[فرونتير] تحليل تكامل أنظمة الاتصالات المتنقلة عبر الجيل الخامس والأقمار الصناعية

المقدمة

مع التطور السريع للإنترنت عبر الهاتف المحمول وانتشار استخدام الأجهزة الذكية، ازدادت متطلبات المستخدمين لسرعة الاتصالات المتنقلة. ويهدف نظام الجيل الخامس للاتصالات المتنقلة (5G) إلى توفير سرعة قصوى تتراوح بين 10 و20 جيجابت في الثانية، وسرعة تجربة مستخدم تتراوح بين 100 ميجابت في الثانية و1 جيجابت في الثانية، لتلبية احتياجات الأعمال المتزايدة. وبفضل سعة خدمات الاتصالات اللاسلكية الكبيرة، وتعدد الخدمات، والسرعة العالية، يُمكن استخدام 5G على نطاق واسع في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية. إلا أنه يصعب الاستفادة من مزاياه في المناطق ذات الكثافة السكانية المنخفضة أو المناطق التي يصعب فيها إنشاء شبكات أرضية. وبالمقارنة مع شبكات الاتصالات المتنقلة الأرضية، تتميز أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية بمزايا لا تُضاهى، مثل التغطية الواسعة، وسعة الاتصالات الكبيرة، وقلة تأثير التضاريس، والمرونة العالية، والقدرة على التكيف مع مجموعة متنوعة من الخدمات. لذلك، يمكن استخدام الأقمار الصناعية لتغطية المناطق قليلة السكان أو المناطق التي يصعب فيها إنشاء الشبكات الأرضية، مما يشكل مكملاً جيداً للشبكات الأرضية، وبالتالي تحقيق تغطية عالمية حقيقية وتوفير خدمات اتصالات غير متمايزة للمستخدمين العالميين.

في الواقع، سبق استخدام البشر للاتصالات عبر الأقمار الصناعية إنشاء شبكات الاتصالات اللاسلكية الخلوية الأرضية. وكان أول نظام اتصالات فضائية تجاري في العالم هو نظام "إيرلي بيرد"، الذي أطلقته وشغّلته المنظمة الدولية للاتصالات عبر الأقمار الصناعية (إنترسات) عام 1965.أنظمة الأقمار الصناعية، بينما بدأ بناء الجيل الأول من أنظمة الاتصالات اللاسلكية الخلوية في العالم في ثمانينيات القرن العشرين.في العقود الأخيرة، لم تقتصر أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية التي تم تشغيلها دوليًا على Inmarsat و Thuraya و Viasat وما إلى ذلك في المدار الثابت بالنسبة للأرض فحسب، بل شملت أيضًا Iridium و Global-star و Orbcom وما إلى ذلك في المدار الأرضي المنخفض.وخاصة منذ عام 2015، كان هناك ارتفاع دولي في بناء كوكبات اتصالات الإنترنت في المدارات المنخفضة، مثل OneWeb و Starlink، والتي جذبت الكثير من الاهتمام في النقاط الساخنة الدولية.لقد أصبح دمج وبناء أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وأنظمة الاتصالات اللاسلكية الأرضية مرة أخرى اتجاهاً تنموياً تم إثباته بشكل معمق على الصعيد الدولي.

01حالة البحث في تكامل الأقمار الصناعية وشبكات الجيل الخامس

في مطلع القرن الحادي والعشرين، أدخلت شركات الاتصالات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية إلى السوق الرئيسية من خلال الحصول على تراخيص لإنشاء شبكات اتصالات هجينة تجمع بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية. ولتوسيع نطاق هذه الشبكات، أضافت الشركات مكونات أرضية مساعدة (ATC) أو مكونات أرضية تكميلية (CGC). وتُعرف المكونات الأرضية المساعدة (ATC) بأنها محطات أرضية مساعدة تُستخدم في الاتصالات المتنقلة عبر الأقمار الصناعية. ويتم دمج الأقمار الصناعية مع عدد كبير من محطات ATC لتحقيق تغطية سلسة في مناطق واسعة، مما يُسهم في حل مشكلات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.توجد مشكلة ضعف تغطية الإشارة في المدن ذات المباني الشاهقة وفي الأماكن المغلقة، ولكنها تنطوي أيضاً على بعضقضايا معقدة، مثل: إعادة استخدام ترددات الأقمار الصناعية ومحطات التحكم في الحركة الجوية، والتحويل والتحكم المنسق في الأنظمة الفضائية والأرضية.

مع ازدياد نضوج تقنية الجيل الخامس، حظي دمجها مع الأقمار الصناعية باهتمام واسع النطاق محلياً ودولياً. وقد استثمرت منظمات التقييس، مثل الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) ومشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP)، جهوداً كبيرة في تنفيذ أعمال تجريبية تقنية تتعلق بدمج أنظمة الجيل الخامس مع الأقمار الصناعية.

1) اقترح الاتحاد الدولي للاتصالات في عام 2016 أن "شبكة الجيل التالي للاتصالات المتنقلة يجب أن تلبي احتياجات المستخدمين للوصول إلى الخدمات في أي وقت ومن أي مكان"، ونفّذ مكتب إدارة الموارد التابع للاتحاد الدولي للاتصالات (ITU-RM) في مجال تكنولوجيا الوصول عبر الأقمار الصناعية. ويقترح البحث في معيار [NGAT_SAT] أربعة سيناريوهات تطبيقية نموذجية لتكامل الأقمار الصناعية مع المحطات الأرضية، تشمل خدمات نقل النطاق العريض عبر الترحيل، وخدمات نقل البيانات وتوزيعها، وخدمات الاتصالات المتنقلة ذات النطاق العريض، وخدمات الوسائط المتعددة الهجينة، كما هو موضح في الشكل أدناه، ويوضح السمات الرئيسية لدعم التطبيقات المذكورة أعلاه. إضافةً إلى ذلك، يُعزز الاتحاد الدولي للاتصالات بنشاط العمل على استخدام ترددات الأقمار الصناعية وشبكات الجيل الخامس، وقد أجرى سلسلة من تحليلات مشاركة الطيف والتوافق الكهرومغناطيسي بين الأقمار الصناعية وشبكات الجيل الخامس.

الشكل 1: أربعة سيناريوهات تطبيقية لنظام التكامل بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، مقدمة من الاتحاد الدولي للاتصالات

2) بدأ مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) في إظهار مزايا الاتصالات عبر الأقمار الصناعية لأنظمة الاتصالات المتنقلة الأرضية منذ إصدار المعيار 14 في عام 2017. في التقرير الفني TR22.822 الصادر في نهاية عام 2017، حددت مجموعة العمل SA1 التابعة لمشروع شراكة الجيل الثالث ثلاث طرق رئيسية لاستخدام الوصول عبر الأقمار الصناعية في الجيل الخامس: الخدمة المستمرة، والخدمة الشاملة، والخدمة الموسعة.دراسة حالات الاستخدام ومناقشة متطلبات الخدمات الجديدة والحالية. يعتمد مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) حاليًا بشكل أساسي على مشروع بحثي يُسمى "الشبكة غير الأرضية (NTN)" لإجراء أبحاث حول سيناريوهات النشر وتصميم واجهة الهواء للاتصالات عبر الأقمار الصناعية في شبكات الجيل الخامس (5G).

3) في يونيو 2017، أنشأت أوروبا تحالف SaT5G (شبكة الأقمار الصناعية والأرضية لتقنية الجيل الخامس)، الذي يضم في عضويته شركات مثل BT وSES وAvanti وجامعة سري، بالإضافة إلى شركات ومؤسسات بحثية أوروبية أخرى. ويهدف التحالف إلى توفير حلول أقمار صناعية فعّالة من حيث التكلفة وسهلة الاستخدام لتقنية الجيل الخامس، وتوفير فرص نمو مستمرة لسوق صناعة الأقمار الصناعية. عُقد مؤتمر الشبكات والاتصالات الأوروبي لعام 2018 في ليوبليانا، سلوفينيا. وخلال المؤتمر، عرضت خمس شركات أعضاء في تحالف SaT5G تكامل بنية شبكة الأقمار الصناعية وشبكة 3GPP، بما في ذلك VT iDi-rect وSES.

الشكل 2: سيناريوهات تطبيقات الجيل الخامس عبر الأقمار الصناعية المقدمة من Sat5G

4) لمواجهة هدف زيادة السعة بمقدار 1000 ضعف الذي يقترحه نظام الجيل الخامس، يهدف برنامج SANSA (شبكة النقل الخلفي الأرضية-الفضائية ذات الوصول المشترك والمُمكّنة بواسطة هوائيات ذكية) الذي أُطلق بتمويل من برنامج الاتحاد الأوروبي H2020، إلى توفير حلٍّ فعّال لوصلات النقل الخلفي لأنظمة الاتصالات اللاسلكية المستقبلية ذات السعة الكبيرة. وقد اقترح مشروع SANSA تقنية تشكيل الحزم باستخدام هوائيات ذكية منخفضة التكلفة، وتقنية إدارة موارد لاسلكية ذكية ديناميكية للشبكات اللاسلكية المتكاملة بين الأقمار الصناعية والأرض، وتقنية مشاركة الطيف الديناميكية المدعومة بقواعد البيانات، وغيرها، كما أجرى المشروع أبحاثًا معمقة في هذا المجال.

02  التقنيات الرئيسية لدمج تقنية الجيل الخامس عبر الأقمار الصناعية

نظراً للاختلافات بين الاتصالات عبر الأقمار الصناعية والاتصالات اللاسلكية الأرضية من حيث مسافة الانتشار والتغطية وقدرات الطاقة، فإن التكامل العميق بينهما يواجه تحديات حتمية. وفيما يلي تحليل للتقنيات الرئيسية لدمج الجيل الخامس عبر الأقمار الصناعية من خمسة جوانب: بنية النظام، وتغطية الحزمة، وشكل موجة واجهة الهواء، ومشاركة الطيف، والتحكم في الشبكة.

2.1 بنية النظام

في بنية تكامل شبكات الجيل الخامس عبر الأقمار الصناعية، يُعتمد على كوكبة أقمار صناعية مختلطة ذات مدارات عالية ومنخفضة. وفي الوقت نفسه، يشمل تصميم نطاقات تردد الاتصالات نطاقات منخفضة التردد (مثل نطاقي L وS) ونطاقات عالية التردد (مثل نطاقي Ku وKa)، مع مراعاة متطلبات خدمات النقل متوسطة ومنخفضة السرعة وعريضة النطاق. وتتحرك منطقة تغطية القمر الصناعي بتحرك نقطة القمر الفرعي، ويتنقل المستخدم النهائي بين الخلايا المختلفة.

تتألف روابط الاتصال بين الأقمار الصناعية في كوكبات الأقمار الصناعية ذات المدارات المنخفضة من وصلات ليزرية أو ميكروية، حيث تتصل عدة أقمار صناعية لتشكيل شبكة اتصالات فضائية، وتُستخدم الأقمار الصناعية كعقد تحويل. عادةً ما تُصمم الكوكبات باستخدام مدارات قطبية، وذلك لأن الأقمار الصناعية في مستويات مدارية متجاورة تتمتع بعلاقة موقع نسبي مستقرة نسبيًا (باستثناء المناطق القطبية أو خطوط التماس العكسية)، مما يُسهم في الحفاظ على روابط الاتصال بين الأقمار الصناعية وتحقيق تغطية للمناطق ذات خطوط العرض العالية. إضافةً إلى ذلك، يتم تنفيذ خدمة وصلات تغذية الأقمار الصناعية في محطة البوابة، مما يُحقق الربط والتوافق التشغيلي بين شبكة الأقمار الصناعية وشبكة الهاتف العامة الأرضية (PSTN) وشبكة الاتصالات المتنقلة العامة (PLMN) والإنترنت. تُنفذ جميع هذه العمليات في نطاقات تردد Ka أو Q/V.

توجد حاليًا ثلاثة بنى رئيسية لشبكات التكامل بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية. الأولى هي الشبكة التكميلية بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، حيث تتشارك أنظمة الجيل الخامس وأنظمة الأقمار الصناعية مركز إدارة شبكة واحد، مع الحفاظ على استقلالية شبكات الوصول والشبكات الأساسية لكل منهما. وتُوفّر محطات بوابة الأقمار الصناعية شبكة الوصول وبعض وظائف الشبكة الأساسية، بينما تدعم المحطات الطرفية أنماط الوصول الخلوية والفضائية أو كليهما. أما النوع الثاني فهو الشبكة الهجينة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، حيث يتشارك النظام الأرضي ونظام الأقمار الصناعية مركز إدارة الشبكة، ويتم توحيد أجزاء واجهة الهواء قدر الإمكان للحفاظ على استقلالية الشبكات الأساسية ونطاقات التردد لكل منهما. ويمكن للمحطة الطرفية دعم أنماط الوصول الأرضية والفضائية. أما النوع الثالث فهو الشبكة المتكاملة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، وتتميز بتصميم وتخطيط موحدين لنقاط الوصول والترددات وشبكات الوصول والشبكات الأساسية للنظام بأكمله. وتجدر الإشارة إلى أن الشبكة المتكاملة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية تُمثل أعلى مراحل نظام الاتصالات المتكامل بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، وتواجه تحديات تقنية هائلة.

2.2 تغطية الشعاع

في نظام الاتصالات المتنقلة المتكامل بين الأقمار الصناعية والأرض، يُمكن توفير خدمات الصوت والبيانات التي تتجاوز السعة المحددة مسبقًا للمناطق ذات الكثافة العالية، وذلك من خلال ضبط حزم الإشارة وموارد الاتصال اللاسلكي. وتتحقق هذه المرونة عبر تقنية تشكيل الحزمة الرقمية (DBF). حاليًا، تتضمن تقنية تشكيل الحزمة الرقمية للاتصالات عبر الأقمار الصناعية ثلاثة أنواع رئيسية: تشكيل الحزمة الرقمية الأرضي، وتشكيل الحزمة الرقمية الفضائي، وتشكيل الحزمة الرقمية الهجين. يتميز تشكيل الحزمة الرقمية الهجين بتوازن جيد بين الأداء والتعقيد، وقد حظي بدراسة مستفيضة. عند استخدام تشكيل الحزمة الرقمية الهجين، يقوم مركز التحكم في الشبكة الأرضية بحساب مصفوفة تشكيل الحزمة المُحسّنة بناءً على متطلبات ضبط الحزمة والاستراتيجيات المُناسبة، ثم يُرسل معلمات مصفوفة تشكيل الحزمة إلى القمر الصناعي عبر وصلة التغذية، ويُعدّل تغطية الحزمة للأرض ديناميكيًا من خلال إعادة بناء هوائي الحزمة المتعددة على القمر الصناعي.

هناك نوعان رئيسيان من عمليات التسليم الناتجة عن حركة القمر الصناعي أو الجهاز الطرفي: الأول هو التسليم داخل نظام القمر الصناعي نفسه. بالنسبة للأقمار الصناعية ذات المدارات المنخفضة، يتغير موقعها بالنسبة للأرض بسرعة، بحيث لا يبقى الجهاز الطرفي مغطىً بإشارة القمر الصناعي نفسه إلا لعشر دقائق فقط. لذا، ولمنع فقدان البيانات أثناء عملية التسليم، يجب التحضير لعمليات التسليم بين الأقمار الصناعية أو بين الحزم مسبقًا وتنفيذها بسرعة. أما النوع الثاني فهو تحويل الجهاز الطرفي بين شبكة الجيل الخامس الأرضية وشبكة الأقمار الصناعية. يتطلب هذا التحويل مراعاة عوامل مثل دعم المعالجة على متن القمر الصناعي وبنية التوجيه الشفافة، ومزامنة الوقت، والقياس، وتنسيق المعلومات. عندما تكون إشارة شبكة الهاتف المحمول ضعيفة جدًا، سيتحول الجهاز الطرفي من شبكة الهاتف المحمول إلى شبكة الأقمار الصناعية، وإلا فسيظل متصلًا بالشبكة الأرضية.

2.3 شكل موجة واجهة الهواء

لا تزال تقنية الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) هي نظام الإرسال الأساسي لشبكات الجيل الخامس (5G)، إلا أن التداخل بين الموجات الحاملة (ICI) يُسبب انخفاضًا حادًا في أداء النظام. ويعود ذلك إلى حساسية تقنية OFDM الشديدة لانحراف التردد، حيث يُؤدي التشويش بين الموجات الحاملة الفرعية الناتج عن هذا الانحراف إلى تقليل كفاءة الاتصال. وللحد من تأثير انحراف التردد المتبقي على أداء النظام، يُمكن اعتماد تصميم يعتمد على عرض نطاق متغير للموجات الحاملة الفرعية. ففي نطاق التردد L الضيق، ونظرًا لانخفاض معدل نقل البيانات الصوتية فيه إلى 2.4 كيلوبت في الثانية، يُنصح باستخدام تصميم للموجات الحاملة الفرعية بعرض نطاق 15 كيلوهرتز أو أقل. أما في نطاق التردد Ka، فيُمكن استخدام عرض نطاق أكبر للموجات الحاملة الفرعية، وذلك لأن المستخدمين غالبًا ما يتصلون بالإنترنت عبر النطاق العريض، كما أن زاوية الارتفاع الدنيا كبيرة، مما يُقلل من تأثير دوبلر.

بالإضافة إلى ذلك، لا تتطلب تقنية الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA) التي تدعمها شبكات الجيل الخامس (5G) من كل مستخدم تخصيص موارد حصرية. إذ يمكن للمستخدمين إرسال واستقبال المعلومات في آنٍ واحد عبر موارد غير متعامدة. وبفضل الكشف المشترك بين المستخدمين، يُمكن تجنب التداخل المتبادل بينهم من خلال معالجة الإشارات. وبالمقارنة مع طرق الوصول المتعامد التقليدية، يُمكن لتقنية NOMA زيادة كفاءة استخدام الطيف بأكثر من ثلاثة أضعاف. وقد تم تطوير رقائق NOMA لأنظمة الجيل الخامس الأرضية، والترويج لها، وتطبيقها على نطاق واسع. تستخدم تقنية NOMA التعقيد مقابل كفاءة استخدام الطيف، مما يعني أيضًا صعوبة تطبيقها في سيناريوهات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية ذات زمن الاستجابة الطويل في المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO)، نظرًا لاستخدام عدد كبير من تفاعلات الإشارات للتحكم الديناميكي في معايير وصول المستخدم. لذا، ينبغي إجراء المزيد من البحوث التقنية حول تقنية NOMA في مجال الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

2.4 مشاركة الطيف

سواءً في مجال الاتصالات عبر الأقمار الصناعية أو أنظمة الاتصالات المتنقلة الأرضية، أصبح نقص الطيف الترددي المتاح مشكلة ملحة تتطلب حلاً عاجلاً. وقد اشتدت المنافسة بين الاتصالات عبر الأقمار الصناعية والاتصالات الأرضية على موارد الطيف الترددي. فعلى سبيل المثال، خصص الاتحاد الدولي للاتصالات نطاقي C و Ka، اللذين تستخدمهما أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية منذ سنوات عديدة، لأنظمة الجيل الخامس الأرضية. وتشمل حالة المنافسة على الطيف الترددي بين هذين النوعين من الاتصالات ما يلي:

1) نطاق Ka: لمواكبة النمو السريع في سرعة المستخدمين وسعة النظام، تتطلع كل من شبكات الجيل الخامس والاتصالات عبر الأقمار الصناعية إلى استخدام نطاق Ka أو حتى نطاقات تردد الموجات المليمترية. على سبيل المثال: استخدم المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية لعام 2019 (WRC-19) نطاقات تردد 24.25-27.5 جيجاهرتز، و37-43.5 جيجاهرتز، و66-71 جيجاهرتز، بإجمالي عرض نطاق ترددي يبلغ 14.75 جيجاهرتز لشبكات الجيل الخامس وأنظمة الاتصالات المتنقلة الدولية المستقبلية على مستوى العالم؛ وقد خصصت لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية نطاقات تردد 27.5-28.35 جيجاهرتز، و37-38.6 جيجاهرتز للاستخدام في شبكات الجيل الخامس الأرضية، وتتداخل هذه النطاقات الترددية إلى حد ما مع النطاقات الترددية المستخدمة في أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

2) نطاق التردد C (3-6 جيجاهرتز): اقترحت العديد من الدول استخدام نطاق التردد C كنطاق مرشح لأنظمة الجيل الخامس، بما في ذلك الصين والاتحاد الأوروبي واليابان وكوريا الجنوبية. مع ذلك، في آسيا، قامت دول مثل الصين وفيتنام وماليزيا بإنشاء عدد كبير من أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية في هذا النطاق الترددي، مما يجعل تنسيق استخدام نطاق التردد C لأنظمة الجيل الخامس الأرضية أمرًا صعبًا.

يُمكن تحسين كفاءة استخدام موارد الترددات من خلال تحسين التكوين عبر التخطيط التعاوني بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية. ومن خلال إنشاء نظام استشعار طيفي مشترك بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، يُمكن تحقيق مشاركة الطيف بين أنظمة الاتصالات الفضائية والأرضية، وبالتالي تحسين كفاءة استخدام الطيف. وبالمقارنة مع شبكات الاتصالات اللاسلكية الأرضية، يُعدّ اكتشاف جميع الأطياف في بيئة الشبكة أكثر صعوبة بالنسبة للمستخدمين ذوي القدرات المعرفية، وذلك بسبب التغطية الواسعة النطاق للاتصالات الفضائية. ويُركّز البحث في هذه التقنية على التحديث السريع لقاعدة بيانات الطيف، وتشكيل الحزم، ودقة استشعار الطيف، والوصف المعرفي للمنطقة. إضافةً إلى ذلك، ومن منظور تكامل الموارد، يُمكن للتخطيط والتصميم الموحدين للاتصالات الخلوية والاتصالات الفضائية، بهدف حلّ مشكلة التداخل من خلال "مشاركة الطيف"، وبالتالي تعزيز الاستخدام المشترك لموارد الترددات، أن يُوفّر أساسًا متوافقًا للتكامل العميق بين أنظمة الاتصالات الفضائية وأنظمة الجيل الخامس.

2.5 التحكم في الشبكة

يُعدّ تقسيم الشبكة الشامل، المُتحقق من خلال تقنيتي SDN وNFV، أبرز ميزات سحابة التحكم بالشبكة في نظام الجيل الخامس. تُحقق تقنيتا SDN وNFV على التوالي فصل حامل الشبكة عن التحكم، وبرمجة عناصر الشبكة الأساسية. وهما تُوفران أساسًا متينًا لتحقيق تقسيم الشبكة.أساس متين.

عندما يتم دمج نظام الاتصالات عبر الأقمار الصناعية بشكل كامل مع شبكة الجيل الخامس الأرضية، يمكن فصل وظيفة التحكم عن وظيفة التوجيه في الشبكة الأساسية للأقمار الصناعية، مما يُبسط وظيفة التوجيه بشكل أكبر. ولدعم متطلبات نقل البيانات ذات الحجم الكبير وجدولة أحمال البيانات بشكل مرن ومتوازن، يمكن نقل قدرات التخزين والحوسبة الخاصة بالأعمال من مركز الشبكة إلى حافتها.

من أجل دعم التكامل مع الأرض، بالإضافة إلى وظائف الشبكة التسع التي توفرها 3GPP كوظائف خدمة أساسية، من الضروري إضافة وظائف الربط البيني غير التابعة لـ 3GPP ووظائف مستوى المستخدم إلى مستوى المستخدم لشبكة الجيل الخامس الأساسية للأقمار الصناعية.

03 التحديات والاتجاهات البحثية التي تواجه دمج تقنية الجيل الخامس عبر الأقمار الصناعية

رغم التقدم الكبير المُحرز في دمج تقنية الجيل الخامس عبر الأقمار الصناعية، لا تزال هناك تحديات تقنية عديدة تعترض سبيل تحقيق الرؤية المرجوة لهذا الدمج. وتوجد تحديات مشتركة بين مجالي الأقمار الصناعية والشبكات الأرضية. فيما يلي، نُدرج أبرز هذه التحديات التقنية واتجاهات البحث المستقبلية.

1) تحديات نظام الإرسال: في شبكات الإرسال المتكاملة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، يُعدّ انزياح تردد دوبلر، وإدارة التردد، والتداخل، ومحدودية الطاقة، والتقدم الزمني من القضايا التي تتطلب حلولاً عاجلة. وللتغلب على مشكلة انزياح تردد دوبلر، تستخدم تقنية الجيل الخامس (5G) تقنية OFDM متعددة الموجات الحاملة في نظام الإرسال. إلا أن تصميم تباعد الموجات الحاملة الفرعية لا يأخذ في الحسبان تأثير انزياح تردد دوبلر، مما قد يُسبب تداخلاً بين الموجات الحاملة الفرعية. أما فيما يتعلق بمحدودية الطاقة، فتُضمن هذه التقنية الاستخدام الأمثل لنطاق التردد العالي مع تقليل نسبة ذروة الإشارة إلى متوسطها. وأخيرًا، فيما يخص التقدم الزمني، قد تؤدي التغيرات السريعة في تأخيرات الإرسال في الوصلات اللاسلكية إلى ضرورة تحديث التقدم الزمني لكل طرفية بشكل ديناميكي لضمان تزامن جميع عمليات الإرسال في الوصلة الصاعدة.

٢) تحديات إدارة الوصول والموارد: نظرًا لأن التأخير الطويل في الشبكة المتكاملة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية قد فرض تحديات على التحكم في الوصول، وعمليات HARQ وARQ وغيرها من العمليات في طبقتي MAC وRLC، فمن الضروري، لدعم التكامل الفعال بين شبكات الجيل الخامس والأقمار الصناعية، تصميم آليات وصول مناسبة مثل التفويض المسبق، والجدولة شبه المستمرة، والوصول بدون تفويض. أما بالنسبة لعملية HARQ، فعادةً ما يتجاوز زمن الاستجابة الحد الأقصى لطول مؤقت HARQ، وتخضع هذه العملية لمتطلبات زمنية صارمة. وخلال عملية جدولة طبقتي MAC وRLC، سيؤثر التأخير الطويل لنظام الأقمار الصناعية أيضًا على دقة الجدولة، مما يستدعي تعديل معايير تأخير الجدولة.

3) تحديات إدارة التنقل: في الشبكات المتكاملة بين الأقمار الصناعية والمحطات الأرضية، تزداد تحديات إدارة التنقل حدةً. ويمكن تقسيمها، وفقًا لمستوى الاتصال، إلى تبديل على مستوى الشبكة وتبديل على مستوى الوصلة. أما وفقًا لسيناريوهات التطبيق، فتنقسم إلى عمليات تسليم بين الخلايا الأرضية، وعمليات تسليم بين الأقمار الصناعية والخلايا الأرضية، وعمليات تسليم بين خلايا الأقمار الصناعية، وعمليات تسليم بين الأقمار الصناعية نفسها. وقد تم بحث هذه المسألة، لكنها تتطلب المزيد من الدراسات.

04 خاتمة

شهدت أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية والاتصالات الخلوية الأرضية تطورًا على مدى ثلاثين عامًا تقريبًا، وحققت نتائج باهرة. مع ذلك، ونظرًا لقيودها المتأصلة، يصعب تلبية احتياجات الناس المتزايدة للاتصالات المتنقلة والربط الهائل للبيانات. في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع لتقنية إنترنت الأشياء، ستتجه أنظمة الاتصالات اللاسلكية المستقبلية نحو التحول من "الناس والناس" إلى "الناس والأشياء" و"الأشياء والأشياء"، مما يحقق الاتصال الشامل وإنترنت كل شيء. من خلال التطوير المتكامل للاتصالات عبر الأقمار الصناعية والاتصالات الخلوية الأرضية، ستتحقق مزايا تكميلية، وستُفتح آفاق جديدة للتطوير. تُقدم هذه المقالة وتناقش حالة التطوير، والتقنيات الرئيسية، والتحديات التي تواجه دمج الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وشبكات الجيل الخامس، على أمل توفير مرجع وتوجيه لتطوير هذه التقنية.

هذه المقالة مقتبسة من "الأقمار الصناعية والشبكاتندعم حماية حقوق الملكية الفكرية، لذا يُرجى ذكر المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذف المحتوى.