الجيل الرابع من الاتصالات الخليوية (الجزء الثاني) - الجيل الرابع الحقيقي " LTE-A"

استمع على ساوندكلاود 🎧

5.1. (Long Term Evolution – Advanced (LTE-A:

كما ذكرنا سابقًا فإنَّ ميزاتِ هذا النّظامِ مصادقةٌ للمعاييرِ والمتطلّباتِ التّقنيّةِ للجيلِ الرّابعِ المحدَّدة من قِبَلِ الاتّحادِ العالميِّ للاتّصالاتِ، لذا فهو يُعتبرُ نظامَ الجيلِ الرابعِ الحقيقيّ. نذكرُ من هذه الميزات ما يلي: [1، 2]

• معدّلٌ مرتفعٌ لنقلِ البيانات:3 Gbps في المسارِ الهابط.

1.5 Gbps في المسارِ الصّاعد.

• فعّاليةٌ طيفيّةٌ عاليةٌ: وصلتْ حتّى 30 bps/Hz في المسارِ الهابطِ، وهي أعلى بمرّتين من مثيلتِها في نظامِLTE. و15bps/Hz في المسارِ الصّاعدِوهيَ أعلى بثلاثِ مرّاتٍ من نظامِLTE.

• زيادةُ قدرةِ الشّبكةِ على استيعابِ عددٍ أكبرَ من المشتركين النّشطين (المتّصلين بالشّبكة) في الوقتِ نفسِه.

• تحسينُ الأداءِ عندَ أطرافِ الخليّةِ (المناطقُ الأبعدُ عن المحطّةِ الثّابتة) بإنتاجيّةٍ أعلى بمرّتين من مثيلتِها في نظامِLTE.

وقد أصبحتْ الميزاتُ السّابقةُ ممكنةً، نتيجةً لاستخدامِ التّقنيّاتِ التّالية:

5.1.1. [ICIC (Inter-Cell Interference Coordination) & FFR (Fractional Frequency Reuse): [3:

تتلخّصُ وظيفةُ تقنيّةِICIC بالعملِ على تقليلِ التّداخلِ الذي يحدثُ عندَ أطرافِ الخلايا المتجاورةِ، ممّا يُقلّلُ من تدهورِ سرعةِ النّقلِ في تلكَ المناطق. ويبيّنُ الشّكلُ (4) بشكلٍ مبسّطٍ كيفيّةَ حدوثِ مشكلةِ التّداخلِinter-cell interference:

الشكل (4)

ثمّةَ ثلاثُ طرقٍ يمكنُ من خلالِها تقليلُ التّداخلِ عندَ أطرافِ الخلايا اعتمادًا على حالةِ استخدامِ المواردِresource usage status ومدى الازدحامِtraffic load situation:

5.1.1.1. Hard Frequency Reuse (HFR):

حيثُ يُوزّعُ النّطاقُ التّردّديّ على مجموعاتٍ متعدّدةٍ، ويُخصَّص لكلِّ محطّةٍeNBsنطاقٌ تردّديٌّ معيّنٌ يختلفُ عن نطاقِ المحطّاتِ المجاورةِ. يُمكنُ تقليلُ التّداخلِ في هذه الطّريقةِ بشكلٍ كبيرٍ بينَ المحطّاتِ المتجاورةِ عندَ أطرافِ الخلايا ولكنْ على حسابِ تقليلِ الفعّاليةِ الطّيفيّةِ وبالتّالي معدّلِ نقلِ البيانات. لذلك فإنَّ هذه الطريقةَ غيرُ مستخدمةٍ في نظامِLTE-A. يُمكنُ توضيحُ آليّةِ عملِ هذه الطّريقةِ بالشّكلِ (5):

الشكل (5)

5.1.1.2. Soft Frequency Reuse (SFR):

يُقسَّمُ النّطاقُ التّردّديُّ الكلّيُّ إلى نطاقاتٍ تردّديّةٍ جزئيّةٍ تُستَخدمُ جميعُها في كلِّ محطّةٍ، بحيثُ تكونُ النّطاقاتُ التّردّديّةُ المستخدمةُ عندَ مركزِ خليّةٍ ما نطاقاتٍ تردّديّةً مستخدمةً في أطرافِ الخلايا المُجاورةِ، ممّا يمنعُ التّداخلَ. كما في الشّكلِ (6):

الشكل (6)

5.1.1.3. Fractional Frequency Reuse (FFR):

تُقسَّمُ النّطاقاتُ التّردّديّةُ وتُوزّعُ بفاعليّةٍ بحيثُ تمنعُ أيَّ تداخلٍ بينَ أطرافِ الخلايا المتجاورةِ: نطاقٌ تردّديٌّ واحدٌ في منطقةِ المركزِ (نفسِه) لكلِّ الخلايا، وتردّداتٌ مختلفةٌ بعاملِ إعادةِ استخدامِ تردّدٍ مختلفٍ عندَ أطرافِ الخلايا ممّا يمنعُ التّداخلَ بينَ الخلايا المتجاورة. كما في الشّكلِ (7):

الشكل (7)

يُعادُ في نظامِLTE-A استخدامُ التّردّدِ ولكن بعدَ إجراءِ عمليّةِ التّقسيمِFFR كما رأينا في الشّكلِ (7)، ويُستخدمُ التّردّدُ المناسبُ حسبَ المنطقةِ بسببِ التّنسيقِ الخاصِّ الشّاملِ لكلِّ خلايا الشّبكةِ، ولذا فإنَّنا نسمّي هذه العمليّةَ بـ ICIC&FFR. [3، 6]

5.1.2. Carrier Aggregation (CA): [1]

تُتيحُ هذه التّقنيّةُ لنظامِ LTE-A استخدامَ العديدِ من القنواتِ أو الحواملِ المُجَمَّعةِ معًا بدلًا من حاملٍ واحدٍ، ممّا يؤدّي إلى زيادةِ معدّلِ نقلِ البياناتِ وزيادةِ سعةِ الشّبكةِ وتحسينِ أدائِها. ولكي يبقى نظامُLTE-A (الإصدارُ العاشرُ وما بعدَه تبعًا للهيئة التّشاركيّةِ3GPP) متوافقًا مع الإصداراتِ السّابقةِRel.8 &Rel.9 فإنَّ الحواملَ التي يمكنُ تجميعُها هي نفسُها حواملُLTE: (1.4 ،3 ،5 ،10 ،15 ،20) MHz. بعدَ تجميعِ هذه الحواملِ على حاملٍ واحدٍ فإنَّ كلَّ واحدٍ منها يُسمَّى بالحاملِ العنصرِcomponent carrier.

- يُمكنُ أن يختلفَ عددُ الحواملِ المجموعةِ في كلّ من المسارِ الصّاعدِ والهابطِ، ولكن بشرطِ ألّا يزيدَ عددُها في المسارِ الصّاعدِ عن عددِها في المسارِ الهابطِ

- الحدُّ الأعظميُّ للحواملِ التي يُمكنُ تجميعُها من النّاحيةِ النّظريّةِ هو خمسةٌ

- لذلك فإنَّ أعلى نطاقٍ تردّديّ يُمكنُ الوصولُ إليهِ هو 100MHZ.

- ولكن يجري عمليًّا تجميعُ الحواملِ ضمنَ خطواتٍ:

o ففي إصدارِLTE-A Rel.10 يبلغُ عددُ الحواملِ المجمَّعةِ في المسارِ الهابطِ حاملَين فقطْ أمّا في المسارِ الصّاعدِ فلا وجودَ لأيّةِ عمليّةِ تجميعٍ أي هناكَ حاملٌ واحدٌ.

o وفي الإصدارِRel.11 فقدْ اُستُخدمَ العددُ نفسُه من الحواملِ المجموعةِ في المسارِ الهابطِ مع احتماليّةِ استخدامِ إمّا حاملٍ واحدٍ في المسارِ الصّاعدِ أو حاملين.

ثمّةَ ثلاثُ طرقٍ لتجميعِ الحواملِ، وهي مبيَّنةٌ في الشَّكلِ (8):

• Intra-band contiguous: تُجمَّعُ الحواملُ المتجاورةُ (من حواملِLTE) ضمنَ نطاقِ تشغيلٍ تردّديّoperating frequency band واحدٍ.

• Intra-band non-contiguous: تُجمَّعُ حواملُ متباعدةٌ غيرُ متجاورةٍ ضمنَ نطاقِ تشغيلٍ تردّديّ واحدٍ.

• Inter-band non-contiguous: تُجمَّعُ حواملُ متباعدةٌ غيرُ متجاورةٍ ولكن ضمنَ نطاقاتِ تشغيلٍ تردّديّةٍ مختلفةٍ.

الشكل (8)

يتطلّبُ استخدامُ هذه التّقنيّةِ وجودَ عددٍ من الخلايا المخدِّمةِ بحسبِ عددِ الحواملِ المجموعةِ، خليّة لكلِّ حاملٍ، وتختلفُ تغطيةُ كلِّ خليّةٍمخدِّمةٍ تبعًا لتردّداتِ الحاملِ الذي تخدمُه. نلاحظُ في الشّكلِ (9) التّالي توصيفًا للطّريقةِ الثّالثةِ في التّجميعِ (Inter-band non-contiguous)، حيثُ يظهرُ فيهِ كيفَ أنَّالجهازَ الجوّالَ الأسودَ هو فقطْ مَن يستفيدُ من عمليّةِ التّجميعِ للحواملِ الثّلاثةِ أمّا الجهازُ الأبيضُ فهو خارجُ نطاقِ تغطيةِ الحاملِ ذي اللونِ الأحمرِ.

الشكل (9)

5.1.3. MIMO، Multiple Input Multiple Output: [1]

اُستخدِمَتْ هذه التّقنيّةُ أوّلَ مرّةٍ في نظامِHSPA+، وقد شرحنا مفهومَها في معرضِ حديثِنا عن ذلك النّظامِ: فهي عبارةٌ عن هوائيّاتٍ متعدّدةٍ في كلٍّ من المرسِلِ والمستقبِلِ تؤمّنُ مساراتٍ مختلفةٍ لنقلِ البياناتِ. وقد نجحتْ هذه التّقنيّةُ في المساهمةِ بشكلٍ ملحوظٍ في تحقيقِ مطلبِ الزّيادةِ المتسارعةِ في سرعةِ نقلِ البياناتِ، فاُستخدِمَتْ في نظامِLTE بأربعةِ هوائيّاتٍ كحدٍّ أقصى في كلٍّ من المرسِلِ والمستقبِلِ، أمّا في هذا النّظامِLTE-A فقدْ أُعيدَ استخدامُها معَ تطويرٍ سمحَ باستخدامِ8x8 MIMO أي ثمانيةِ هوائيّاتٍ في كلٍّ من المرسِلِ والمستقبِلِ في المسارِ الهابطِ و4x4 MIMO في المسارِ الصّاعدِ.

5.1.4. Heterogeneous Network (HetNet) & Small Cells: [4]

تهدفُ تقنيّةُHetNet إلى زيادةِ سعةِ الشَّبكةِ وقدرةِ استيعابِها للعددِ المتزايدِ من المستخدِمينَ، من حيثُ تأمينِ جودةِ خدمةٍ عاليةٍ لجميعِ المستخدِمينَ باختلافِ مواقعِهم كوجودِهم في مناطقَ بعيدةٍ عن مركزِ المحطّةِ الأساسيّةِ أو في أماكنَ يصعبُ وصولُ الإشارةِ إليها.

تستخدمُ هذه التّقنيّةُ محطّاتٍ خليويّةٍ ثابتةٍ صغيرةٍSmall Cellsتُركَّبُ في مناطقَ مختلفةٍ حيثُ من المتوقّعِ أن تكونَ قوّةُ الإشارةِ ضعيفةً إمّا بسببِ عدمِ وصولِ التّغطيةِ إلى تلك المناطقِ أو بسببِ كثرةِ عددِ المشتركينَ فيها. وتكونُ وظيفةُ هذه الخلايا الصغيرةِ زيادةَ نطاقِ تغطيةِ الخليّةِ الأساسيّةِ وزيادةَ قدرةِ الشّبكةِ على تخديمِ المزيدِ منَ المستخدِمين. نتيجةً لذلك ومن خلالِ تنسيقِ عملِ هذه الخلايا الصّغيرةِ، يُمكن جميعَ المستخدِمينَ أن يحصلوا على سرعةِ نقلِ بياناتٍ عاليةٍ وجودةِ خدمةٍ عاليةٍ أينما كانَ موقعُهم.

- تُسمَّى الخليّةُ الأساسيّةُ التي تؤمّنُ التّغطيةَ بمساحةِ بضعةِ أميالٍ بالخليّةِ الكبيرةِ أو Macrocell،

- وتُصنَّفُ الخلايا الصغيرةُ الأخرى حسبَ مجالِ التّغطيةِ التي تؤمّنُه كلُّ خليّةٍ من الأكبرِ مساحةً إلى الأصغر: Microcell،Picocell، Femtocell وهكذا.

الشكل (10)

- يرمزُ اللونُ الأزرقُ في الشّكلِ (10) إلى مجالِ تغطيةِ المحطّاتِ الثّابتةِ الكبيرةِ ذاتِ الطّاقةِ العاليةِ

- ويرمزُ اللونُ الأخضرُ إلى مجالِ تغطيةِ الخلايا الصّغيرةِ ذاتِ الطّاقةِ المنخفضةِ والتي يمكنُ أن تُرَكَّبَ داخلَ الأبنيةِ أو خارجَها لتأمينِ التّغطيةِ في الأماكنِ التي لا تصلُها تغطيةٌ أو في أطرافِ الخليّةِ الكبيرةِ حيثُ التّغطيةُ ضعيفةٌ أو في المناطقِ المكتظّةِ بالمستخدِمين.

إنَّ تقنيّةَHetnet أو الشّبكاتِ غيرَ المتجانسةِ ليستْ حكرًا على نظامِLTE-A، بل إنّها اُستخدمتْ سابقًا في نظامِ الجيلِ الثّاني GSM حيثُ كانتتُستخدمُ تردّداتٌ مختلفةٌ لكلِّ خليّةٍ على حِدَة، فأمّا المميّزُ في نظامِLTE-A فإنّه قد أُعيدَ استخدامُ التّردّدِ نفسِه واُستخدمتْ التّقنيّاتُ الجديدةُ المبتكرةُ فيهِ لإدارةِ الشّبكةِ غيرِ المتجانسةِHetNet والتّنسيقِ بين الخلايا المختلفةِ ممّا زادَ من كفاءتِها بشكلٍ كبير.

5.1.5. SON (Self-Organizing Network):

تُستخدمُ هذه التّقنيّةُ لإدارةِ الخلايا المتعدّدةِ الصّغيرةِ والكبيرةِ والتّنسيقِ بينها، من حيثُ التّنصيبِ الأوتوماتيكيِّ للخلايا وصيانتِها وتقليلِ التّداخلِ الذي يُمكنُ أن يظهرَ بين الخلايا المتجاورةِ واكتشافِ مناطقِ الضّعفِ في الشّبكةِ وتطبيقِ الحلولِ المناسبةِ، وكلُّ ذلك يحدثُ أوتوماتيكيًّا.[5]

5.1.6. Coordinated MultiPoint (CoMP):

ستتاحُ هذه التّقنيّةُ في الإصدارِRel.11 من نظامِLTE-A كتطويرٍ هدفُه الأساسيُّ تحسينُ أداءِ الشّبكةِ في أطرافِ الخليّة.

تتلخّصُ فكرةُ هذه التّقنيةِ باستخدامِ العديدِ من نقاطِ الإرسالِTX في المسارِ الهابطِ لتأمينِ إرسالٍ متناسقٍ، والعديدِ من نقاطِ الاستقبالِRX في المسارِ الصّاعدِ لتأمينِ استقبالٍ متناسق. كلٌ من تلك النّقاطِ عبارةٌ عن مجموعةٍ من الهوائيّاتِ المترابطةِ لتوفيرِ التّغطيةِ في القطاعِ نفسِه، وإمّا أن تكونَ نقاطُ الإرسالِ/الاستقبالِ موجودةً في مواقعَ مختلفةٍ أو في موقعٍ واحدٍ بشرطِ توفيرِ التّغطيةِ للقطاعاتِ المختلفةِ، وقد تكونُ هذه النّقاطُ منتميةً إلى محطّةٍ ثابتةٍ واحدةٍ أو إلى عدّةِ محطّات. يُمكنُ إنجازُ تقنيّةِCoMP باستخدامِ عدّةِ طرقٍ في كلٍّ من الشّبكاتِ المتجانسةِ أو غيرِ المتجانسة. [1]

الشكل (11)

5.2. خاتمة:

لقدْ غطّينا حتّى الآنَ في هذه السّلسلةِ كلَّ أجيالِ الاتّصالاتِ الخليويّةِ التي اُستُخدمتْ في الماضي والتي تُستخدمُ الآن، بدءًابالجيلِ صفر حتّى الجيلِ الرّابع، ولكن ماذا عن أجيالِ المستقبلِ، تابعونا في المقالِ القادمِ آخرِ مقالاتِ هذه السّلسلةِ حتّى نتعرّفَ أكثرَ على ما يُخبّئُ لنا المستقبلُ في هذا المجال.

المراجع:

1 - هنا

2 - هنا

3 - هنا

4 - هنا

5 - هنا

6 - هنا