيل (MME) بـ (eNB) وهي المحطة الأساسية لشبكة (LTE) الحالية.

عرض النطاق الترددي لنقل النظام لكل ناقل منفرد لشبكات (LTE) و(LTE-A) يقتصر على (20 ميجاهرتز) كحد أقصى، بينما يهدف نظام (5G) إلى توفير خدمات بيانات فائقة السرعة تصل إلى عدة جيجابت في الثانية باستخدام عرض نطاق عريض للغاية أوسع بكثير من ذلك، ونتيجة لذلك اعتبر نظام (5G) تردداً مرشحاً نطاقاً عالي التردد من عدة جيجاهرتز إلى (100 جيجاهرتز)، وهو أمر سهل نسبياً لتأمين تردد واسع النطاق.

يبلغ طول الموجة الراديوية في نطاق التردد العالي جدًا حوالي عدة (مم) ولذلك يُشار إليها أحيانًا باسم موجة ملليمتر (mmWave)، ومع ذلك في النطاق عالي التردد يزداد فقدان مسار الموجة الراديوية بما يتناسب مع نطاق التردد بحيث تصبح تغطية نظام الاتصالات المتنقلة صغيرة.

ومن أجل التغلب على عيوب التخفيض في تغطية نطاق التردد العالي جداً، فإن تقنية تشكيل الحزمة لتركيز الطاقة الإشعاعية، لموجة راديوية على وجهة محددة مسبقاً باستخدام مجموعة من الهوائيات لزيادة مسافة وصول الموجة الراديوية هي تصبح أكثر أهمية، ويمكن تطبيق تقنية تشكيل الحزمة على طرف إرسال وطرف مستقبِل، وتقلل تقنية تشكيل الحزمة أيضاً التداخل في مناطق أخرى غير اتجاه تشكيل الحزمة بالإضافة إلى زيادة التغطية، ولكي تعمل تقنية تشكيل الحزمة بشكل صحيح يلزم وجود طريقة لقياس وإعادة تغذية حزمة الإرسال أو الاستقبال بدقة.

الوحدة الأساسية للمورد في مجال التردد الزمني هي عنصر مورد (RE) ويمكن تمثيلها بواسطة فهرس رمز (OFDM) أو فهرس رمز (SC-FDMA) ودليل ناقل فرعي، وتُعرَّف فترة الموارد (RB) أو فترة الموارد المادية (PRB) بواسطة رموز (N-symb) المستمرة (OFDM) أو رمز (SC-FDMA) في المجال الزمني والموجات الحاملة الفرعية المستمرة (NRB) في مجال التردد، لذلك يتكون (RB) واحد من (N-symb × NRB REs).

• “QoS” هي اختصار لـ “Quality of service” و”PRB” هي اختصار لـ “Physical Resource Block”.

• “SC-FDMA” هي اختصار لـ “Single-carrier frequency division multiple access” و”MME” هي اختصار لـ “Mobility Management Entity”.

تطور مبدأ إعادة اختيار الخلية في وضع الخمول لأنظمة الاتصالات المتنقلة

في أنظمة (LTE) و(LTE-A) يتم تعيين البيانات في وحدة (RB) وتقوم المحطة الأساسية بالجدولة على محطة محددة مسبقًا في وحدة زوج (RB) مكونة إطاراً فرعياً واحداً، كما يمكن تحديد عدد رموز (SC-FDMA) أو عدد رموز (OFDM N-symb) هو (230) اعتماداً على طول البادئة الدورية (CP) المضافة إلى كل رمز لمنع التداخل بين الرموز.

تم تصميم هيكل إطار أنظمة (LTE) و(LTE-A) مع مراعاة الاتصالات الصوتية أو البيانات العادية، وله قيود في قابلية التوسع لتلبية الخدمات والمتطلبات المختلفة مثل نظام (5G)، لذلك يحتاج نظام (5G) إلى تحديد وتشغيل هيكل الإطار بمرونة مع مراعاة الخدمات والمتطلبات المختلفة.

نظراً لأنّ نطاق تردد التشغيل لنظام (5G) يكون عريضاً من عدة مئات من ميجاهيرتز إلى (100 جيجاهيرتز) فقد يكون الإرسال والاستقبال المناسب لبيئة القناة لكل نطاق تردد صعباً، إذا تم تشغيل بنية إطار واحد عبر نطاق التردد بأكمله، أي أنّ نظام (5G) يقسم نطاق التردد التشغيلي وبالتالي يشغل هيكل الرتل الذي يحدد تباعد الموجة الحاملة الفرعية، وبالتالي إرسال واستقبال إشارة بكفاءة.

وللتغلب على تدهور الأداء بسبب ضوضاء الطور في نطاق التردد العالي، يُفضل إبقاء تباعد الموجة الحاملة الفرعية كبيراً نسبياً، وبالإضافة إلى نطاق تردد التشغيل قد يكون حجم الخلية أيضاً اعتباراً أساسياً لتحديد بنية الرتل، وعندما يكون حجم الخلية كبيراً قد يكون من الأفضل تطبيق طول (CP) طويل نسبياً لتجنب التداخل بين الرموز بسبب إشارة الانتشار متعدد المسيرات.