يمكن استخدام نوع من خدمة 5G، اتصالات فائقة الموثوقية وذات زمن انتقال منخفض، حيث يلزم نقل البيانات دون خسارة أو انقطاع في الخدمة – على سبيل المثال، التحكم في الطائرات دون طيار في مناطق الكوارث. في يوم من الأيام، عندما تصبح هذه التكنولوجيا أكثر قوة، يمكن استخدامها في الجراحة عن بُعد.
إنها التقنية التي تتيح الاتصال اللاسلكي - على سبيل المثال، من هاتفك الخلوي إلى برج خلوي، ثم يوجهه إلى شبكة الإنترنت. 5G هي خدمة شبكة تقدمها شركات الاتصالات وهي ليست نفس النطاق الترددي 5 جيجاهرتز على جهاز توجيه Wi-Fi الموجود على هاتفك الخلوي.
يقدم 5G مجالاً ترددياً في غاية العرض أكبر بعشرة أضعاف من سابقه 4G. يمكن زيادة عرض النطاق الترددي لأنه بالإضافة إلى الموجات اللاسلكية ذات التردد المنخفض والمتوسط، تستخدم 5G موجات إضافية ذات تردد أعلى لتشفير المعلومات ونقلها.
عرض النطاق الترددي مماثل لعرض الطريق السريع. كلما كان الطريق السريع أوسع، زاد عدد الممرات التي يمكنه استيعابها وزاد عدد السيارات التي يمكنها السير عليه في نفس الوقت. هذا يجعل 5G أسرع بكثير وقادر على التعامل مع العديد من الأجهزة.
يمكن لشبكة 5G توفير سرعات تتراوح بين 50 ميجابت في الثانية، حتى 1 جيجابت في الثانية. تتيح لك هذه السرعات تنزيل فيلم عالي الدقة في أقل من دقيقة. هل هذا يعني عدم وجود المزيد من اتصالات الخلايا السيئة في الأماكن المزدحمة؟ سيساعد عرض النطاق الترددي المتزايد في حل هذه المشكلة، ولكن مثلما لا تؤدي زيادة عدد الممرات على الطرق السريعة إلى تقليل الاختناقات المرورية دائماً، نظراً لأن المزيد من الأشخاص يستخدمون الطرق السريعة الموسعة، فمن المحتمل أن تحمل شبكة 5G حركة مرور أكثر بكثير من شبكات 4G، لذلك قد لا تحصل على هذا الاتصال الجيد في بعض الأحيان.
بالإضافة إلى توصيل هاتفك والكمبيوتر المحمول الذي يدعم الاتصال الخلوي، ستعمل شبكة 5G على توصيل العديد من الأجهزة الأخرى بدءاً من إطارات الصور وحتى المحامص كجزء من ثورة إنترنت الأشياء. لذلك على الرغم من أن 5G يمكنها التعامل مع ما يصل إلى مليون جهاز لكل كيلومتر مربع، يمكن استخدام كل هذا النطاق الترددي بسرعة، وما زلنا بحاجة إلى المزيد – لذلك قد نشهد في المستقبل 5.5G بهدف زيادة عرض النطاق الترددي.
نكهات 5G
يمكن لشبكة 5G استخدام ترددات منخفضة ومتوسطة وعالية النطاق، ولكل منها مزايا وعيوب. يمكن أن تنتقل الموجات ذات التردد المنخفض إلى مسافة أبعد ولكنها تكون أبطأ. إن استخدام موجات تردد أعلى يعني أن المعلومات يمكن أن تنتقل بشكل أسرع، ولكن هذه الموجات يمكنها فقط أن تقطع مسافات محدودة. يمكن لشبكة 5G عالية التردد أن تحقق سرعات جيجابت في الثانية، ما يعد بجعل كل من إيثرنت والتوصيلات السلكية الأخرى تجهيزات عفا عليها الزمن في المستقبل. في الوقت الحالي، يأتي التردد الأعلى بتكلفة أعلى، وبالتالي يتم نشره فقط في الأماكن التي تشتد الحاجة إليها: مثل الأماكن الحضرية المزدحمة والملاعب ومراكز المؤتمرات والمطارات وقاعات الحفلات الموسيقية.
يمكن استخدام نوع من خدمة 5G، اتصالات فائقة الموثوقية وذات زمن انتقال منخفض، حيث يلزم نقل البيانات دون خسارة أو انقطاع في الخدمة - على سبيل المثال، التحكم في الطائرات دون طيار في مناطق الكوارث. في يوم من الأيام، عندما تصبح هذه التكنولوجيا أكثر قوة، يمكن استخدامها في الجراحة عن بُعد.
هل هذا كل شيء... وهل تعد هذه التقنية خالية تماماً من المشكلات؟
نقدم لكم هنا بعض الصعوبات التي يجب على هذه التقنية أن تحلها قبل أن تعد ثورة حقيقية في عالم الاتصالات.
قد تكون قياسات تأثير الأشجار على عمليات إرسال شبكات الجيل الخامس أمراً حيوياً لاستخدام فئة جديدة من الإشارات.
مع تطبيق تقنية 5G بالكامل خلال السنوات العديدة القادمة، ستزداد قوة الهواتف المحمولة وغيرها من التقنيات اللاسلكية مع زيادة تدفق البيانات وانخفاض زمن الوصول. ولكن إلى جانب هذه الفوائد، يأتي سؤال: هل سيكون هاتفك المحمول من الجيل التالي غير قادر على رؤية الغابة بسبب الأشجار؟
هذه طريقة واحدة لوصف المشكلة التي تواجه مصممي الشبكات الخلوية، حيث يتعين عليهم تبني مزايا ومعرفة عيوب فئة جديدة من الإشارات التي ستستخدمها شبكة الجيل الخامس: الموجات المليمترية. لا يمكن لهذه الموجات أن تحمل معلومات أكثر من عمليات الإرسال التقليدية فحسب، بل إنها أيضاً تشغل بشكل مفيد جزءاً من طيف البث الذي نادراً ما تستخدمه تقنيات الاتصالات وهو مصدر قلق كبير في عصر تتنافس فيه هيئات البث على أجزاء من الطيف مثل المنقبين الذين يسيطرون على الأرض.
ومع ذلك، فإن الموجات المليمترية لها عيوبها أيضاً، أهمها قدرتها المحدودة على اختراق العوائق. وتشمل هذه العوائق المباني، وكذلك الأشجار التي تنتشر في كل الأماكن. حتى وقت قريب، لم يُعرف الكثير عن كيفية تأثير الأشجار على انتشار الموجات المليمترية. ومثلما يرغب القليل منا في تخيل منظر طبيعي دون مساحات خضراء أو أشجار، فإن قلة من المصممين سيكونون قادرين على تخطيط شبكات حول هذه الأماكن بدون مثل هذه التفاصيل الأساسية الحاسمة.
شرع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في حل هذه المشكلة عن طريق قياس تأثير الأشجار على موجات المليمتر. يمكن أن يحدث هذا الجهد فرقاً عميقاً في قدرة أجهزتنا من الجيل التالي على رؤية هوائيات 5G التي قد تزرع قريباً في كل مكان.
سوف يتميز عصر 5G بالاتصال اللاسلكي ليس فقط بين الأشخاص، ولكن أيضاً بين الأجهزة المتصلة بإنترنت الأشياء. أدى الطلب المتزايد على التنزيلات الأكبر من قِبل عملاء الهواتف المحمولة والاستجابة للشبكة الخالية من التأخير من قِبل اللاعبين إلى تحفيز الصناعة اللاسلكية لمتابعة اتصالات أسرع وأكثر فاعلية. لن تعمل أجهزتنا وخدماتنا الحالية بشكل أكثر فاعلية فحسب، بل يمكننا أيضاً إنجاز أجهزة جديدة: ستعتمد المركبات ذاتية القيادة على استجابة الشبكة السريعة للعمل، حيث يشكل هذا الأمر حافزاً كبيراً للمصممين للوصول إلى الشبكة المثالية الخالية من العيوب.
قالت ندى جولمي، رئيسة قسم الشبكات اللاسلكية في المعهد القومي للمعايير والتقنية (NIST) في مختبر تكنولوجيا الاتصالات: سنكون قادرين على القيام بأشياء جديدة إذا تمكنت أجهزتنا من تبادل المعلومات ومعالجتها بسرعة وفعالية. لكنك بحاجة إلى بنية تحتية جيدة للاتصالات. الفكرة هي الاتصال ومعالجة البيانات في مكان واحد والقيام بأشياء معها في مكان آخر.
يمكن أن تكون الموجات المليمترية، والتي تعتبر مجالاً جديداً لصناعة الاتصالات اللاسلكية، جزءاً من الحل. تبعد قمم الأمواج بضع ملليمترات فقط وهي مسافة قصيرة جداً مقارنة بموجات الراديو التي يمكن أن يصل طولها إلى عدة أمتار، وتردداتها عالية جداً، في مكان ما بين 30 و 300 جيجاهيرتز، أو مليار قمة موجة في الثانية. مقارنةً بالإرسالات الراديوية التقليدية، والتي تكون في نطاقات الكيلوهيرتز (لـ AM) والميغاهرتز (لـ FM)، ستكون إشارات 5G الجديدة عالية جداً في الواقع: شيء مثل تغريد الطيور في النطاق العلوي من السمع البشري مقارنةً بالراديو العميق ذي الصوت المنخفض.
إن التردد العالي لموجات المليمتر هو ما يجعلها محيرة لناقلات البيانات وأيضاً يصعب تسخيرها. من ناحية أخرى، يعني المزيد من قمم الموجات في الثانية أن الموجات يمكن أن تحمل المزيد من المعلومات، وعصرنا المتعطش للبيانات يتوق إلى تلك القدرة على توفير تلك التنزيلات الأسرع واستجابات الشبكة العالية. من ناحية أخرى، تواجه الموجات عالية التردد صعوبة في التنقل عبر العوائق. يعرف أي شخص مر بالقرب من منزل أو سيارة يشغّل ركابها موسيقى رقص صاخبة أن ترددات الجهير النابض هي معظم ما يصل إلى الهواء الطلق، وليست ثلاثة أضعاف صوت سوبرانو متوهج.
بالنسبة إلى شبكات 5G، قد يكون الجدار المعترض مجرد ورقة بلوط. لهذا السبب شرع علماء NIST في مهمة غير عادية إلى حد ما في أيلول 2019: حيث قاموا بتجهيز معدات قياس بالقرب من الأشجار والشجيرات ذات الأحجام المختلفة حول حرم جامعة ميريلاند. استمرت الدراسة لأشهر، ويرجع ذلك جزئياً إلى أنهم كانوا بحاجة إلى منظور موسمي.
قالت جولمي: دراسة الشجرة هي واحدة من الدراسات القليلة التي تبحث في تأثير الشجرة نفسها على تردد إشارة معين خلال المواسم المختلفة. لم ننجز الاستطلاع في الشتاء فقط، لأن الأمور كانت ستتغير بحلول الصيف. اتضح أنه حتى شكل الأوراق يؤثر على ما إذا كانت الإشارة ستنعكس أم ستمر.
عمل الفريق مع المجتمع اللاسلكي لتطوير المعدات المحمولة اللازمة لأخذ القياسات. ركز الباحثون أيضاً على الأشجار المفردة ووجهوا إشارات الموجات المليمترية إليها من مجموعة من الزوايا والمواقف المختلفة، لمحاكاة الموجات القادمة من اتجاهات مختلفة. قاموا بقياس الخسارة أو التوهين بالديسيبل. (كل خسارة مقدارها 10 ديسيبل هي تخفيض بقدرة 10؛ والتوهين بمقدار 30 ديسيبل يعني أن الإشارة تنخفض بمعدل 1000).
بالنسبة إلى نوع واحد من الأشجار المورقة، نبات القراص الأوروبي، كان متوسط التوهين في الصيف 27.1 ديسيبل، لكنه انخفض إلى 22.2 ديسيبل في الشتاء عندما كانت الشجرة عارية.
(كمقياس للمقارنة، نظر الفريق أيضاً في أنواع مختلفة من مواد البناء. أظهرت الأبواب الخشبية والجدران المصنوعة من ألواح الجبس والزجاج الداخلي خسائر تصل إلى 40.5 ديسيبل و 31.6 ديسيبل و 18.1 ديسيبل على التوالي، بينما أظهرت مواد البناء الخارجية خسائر أكبر، وصلت حتى 66.5 ديسيبل).
في حين أن مساهمات NIST في جهود تطوير شبكة 5G قد تنتهي في كل مكان مثل الأشجار نفسها، إلا أنها ستكون أقل وضوحاً بالنسبة إلى معظمنا. القياسات التي أجراها الفريق مخصصة بشكل أساسي للشركات التي تنشئ نماذج لكيفية تأثير الأجسام المختلفة على الموجات المليمترية. جزء من الجهد كان عبارة عن تعاون مع شركة Ansys Inc. واستخدمت الشركة بيانات القياس التي شاركتها NIST معها لضبط نماذج محاكاة الشجرة، والتي تستخدمها الشركات الخلوية لتخطيط شبكات الهوائيات الخاصة بها بالتفصيل.
قال ديفيد لاي من NIST، أحد العلماء الذين أجروا الدراسة: معظم النماذج لا تتضمن معلومات قائمة على القياس حول الأشجار. قد يقولون ببساطة إنه بالنسبة إلى شكل معين يشبه الشجرة، يجب أن نتوقع قدراً معيناً من فقدان الإشارة. نريد تحسين نماذجهم من خلال توفير بيانات انتشار دقيقة قائمة على القياس.
ساهم تعاون NIST مع Ansys في التوجيه الصادر عن الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU)، المنظمة التي تضع مبادئ توجيهية لمعايير الاتصالات. تظهر النتائج الآن كقسم جديد عن الأشجار في توصية الاتحاد الدولي للاتصالات. يعمل هذا المنشور كمرجع لنماذج انتشار الإشارة، والتي سيطورها الآخرون.
قالت جولمي: هدفنا هو الحصول على هذه القياسات وعرضها أمام المجتمع اللاسلكي بأكمله. نأمل أن يساعد هذا الجهد السوق بأكمله.
----