في البداية، كان هناك بعض المعارضة والتشكيك من الجمهور تجاه محاولات نشر شبكة الجيل الخامس. ولكن مع مرور الوقت، بدأ عدد متزايد من الأفراد في استخدام هذه التكنولوجيا الجديدة. فهو يسهل عمليات نقل البيانات المتنقلة السريعة والاتصالات بين مجموعة واسعة من الأجهزة المختلفة، مثل أجهزة الاستشعار البيئية أو الوحدات التي تحدد عناصر أو أحداث معينة. وبالتالي فإن التنبؤ والرصد والتحكم عن بعد، وغير ذلك من المهام التي كانت في السابق غير ممكنة أو غير قابلة للتحقيق بسبب القيود التكنولوجية التي تفرضها الشبكات اللاسلكية، أصبحت أكثر سهولة.

كان تثبيت ترقيات البرامج في المحطات الأساسية هو الخطوة الأولى في تطبيق تقنية نقل 5G، والتي كانت تعتمد على تقنية 4G LTE التي كانت مستخدمة بالفعل. ومع ذلك، أثر هذا النهج في الغالب على التسويق والترويج للشبكة الجديدة، مما يجعل من الصعب الاستفادة الكاملة من تقنية الجيل الخامس. ومع ذلك، يجب أيضًا الاعتراف بوجود فوائد معينة مقارنة بـ LTE. أولا، دون توسيع البنية التحتية المادية، وتم تحسين قدرة الشبكة، وثانيًا، تم رفع سرعة النقل. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام ترددات حاملة أعلى (النطاق “C”) لتمكين سرعات نقل تصل إلى عدة جيجابت في الثانية بعد أن ظلت البنية التحتية “القديمة” قائمة لفترة من الوقت.

وفي منطقة مساحتها كيلومتر مربع واحد، يمكن لشبكة 5G تشغيل ما يصل إلى مليون جهاز. يتأثر تطوير إنترنت الأشياء، والمدن الذكية، والزراعة الحديثة، والصناعة 4.0، والتطبيقات الأخرى – مثل أنظمة إدارة إمدادات المياه والإضاءة، وبرامج تحليل كثافة حركة المرور، وبرامج إدارة مواقف السيارات، والإشراف على تشغيل المركبات المستقلة – بشكل كبير بهذه القدرة. علاوة على ذلك، وبسبب سعة الشبكة الرائعة، قد تتفاعل الأجهزة مع بعضها البعض بالإضافة إلى إرسال البيانات إلى النظام الذي يراقب عملياتها أو يقوم بالتنبؤات. لا يزال من الممكن مشاركة البيانات المتعلقة بالحوادث والاختناقات المرورية والتحويلات بفضل الحلول المثبتة في بعض السيارات ذاتية القيادة اليوم. بالإضافة إلى ذلك، هناك أنظمة يمكنها القضاء على الازدحام من خلال التحكم في إشارات المرور بناءً على حركة المرور الحقيقية.

تكنولوجيا 5G: مقدمة

يتراوح نطاق التردد اللاسلكي الأساسي الذي تستخدمه شبكات 5G بين 3.3 و4.9 جيجا هرتز. يتم تخصيص نطاقات تردد أقل للأجهزة المخصصة لاختراق الغرف وتغطية مساحة أوسع (<1 جيجاهرتز). تستخدم التطبيقات التي توفر الاتصال الداخلي والخارجي ونقاط الاتصال المحلية موجات ملليمترية يتراوح نطاق ترددها بين 24 و28 جيجا هرتز و39 جيجا هرتز. نظرًا لأنها تسمح بدمج الموجات من نطاقات تردد مختلفة، فقد تم تصميم واجهة التردد اللاسلكي لشبكة 5G لتوفير أكبر قدر من المرونة.

يعد نشر صفائف الهوائي وتقنية MIMO جانبين أكثر أهمية في الواجهة الجديدة. من أجل ضمان تغطية المنطقة وتوجيه حزم الترددات الراديوية بعيدًا عن رأس المستخدم (في الأجهزة المحمولة)، تم تجهيز المحطات الأساسية بهوائيات، تُعرف أيضًا باسم Massive MIMO، والتي تساعد في تكوين كل من خصائص التردد والإشعاع بشكل صحيح. لذلك، خلال المراحل الأولى من النشر، سمحت هوائيات MIMO بشبكات LTE و5G التكنولوجيات “تتعايش” في نفس المكان.

تعد واجهة ORAN (شبكة الوصول الراديوي المفتوحة)، التي تربط مسار التردد اللاسلكي بأجهزة الحافة السحابية، أحد مكونات شبكة الراديو 5G. فهو يوفر الوصول إلى الموارد والخدمات السحابية ويتيح النشر المرن للخدمات. تقوم أجهزة الحافة السحابية بتنفيذ مهام المعالجة اللازمة لتشغيل مسار الترددات الراديوية بشكل صحيح، مما يضمن تعديل سعة الشبكة على الفور بما يتوافق مع الاحتياجات الحقيقية.

وبما أن تطبيقات شبكة الجيل الخامس الجديدة تغطي نطاقًا أوسع، فمن المحتمل أن تنمو أيضًا مجموعة متنوعة من طرق التعديل. على سبيل المثال، نظرًا لأن الاتصال الثابت المستخدم لإرسال البيانات من الشبكة الرئيسية إلى الشبكات الفرعية يستخدم بالفعل نظام تعديل أعلى من 256QAM، فقد يتم تضمين نظام التشكيل 1024QAM في مواصفات واجهة التردد الراديوي. اعتمادًا على المعدات الطرفية، يمكن أيضًا تضمين مخططات التعديل في متطلبات السطح البيني للترددات الراديوية.

تكنولوجيا OFDM القابلة للتطوير ضرورية لتشغيل مجموعة متنوعة من الخدمات عبر نطاق ترددي واسع. وهو يستلزم تعدد إرسال مجال التردد، أو الإرسال المتزامن للعديد من تدفقات البيانات باستخدام ترددات حاملة متعامدة. بالنسبة للخدمات ذات الترددات الحاملة العالية والمناطق الصغيرة حيث يكون الكمون أحد الاعتبارات الحاسمة، يمكن أن يكون من الممكن تحقيق تباعد أكبر بين الموجات الحاملة. تتيح الترددات الحاملة الفردية المنخفضة مساحة أقل بينها، وهو أمر مفيد بشكل خاص لخدمات الوسائط المتعددة مثل eMBMS، وخدمات المناطق الكبيرة، والمعدات ذات النطاق الضيق. ومن خلال مضاعفة تقسيم قناتين مختلفتين، سيكون من الممكن أيضًا استخدام نفس الموجات الحاملة لخدمة العديد من الخدمات بمتطلبات مختلفة في نفس الوقت.

5G – الافتراضات الرئيسية

تم تصميم قطاعات الخدمات المهمة التالية ليتم تشغيلها بواسطة بنية شبكة 5G:

الاتصال عبر النطاق العريض المتنقل المحسّن (eMBB) يتم توسيع وتحسين الخدمات المستخدمة الآن في تطبيقات نقل البيانات المتنقلة من خلال منطقة الخدمة هذه. ويضمن سرعات نقل تبلغ 10 جيجابت/ثانية للاستخدامات عالية الإنتاجية مثل ألعاب الواقع الافتراضي/الواقع المعزز وبث الفيديو.
اتصالات الأجهزة الضخمة (mMTC) الغرض من هذه الخدمة هو ربط عدد كبير من الأجهزة. ومن المتوقع أن تكون التطبيقات المتعلقة بحلول المدينة الذكية وتطبيقات إنترنت الأشياء الأخرى هي الاستخدامات الأساسية لها.
بالنسبة للتطبيقات الأساسية التي تتطلب الاعتمادية على الشبكة، وزمن وصول منخفض (أقل من 1 مللي ثانية)، وأوقات رد فعل سريعة، فإن اتصالات زمن الاستجابة المنخفضة الموثوقة للغاية (URLLC) هي الخيار المثالي. تعتبر السيارات ذاتية القيادة وأنظمة التحكم عن بعد للآلات الصناعية أمثلة على هذه الاستخدامات.

eMBB، أو شبكة النطاق العريض المتنقلة

عندما تم تنفيذ تقنية الجيل الخامس لأول مرة، كان التركيز الأساسي على زيادة سرعات نقل البيانات من أجل تحسين قدرات تطبيقات النطاق العريض المتنقلة.

ونظرًا لأن تقنية 5G تستخدم عمليات إرسال ذات نطاق عريض مدعومة بتقنية MIMO، فمن الممكن تحقيق سرعات نقل عالية للغاية. بالنسبة لترددات الموجة الحاملة الأقل من 1 جيجاهرتز، فإن الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي المعتاد هو 20 ميجاهرتز، وهو ما يتوافق مع سرعات TDD (ثنائية التقسيم الزمني) تبلغ 200 ميجابت/ثانية عند 2 × 2 MIMO. يمكن تحقيق معدلات نقل تصل إلى 2 جيجابت في الثانية باستخدام نطاق TDD بتردد 100 ميجاهرتز وتطبيقات 4×4 MIMO. بالإضافة إلى ذلك، توفر الموجات المليمترية في نطاق التردد 24-28 جيجا هرتز 10-20 جيجابت/ثانية عند عرض النطاق الترددي 1 جيجا هرتز مع 2×2 و4×4 MIMO.

أصبح من الممكن تحقيق معدلات نقل بيانات أعلى وقدرة شبكة أكبر بكثير من خلال إدخال تقنية 5G في شبكات LTE الموجودة مسبقًا. كان هذا في الغالب بسبب استخدام مصفوفات الهوائي وتقنية MIMO. في المتوسط كثافة حركة المرور، تضمن خلية LTE ذات عرض النطاق الترددي 20 ميجا هرتز إنتاجية تصل إلى 40 ميجا بايت / ثانية في شبكات العالم الحقيقي. يمكن لخلية شبكة 5G ذات عرض نطاق ترددي يبلغ 100 ميجاهرتز أن تربط 20 ضعف عدد الأشخاص لأنها تستخدم نطاق تردد أكبر بخمس مرات. حتى الآن، ضمنت تقنية 5G أكبر توسع في السعة في تاريخ شبكة الهاتف المحمول.

ملايين الأجهزة المرتبطة (mMTC)

تشمل مناطق خدمة 5G الاتصالات الآلية الضخمة (mMTC)، وهي واحدة من القطاعات الثلاثة الرئيسية. فهو يجعل من السهل إرسال واستقبال كميات هائلة من حزم البيانات الصغيرة، مثل بيانات الاستشعار، بين عدة أجهزة. يعمل mMTC على تبسيط استخدام التطبيقات التي تجمع البيانات من أجهزة استشعار إنترنت الأشياء لتحسين جودة حياة المستخدمين أو الخدمات التي يقدمونها.

بالمقارنة مع تقنية LTE، يوفر mMTC كثافة جهاز تصل إلى 1 مليون جهاز لكل كيلومتر مربع، وهو أعلى بأكثر من عشرة أضعاف. ونتيجة لذلك، توفر تقنية الجيل الخامس البنية التحتية اللازمة لتشغيل أنظمة استشعار ضخمة مرتبطة عبر شبكة من محطات الهاتف المحمول الأساسية.

تم تصميم منطقة خدمة mMTC لاستيعاب عمليات نشر إنترنت الأشياء واسعة النطاق التي تدير عددًا كبيرًا من الأجهزة منخفضة الطاقة لعمليات نقل البيانات الصغيرة المتكررة. يعد العمر الممتد للبطارية – الذي يصل إلى عشر سنوات – أحد الاحتياجات الأساسية لمثل هذه الأدوات.

عادةً، توفر مستشعرات إنترنت الأشياء حزم بيانات صغيرة يصل طولها إلى 10 كيلومترات طول. وهذا يجعلها مثالية لاستخدامات مثل الزراعة، حيث يمكن لمئات من أجهزة الاستشعار توفير معلومات عن الطقس، ومحتوى الرطوبة في التربة، وحالة المعدات المنتشرة عبر مناطق زراعية كبيرة. على سبيل المثال، يمكن تحسين وتيرة ومناطق الري باستخدام هذه البيانات. لا يمكن لأجهزة الاستشعار استخدام الموجات المليمترية، التي لها نطاق منخفض نسبيًا ويتم تقليلها بشكل كبير بسبب العوائق الخارجية، في هذا النوع من التطبيقات. وللقيام بذلك، يلزم توفر الميزة الأساسية لشبكة 5G، والتي تسمح لكل منطقة من مناطق الخدمة الثلاث بالعمل كشبكة منفصلة داخل نفس البنية التحتية المادية.

URLLC = تحسين اعتمادية الاتصال

التطبيقات التي تحتاج إلى فترات استجابة منخفضة جدًا (أقل من 1 مللي ثانية) واستقرار كبير للشبكة هي الجمهور المستهدف لخدمة URLLC. يعد تشغيل الطائرات بدون طيار أو المركبات مثالين على هذه الاستخدامات. وهناك العديد من المزايا لذلك، بما في ذلك زيادة السلامة على الطرق وتوفير الوقت. ويجب أن تظل المركبات متصلة بالبنية التحتية، بما في ذلك إشارات المرور وخدمات الطوارئ وصيانة الطرق، وكذلك مع بعضها البعض. نظرًا لأن الاتصالات الموثوقة والآمنة فقط هي التي يمكنها ضمان الدرجة اللازمة من الأمان في مثل هذه الحالة، فيجب إرسال البيانات في الوقت الفعلي بأقل قدر ممكن من التأخير.

تعد أوقات الاستجابة القصيرة والاعتمادية الخالية من العيوب من خصائص URLLC. يحدد هذا الشرط عدم تسليم أكثر من 0.001% من الحزم ذات 20 بايت بتأخير أكبر من 1 مللي ثانية. من خلال الاستفادة من تقنيات مثل تشكيل الحزم، وتقطيع الشبكة، وبروتوكولات إعادة إرسال الحزمة، تهدف بنية شبكة 5G إلى القضاء على مشاكل التسليم والفشل.

في نظام 4G LTE، يتبادل جهاز المستخدم والمحطة الأساسية سلسلة من طلبات الإشارة (المصافحة) قبل نقل أي نوع من البيانات. يجب أن تسمح المحطة الأساسية بالوصول قبل نقل البيانات، مما يؤدي إلى زيادة وقت الاستجابة بما يصل إلى 11 مللي ثانية. ومن خلال استخدام تقنيات مثل تشكيل الحزم، وتقطيع الشبكة، وبروتوكولات إعادة إرسال الحزمة، تهدف بنية شبكة 5G إلى القضاء على مشاكل التسليم والفشل.

في نظام 4G LTE، يتبادل جهاز المستخدم والمحطة الأساسية سلسلة من طلبات الإشارة (المصافحة) قبل نقل أي نوع من البيانات. يجب أن تسمح المحطة الأساسية بالوصول قبل نقل البيانات، مما يؤدي إلى زيادة وقت الاستجابة بما يصل إلى 11 مللي ثانية. يمكن للمحطات الأساسية حجز الإنتاجية لنقل الاتصال بهذه الطريقة نظرًا لأن نظام URLLC 5G يتمتع بوصول غير مقيد إلى اتصال الوصلة الصاعدة. انخفض زمن الوصول للمسار بشكل كبير نظرًا لعدم وجود جهاز المستخدم لانتظار الجدولة وطلبات الوصول.

مستقبل شبكات 5G

نظرًا للتعقيد المتزايد للشبكات الناتج عن طرح شبكات الجيل الخامس، فقد يتم الآن تقديم تقنيات جديدة لتلبية مجموعة واسعة من الاحتياجات في كل من المنازل والشركات. وهذا بدوره يؤدي إلى تنويع قطاع الاتصالات ووفرة الفرص التي يوفرها التوسع المستمر في إمكانية الوصول إلى شبكة الجيل الخامس في جميع أنحاء العالم. على وجه التحديد، سيوفر URLLC اتصالاً للتطبيقات الحيوية، وهو مفهوم تمت مناقشته لسنوات ولكن تم تطبيقه مؤخرًا.

سيوفر تطوير الأدوات عالية الأداء المزيد من الصعوبات لمطوري البرامج ومصممي المعدات الإلكترونية. لضمان أعلى مستوى من الأمان والاعتمادية لبعض التطبيقات، قد يحتاج مطورو البرامج إلى استخدام بروتوكولات جديدة وأنماط ترميز واستراتيجيات مشاركة. لضمان أن المعدات الحالية تلبي معايير نطاق تردد 5G أو المتطلبات المتغيرة باستمرار لسرعة تشغيل البطارية وطول العمر، يتم إجراء التحديثات سيكون من الضروري أيضا.