غالبًا ما تتبع التقنيات الجديدة دورة الضجيج الكلاسيكية لشركة Gartner، حيث تتقدم من الابتكار الأولي إلى الحماس المفرط وخيبة الأمل إلى التنوير والإنتاجية في نهاية المطاف. 5G ليست استثناء. ومع إفساح المجال للعناوين الجريئة والضجيج المحيط بشبكة الجيل الخامس للحقائق العملية، يتفق المدافعون والنقاد على حد سواء على ضرورة حل عدد من القضايا التقنية قبل أن تصل تقنية الجيل الخامس إلى إمكاناتها الكاملة. تحمل شبكات الجيل الخامس (5G) القائمة على ترددات الموجات المليمترية (mmWave) في النطاق من 5 جيجا هرتز إلى 5 جيجا هرتز، الوعد الأكبر بالاتصال اللاسلكي ذي النطاق الترددي العالي والكمون المنخفض. ومع ذلك، mmWave التكنلوجيا يشكل أيضًا تحديات كبيرة في انتشار الترددات اللاسلكية وعقبات أمام نشر شبكات 5G فائقة السرعة على نطاق واسع والتي يحتاج المصممون إلى معالجتها لإطلاق إمكانات 5G في كل مكان.
تحول 5G: شبكات لاسلكية بسرعات تشبه الألياف
التطور الخلوي لا ينتهي أبدًا: الرسائل النصية المزودة بتقنية الجيل الثاني (2G) ، والجيل الثالث (3G) يوفر اتصالاً بالإنترنت عبر الهاتف المحمول ، ويدخل الجيل الرابع (4G) بث الفيديو عبر الهاتف المحمول. يستعد راديو 5G الجديد ، الجيل الخامس من التكنولوجيا الخلوية ، ليخلف 4G LTE اليوم ، حيث يوفر معدلات بيانات قصوى 100 مرة أسرع من 4G ، إلى جانب عرض نطاق ترددي أعلى بشكل كبير ، وزمن وصول أقل ، وتوافر أكبر ، وتغطية أكثر اتساقًا.
ستكون 5G حافزًا للابتكار في كيفية عيشنا وعملنا وتواصلنا وتحويل الصناعات وتحسين حياتنا بطرق لم نتخيلها بعد. مثلما أحدث انتشار اتصالات الألياف عالية السرعة ثورة في الإنترنت ، فإن شبكات 5G ستشحن اتصال الهاتف المحمول في كل مكان. ستعمل سرعات 5G الشبيهة بالألياف مع توفر طيف 10 × على طمس الخطوط الفاصلة بين الوصول السلكي واللاسلكي في منازلنا ومكاتبنا ومصانعنا ومناظر المدينة.
تشمل التطبيقات التي تستفيد من أداء 5G الذي لا مثيل له المركبات ذاتية القيادة بالكامل ، والاتصالات من مركبة إلى أخرى ، والمباني الذكية والمدن الذكية ، والتطبيب عن بعد ، والروبوتات الطبية ، والواقع الافتراضي والمُعزز ، والخدمات المستندة إلى السحابة المتنقلة. ستكون الزيادة الهائلة في الأجهزة المتصلة بإنترنت الأشياء والمصانع الذكية والمستودعات والساحات الرياضية لإنترنت الأشياء الصناعية من بين أوائل المحركين الذين استفادوا من شبكات 5G الخاصة.
mmWave: تقنية 5G التي نريدها جميعًا
كما أن هناك نكهات متعددة واي فاي وتقنيات البلوتوث اللاسلكية ذات الميزات ومستويات الأداء المختلفة، تقوم شركات الاتصالات المتنقلة بطرح عدة أنواع من شبكات الجيل الخامس مع اختلافات كبيرة في السرعات وزمن الوصول بناءً على الطيف المستخدم.
هناك نوعان أساسيان من شبكات 5G:
- تعتمد شبكات mmWave 5G فائقة السرعة على نطاقات تردد عالية جدًا تتراوح من 24 جيجاهرتز إلى 40 جيجاهرتز أو أعلى ، مما يوفر أداءً فائقًا ونطاق ترددي عريض و "عامل رائع" الذي يتوقعه معظم الناس من 5G. هذا هو نطاق تردد 5G الذي يتيح مشاهدة الأفلام كاملة الطول في ثوانٍ بدلاً من دقائق.
- تدعم شبكات 6G الفرعية 5 جيجاهرتز - ما يواجهه معظم الأشخاص حاليًا في خدمة 5G الخاصة بهم - نطاقات التردد المتوسط والمنخفض التي تقل عن 6 جيجاهرتز. نطاقات التردد المنخفض أقل من 1 جيجاهرتز ، وتتراوح النطاقات المتوسطة من 3.4 جيجاهرتز إلى 6 جيجاهرتز.
يعد فهم الاختلافات بين كل نوع من أنواع تقنية 5G أمرًا بالغ الأهمية لمواجهة تحديات النشر وتلبية توقعات المستخدم النهائي للنطاق الترددي وزمن الانتقال. نوع 5G الذي يستقبله معظم المستخدمين اليوم على هواتفهم الذكية ليس الجيل الخامس فائق السرعة ومتعدد جيجابت الذي يتوقعونه على الفور.
تعد شبكات 4G LTE أبطأ بشكل كبير من شبكات mmWave 5G ، حيث تتراوح سرعات تنزيل 4G من حوالي 35 ميجابت / ثانية إلى أكثر من 50 ميجابت / ثانية. يمكن أن توفر mmWave سرعات تصل إلى 5 جيجابت / ثانية ، وهي أسرع بكثير مما هو ممكن مع 4G LTE. تقع سرعات شبكة 6G Sub-5 GHz في مكان ما بين سرعات mmWave و LTE. في حين أن الشبكات الفرعية 6 جيجاهرتز تتفوق على 4G LTE من حيث الإنتاجية ووقت الاستجابة وعرض النطاق الترددي ، إلا أنها لا ترقى إلى مستوى أداء mmWave.
لن يدفع معظم المستهلكين ومستخدمي الأعمال قسطًا للتبديل من 4G إلى 5G ما لم يروا تحسينات كبيرة في معدلات البيانات ووقت الاستجابة وعرض النطاق الترددي. mmWave هو الشكل الوحيد لتقنية 5G الذي يوفر تجربة مستخدم فائقة بشكل ملحوظ. إنها تقنية الجيل الخامس التي نريدها جميعًا.
طرح mmWave 5G: التحديات والفرص
تأتي الإمكانات الهائلة لتقنية mmWave مع تحديات كبيرة. تختلف سرعات شبكة mmWave الواقعية اعتمادًا على النطاق وحاجبات الإشارة والقرب من أقرب برج 5G أو خلية صغيرة. في حين أن شبكات mmWave 5G فائقة السرعة ، إلا أنها قصيرة المدى أيضًا. لتلقي إشارات mmWave ، يجب أن يكون المستخدمون داخل كتلة أو اثنتين من برج 5G مع عدم وجود عوائق لخط البصر (LOS). يتم حظر إشارات الموجات mmWave عالية التردد بسهولة بواسطة المباني والجدران والنوافذ وأوراق الشجر ، مما يقلل من نطاق 5G المتاح (الشكل 1). لتحسين التغطية ، تواجه شركات الاتصالات تركيب العديد من الخلايا الصغيرة بكثافات عالية ، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة نشر شبكات mmWave على نطاق واسع.
الشكل 1: تحديات مقدم الخدمة لعمليات النشر السريع لشبكات 5G mmWave تشمل نطاق إشارة محدود ومتطلبات خط الرؤية وضعف اختراق المباني والتغطية والاتصال. (المصدر: Movandi) انقر للحصول على صورة أكبر.
نظرًا لتغطيتها وقيود LOS ، تعد تقنية mmWave أكثر ملاءمة للبيئات الحضرية الكثيفة. نظرًا لمحدودية النطاق ، فإن mmWave ليس خيارًا عمليًا لمناطق الضواحي والمناطق الريفية ، والتي يتم تقديمها بشكل أفضل من خلال شبكات 4G LTE سهلة النشر وبأسعار معقولة وشبكات 6G الفرعية 5 جيجا هرتز. سيتطلب الانتشار الواسع لشبكات mmWave 5G تركيبًا موسعًا تحت الأرض لكابلات الألياف. حتى يحدث هذا ، ستستمر شركات الاتصالات في الاعتماد على البنية التحتية للشبكة الحالية أثناء انتقال السوق إلى 5G. علاوة على ذلك ، لا تدعم الهواتف الذكية اليوم جميع أنواع شبكات الجيل الخامس. ومع ذلك ، من المتوقع أن تطلق آبل وسامسونغ منتجات هواتف ذكية جديدة تدعم شبكات الجيل الخامس في المستقبل القريب.
على الرغم من أن النطاق ، وانتشار الإشارة ، وقيود LOS هي "كعب أخيل" mmWave ، فإن التقنيات المتقدمة مثل مصفوفات الهوائي متعدد المدخلات الضخمة ، ومصفوفات الهوائيات المصغرة ، والتشكيل الشعاعي القابل للتكيف ، والمكررات النشطة الذكية يمكن أن تعالج هذه التحديات بفعالية.
تحل أجهزة إعادة الإرسال النشطة الذكية تحديات انتشار إشارة الجيل الخامس عن طريق تضخيم إشارات الموجات المليمترية وتوسيع نطاق وتغطية الشبكات القائمة على الموجات المليمترية في البيئات الخارجية وداخل المباني. تعمل أجهزة إعادة الإرسال النشطة من خلال تعزيز إشارات الموجات mmWave ، وتمكينها من اختراق الجدران والعوائق الأخرى والانحناء حول المباني للتغلب على مشكلات LOS دون الحاجة إلى تصميمات الهوائيات الضخمة أو توصيل الألياف المكلفة (الشكل 2).
عند نشره داخل مبنى ، يقوم مكرر ذكي بتضخيم إشارة البث الضعيفة ويمكن أن يضيء غرفة بأكملها ، مما يحسن تجارب اتصال المستخدم والتطبيق. يُمكِّن الاستخدام الواسع لأجهزة إعادة الإرسال النشطة عبر شبكات 5G مزودي الخدمة من إطلاق خدمات 5G mmWave الداخلية والخارجية والمتنقلة بتكاليف أقل بنسبة 50٪.
الشكل 2: حلول مثل أجهزة إعادة الإرسال النشطة المستندة إلى BeamX من Movandi يمكن أن تزيد من تغطية المحطات الأساسية بموجات mmWave بنسبة 90٪ بأقل من 40٪ من التكلفة الرأسمالية. (المصدر: Movandi) انقر للحصول على صورة أكبر.
تختبر جميع شركات النقل الكبرى في الولايات المتحدة شبكات mmWave ، مما يوفر التوافر في مدن وأحياء رئيسية مختارة. يتوفر 6G Sub-5 GHz حاليًا على نطاق أوسع من mmWave ، مع قيام شركات النقل الكبرى بنشر شبكات 5G منخفضة التردد للعديد من العملاء في المناطق الحضرية.
ينتقل مشغلو المستوى 1 إلى تقنية mmWave لتلبية متطلبات سعة الشبكة ، حيث من المتوقع أن يتجاوز طلب العملاء السعة الفرعية 6 جيجاهرتز بحلول عام 2023 ، مع قيام العديد من المشغلين بنشر شبكات 5G القائمة على الموجات mmWave. بينما يجادل منتقدو mmWave بأن الشبكات الفرعية 6 GHz تقدم تغطية أفضل من mmWave وتتطلب عددًا أقل من العقد الراديوية من الجيل التالي (gNBs) ، سيتطلب الطيف الفرعي المحدود 6 جيجا هرتز في النهاية نشر المزيد من gNBs. علاوة على ذلك ، سيساعد النطاق الترددي العالي mmWave في تخفيف ازدحام الشبكة المتزايد في المناطق الحضرية المزدحمة ، مثل الساحات الرياضية وأماكن الحفلات الموسيقية والمطارات.
بينما يجري الانتقال إلى شبكات 5G ، لا يزال هناك طريق طويل إلى الأمام حتى تحل شبكة 5G محل 4G LTE ، محققة الوعد بسرعات فائقة السرعة mmWave وزمن انتقال منخفض. تقنية mmWave هي المفتاح لإطلاق إمكانات 5G. لتحقيق أهداف 5G الطموحة المتمثلة في زمن انتقال منخفض ، وعرض نطاق ترددي عالٍ ، وسرعات أسرع ، وتغطية واسعة ، تعمل شركات النقل الكبرى وموفرو حلول mmWave معًا للتغلب على هذه التحديات الأساسية.