تعد شبكة الجيل الخامس 5G العمود الفقري لصناعة الاتصالات، وستحقق تطبيقات ثورية في أسواق أخرى مثل الصناعة والسيارات والطب وحتى الدفاع الوطني. بالنسبة لعالم متصل بشكل متزايد بإنترنت الأشياء (IoT)، فإن التحسينات الملحوظة التي حققتها شبكة 5G في السرعة (أسرع بـ 10 مرات على الأقل من 4G، وتصل إلى 10 جيجابت في الثانية)، وزمن الوصول (أقل 10 مرات من 4G، وصولاً إلى 1 مللي ثانية) والكثافة (دعم 1 مللي ثانية) مليون جهاز إنترنت الأشياء لكل كيلومتر مربع) ستجعل العديد من التطبيقات المبتكرة ممكنة، خاصة في المجالات المهمة مثل الأمان والموثوقية وجودة الخدمة والكفاءة والتكلفة.

كما هو موضح في الشكل أدناه، ستحقق تقنية 5G الربط البيني بين السلع والخدمات، في حين ستتواجد "البضائع" في مساحة المستخدم أو المؤسسة، بينما ستتواجد "الخدمات" عادةً في السحابة. وستكون شبكة 5G قادرة على تقسيم الاتصال الموازي بمرونة، والتكيف بشكل مثالي مع مستوى الخدمة الذي يطلبه المستخدمون من خلال التعديل، وتوفير نظام ممتاز لتوازن التكلفة / الأداء.

لا تعد تقنية الجيل الخامس "5G" مجرد "عصر" آخر في تطوير معايير الاتصالات، ولكنها أيضًا مصطلح عام يحتوي على ثلاثة اتجاهات رئيسية على الأقل. ووفقاً لتعريف الاتحاد الدولي للاتصالات، فإن الاتجاه الأول هو النطاق العريض المتنقل المعزز (emBB)، والذي سيعزز مجالات الابتكار، مثل الواقع المعزز والواقع الافتراضي. الاتجاه الثاني هو الاتصالات الضخمة على مستوى الآلة (mMTC)، بما في ذلك اتصال أجهزة استشعار إنترنت الأشياء في كل مكان. والثالث هو الاتصال ذو التأخير المنخفض والموثوق للغاية للتطبيقات الرئيسية، مثل القيادة الأوتوماتيكية أو الجراحة عن بعد.

ستكون تقنية الجيل الخامس في كل مكان، لتغطي الهواتف الذكية والسيارات والمرافق والأجهزة القابلة للارتداء وغرف عمليات المستشفيات والمصانع الكبيرة وشبكات الطاقة وغيرها من التطبيقات، وستكون أقرب إلى مفهوم المدن الذكية والتصنيع الذكي والعالم المتصل.

ويرتبط راديو 5G الجديد (NR) بشبكة LTE Advanced، والتي لا تزال جزءًا أساسيًا من منصة 5G لضمان التشغيل على البنية التحتية للشبكة الأساسية الحالية. ومع إطلاق النسخة الخامسة عشرة من برنامج شراكة الجيل الثالث (3GPP) الذي اكتمل في نهاية عام 2017، مكّن هذا النهج الصناعة من تحقيق تقدم مطرد في الطيف تحت 6 جيجا هرتز. وبحلول عام 2020، ستكون النسخة الخامسة عشرة قادرة على تعزيز النشر المبكر لمعظم شبكات الجيل الخامس.

ومع ذلك، من المتوقع أن يؤثر المعيار السادس عشر الذي تم إصداره في النصف الثاني من عام 2019 على طيف الترددات فوق 6 جيجا هرتز (موجة z ملليمتر) (انظر الشكل أدناه).

تعتبر الطبعة السادسة عشرة ضرورية لخدمات الاتصالات الهامة، والواقع الافتراضي، وإنترنت الأشياء ذات الطاقة المنخفضة (LPWA). من المتوقع أن يحقق هذا المعيار الإمكانات الحقيقية التي توصف عادةً بأنها رؤية 5G - حيث ستمكن العديد من التطبيقات والوظائف الجديدة المتنوعة، مثل مشاركة الطيف، ومعيار الإنترنت الخلوي للمركبات (C-V2X) لصناعة السيارات، وما إلى ذلك. مما أدى إلى تغيير نمط صناعة الاتصالات بشكل كامل.

الحالة التجارية الأولى لـ 5G واضحة جدًا:

فهو يعمل على تحسين سعة الشبكة وسرعتها وموثوقيتها وتوافرها، ويقلل زمن الوصول بنفس تكلفة 4G.

تم وضع حالة العمل الثانية موضع التشغيل التجاري في الولايات المتحدة، وهي التطبيق اللاسلكي الثابت، الذي يستخدم تردد الموجة المليمترية (لم يتم تحديد 3GPP) لتغطية المستخدمين البعيدين، وذلك لتوفير اتصال بسرعة 300 ميجابت في الثانية أو أكثر كاتصال رخيص الثمن بديل تركيب الألياف الضوئية. وقد استوفى هذا متطلبات معظم مشغلي شبكات الهاتف المحمول في العالم الذين شاركوا في اختبار واختبار 5G المبكر، بالإضافة إلى المشغلين الذين قاموا ببناء البنية التحتية لدعم إطلاق خدمات 5G (قم أولاً ببناء البنية التحتية في الشبكة الأساسية، وزيادة التغطية كثافة الشبكات الخلوية الجديدة غير المتجانسة).

من بين البلدان/المناطق التي شاركت في الاختبار والاختبار المبكر، بدأت الولايات المتحدة في الترويج لـ 5G بشكل أسرع من أي دولة أخرى للتحضير للتكثيف المطلوب لتغطية الشبكة الخلوية، لكنها تخلفت في تركيب محطات الإرسال والاستقبال الأساسية (BTS). كمرجع، قامت الولايات المتحدة بتركيب حوالي 200000 محطة قاعدية في عام 2018، بينما احتفظت الصين بحوالي 2 مليون محطة قاعدية. بالإضافة إلى ذلك، تمتلك الصين أيضًا 70% من اتصالات إنترنت الأشياء الموجودة في العالم، مما يجعل احتياجات الترويج للبلدين مختلفة تمامًا. حتى وقت كتابة هذا التقرير، كانت هناك مزادات تردد جديدة في كوريا الجنوبية وأستراليا والمملكة المتحدة وإيطاليا وإسبانيا والولايات المتحدة وألمانيا أو تم تضمينها في الخطة.

وفي المؤتمر العالمي للاتصالات المتنقلة لعام 2018، توقعت جمعية GSMA أنه بحلول عام 2023، سيكون هناك حوالي 400 مليون اتصال 5G (30% منها في الولايات المتحدة) تغطي تطبيقات المستهلك وتطبيقات المؤسسات.

لا يقتصر الأمر على مقدمي خدمات الاتصالات (CSPs) الذين لديهم توقعات كبيرة لتطوير 5G، لأن العديد من اللاعبين غير التقليديين حريصون أيضًا على تجربة مجال 5G. يراقب موفرو الوسائط عبر الإنترنت (OTT) (بما في ذلك Facebook وMicrosoft وGoogle وAmazon) عن كثب الفرص التجارية. يمتلك موفرو OTT هؤلاء السحابة، حيث توجد معظم الخدمات، لذا فهم المشاركون الرئيسيون في عمليات 5G. ومع ذلك، ليس لديهم حقوق الوصول، ولا يزال هذا الجزء مستضافًا بالكامل بواسطة CSP.

حتى أثناء تنفيذ تقنية 4G، تمت إضفاء الطابع الافتراضي على العديد من وظائف الشبكة، مما يمكّن الجزء السحابي العام من البنية التحتية (البنية التحتية كخدمة) من التطور بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فإن القناة لا تزال في أيدي CSP. يتطلب نظام الوظائف التكافلية الاتصال الصحيح بين مقدمي الخدمات والمستخدمين والإدارة الذكية لهم. وفي عملية تطوير هذه الاتصالات، سيتم تضمين تقنيات جديدة مثل تقطيع الشبكة والحوسبة الطرفية، وهي ميزات جديدة مهمة لـ 5G.

شريحة الشبكة

يعد جعل الحوسبة أقرب إلى المستخدمين (حوسبة الحافة) جزءًا مهمًا من مخطط 5G. ومع ذلك، هناك عنصر مستقبلي آخر بنفس القدر من الأهمية لـ 5G وهو مفهوم تقطيع الشبكة، والذي يمكن أن يجعل مفهوم الشبكة المحددة ببرمجيات 4G يصل إلى مستوى جديد.

كما هو موضح في الشكل أدناه، يسمح تقطيع الشبكة للمشغلين بفصل طبقة تدفق الحزمة عن طبقة التحكم، ويدعم التشغيل المتوازي لتطبيقات وخدمات متعددة لسلسلة من المستخدمين بمستويات مختلفة من الجودة والتأخير وعرض النطاق الترددي.

وهذا يعني أن نظام 5G سيحتوي على العديد من شرائح الشبكة المنطقية (أو “قنوات التتبع السريع”) لدعم تطبيقات وعملاء محددين. على سبيل المثال، قد يحتاج بعض عملاء المشغلين إلى emBB لاستخدام أدوات الواقع المعزز، بينما قد يحتاج عملاء آخرون إلى شبكات مناسبة لـ mMTC أو القيادة الآلية أو الجراحة عن بعد، لذلك يحتاجون إلى توفير سمات شبكة مختلفة. كل تطبيق له متطلباته الخاصة. ومن خلال تقسيم الشبكة إلى جلسات خاصة مختلفة أو اتصالات متوازية، يمكن تحسين الشرائح المختلفة وفقًا لذلك.

يتيح ذلك للمشغلين بيع الشبكات للعملاء في شكل "شبكة كخدمة"، بحيث يتمكن كل عميل من تجربة شريحة الشبكة، كما لو كانت معزولة ماديًا تمامًا عن الكل: بعضها يشبه "الرغبة في مشاركة شريحة" طريقة "قطعة الكعكة"، والتعديل في الوقت الحقيقي للمكونات المتوفرة في الصيغة. في الأساس، يمكن أن يؤدي تقطيع الشبكة إلى تحسين الكفاءة التشغيلية وتقصير الوقت اللازم للوصول إلى السوق لتنفيذ خدمات جديدة.

في الواقع، قد يكون تقطيع الشبكة أحد أكبر المساهمين في تقديم خدمات 5G جديدة فعالة من حيث التكلفة لعملاء المؤسسات.

تعني الحوسبة المتطورة اتخاذ قرارات في الوقت الفعلي بالقرب من مصدر البيانات. من خلال تحديد موقع الذكاء الحاسوبي بالقرب من مصادر بيانات منفصلة ومختلفة، يمكن للحوسبة الطرفية تقليل زمن الوصول في تنفيذ الخدمات المطلوبة. لا ترسل الحوسبة المتطورة البيانات إلى السحابة للمعالجة عبر الشبكة الأساسية بأكملها، ولكنها تستخدم بنية شبكة موزعة لضمان المعالجة في الوقت الفعلي تقريبًا وتقليل زمن الوصول في نفس الوقت. خلاف ذلك، فهو ببساطة غير مقبول لخدمات معينة.

ومع انتشار التطبيقات المهمة التي تتطلب موارد حوسبة في الوقت الحقيقي، وانتشار الوظائف الذكية المدعومة بالذكاء الاصطناعي (AI) مثل القيادة الآلية والتطبيب عن بعد وتطبيقات الواقع الافتراضي، أصبحت الحوسبة أقرب إلى المستخدم النهائي، وبالتالي أقرب إلى المستخدم النهائي. الحافة، وهو أمر بالغ الأهمية. على سبيل المثال، إذا تأخر النظام لعشرات المللي ثانية عندما تعبر السيارة الشبكة بأكملها وتعود، فستظل السيارة تقود عدة أقدام أكثر حتى بعد تلقي أمر الفرامل. سيؤدي استخدام موارد الحافة وتقليل التأخير بمقدار 10 مرات إلى تقليل الوقت من الأمر إلى الكبح بشكل كبير.

يمكن لموارد الحوسبة المتطورة (أو حوسبة الحافة متعددة الوصول) العثور بسهولة على غرفة في المكتب المركزي التقليدي لشبكة الوصول اللاسلكية (RAN). يمكن العثور على موارد الأجهزة والخوادم الإضافية المزودة بمسرعات الذكاء الاصطناعي على مسافة مختلفة تبلغ عدة كيلومترات من مجموعة الهوائيات. سيؤدي هذا إلى إنشاء الكثير من البنية التحتية الإضافية للأجهزة.

تتمتع شبكة 5G بمعايير وميزات الوصول إلى NR، لذا فهي مناسبة للعديد من الأسواق الرأسية ذات التطبيقات المختلفة. وقد أدى ذلك إلى زيادة متطلبات الأجهزة، بما في ذلك متطلبات نظام الهوائي النشط (AAS) والمعدات الأخرى، والتي طورت أيضًا مفهوم رأس الراديو عن بعد من خلال الهوائيات المدمجة. ويساعد هذا التكامل في حل التحديات التي تواجهها تقنية الجيل الخامس في الجوانب التالية: استخدام التنوع المكاني والحزم المحلية لتحسين السعة، وتنفيذ تقنية MIMO (mMIMO) واسعة النطاق.

يمكن لتقنية AAS أن تزيد من كفاءة المحطة الأساسية إلى الحد الأقصى، وتسهل على المشغلين زيادة قدراتهم بشكل كبير (ما يصل إلى خمس مرات من 5G) وتغطية الشبكة. تعد مجموعة مضخم الطاقة (PA) وعناصر الهوائي المكونات الأساسية لـ AAS (يمكن تضمين ما يصل إلى 1024 PA في الوقت الحالي)، والتي يمكن أن توفر وظيفة وصول كاملة إلى الشبكة للاتصال بعقدة النطاق الأساسي، حيث يمكن تحديد موقع عقدة النطاق الأساسي في نفس موقع AAS أو في المكتب المركزي (Cloud RAN). يمكن تحقيق تعدد الإرسال من خلال mMIMO (تعتمد هذه التقنية على التنوع المكاني وتدعم المزامنة المتعددة ومسارات البيانات المنفصلة للمستخدمين الفرديين)، وأصبح تعدد إرسال التردد هو العامل الرئيسي لتحسين قدرة BTS، والذي يستخدم لتنفيذ تعدد الإرسال المكاني.

عند استخدام هوائيات متعددة، يمكن أيضًا استخدام تقنية تشكيل الشعاع المحسنة، والتي تستخدم حزمًا موجهة ومركزة ثلاثية الأبعاد. تعمل هذه التقنية على تقليل التداخل في القنوات المجاورة، وزيادة المسافة التي يمكن الوصول إليها بقدرة متساوية، وتوجيه تدفق البيانات إلى الهدف المطلوب. لذلك، يمكنها تحسين السعة الإجمالية وتحقيق إنتاجية أعلى لإشارة الراديو.

تم نشر AAS في المرحلة النهائية من 4G. الآن، كجهاز جديد، يتم استخدام AAS على نطاق واسع حيث يلزم تحسين السعة والتغطية. سيؤدي تنفيذ الطيف الجديد الذي يدعم أجهزة 4G المتوافقة مع الإصدارات السابقة والنطاق الأساسي الذي يدعم البرامج القابلة للترقية أيضًا إلى تعزيز ترقية أجهزة الماكرو BTS.

من أجل زيادة كثافة تغطية الخدمات الجديدة، خاصة في البيئات الكثيفة مثل المباني السكنية الشاهقة والملاعب ومراكز التسوق والمتنزهات، ستحتاج إلى نشر خلايا صغيرة لجعل النقل أقرب إلى المستخدمين مع استهلاك أقل للطاقة وأعلى معدل البت.

من وجهة نظر الأجهزة، فإن التحدي الأبرز هو الكثافة، بما في ذلك بشكل أساسي: أولاً، كيفية تحقيق إدارة حرارية شاملة في حزم أصغر فأصغر. ثانياً، كيفية تلبية التوقعات بشكل فعال من خلال التكامل واسع النطاق للوظائف والمكونات. ثالثًا، أثناء تحقيق كل هذا، حافظ على الأداء العالي مع استهلاك منخفض للطاقة.

ولتحقيق ذلك، يجب إعادة تصميم جميع المكونات في AAS، بدءًا من أجهزة الإرسال والاستقبال إلى الساعات وحتى إدارة الطاقة، أو تعديلها لتلبية المتطلبات الصعبة الناتجة عن العدد المتزايد للمكونات في الجهاز الجديد. يمكن تحقيق ذلك من خلال جهاز إرسال واستقبال الترددات الراديوية (RF)، ودمج المزيد من أجهزة إرسال واستقبال الترددات اللاسلكية، وإضافة وظائف مساعدة وإنشاء حلول نظام ذكي لتجميع العديد من المكونات الجديدة من خلال إدارة الطاقة المشتركة.

يعد جهاز إرسال واستقبال التردد اللاسلكي متعدد القنوات المتكامل للغاية هو العنصر الأساسي لمخطط أجهزة 5G. وهذا لا يتطلب فقط عرض نطاق ترددي لإشارة التردد اللاسلكي يصل إلى 1 جيجا هرتز، ولكنه يدعم أيضًا التشغيل متعدد النطاقات. ومن خلال تطبيق تقنية أخذ عينات التردد اللاسلكي، يمكن تنفيذ الخصائص الموصوفة في بنية أبسط وبتكلفة أقل. يتمتع جهاز الإرسال والاستقبال المتسلسل/إلغاء التسلسل بأداء أعلى من 10 جيجابت في الثانية وحلقة متكاملة منخفضة الطور (PLL)/مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد (VCXO). وكوظيفة رئيسية أخرى لهذه الأنظمة الناشئة على الرقاقة، يمكنها تبسيط عملية توليد ساعات أخذ العينات من خلال السماح باستخدام الساعات المرجعية ذات الترددات المنخفضة.

لا يمكن تجاهل تلبية متطلبات التوقيت لشبكات النطاق الترددي العالي 5G. في شبكة الهاتف المحمول الحالية، يجب أن يكون لمصدر التوقيت (مذبذب بلوري يتم التحكم فيه بالجهد (VCXO)/مذبذب بلوري معوض لدرجة الحرارة (TCXO)) ارتعاش منخفض جدًا وأن يكون قادرًا على تلبية متطلبات تقليل الضوضاء بشكل مستمر لدعم تعديل سعة التربيع ذي الترتيب الأعلى والحصول على أفضل أداء لنقل الموجات المليمترية.

وفقًا لبنية RAN السحابية، توفر أحدث مواصفات واجهة الراديو المشتركة (CPRI) (المسماة eCPRI (EthernetCPRI)))، كرابط متعدد النقاط بين مجمع وحدة النطاق الأساسي (BBU) وشبكة وحدة الراديو عن بعد (RRU)، رابط ذو نطاق ترددي عالي للتعامل مع متطلبات RRU المتعددة. نظرًا لاستخدام 5GeCPRI في الإرسال الأمامي لشبكة 5G، يجب تلبية متطلبات التوقيت الجديدة. في رابط CPRI من نقطة إلى نقطة، يجب ضمان مزامنة الوقت ومزامنة التردد في جوهرها، ولكن هذا النوع من المزامنة لم يعد مشكلة لاحقة، ولكن يجب حلها كجزء من حل توقيت 5G بأكمله. لذلك، تطورت شجرة الساعة من حل إزالة الارتعاش القائم على VCXO والذي تم اعتماده بواسطة نقل CPRI إلى حل مزامنة الشبكة القائم على TCXO للتعامل مع متطلبات التوقيت في eCPRI.

بالإضافة إلى ذلك، ستدعم المحطة الأساسية 5G أيضًا معيار نظام الاتصالات المتنقلة العالمي متعدد الموجات (GSM) للإرسال أقل من 6 جيجا هرتز. لذلك، يجب أن تفي شجرة الساعة أيضًا بمتطلبات ضوضاء الطور النقطي التي لا تنتهك المواصفات الشاملة لحاجز GSM. بالنسبة لمحطة قاعدة 5GmMIMO، فإن استخدام تقنية تكوين الشعاع يمكن أن يستخدم الطيف بشكل فعال مع تقليل التداخل. يؤثر هذا على الانحراف بين المخارج المختلفة في شجرة الساعة لرابط إشارة التردد اللاسلكي

يتم تشكيل قيود ضيقة. بالإضافة إلى خطة معايرة الهوائي على مستوى النظام، هناك مجموعة متنوعة من تقنيات مستوى اللوحة ومستوى الشريحة (على سبيل المثال، وضع التأخير الصفري) التي يمكنها تقليل تغييرات التأخير في شجرة الساعة في العملية وزوايا الجهد ودرجة الحرارة لتحسين الشعاع كفاءة التشكيل.

تعمل تقنية 5G أيضًا على تغيير نموذج نقطة التحميل لتلبية سلسلة من متطلبات استهلاك الطاقة لإنترنت الأشياء والشبكات الخلوية الصغيرة والهوائيات النشطة. نطاق تأرجح الطاقة (التوسيع) يتراوح من بضعة أعشار الواط إلى مئات الواط. وبشكل أكثر تحديدًا، مع زيادة استهلاك الطاقة/المتطلبات الحالية، تم تغيير قيمة ناقل التوزيع إلى 12 فولت لتلبية متطلبات AAS ونظام الهوائي الموزع والجيل الجديد من راديو mMIMO.

مع زيادة استهلاك الطاقة في وحدات RRU وBBU، أصبح دور ناقل إدارة الطاقة (PMBus) أكثر وضوحًا. وفي الوقت نفسه، تتحسن محولات خفض الجهد العالي باستمرار للتكيف مع الزيادة في عدد المناطق المحمية، مما يتطلب تبديدًا حراريًا ثلاثي الأبعاد ومحولات تشغيل 100 فولت بحدود تيار متغيرة. من أجل توفير دوائر ساعة ودوائر إرسال واستقبال دقيقة في الراديو مع زيادة الكثافة، يمكن أيضًا تقليل الحجم والضوضاء من خلال محولات مخصصة متعددة القنوات. يتم استخدام المحول كبديل لمنظم جهد التسرب المنخفض، وتكون سرعة التحويل أعلى من 1 ميجاهرتز، وذلك لتقليل الحجم مع الحفاظ على الكفاءة.

إن تقليل المحتوى والتعقيد وتكلفة قائمة المواد هو المفتاح للفوز في مسابقة أجهزة 5G، ودمج الوظائف في الدوائر المتكاملة هو السبيل لتحقيق هذه الأهداف. سيتعين على شركات أشباه الموصلات العمل بشكل وثيق مع عملائها من معدات المحطات الأساسية لإنتاج أجهزة إرسال واستقبال RF متكاملة للغاية وسلاسل إشارة محسنة وإمدادات طاقة لدعم التطوير المستمر لتقنية 5G.

تظهر البيانات التاريخية الحديثة لصناعة الاتصالات أن دورة الترقية إلى تكنولوجيا الجيل القادم هي 10 سنوات. والسرعة التي تعتمدها تقنية 5G تشبهها، يليها توقع ذروة نضجها.

إن تقنية 5G جاهزة لضخ حيوية جديدة في مفهوم الأرض المتصلة من خلال بنية تحتية جديدة ومعدات جديدة وحالات استخدام جديدة. بفضل قدرتها العالية وزمن الوصول المنخفض، ستعمل شبكة 5G على تغيير الاتصال بين الأشخاص والمعدات بشكل كامل.

على مستوى المؤسسة، قد تكون تقنية 5G أكثر تحويلاً ويمكنها تحقيق خدمات مهمة من المتوقع أن تغير الصناعة بأكملها بالكامل. في عصر الجيل الخامس الحقيقي، ستكون تكنولوجيا الآلة إلى الآلة، وأجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة، وإدارة التنقل، ومراقبة المعدات / الأصول عن بعد، والشبكة الذكية في جميع أنحاء المصانع المستقبلية.

سيتم تعزيز الجوانب الأخرى لـ 5G عند تمكين طيف أعلى في الإصدار السادس عشر. يمكن استخدام شبكة الموجات المليمترية لتحقيق نقل خلفي لمحطة قاعدة خلوية صغيرة منخفضة التكلفة في المناطق الحضرية المكتظة بالسكان. سيتم تطبيق هذه الشبكات أيضًا على كل نظام اتصالات متصل بالورشة أو المركبة، مما يجعل هذه التقنية قوة دافعة رئيسية للقيادة الأوتوماتيكية، لأن المركبات تحتاج إلى التواصل مع المركبات وإشارات المرور وأحدث معلومات الخرائط الرقمية.

قد تكون شبكة الجيل الخامس (5G) شبكة موجهة نحو المستقبل، ولكنها تجسد العمل الجاد للمهندسين الحاليين وستجعل العالم الذي نعيش فيه في مكان أفضل بالتأكيد.