أبريل 05, 2020 • Khubaib Ahmad

5G؛ كل ما تريد معرفته.

يُنظر إلى عام 2019 على أنه عام انطلاق تقنية الجيل الخامس، حيث سارعت العديد من شركات الاتصالات العالمية إلى تسريع استثماراتها في بنيتها التحتية لدعم حالات استخدام وخدمات الجيل الخامس، مما يوفر إمكانات هائلة للمستهلكين والشركات على حد سواء. يمثل الجيل الخامس تحولاً جوهرياً في الدور الذي تلعبه تقنيات الشبكات اللاسلكية في المجتمع، حيث تطور بشكل طبيعي من شبكات الجيل الرابع، ويقدم ميزات تكنولوجية متقدمة مثل زيادة سرعات البيانات، وانخفاض التأخير، وكفاءة الطيف. يمكن لشركات الاتصالات الاستفادة من قدرات الأداء العالية (لتقنية الجيل الخامس) وتمكين منتجات وحلول جديدة لجميع عملائها عبر قطاعات السوق التقليدية وغير التقليدية، مما يولد مصادر دخل وأرباح جديدة. ومع ذلك، فقد صُممت هياكل شبكات الهاتف المحمول الحالية لتوفير وتلبية متطلبات الصوت والوسائط المتعددة والبيانات، والتي أثبتت أنها منصة غير مرنة بما يكفي بسبب الواجهات المعقدة والعديد من ترقيات إصدار 3GPP. إن معرفة كيفية تطور الشبكات ستساعدنا على فهم الحاضر والتخطيط للمستقبل.

قدمت شبكات الجيل الأول (1G) خدمات الصوت التناظرية المتنقلة، وأرست اتصالاً لاسلكياً سلساً من خلال ترخيص الطيف الترددي (تركيب محطات قاعدية تُمكّن المشتركين من الوصول إلى شبكات الهاتف المحمول من خلال الاستخدام الحصري للطيف الراديوي) وإعادة استخدام الترددات (مواقع خلوية متعددة تُمكّن من نقل اتصال مباشر بين الخلايا أثناء المكالمة الصوتية، دون تداخل). على الرغم من أن الجيل الأول كان ثورياً، إلا أن البث التناظري كان محدوداً من حيث سعة الطيف الترددي، بالإضافة إلى محدودية قابلية التوسع باستخدام الأجهزة التناظرية (طاقة ثقيلة ومكلفة وغير فعالة).

ثم ظهر معيار GSM (2G)، الذي تطور من الإرسال التناظري إلى الرقمي، موفرًا سعة أكبر باستخدام أساليب TDMA، بالإضافة إلى دعم التجوال بين الشبكات المختلفة. وفّر GSM منصة شبكية لتمكين خدمات الهاتف المحمول الجديدة (الرسائل النصية القصيرة، رسائل الوسائط المتعددة، الرسائل المصورة)، وحسّن جودة الصوت ووضوحه من خلال الترميز الرقمي. تحسنت قابلية التوسع مع الأجهزة الرقمية نظرًا لرخص ثمنها وخفة وزنها (إشاراتها الرقمية تستهلك طاقة بطارية أقل) مقارنةً بالأجهزة التناظرية. لاحقًا، طُرح نظام GPRS (2.5G) لدعم تقنية تبديل الحزم، والتي وفرت في نهاية المطاف خدمات اتصالات البيانات، بما في ذلك WAP والبريد الإلكتروني والوصول إلى شبكة الويب العالمية بمعدل بيانات يتراوح بين 56 و144 كيلوبت/ثانية.

بعد مطلع الألفية الجديدة، شهدنا ارتفاعًا في الطلب على خدمات البيانات المتنقلة (الألعاب، ومؤتمرات الفيديو، ورسائل البريد الإلكتروني الكبيرة، وبث الفيديو) إلى جانب زيادة في اشتراكات الهاتف المحمول، وبالتالي بشرت شبكات الجيل الثالث (3G) (التي تنفذ UMTS) بعصر جديد من الوصول إلى الإنترنت عالي السرعة بسرعات نقل تبلغ 2 ميجابت في الثانية، وسعة أعلى وتجارب نطاق عريض متنقل محسنة. ومع تزايد الطلب المتزايد على سرعات الإنترنت العالية، تم تقديم شبكات الجيل الرابع (4G) في عام 2010، بهدف تقديم تجربة نطاق عريض متنقل أسرع وأفضل مع سعة بيانات أعلى. كانت المزايا ببساطة زيادة النطاق الترددي وعرض الخدمة من 3G مع زيادة الكفاءة من خلال تقليل التكلفة لكل بت على الشبكة. يتم تحقيق فوائد 4G تقنيًا من خلال تنفيذ OFDMA، ودعم القنوات الواسعة واستخدام مخططات ترميز الإشارة وتعدد الإرسال لتوفير سرعات بيانات أعلى (تصل إلى 100 ميجابت في الثانية) للعديد من المستخدمين. من أهم ما يميز تقنية الجيل الرابع عن الجيل الثالث هو اعتمادها على شبكة IP بالكامل، متخليةً عن البنية التحتية المعتمدة على التبديل الدائري. تُنقل خدمات الصوت والبيانات عبر شبكة تبديل الحزم (حيث تُستبدل المكالمات الصوتية بتقنية الهاتف عبر IP، أي VoLTE).

نحن الآن على أعتاب شبكة الجيل التالي، مع إطلاق محدود لتقنية الجيل الخامس في الولايات المتحدة، وسنبدأ برؤية إطلاقات عالمية أوسع نطاقًا في عامي 2019 و2020. يمكن أن تصبح تقنية الجيل الخامس المحرك الرئيسي لمجموعة واسعة من الخدمات والتطبيقات الصناعية الجديدة والمبتكرة. ومع ذلك، فإن تلبية حلول الاتصالات الجديدة يتطلب تلبية متطلبات تكنولوجية متنوعة ومعقدة، ومن المهم مراجعة المتطلبات التكنولوجية الفعلية لتقنية الجيل الخامس، مقارنةً بالأجيال السابقة.

المثلث الذهبي لمتطلبات تقنية الجيل الخامس هو زمن الوصول، وكثافة الاتصال ، والإنتاجية . الوصول إلى مستويات زمن وصول أقل من 10 مللي ثانية سيُشكل تحديًا لقوانين الفيزياء وأنماط تصميم الشبكات. يُعدّ زمن الوصول المنخفض متطلبًا أساسيًا لحالات الاستخدام التجاري التي تتطلب اتصالات فورية وموثوقة للغاية، مثل العمليات الجراحية عن بُعد والقيادة الذاتية.

بالانتقال إلى كثافة الاتصال - يمكن لشبكات الجيل الخامس توفير ما يصل إلى مليون اتصال لكل كيلومتر مربع (مما يدعم عددًا هائلاً من الاتصالات المتزامنة بالشبكة) مقارنةً بشبكات الجيل الرابع التي تبلغ كثافة اتصالها النموذجية 2000 اتصال لكل كيلومتر مربع. مع تزايد شعبية تطبيقات إنترنت الأشياء (مثل التكنولوجيا الذكية القابلة للارتداء، وتكنولوجيا المنازل الذكية، والمدن الذكية، والشبكات الذكية)، تُعد كثافة الاتصال العالية لشبكات الجيل الخامس قدرةً حيويةً تُمكّن من استخدامات الاتصالات الجماعية عبر الزمن (M-MTC) وتلبي متطلبات المجتمع الرقمي.

كانت أكبر ميزة شهدناها في التطور من الجيل الثالث إلى الجيل الرابع هي سرعة نقل البيانات، وسيكون هذا عاملاً رئيسياً في التقدم نحو الجيل الخامس. يهدف الجيل الخامس إلى توفير سرعة نقل بيانات تبلغ 10 جيجابت في الثانية، مما يُمكّن من استخدامات النطاق العريض المتنقل المُحسّن (eMBB)، وتوفير منصة بنية تحتية لخدمات جديدة مثل الواقع الافتراضي والواقع المعزز والدقة الفائقة.

إن تطبيق وتنفيذ المثلث الذهبي الموصوف أعلاه فقط لن يكون كافياً عندما يتعلق الأمر بتقديم تجارب المستخدم الفائقة والحلول الجديدة كلياً التي تعد بها تقنية الجيل الخامس. هناك إجراءات وتقنيات ونماذج أعمال معينة يجب على المشغلين تبنيها، وهذا يشمل الكفاءة الطيفية - ستكون هناك حاجة إلى طيف بترددات أعلى مع نطاقات ترددية أكبر لتوفير السعة اللازمة لدعم عدد كبير جدًا من الأجهزة المتصلة وتمكين سرعات أعلى للأجهزة المتصلة في نفس الوقت. تُعد الكفاءة الطيفية ضرورية مع بدء نفاد سعة شبكات المشغلين. سيتم طرح تقنية الجيل الخامس في نطاقات تردد أعلى، ومن المتوقع أن ينشر العديد من المشغلين أنظمة الجيل الخامس الخاصة بهم في مستوى نطاق التردد المليمتر واط. يُعد طيف الترددات الراديوية (RF) موردًا طبيعيًا محدودًا، مما يدعم النمو المستمر للتقنيات والأنظمة والخدمات اللاسلكية. ومع تشبع الكمية المتاحة من طيف الترددات الراديوية في البيئات عالية الكثافة، يجب مراعاة أساليب جديدة لكفاءة الطيف. تستخدم تقنية MIMO الضخمة هوائيات متعددة لنقل إشارات الناقل في وقت واحد، مما يؤدي إلى أداء وظائف الإدخال والإخراج ضمن نفس تخصيص الطيف، إلى جانب تشكيل الشعاع، وهي تقنية تستخدم لتركيز واجهات الراديو في شعاع لنقل واستقبال الإشارة الاتجاهية، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة طيف التردد اللاسلكي بشكل عام مما قد يؤدي في النهاية إلى تحسين تجربة المستخدم.

يجب على المشغلين أيضًا مراعاة استراتيجية NFV/SDN وكيفية دمجها في بنيتهم ​​الأساسية وBSS/OSS. تُعرّف تقنية المحاكاة الافتراضية لوظائف الشبكة (NFV) بأنها نقل وظائف الشبكة المادية (PNF) إلى وظائف الشبكة المرئية (VNF) وترميز برامج التطبيقات. يجب على الشركات ومشغلي الاتصالات تحويل وظائف شبكتهم الأساسية (مثل EPC وIMS وHSS) إلى وظائف شبكة مرئية، حيث يتم نشر تطبيقات الخدمة في مراكز البيانات على منصات سحابية. الشبكات المعرفة بالبرمجيات (SDN) هي امتداد لبنية السحابة وNFV، حيث تُجري تكوينًا ديناميكيًا لطوبولوجيا الشبكة من لوحة تحكم مركزية قائمة على البرمجيات، بناءً على الحمل والطلب ( أي توجيه سعة الشبكة الإضافية إلى حيث تكون هناك حاجة إليها للحفاظ على جودة تجربة العملاء في أوقات ذروة استهلاك البيانات ).

ستوفر استراتيجية "السحابة الشاملة" بنيةً متناغمةً ومنسقةً تدعم المرونة والأتمتة وضمان حلقة مغلقة ذكية عبر بنية تحتية شبكية واحدة قائمة على البرمجيات، قادرة على إدارة متطلبات الخدمة المتنوعة عبر وظائف الشبكة الافتراضية، وتدعم مرونة الشبكة، والتي توفرها تقنية "تقطيع الشبكة" (Network Slicing )، وهي وظيفة تُمكّن طبقات وظيفية مخصصة ومنطقية (شرائح) فوق بنية تحتية مادية مشتركة، مما يوفر شبكة افتراضية متكاملة عبر نطاقات متعددة (الوصول، النقل، النواة). تتيح مزايا المرونة التي توفرها تقنية "تقطيع الشبكة" لمشغلي الاتصالات فرصة تقسيم موارد شبكاتهم واستضافة مستخدمين متعددين، مما يُقدم نموذج أعمال "خدمة الشبكة/التقطيع كخدمة" (NSaaS) الذي سيوفر شبكة لاسلكية متكاملة ومخصصة، تستوعب وتُدير مجموعة متنوعة من تطبيقات الجيل الخامس ذات خصائص الإرسال المتميزة على بنية تحتية مشتركة واحدة.

أخيرًا، يجب علينا أن نأخذ في الاعتبار الحوسبة الحافة ، وهي متطلب تكنولوجي مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالسيارات المتصلة لأنها وظيفة معالجة بيانات التطبيق أقرب إلى المستخدمين على حافة الشبكة المحمولة، مما يتيح للشبكة تقديم زمن انتقال منخفض للغاية لحالات الاستخدام التجارية الحرجة (مثل السيارة ذاتية القيادة) أو تجارب المستخدم المحسنة (مثل الواقع المعزز / الواقع الافتراضي).

تقترب تقنية الجيل الخامس (5G) بسرعة، إلا أن شبكة الجيل القادم هذه ستكون مختلفة عن شبكات الجيل السابق. لا يقتصر الأمر على تقديم ميزات تقنية مُحسّنة لتوفير نطاق ترددي أعلى للمستهلكين فحسب، بل يهدف أيضًا إلى تغيير أسلوب العمل التقليدي لمزودي الاتصالات، وتمكينهم من طرح أنظمة بيئية جديدة كليًا لاستخدامات الجيل الخامس الجديدة. ويمكن لمن يتبنون هذا التغيير أن يصبحوا أصحاب المصلحة الرئيسيين في سلسلة القيمة، وسيكونون الرابحين الحقيقيين في عصر الجيل الخامس.