المعلوماتية > اتصالات وشبكات
لماذا يحتاج إنترنت الأشياء إلى جيل الاتصالات الخامس 5G؟
يتوقع المهندسون أنه عند وصول الجيل الخامس من الاتصالات اللاسلكية (5G) في عام 2020، سيكون هذا النظام قادراً على التعامل مع كمية من بيانات الأنظمة الخليوية أكثر بألف مرة من قدرة الأنظمة الحالية. و يقول البعض أنه سيصبح العمود الفقري لإنترنت الأشياء (IoT)، حيث يتم ربط الأجهزة الثابتة والمتنقلة - كآلات البيع والسيارات- لتصبح جميعها جزءاً من الثورة الاقتصادية والصناعية الجديدة. ولجعل هذا التحول ممكنًا، يجب إيجاد بنية وتقنيات اتصال وأجهزة جديدة.
قامت مجلة IEEE Spectrum بإجراء مقابلة من خلال برنامج السكايب مع «دينغ»، وهو أحد أعضاء فريق البحث الذي يقوم بدراسة هذا الموضوع لمعرفة وجهة نظره حول كيفية تبلور الجيل الخامس في المستقبل القريب. لنتابع النقاش الذي دار خلال المقابلة.
Spectrum: يتم الآن استخدام الجيل الرابع (4G) في العديد من البلدان، ولكن هل أصبح هذا النظام قديماً؟
Ding: يعتبر الجيل الرابع جيداً في الوقت الراهن، ولكن إذا كنت تنظر إليه خلال الخمس أو العشر سنوات القادمة، بالطبع لن يكون الجيل الرابع قادراً على تلبية متطلبات التطبيقات الجديدة القادمة في السنوات القليلة المقبلة. مع الجيل الخامس سوف تزيد سرعة نقل البيانات بالإضافة إلى الحدّ من التأخير الزمني في نظام الاتصالات وتحسين التغطية.
تُعدُّ هذه الخصائص ذات أهمية خاصة للعديد من التطبيقات المتعلقة بإنترنت الأشياء. ومن الأمثلة هي السيارات ذاتية التحكم والنقل الذكية، والتي تتطلب تأخيراً زمنياً صغيراً جداً لتؤدي عملها. مثال آخر هو ألعاب الهاتف النقال التفاعلية، التي تحتاج إلى حزمة عالية جداً، وللأسف فإن نظام الجيل الرابع الحالي لا يمكنه دعم هكذا تطبيقات.
Spectrum: هل سيكون لأنظمة الجيل الخامس دوراً أساسياً في إنترنت الأشياء؟
Ding: أعتقد أن إنترنت الأشياء سيكون التطبيق المثالي للـ5G! ما يقف حالياً في طريق إنترنت الأشياء هي الأنظمة غير المترابطة. على سبيل المثال، لدينا (RFID (1 وتقنيات الاتصالات قصيرة المدى والـ(UWB (2 وغيرها. تكمنُ المشكلة في المستقبل في حال نظرنا إلى الصورة الأكبر، حيث المدينة الذكية على سبيل المثال تحتاج إطاراً موحداً للاتصال، ويعتبر نظام الـ5G فرصةً جيدة لتحقيق هذا الإطار الموحد.
Spectrum: كيف سيتعامل نظام الجيل الخامس مع العدد الكبير من الأجهزة المتصلة بإنترنت الأشياء؟ هل سيكون هناك عرض نطاق ترددي كافٍ؟
Ding: تعتمد نُظم الجيل الأول إلى الجيل الرابع على ما يُسمى النفاذ المتعدد المتعامد (Orthogonal Multiple Access). لنأخد النفاذ المتعدد من خلال التقسيم الزمني في نظام الجيل الثاني كمثال: يتم تقسيم الشريحة الزمنية التي طولها ثانية واحدة إلى العديد من الأجزاء الزمنية القصيرة. وبعد ذلك، يتمُّ تخصيص نافذة زمنية معينة لكل مستخدم، ولا يمكن للمستخدم الوصول إلى القناة المخصصة للآخرين. سيكون من الصعب لآلية الوصول المتعدد هذه أن تدعمَ تطبيقات إنترنت الأشياء المستقبلية، حيث سيكون لدينا الكثير من الأجهزة، ويجب تخصيص نوافذ زمنية لكل من تلك الأجهزة. ولكن في النهاية هذا شيء لا يمكن توفيره، لأن عدد النوافذ الزمنية المتاحة وموارد النطاق الترددي لن تكون كافية، لذلك فإن آلية الوصول المتعدد المتعامد هذه لا يمكن أن تعمل مع نظام الجيل الخامس.
حالياً، هنالك العديد من البحوث التي تهدف لاستكشاف كيفية تطوير النفاذ المتعدد غير المتعامد من خلال وضع عدد من المستخدمين في قنوات عرض النطاق الترددي المحدود. بالطبع سيؤدي هذا النوع من النفاذ غير المتعامد إلى التداخل بين المستخدمين، وهو ما يعني أنه قد يواجه بعض المستخدمين سرعةً بيانات منخفضة. لكن المثير للاهتمام في إنترنت الأشياء، أن العديد من الأجهزة تحتاج إلى خدمة منتظمة ولكن بسرعة بيانات منخفضة. ومن الأمثلة على ذلك أنظمة الرعاية الصحية اللاسلكية التي تحتاج إلى الأجهزة القابلة للارتداء (أجهزة مراقبة القلب وأجهزة الاستشعارالبيولوجية... إلخ) لإرسال بيانات المريض بشكل منتظم إلى مخدِّمات المستشفى، ولكن على الأرجح، معدلات البيانات المستخدمة من قبل هذه الأجهزة ليست مرتفعة.
باستخدام الوصول المتعدد غير المتعامد، يمكن أن نضع العديد من أجهزة ومستخدمي إنترنت الأشياء ذوي متطلبات الخدمة المختلفة في النافذة الزمنية أو القناة الترددية نفسها. في هذا الإطار، يعتبر الوصول المتعدد غير المتعامد مثير جداً ومثالياً لإنترنت الأشياء.
هناك طريقة أخرى لتوضيح فائدة عدم التعامد في تقنية الوصول المتعدد، و هي اعتبار الوصول المتعدد غير المتعامد حالة خاصة من التقنيات الراديوية الإدراكية (Cognitive Radio). عادة، يتم تخصيص قناة ترددية واحدة لكل مستخدم، حيث لا يمكننا إعادة استخدام هذه القناة مرة أخرى لأن هذا المستخدم يشغل هذه القناة. باستخدام التقنيات الراديوية الإدراكية يمكننا أن نقدم مستخدمين جُدد إلى تلك القناة. سوف يؤدي هذا الأمر إلى تدهورٍ في الأداء للمستخدمين الأوليين، ولكن يمكن لهذا التدهور أن يكونَ بسيطاً في حال استخدام تقنيات متقدمة للتحكم بالقدرة.
Spectrum: كيف سيتعامل نظام الجيل الخامس مع أزمة عرض النطاق الترددي؟ هل شارفت الحزم الترددية على الامتلاء؟
Ding: لحل أزمة عرض النطاق الترددي، نحن بحاجة إلى مزج العديد من التقنيات. إحدى الطرق هي تحسين كفاءة استخدام عرض النطاق الترددي المتوفر، وهذا يشمل تطبيق الوصول المتعدد غير المتعامد واستخدام تقنية الـ(MIMO(3 وشبكات الوصول الراديوية في السحابة (C-RAN (4 والاتصال المزدوج الكامل (Full Duplex (5… إلخ.
الطريقة الأخرى هي استخدام موجات أقصر بتردد 60 أو 90 غيغاهرتز، لكن هذه الطريقة تخلق بعض التحديات. فعلى سبيل المثال، كلما ازداد تردد الموجة قلّت إمكانية استخدامها للمسافات الطويلة. بالإضافة إلى الحاجة إلى خط بصر واضح دائماً بين المرسل والمستقبل.
يمكن حل هذه المشكلة باستخدام الهوائيات المتعددة، حيث لدينا وصلات احتياطية بين المرسل والمستقبل في حال عدم القدرة على استخدام أحد الوصلات. ومما يجدر ذكره أن استخدام الأمواج القصيرة يُعتبر حلاً واعداً للعديد من التطبيقات في إنترنت الأشياء حيث أن أجهزة الاستشعار قد يكون لديها خط بصر واضح للاتصال، و كذلك بالنسبة للمسافات بين أجهزة الاستشعار التي قد لا تكون كبيرة.
Spectrum: ما هي الخطوات التالية؟
دينغ: لم يتم تحديد الجدول الزمني لتطويرنظام الـ5G بشكل رسمي، ومن المتوقع أن تبدأ المناقشات الرسمية و كذلك عملية توحيد المقاييس في العام المقبل، ومن المتوقع أن يتم التطبيق التجاري في عام 2020. تعمل حالياً الأوساطُ الأكاديمية والصناعية معاً لتحديد أي من المعايير والتقنيات يجب أن تُستخدم وأي منها يجب أن يُستثنى.
الحاشية:
RFID (1): Radio Frequency Identification: هي عبارة عن أجهزة إلكترونية صغيرة تتكون من رقاقة صغيرة وهوائي. هذه الرقاقة قادرة على حمل 2000 بايت أو أقل من البيانات. يقدم جهاز الـRFID غرضاً مماثلاً للشريحة المغناطيسية على بطاقات الائتمان، وكما تحتاج بطاقات الائتمان إلى عملية مسح للحصول على البيانات. ينطبق هذا الشيء على جهاز الـRFID.
(UWB (2 : Ultra Wide Band: هي تكنولوجيا لنقل البيانات باستخدام تقنيات تتسبب في انتشار طاقة الراديو على نطاق ترددات واسع جداً، مع كثافة قدرة طيفية منخفضة جداً وتحد الكثافة الطيفية المنخفضة من إمكانية التداخل ضمن أنظمة الراديو التقليدية، وعرض النطاق الترددي واسع يمكن أن يسمح بسرعة نقل عالية جداً للبيانات لأجهزة الاتصالات، أوتحقيق دقة عالية لأجهزة تحديد المواقع وأجهزة التصوير.
MIMO (3): Multiple-Input and Multiple-Output: هي تقنية تستخدم مجموعات من الهوائيات عند المستقبل (Multiple Output) ومجموعات من الهوائيات عند المرسل (Multiple Input) في أنظمة الاتصالات اللاسلكية.
• يستخدم MIMO هوائيات متعددة لإرسال إشارات متوازية متعددة.
• ترتد هذه الإشارات من الأشجار والمباني وغيرها، وتستمر في طريقها إلى وجهتها (إلى المتلقي) ولكن في اتجاهات مختلفة.
• يحدث «تعدد المسار» عند وصول إشارات مختلفة إلى المستقبل في أوقات مختلفة.
• مع نظام MIMO، يستخدم الطرف المتلقي خوارزميات خاصة لمعالجة الإشارات لفرز الإشارات المستقبلة المتعددة لإنتاج إشارة واحدة لديها البيانات الأصلية المرسلة.
C-RAN (4): Cloud Radio Access Networs: في عصر الإنترنت النقال، تواجه مشغلات شبكات الهاتف النقال ضغوطاً متزايدة من جهة النفقات الرأسمالية والنفقات التشغيلية مع نمو قليل في الدخل. ومن المتوقع أن يكون الـ(C-RAN) مرشحاً للجيل القادم كتقنية وصول إلى الشبكة والتي من شأنها يمكن أن تحل مشكلة المشغلين.
بالمقارنة مع البنية التقليدية، تركز بنية الـC-RAN على استخدام خدمات السحابة وجدولة الموارد الموجهة نحو الخدمات والإدارة، وبالتالي فإنه يسهل استخدام تقنيات الاتصالات والكمبيوتر الجديدة.
Full Duplex (5): الاتصال ثنائي الاتجاه بين عنصرين يعني أن كلا منهما يمكنه إرسال واستقبال المعلومات بين بعضها البعض في وقت واحد. و تعتبر الهواتف أنظمة ثنائية الاتجاه لذلك كلا الطرفين على الهاتف يمكنه التحدث والاستماع في نفس الوقت.
--------------------------------------------
المصادر: