مقدمة

مرحبًا خبراء التقنية، أنا مهندس دعم فني من مفتاح-أيوت. لقد انخرطت مؤخرًا بعمق في مشاريع نشر شبكات الجيل الخامس وتحسينها، لا سيما في تطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية وشبكات المركبات. لقد لاحظت أن معظم المناقشات حول تقنية الجيل الخامس في المنتديات لا تزال سطحية. واليوم، أريد أن أتعمق في جوهر شبكات الجيل الخامس من منظور البنية التقنية، بالإضافة إلى خبرتنا الفعلية في النشر، ومناقشة التحديات التقنية في تطبيقات العالم الحقيقي، ولا يستهدف هذا المقال الجمهور العام ولكنه يركز على المتخصصين ذوي العقلية التقنية. سيتضمن تفاصيل تقنية شاملة وبيانات اختبار حقيقية. إذا كنت مهتمًا بتفاصيل التنفيذ التقني لشبكات الجيل الخامس، فمن المفترض أن توفر لك هذه المقالة رؤى قيمة.

تحليل تقني عميق لبنية شبكة الجيل الخامس 5G

الاختلافات الجوهرية بين بنية SA و NSA

تشير العديد من المقالات إلى كل من SA وNSA، ولكن القليل منها يحلل بعمق الاختلافات الأساسية في تنفيذهما التقني. من تجربتنا الفعلية في النشر، فإن الاختلافات بين هاتين البنيتين أكبر بكثير مما هو متصور .SA (مستقل) تركز الشبكات المستقلة على وجود بنية شبكة أساسية كاملة لشبكة الجيل الخامس 5G، بما في ذلك:

• وظيفة إدارة الوصول والتنقل (AMF)
• UPF (وظيفة مستوى المستخدم)
• وظيفة إدارة الجلسات (SMF)
• AUSF (وظيفة خادم المصادقة)

في ظل هذه البنية، يتم تحقيق جميع اتصالات الوصلة الصاعدة والهابطة من خلال محطات 5G القاعدية، مما يطلق العنان للقدرات الأساسية للجيل الخامس بشكل كامل مثل تشريح الشبكة والحوسبة الطرفية

.NSA (غير المستقل) تعتمد الشبكات غير المستقلة على بنية هجينة من شبكة 4G الأساسية + محطات 5G الأساسية. تكمن المشكلة في هذه البنية في أنه في حين أن جزء الوصول اللاسلكي يستخدم تقنية الجيل الخامس، فإن قدرة معالجة الشبكة الأساسية لا تزال محدودة بسبب بنية الجيل الرابع، وغير قادرة على تحقيق زمن وصول منخفض حقيقي وموثوقية عالية

من بيانات الاختبار الفعلية التي أجريناها، تتفوق شبكات SA على شبكات NSA بشكل ملحوظ في أداء زمن الاستجابة. يظهر هذا الاختلاف بشكل خاص في سيناريوهات تطبيق URLLC.

التحديات التقنية في تخصيص موارد الطيف الترددي

شبكات الجيل الخامس 5G استخدام استراتيجيات جديدة تمامًا لتخصيص موارد الطيف. من من منظور التنفيذ التقني، تستخدم تقنية الجيل الخامس 5G في المقام الأول ثلاثة نطاقات تردد:

• دون 6 جيجا هرتز (3.5 جيجا هرتز و2.6 جيجا هرتز بشكل أساسي)
• نطاق الموجات المليمترية (24 جيجا هرتز - 100 جيجا هرتز)
• النطاق المتوسط (1-6 جيجا هرتز)

لكل نطاق تردد خصائص انتشار وسيناريوهات تطبيق فريدة من نوعها. في عمليات النشر الفعلية التي أجريناها، فإن النطاق 3.5 جيجا هرتز هو الأكثر استخدامًا لأنه يحقق توازنًا جيدًا بين نطاق التغطية والاختراق.

تحليل فني متعمق لثلاث فئات من التطبيقات

تفاصيل تقنية eMBB والتحديات التي تواجه التنفيذ

eMBB (النطاق العريض المتنقل المحسّن) كأول سيناريو تجاري للجيل الخامس 5G له تنفيذ تقني ناضج نسبيًا. ومع ذلك، من من منظور الممارسة الهندسية، تشمل التحديات الرئيسية التي تواجه eMBB ما يلي:1. تقنية تجميع الناقل تحقيق معدلات بيانات أعلى من خلال تجميع ناقلات متعددة، ولكن هذا يتطلب أن تتمتع الأجهزة الطرفية بقدرات معالجة إشارة أقوى.2. تقنية MIMO الضخمة تحسين الكفاءة الطيفية عن طريق زيادة عدد الهوائيات، ولكن هذا يؤدي أيضًا إلى مشاكل التداخل بين الهوائيات وتعقيد معالجة الإشارة.3. تقنية التضمين عالي الترتيب استخدام تقنيات التضمين عالي الترتيب مثل 256QAM لتحسين كفاءة نقل البيانات، ولكن يتطلب جودة إشارة عالية للغاية.

التحديات والحلول التقنية لـ URLLC

يُعد سيناريو التطبيق الأكثر تحدياً بالنسبة للجيل الخامس (URLLC) (الاتصالات فائقة الموثوقية منخفضة الكمون)

. من من منظور التنفيذ التقني، يواجه URLLC تحديات رئيسية بما في ذلك:1. التحكم في زمن الاستجابة لتحقيق زمن استجابة منخفض للغاية في حدود 1 مللي ثانية، يلزم إجراء تحسينات على مستويات متعددة:

• الطبقة الفيزيائية: اعتماد TTI قصير (الفاصل الزمني للإرسال)
• طبقة MAC: تحسين خوارزميات الجدولة
• طبقة الشبكة: نشر الحوسبة الطرفية

2. ضمان الموثوقية لتحقيق موثوقية 99.999%، تشمل المتطلبات ما يلي:

• آليات الإرسال الزائدة عن الحاجة
• خوارزميات إعادة الإرسال السريع
• الإرسال متعدد المسارات

في مشاريعنا الخاصة بشبكات المركبات، تكون متطلبات تغطية شبكة 5G للمركبات ذاتية القيادة صارمة للغاية: 5G RSRP≥-72dBm، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء 5G SINR≥18dB، ووقت الاستجابة <20 مللي ثانية

. تبدو هذه المؤشرات بسيطة ولكنها تتطلب تخطيطًا دقيقًا للشبكة وتحسينها في النشر الفعلي.

تنفيذ اتصال MMTC واسع النطاق

تحل MMTC (اتصالات من نوع الآلة الضخمة) في المقام الأول مشاكل الاتصال واسعة النطاق في سيناريوهات إنترنت الأشياء

. تشمل تحديات التنفيذ التقنية الأساسية ما يلي:1. كثافة الاتصال لدعم مليون اتصال جهاز في نطاق 1 كيلومتر مربع، تشمل المتطلبات ما يلي:

• آليات الوصول العشوائي الجديدة
• خوارزميات التخصيص الأمثل للموارد
• معالجة الإشارات الفعالة

2. التحكم في استهلاك الطاقة تحتاج معظم أجهزة إنترنت الأشياء إلى تشغيل طويل الأمد، مما يتطلب:

• مجموعة البروتوكولات المحسّنة
• آليات النوم والاستيقاظ الذكية
• خوارزميات ضغط البيانات الفعالة

تحليل البيانات الفنية من النشر الفعلي

تحليل متعمق لبيانات اختبار شبكة Huawei Lab SA المختبرية

أجرينا اختبارًا تفصيليًا لشبكة SA في مختبر هواوي، حيث كشفت بيانات الاختبار عن العلاقة بين أداء شبكة الجيل الخامس وجودة الإشارة

:نقطة اختبار هانغتشو

• قوة الإشارة: -72 ديسيبل ميلي واط
• نسبة الإشارة إلى الضوضاء: 34 ديسيبل
• معدل الوصلة الهابطة 826.4 ميجابت في الثانية
• معدل الوصلة الصاعدة 743.4 ميجابت في الثانية
• زمن الاستجابة: 17.8 مللي ثانية
• الاهتزاز 0.000%

نقطة اختبار شينزين:

• قوة الإشارة: -98 ديسيبل ميلي واط
• نسبة الإشارة إلى الضوضاء: 22 ديسيبل
• معدل الوصلة الهابطة 456.4 ميجابت في الثانية
• معدل الوصلة الصاعدة 406.7 ميجابت في الثانية
• زمن الاستجابة: 18.3 مللي ثانية

نقطة اختبار تشنغدو

• قوة الإشارة: -111 ديسيبل في المليون
• نسبة الإشارة إلى الضوضاء: 10 ديسيبل
• معدل الوصلة الهابطة: 233.5 ميجابت في الثانية
• معدل الوصلة الصاعدة: 236.4 ميجابت في الثانية
• زمن الاستجابة: 22.1 مللي ثانية

نقطة اختبار ووهان:

• قوة الإشارة: -118 ديسيبل ميلي واط
• نسبة الإشارة إلى الضوضاء: 5 ديسيبل
• معدل الوصلة الهابطة 137.3 ميجابت في الثانية
• معدل الوصلة الصاعدة 137.4 ميجابت في الثانية
• زمن الاستجابة: 21.3 مللي ثانية

تكشف مجموعة البيانات هذه عن عدة أنماط رئيسية:

1. علاقة غير خطية بين قوة الإشارة والإنتاجية: ينتج عن انخفاض قوة الإشارة من -72 ديسيبل ميلي أمبير إلى -98 ديسيبل ميلي أمبير انخفاض في الإنتاجية بحوالي 451 تيرابايت 3 تيرابايت؛ ولكن من -98 ديسيبل ميلي أمبير إلى -111 ديسيبل ميلي أمبير، ينخفض الإنتاجية بحوالي 491 تيرابايت 3 تيرابايت. يشير هذا إلى أن شبكات 5G حساسة للغاية لجودة الإشارة.

2. القيمة الحرجة لنسبة الإشارة إلى الضوضاء: عندما تنخفض نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى أقل من 10 ديسيبل يتدهور أداء الشبكة بشكل حاد. ويرتبط ذلك بتقنية التضمين عالية الترتيب المستخدمة في شبكة الجيل الخامس.

3. الاستقرار النسبي لوقت الاستجابة: حتى في ظل ظروف جودة الإشارة الرديئة، تكون تغيرات زمن الاستجابة صغيرة نسبيًا، مما يعكس مزايا شبكة الجيل الخامس في التحكم في زمن الاستجابة.

الاعتبارات التقنية لاختيار بطاقة SIM

في نشر شبكة الجيل الخامس، غالبًا ما يتم تجاهل اختيار بطاقة SIM، ولكنها في الواقع نقطة قرار تقنية مهمة

الخصائص التقنية لبطاقات إنترنت الأشياء:

• نطاق درجات الحرارة الصناعية: -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية
• قدرة أعلى على مقاومة الاهتزاز
• عمر خدمة أطول (عادة ما يزيد عن 10 سنوات)
• وصول مخصص لشبكة APN مخصصة

المزايا التقنية لبروتوكول الإنترنت الثابت: من منظور بنية الشبكة، لا يقتصر بروتوكول الإنترنت الثابت على سهولة الإدارة فحسب، بل الأهم من ذلك:

• تقليل النفقات العامة لتحويل NAT
• وقت إنشاء اتصال أقل
• تحسين كفاءة نقل البيانات من طرف إلى طرف
• دعم السياسات الأمنية الأكثر تعقيداً

بالنسبة لتطبيقات المركبات، نوصي بشدة باستخدام بطاقات SIM المدمجة ذات المواصفات الصناعية ومواصفات السيارات أو أعلى، حيث إن الاهتزازات وتغيرات درجات الحرارة في بيئات المركبات تفرض متطلبات موثوقية عالية للغاية على بطاقات SIM.

الاختلافات التقنية بين الشبكات العامة والخاصة

التحديات التقنية لنشر الشبكة العامة

الخصائص التقنية للشبكة العامة 5G 5G:

• بنية تحتية مشتركة، منخفضة التكلفة نسبياً
• تتأثر سعة الشبكة بشكل كبير بكثافة المستخدمين
• يعتمد الأمان على آليات أمان الشبكة العامة
• صعوبة ضمان جودة الخدمة

المزايا التقنية لنشر الشبكة الخاصة

المزايا الأساسية للشبكة الخاصة 5G:

• التقسيم المستقل للشبكة، وعزل الموارد
• جودة الخدمة التي يمكن التحكم فيها
• أمان أعلى
• وظائف الشبكة المخصصة

من خلال خبرتنا في النشر، بالنسبة لتطبيقات الأعمال الحرجة، فإن نشر الشبكة الخاصة، على الرغم من تكلفته الباهظة، يُظهر مزايا واضحة في الموثوقية والأمان .

التطبيقات العميقة للجيل الخامس في إنترنت الأشياء الصناعي

التطبيقات العملية لتقنية التقطيع الشبكي

تشريح الشبكة هو أحد التقنيات الأساسية لشبكة الجيل الخامس، مما يسمح بإنشاء شبكات متعددة مستقلة منطقيًا على نفس البنية التحتية المادية للشبكة. في تطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية، نقوم عادةً بإنشاء عدة أنواع من الشرائح: 1. شريحة التحكم: تُستخدم لإشارات التحكم في الوقت الحقيقي، وتتطلب وقت استجابة منخفض للغاية. 2. شريحة البيانات: تُستخدم لنقل البيانات الكبيرة التي تتطلب إنتاجية عالية 3. شريحة الإدارة: تُستخدم لإدارة الأجهزة ومراقبتها، وتتطلب موثوقية عالية

دمج حوسبة الحافة والجيل الخامس 5G

يُعد الجمع بين الجيل الخامس والحوسبة الطرفية تقنية أساسية لتحقيق الصناعة 4.0. في عمليات النشر الفعلية لدينا، عادةً ما يتم نشر عقد الحوسبة المتطورة في:

• مراكز البيانات المتطورة داخل المصانع
• أجهزة الحافة بالقرب من محطات الجيل الخامس 5G الأساسية
• وحدات حوسبة الحافة داخل المركبات

يمكن لهذه البنية أن تقلل من زمن انتقال معالجة البيانات إلى أقل من 5 مللي ثانية، مما يلبي متطلبات الوقت الحقيقي للتحكم الصناعي.

الآفاق والتحديات التقنية

اتجاه تطوير تقنية الجيل السادس 6G

على الرغم من أن تقنية الجيل الخامس لم تنضج بالكامل بعد، إلا أن البحث والتطوير في تقنية الجيل السادس قد بدأ بالفعل. من اتجاهات تطوير التكنولوجيا، ستركز تقنية الجيل السادس على حل:

• تكنولوجيا اتصالات التيراهيرتز
• شبكات فضائية-هوائية-أرضية متكاملة
• الاتصالات الثلاثية الأبعاد
• التواصل بين الدماغ والحاسوب

التحديات التقنية الحالية

1. مشكلات استهلاك الطاقة: يبلغ استهلاك المحطة الأساسية للجيل الخامس 5G للطاقة 3-4 أضعاف استهلاك محطة الجيل الرابع 4G
2. تكاليف التغطية: نطاق تغطية الموجات المليمترية صغير، مما يتطلب نشر محطات قاعدية أكثر كثافة
3. تكاليف المحطات الطرفية: لا تزال تكاليف رقاقة 5G مرتفعة
4. التوحيد القياسي: تحتاج قابلية التشغيل البيني بين معدات البائعين المختلفة إلى مزيد من التحسين

الخاتمة

شبكات الجيل الخامس ليست مجرد ترقية لتكنولوجيا الاتصالات، بل هي إعادة بناء كاملة للنظام البيئي التكنولوجي. ومن خلال تجربتنا الفعلية في النشر، تكمن القيمة الحقيقية لشبكات الجيل الخامس في قدرتها على دعم سيناريوهات التطبيقات المتنوعة، لا سيما في مجال إنترنت الأشياء الصناعية وشبكات المركبات، ومع ذلك، فإن نشر شبكات الجيل الخامس وتحسينها هو مشروع هندسة نظم معقدة تتطلب دراسة شاملة عبر أبعاد متعددة بما في ذلك بنية الشبكة وموارد الطيف والمعدات الطرفية. فقط من خلال الفهم العميق للجوهر التقني لشبكات الجيل الخامس يمكننا الاستفادة بشكل كامل من مزاياها في التطبيقات العملية، وآمل أن توفر هذه المقالة مراجع تقنية قيّمة للجميع. إذا كانت لديك أسئلة تقنية محددة، فلا تتردد في مناقشتها في قسم التعليقات.