شبكات
أداء شبكات الجيل الخامس
العدد 153 | حزيران (يونيو)-2020

بقلم غسان سابا
مدير بحوث

 تُعدُّ شبكات الجيل الخامس 5G Networks من التقانات الواعدة والعامة التي تعتمد عليها الثورة الصناعية الحالية. ونقصد بكلمة عامة أنه لا ينحصر استعمالها في مجال محدد. تتطلب التطبيقات الحديثة سرعات كبيرة ووصلات اتصال خالية من الأخطاء تربط الناس بالناس أو الناس بالأجهزة أو الأجهزة بالأجهزة.

ميزات شبكات الجيل الخامس

لعل ما يضفي على شبكات الجيل الخامس هذه الخصوصية مقارنةً بغيرها من الأجيال السابقة، الميزات التي يجب أخذها في الحسبان عند تقييم شبكات الجيل الخامس ومعرفة المدى الذي يمكن أن تصل إليه عندما تعمل بكامل طاقتها.

وإذا لم تتحقق هذه الميزات في شبكة ما، فلا يمكننا اعتبارها شبكة جيل خامس حقيقية.

1-النتاج Throughput

وصلت شبكات الجيل الرابع إلى نتاج من مرتبة 950 Mbps ضمن ظروف محيطية حقيقية باستعمال تقانة التطور الطويل الأمد 4G LTE (Long Term Evolution) ووصلت إلى نتاج يبلغ 1.50 Gbps باستعمال 4G LTE Advanced عند تجميع ست قنوات حاملة.

ضمن هذا المنظور، يجب على شبكات الجيل الخامس أن تتجاوز هذه القيم بعدة أمثال بحيث تصبح قادرة على: نقل الفيديو الذكي، وتحقيق التشخيص من بعد، وتنفيذ مراكز التحكم المتنقلة بالصوت والصورة المباشرين.

ستقدم شبكات الجيل الخامس خلال الأيام القادمة سرعات تصل إلى حدود 10 Gbps.

2-نشر الخدمات Service deployment

تمكّن البيئة الافتراضية للشبكات Network Virtualization (أي استعمال البرمجيات لتحقيق وظائف الشبكات) نشر الخدمات والتطبيقات دون الحاجة إلى تنصيب أجهزة صلبة إضافية. سيسهم ذلك في تخفيض زمن نشر الخدمات من 6 أشهر إلى 90 دقيقة تقريبًا. هذا ويمكننا الاستفادة من تقليص زمن النشر بطرح ميزات إضافية وتحسينات أمنية بسرعة.

3-التحركية Mobility

لقد صُمِّمت شبكات الجيل الخامس لتمكين الأجهزة التي تتحرك بسرعة تصل إلى 500 كيلومتر بالساعة على البقاء موصولة على الشبكة. هذه الميزة ستكون مفيدة لركاب القطارات والسيارات السريعة.

4-الأجهزة الموصولة Connected devices

سيتجاوز عدد الأجهزة الموصولة إلى شبكات الجيل الخامس ثلاثة أضعاف عدد سكان الكرة الأرضية بحلول عام 2022. وستكون شبكات الجيل الخامس قادرة على دعم مليون جهاز بالكيلومتر المربع الواحد أي ما يعادل مئة صعف قدرة شبكات الجيل الرابع. وستسمح هذه الميزة للمدن بالاستفادة من مقدرات شبكات الجيل الخامس في تطبيقات مثل إنارة الشوارع الذكية، والمراقبة الأمنية من بعد، والسكك الحديدية الذكية، والحلول الذكية لمواقف السيارات.

5-فعالية الطاقة Energy efficiency

إن متطلبات تشغيل شبكات الجيل الخامس من الطاقة ضئيلة جدًّا (أي ما يعادل 10% من المتطلبات الحالية).

ومع شبكات الجيل الخامس، يمكن أن تضاف أيضًا وظائف معقدة ضمن الشبكة وعلى مقربة من المستعمل. وهذا يعني أن جهاز المستعمل النهائي لن يحتاج إلى قدرات معالجة كبيرة، وسيستهلك طاقة أقل.

6-حجوم البيانات Data volume

لقد صُمِّمت معايير شبكات الجيل الخامس لتخديم 10 Tb/s/km2 أي 10 تيرابت بالثانية لكل كيلومتر مربع. وهذا يعني أن شبكات الجيل الخامس ستكون قادرة على نقل كميات هائلة من البيانات يولدها عدد كبير من المستعملين يعملون في الوقت نفسه. وسينتج عن ذلك شعور المستعملين الموجودين في المناطق الشديدة الكثافة ­– مثل المطارات والملاعب والمناطق الحضرية – بالسرعة الفائقة والتأخير الزمني القليل لشبكات الجيل الخامس.

7-أزمنة التأخير Latency

سيكون زمن التأخير المنخفض من نهاية لنهاية (وهو الزمن اللازم لتنتقل البيانات عبر الشبكة من المستعمل إلى المعالج المركزي والعودة مجددًا إلى المستعمل) هو أحد الممكنين لتغيير تقاني حقيقي، يجعل زمن نقل البيانات صغيرًا جدًّا، أقل من زمن رفة العين.

هذا وإن الوصول إلى أزمنة تأخير ضئيلة جدًّا يفتح المجال أمام تحقيق جميع أنواع التطبيقات الجديدة، التي من أهمها:

  • الواقع الموسع الغَمْري Immersive extended reality (XR)، الذي يجمع كلًّا من الواقع المعزَّز Augmented Reality (AR)، والواقع الافتراضي Virtual Reality (VR)، والواقع المختلط Mixed Reality (MR).
  • السياقة المستقلة ذاتيًّا Autonomous driving
  • الرؤية الحاسوبية (بواسطة الحاسوب) Computer vision
  • الإنترنت التكتيكي واللمسي Haptics-enabled tactile internet
  • الروبوتات (الإنساليات) Robotics

8-الموثوقية Reliability

تعتبر الموثوقية العالية – التي تتمثل في تحمل الأعطال وأزمنة التوقف عن العمل المنخفضة جدًّا وتزويد خدمات شبكية مضمونة ومتماسكة وضمان تزويد سرعات عالية على مر الوقت ونفاذ غير متقطع إلى الشبكة – من المتطلبات التصميمة الأساسية لشبكات الجيل الخامس وبنيتها التحتية.

تجارب الأداء

أثبتت التجارب العملية أن سرعة شبكات الجيل الخامس أكبر بعشرة أمثال من سرعة شبكات الجيل الرابع. لقد غيرت سرعة شبكات الجيل الرابع طريقة استعمالنا للجهاز المحمول ومكَّنت من ظهور تطبيقات محمولة كالفيديو الدفقي Streaming video وظهور خدمات لم نكن نتخيلها مع شبكات الجيل الثالث. كذلك الأمر في شبكات الجيل الخامس التي تجاوزت بعدة مراحل أفضل أنواع شبكات الجيل الرابع مثل Advanced LTE. يبين الجدول التالي مقارنة بين أداء الشبكتين عند عدة مزودي خدمات الاتصال:

 المقدرات الأساسية لشبكات الجيل الخامس

تعتبر شبكات الجيل الخامس تطوراً للأجيال السابقة من تقانات شبكات الجوالات. هذا يعني أن العديد من الميزات الموجودة في الأجيال السابقة ستكون موجودة في الجيل الخامس، غير أن توصيف شبكات الجيل الخامس الموجود ضمن [1] يعدد فقط الوظائف الإضافية.

تشريح الشبكات Network Slicing

يقصد بمصطلح "التشريح" هنا التقسيم إلى شرائح. يستطيع مشغلو الشبكات – باستعمال مفهوم التشريح (انظر الشكل التالي) – تخصيص شبكاتهم لزبائن مختلفين وتطبيقات مختلفة. ويمكن أن يكون التشريح حسب الوظيفة (مثل: الأولوية، أو سياسات التحكم، أو الأمن) أو حسب متطلبات الأداء (مثل: زمن التأخير، أو المتاحية، أو الموثوقية، أو معدل نقل البيانات)، أو يمكن تخديم مستعملين محددين (مثل: مستعملي السلامة العامة، أو زبائن الشركات، أو المستعملين الصناعيين). ويمكن لشريحة شبكية أن تزود جميع وظائف الشبكات، ومن ضمنها شبكات النفاذ اللاسلكية، ووظائف الشبكة اللُّبِّية Core network. يمكن لشبكة واحدة دعم شريحة أو عدة شرائح شبكية.

 

الكفاءة Efficiency

ستدعم شبكات الجيل الخامس مجموعة متنوعة من الأجهزة ومن الخدمات مع متطلبات أداء مختلفة (كنتاج عالٍ، أو زمن تأخير منخفض، أو كثافة اتصالات كبيرة) ونماذج حركات مرور للبيانات (مثل حركات مرور بيانات بروتوكول IP، وحركات مرور بيانات غير بروتوكول IP، ورشقات البيانات القصيرة). لتحقيق هذه المتطلبات، يجب استمثال شبكات الجيل الخامس 5G Network Optimization.

فالاستمثال المطلوب لدعم التطبيقات المعتمدة على إنترنت الأشياء يجب أن تتعامل مع عدد كبير من الأجهزة، على حين أن التطبيقات السحابية مثل الروبوتات (الإنساليات) السحابية Cloud robotics تحتاج إلى تحقيق الحسابات ضمن الشبكة وليس ضمن الجهاز. وهذا يقتضي الحاجة إلى زمن تأخير من نهاية لنهاية صغير ومعدل نقل بيانات عالٍ.

تعتبر كفاءة الطاقة من المسائل الحرجة ضمن شبكات الجيل الخامس. فعملية مضاعفة حركات المرور ألف مرة عند الانتقال من الجيل الرابع إلى الجيل الخامس يجب ألا تتطلب تزايد استعمال الطاقة بشكل مشابه. إن مشغلي الشبكات الجوالة هم حاليًّا أكثر من يستعمل الطاقة الكهربائية في العديد من البلدان. أما فيما يتعلق بالأجهزة، فإن كفاءة الطاقة تترجم مباشرةً إلى زيادة زمن وضع التأهب Standby. فالأجهزة الصغيرة جدًّا لها عادةً مدخرات صغيرة، وهذا من شأنه وضع شروط قاسية على استعمال الطاقة الكهربائية.

إدارة متنوعة للتحرك Diverse Mobility Management

ستدعم الطبيعة المرنة لشبكات الجيل الخامس طرائق مختلفة لإدارة التحرك على نحوٍ يقلل من إشارات التحكم الإضافية signaling overhead ويحسِّن النفاذ إلى أجهزة المستعملين ذوي المتطلبات المختلفة لإدارة الحركة. يمكن أن تكون الأجهزة:

  • مستقرة stationary طوال حياتها العملية (مثل الحساسات المضمنة ضمن البنى التحتية)،
  • مستقرة خلال فترات النشاط، لكن رحالة بين فترات النشاط (مثل النفاذ الثابت Fixed access
  • متحركة ضمن فضاء معرف ومحدد (كتلك الموجودة ضمن المعامل)،
  • متحركة تحركًا كاملًا

تقانات النفاذ المتعدد Multiple Access Technologies

ستدعم شبكات الجيل الخامس تقانات نفاذ متعددة؛ فإضافةً إلى تقانات الراديو الجديد 5G New Radio (NR) فإنها ستدعم أيضًا تقانات نفاذ شبكات 4G مثل E-UTRA (Evolved Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) Terrestrial Radio Access). يضاف إلى ذلك دعمها لتقانات نفاذ من خارج معايير 3GPP.

تغدو هنا الحاجة ملحة لتحقيق التشغيل البيني والتكامل بين تقانات النفاذ المتعددة تلك.

الأولوية وجودة الخدمة وسياسة التحكم Priority, QoS and Policy Control

ستدعم شبكات الجيل الخامس العديد من الخدمات التجارية والخدمات الناظمة (مثل اتصالات السلامة العامة) التي تحتاج إلى أولوية في المعالجة. تتقاسم بعض هذه الخدمات متطلبات جودة خدمة مشتركة مثل أزمنة التأخير ونسبة فقد الطرود، لكن يمكن أن تتطلب أولويات مختلفة. ستكون شبكات الجيل الخامس قادرة على فصل أولوية اتصال ما عن جودة الخدمة المرتبطة به. فيمكن تمكين منح أولوية لحركة مرور ما عن طريق ضبط استهلاك الموارد أو استحواذ لحركات مرور ذات أولوية منخفضة.

نماذج الاتصال Connectivity Models

ستدعم شبكات الجيل الخامس عدة نماذج اتصال. فإضافة إلى الاتصال الشبكي المباشر، ستتيح شبكات 5G الاتصال غير المباشر. (انظر الشكل الآتي).

 

باستعمال الاتصال الشبكي غير المباشر، سيتمكن جهاز بعيد من الاتصال بالشبكة عن طريق جهاز ترحيل Relay device. يمكن استعمال هذا النوع من الاتصال غير المباشر لوصل الأجهزة اللبوسة wearables عن طريق الهاتف الجوال، لكن من الممكن أيضًا استعمالها لتحسين التغطية الداخلية indoor coverage عن طريق ربط الطابعات والأجهزة الإلكترونية على سبيل المثال. يستطيع جهاز الترحيل النفاذ إلى الشبكة باستعمال تقانات اتصال 3GPP أو غير 3GPP (مثل النفاذ عن طريق الشبكات اللاسلكية WLAN، أو النفاذ بالحزمة العريضة الثابت). يمكننا أيضًا استعمال تقانات 3GPP أو غيرها لتحقيق الاتصال بين الجهاز البعيد وجهاز الترحيل.

خدمات البث العام والبث المتعدد الوجهات المرنة Flexible Broadcast/Multicast Services

أدَّى تزايد خدمات الفيديو، ودفق البث العام/البث المتعدد الوجهات الوضعي Adhoc، وتوصيل البرمجيات عن طريق الشبكات اللاسلكية، واتصالات المجموعات، وتطبيقات البث العام والبث المتعدد الوجهات ضمن إنترنت الأشياء، إلى نشوء الحاجة إلى خدمات البث العام والبث المتعدد الوجهات المرنة. يجب أن تتيح هذه الخدمات التخصيص الديناميكي والمرن للموارد الراديوية بين خدمات البث الأحادية الاتجاه أو المتعددة الاتجاهات ضمن شبكة واحدة، لكن تسمح، في الوقت نفسه، بنشر شبكات البث العام القائمة بذاتها.

متطلبات أداء شبكات الجيل الخامس

تتعلق متطلبات أداء شبكات الجيل الخامس في المقام الأول بسيناريوهات حركة المرور. ففي سيناريو بقعة ساخنة داخلية indoor hotspot، يكون التركيز على تزويد معدلات نقل بيانات عالية مع سعات عالية. أما في سيناريو المناطق الريفية، فيصبح التركيز على تزويد التغطية اللازمة. وستكون متطلبات معدلات نقل البيانات أقل، لكن شبكات 5G ستضمن قيمًا صغرى لهذا المعدلات في سيناريوهات المناطق الريفية والمدن الكبيرة.

يجب أيضًا دعم النفاذ إلى الشبكة في سيناريوهات قصوى، مع تغطية بعيدة المدى، أو في سيناريوهات الأسواق الصغيرة حيث لا يكون النفاذ الى وصلات النقل الأساسي Backhaul والقدرة مضمونين. سيتم دعم مناطق تغطية الخلايا الكبيرة جدًّا، أي بنصف قطر يزيد عن 100 كم، بمعدل نقل معطيات يبلغ 1 Mbps للوصلة الهابطة على حافة الخلية. أما فيما يتعلق بالمناطق الأبعد وذات الظروف المقيدة جدًّا فسيتم دعمها بمعدل نقل معطيات يصل إلى 100 kbps وبزمن تأخير نهاية لنهاية لا يتجاوز 50 ms ومتاحية من مرتبة 95%.

وفي التطبيقات العمودية vertical applications، ثمة متطلبات أداء أخرى أكثر أهمية من معدلات النقل. أما في التطبيقات الصناعية، فتصبح أزمنة التأخير من نهاية لنهاية حرجة؛ فلا يمكن لجهاز التحكم بالحركة أن يعمل إذا كان الزمن اللازم لإرسال المعلومات من الحساس إلى المتحكم كبيرًا جدًّا؛ فالموثوقية (نسبة الطرود التي تصل بنجاح وضمن القيود الزمنية)، ومتاحية خدمات الاتصال (النسبة الزمنية لتوصيل خدمات الاتصال نهاية لنهاية حسب جودة الخدمة المتفق عليها) هما من المتطلبات الحرجة للعديد من التطبيقات الصناعية.

التطبيقات العمودية Vertical Applications

يعتبر دعم التطبيقات العمودية من أهم أهداف شبكات الجيل الخامس. ومع أن شبكات الجيل الرابع قدمت بعض الدعم للتطبيقات العمودية لكن شبكات الجيل الخامس أدَّت دورًا مهمًّا في دعمه.

كان أول تطبيق عمودي ضمن مجموعة التوصيف التقني لجانبي الخدمة والأنظمة 3GPP SA1 (Service and System Aspects) هو اتصالات المهمات الحرجة. وقد استُهدف هذا التطبيق ضمن مجموعة السلامة العامة. نذكر من أهم هذه الخدمات التي تم توصيفها: خدمات المهمات الحرجة من نوع اضغط لتتكلم Push To Talk [2]، ومهمات الفيديو الحرجة Mission Critical video [3]، والبيانات الحرجة Mission Critical Data [4].

يجب عند اعتماد خدمات المهام الحرجة ضمان متاحية الاتصالات حتى في حالات الاختناق. فمن غير المقبول مثلًا ألا يكون شرطي إطفاء قادرًا على الاتصال بشرطي إطفاء آخر بسبب وجود شخص يرفع فيديو عن الحريق. هذا يقتضي وجود أولوية بين خدمات المهمات الحرجة.

الاتصالات من نوع سيارة إلى أي شيء V2X (Vehicle to Anything) هي تطبيق عمودي أثر تأثيرًا كبيرًا ومنذ البدء في متطلبات شبكات الجيل الخامس.

إن اتصالات سكك الحديد هي آخر تطبيق عمودي مضمَّن ضمن متطلبات شبكات الجيل الخامس. يتطلع المشغلون الأوربيون إلى أن يستبدلوا هذا النوع من التطبيقات بشبكات GSM-R قبل حلول عام 2030.

 

المراجع

[1] 3GPPTS 22.261, “Service requirements for next generation new services and markets”

[2] 3GPP TR 22.179, “Mission Critical Push to Talk (MCPTT); Stage 1”

[3] 3GPP TR 22.281, “Mission Critical Video services”

[4] 3GPP TR 22.282, “Mission Critical Data services”