Table of Contents
تطور تجهيز الإشارات الرقمية في شبكات الجيل القادم
ويمثل الانتقال من محطة الإذاعة الجديدة من طراز 4G LTE إلى محطة إذاعة جديدة (NR) تحولا أساسيا في كيفية تصميم شبكات الاتصال اللاسلكي ونشرها وتشغيلها، وفي جوهر هذا التحول، يكمن مجهز الإشارات الرقمية، وهو هيكل متخصص للمعالجات الدقيقة أعيد اختراعه باستمرار لتلبية متطلبات الأداء الصارمة، والتفاوت، وثبات كفاءة استخدام الطاقة في الهياكل الأساسية لشبكة 5G، بينما تم بناء أجهزة شفرة متطورة في الوقت الحاضر لأجهزة الاستعلامات الترددات الصوتية.
وتستكشف هذه المادة المسار التقني لمجهزي نظام الأفضليات المعمم في إطار نظم الاتصال القائمة على أساس مقياس للجرعات، وتدرس القدرات الحالية، والابتكارات المعمارية، والاتجاه المحتمل للتنمية في المستقبل، ولا تحاول التنبؤ بكل تحول في السوق، بل تركز بدلا من ذلك على الحقائق الهندسية التي تحدد الجيل القادم من معدات تجهيز الإشارات.
The Core Functions of DSP Processors in 5G Radio Access Networks
تعديل التوقيت الحقيقي وإزالة العزل
وفي أي نظام خلوي، تكون الطبقة المادية مسؤولة عن تحويل البيانات الرقمية إلى موجات قياسية مناسبة للبث على الهواء. ويستخدم 5G NR تعددية الترددات والتلفزيونية مع التأشيرات الدورية، وهي خطة تتطلب تحويلات عالية السرعة من أربعة مستويات، وتقدير القنوات، والتكافؤ.
التضليل والتشويق
ومن السمات التي تميز 5 زاي استخدام صفائف الهوائي المتعددة النواتج، التي كثيرا ما تكون مع 64 أو 128 أو أكثر من العناصر، وبالنسبة لكل عنصر من عناصر الهوائيات، يجب أن تطبق خطة التنمية مرحلة معقدة، وأن تضخ الأوزان على نطاق واسع لتدبير الشعاع في اتجاه مرغوب فيه، وهذا الحساب المزود بأجهزة قياسية متماثلة وكثيفة الاستخدام، مما يجعلها تشكل عبئا طبيعيا على كاهل نظام المعلومات الإدارية.
تشينق القناة: LDPC و Polar Codes
5G NR employs low-density parity- check (LDPC) codes for data channels and polar codes for control channels. Both LDPC decoding and polar decoding require iterative or successive-cancellation algorithms that are computationally intensively intensive. DSPs optimized for communications include specialized instruction sets and data paths that accelerate belief propagation and list additional codewading.
تصحيح الأخطاء وإدارة إعادة إرسالها
ويجمع طلب إعادة التكرار التلقائي الهجين بين تصحيح الأخطاء الأمامية وبروتوكولات إعادة النقل، ويجب على نظام إدارة الدعم الميداني أن يدير عملية الجمع بين إعادة النقل والاستمرار في ما يصل إلى 16 عملية من عمليات إعادة التكييف لكل مستخدم، وهذا يتطلب وصولاً منخفضاً للذاكرة وآلات حكومية فعالة، ويسهل كلا منهما هيكل الذاكرة المختلط المحكم الذي يُستخدم في نظام إدارة الدعم الميداني.
الاتجاهات الحالية في هيكل تجهيز نظام إدارة الدعم الميداني لخمسة أهداف
تصميمات متعددة البلدان متجانسة
ولا يمكن لأي نوع من المجهزين أن يتعامل بكفاءة مع جميع مهام النطاق الأساسي البالغ 5 جي، ومن ثم فإن رقائق النطاق الأساسي الحديثة تستخدم هياكل متجانسة تجمع بين النواة العامة الغرض، ونواة نظام الأفضليات المعمم، ومعجلات معدات الحاسوب، ومن ذلك مثلاً أن هناك عدداً قليلاً من قواعد كفاءة استخدام الطاقة في نظام إدارة المواد الكيميائية في تجهيز خطط التحكم، أو في عمليات الغسل المتعدد الأشكال.
ويضم الباعة الرائدون مثل كيلكوم، ووسيط تايك، وسامسونغ هذه التصميمات غير المتجانسة في شريحة المودم التي لديهما من طراز 5G، ويتجلى الاتجاه نحو التفكك أيضا في هياكل الوصل المفتوحة، حيث يمكن للوحدة الإذاعية والوحدة الموزعة أن تستخدم تشكيلات مختلفة من نظام الأفضليات المعينة لأداء أدوارها المحددة.
أجهزة راديو وبرامج محددة
وفي حين توفر عوامل تسريع المعدات الذروة في الكفاءة، فإن النهج المحددة للبرامجيات تتيح المرونة اللازمة لاستيعاب المعايير الـ 5 زاي المتطورة (مثل الإصدار 16 و17 و18) والتحسينات القصوى للممتلكات، وتتيح نظم إدارة الدعم الميداني ذات النواة الكاملة القابلة للبرمجة للبائعين في محطات الأساس رفع مستوى تنفيذ الخوارزميات على الهواء، وهذا البرنامج حاسم بالنسبة لملامح مثل تجميع الناقلات، وتقاسم الطيف الدينامي، وتقطيعة الشبكة.
وتدعم برامجيات التنمية المتقدمة الآن نماذج البرمجة المغنطسية التي تعمل بالناقلات، مثل النماذج التي مكّنها تمديد نظام " ريسي - في " ، مما يتيح وضع مدونة لاستقبال ناقلات واحدة لتوسيع نطاقها عبر مختلف عمليات تنفيذ المعدات، وتقوم شركات مثل تكنولوجيات سيف وإسبيراتو باستكشاف نواة نظام إدارة المعلومات الاقتصادية المستند إلى نظام " أو " في " التي تدمج تعليمات متصلية ومعالجة بالوصلات.
كفاءة الطاقة والإدارة الحرارية
5G base stations consume significantly more power than their 4G predecessors, partly due to the increased number of antennas and wider bandwidths. DSP power consumption is a major contributors. To mitigate this,رقاقة معماريون يستخدمون الزوال العنيف، وتضخيم الطاقة، ونمو الفولطية الدينامي، وازدياد وتيرة تكنولوجيات العمليات المتدنية التعقد، والانتقال إلى 5m و3m.
وقد أصبحت الإدارة الحرارية قيد تصميم أول درجة، وكثيرا ما تدمج نظم إدارة الكوارث في مجموعات مع موزعات الحرارة وحلول التبريد السائل لمراكز القاعدة الكلية، وتحتاج الخلايا الصغيرة ومعدات المستهلكين إلى تصميمات لا تُحب، وتجبر بائعي نظام إدارة الدعم الميداني على تحقيق الحد الأمثل من الذروة ومتوسط الطاقة.
إدماج الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي
إن تطبيق نظام المعلومات الإدارية المتكامل/الحركة على تجهيز إشارات الـ 5G، الذي يُدعى أحياناً " إيه " للوصلات الجوية، هو مجال بحثي نشط، وقد بدأت نظم الإدارة العامة في إدماج مسرعات الشبكة العصبية الخفيفة أو وحدات متعددة المصفوفات (صفائف منظومة) التي يمكن أن تُستخدم نماذج لاستخلاص القنوات، والتنبؤ بالأشعة، والتخفيف من حدة التدخل، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تستخدم شبكة إلكترونية متدربة للأشعة العصبية للتنبؤ بالوزن القائمة على أساس الأشعة.
غير أن إدماج مبادرة " آي " في خطوط الأنابيب الحالية لنظام الأفضليات المعمم ليس أمراً مستقيماً، إذ إن القيود التي تواجه الاحتياطات في إطار مجموعة الـ 5 زاي تتطلب استكمالها في إطار الـثانيات الصغرى، مما أدى إلى تطوير نواة هجينة من نظام المعلومات الإدارية المتكامل تتقاسم مسارات الذاكرة والبيانات، وتخفض حركة البيانات إلى أدنى حد، وتقدِّم الشركات مثل CEVA و Cadence نواة من نظام إدارة الدعم المحلي لعمليات تجهيز الإشارات التقليدية.
الاتجاهات المستقبلية: مجهزو نظام الأفضليات المعمم
Sub-THz and MmWave Signal Processing
ومن المتوقع أن يعمل 6 زاي على ارتفاع الترددات فوق 100 غيغاهيرتز باستخدام النطاقات الواسعة النطاق التي قد تتجاوز 10 جيهرتز لكل ناقل، وفي هذه الترددات، فإن معدلات أخذ العينات اللازمة لتحويل المناولة إلى أرقام، والتصميم الرقمي إلى اللغتين، قد ترتفع إلى عشرات العينات ذات المواصفات العالية في الساعة الثانية.
عدد المستفيدين من خدمات الدعم التقني التي تُستلهم الكواتم والمصابون بالهوتون
وتستكشف البحوث الطويلة الأجل التصويب الكمي والحساب الحراري لمهام الترميز الأمثل مثل التضخيم الدينامي وتخصيص الموارد، وفي حين أن برامجيات الفرز الكمي النقي ليست وشيكة، فإن أجهزة التسريع الكهرمائية الهجينة التي تفرغ مشاكل الجمع المحددة يجري التحقيق فيها، وبالمثل، فإن برامجيات النسخ الرقمية التي تجهز إشارات في مرحلة الاستخدام الأمثل للطاقة، ولكنها تعد بفترة مبكرة.
مُنشورات موزعة ومُنحتة من طراز إدج - نُمي
وستدفع الشبكات المقبلة إلى زيادة التجهيز في البنية التحتية، وبدلا من إضفاء الطابع المركزي على جميع تجهيزات النطاقات الأساسية في محطة قاعدية أو مكتب مركزي، يمكن توزيع مهام نظام إدارة الدعم الميداني على مجموعة من أجهزة تجهيزات دقيقة في صفيحة الهوائيات، ووحدة الإذاعة، ونقطة الوصول، وهذا النموذج المزود بالأجهزة الحافة يقلل من الحاجة إلى وصلات عالية السرعة بين الهوائيات والمجهزات، ولكنه يتطلب بروتوكولات الجديدة المتزامنة وتوازنة.
مواصفات تحالف (أو-ران) للوصل بين الواجهة الأمامية بين الوحدة الإذاعية والوحدة الموزعة تفترض بالفعل بعض وظائف نظام إدارة الدعم الميداني (مثل تجهيز الرموز) في وحدة العمليات، مع مرور الوقت، الحدود بين تعجيل المعدات وتجهيز البرامجيات سيستمر في التشويش.
الشحنات الأمنية والبريبتوغرافية
5G networks implement strong encryption and integrity protection for user data and signaling. As network slicing and critical IoT applications become more prevalent, DSPs may integrate dedicated cryptographic accelerators for algorithms like AES, SNOW 3G, and ZUC. In the future, post-quantum cryptives (egST, CRYSTALK).
التحديات الرئيسية التي تواجه اعتماد نظام الأفضليات المعمم في 5 زاي
تكاليف ومضاعفة العمليات المتقدمة
ويتطلب الانتقال إلى 5 دقائق و3 ملم استثماراً هائلاً، إذ أن تصميمات نظام الأفضليات المعمم التي كانت ذات مرة اقتصادية لتطبيقات كبيرة الحجم (مثل الهواتف الذكية) تواجه زيادة تكاليف الهندسة غير المتكررة، وبالنسبة لمعدات البنية التحتية، فإن حجمها أقل مما يجعل من الصعب استيعاب تكاليف العقد المتقدمة، وقد يؤدي ذلك إلى زيادة استخدام صفائف البوابات المجهزة بمجالات محددة (FPGAs) والمنتجات الرخيصة.
التسميات الحقيقية والعقيدة
٥ زاي - تجهيز الطبقات المادية له مواعيد نهائية دقيقة في معظم الأحيان في نطاق الثلث الثاني من أجل بعض العمليات، ويجب تصميم نواة نظام الأفضليات المعمم مع تنفيذ التعليمات المحددة وقلة الانقطاع، ويمكن أن تستحدث التصميمات المتعددة الأدوار خلافا لا يمكن التنبؤ به بالنسبة للدوائر المشتركة والذاكرة، كما يلزم تصميم وصلات متعددة العناصر وتسلسل هرميات الذاكرة لضمان توقيت أسوأ.
التعقيد والتحقق في إطار برنامج " Firmware Complexity "
ويمكن أن تشمل مجموعة البرمجيات الحديثة ذات النطاق الـ 5 زاي مئات الآلاف من خطوط الرموز، التي كثيرا ما تُكتب في مزيج من C/C++ والتجمع، والتأكد من أن البرمجيات الثابتة تستوفي المتطلبات الوظيفية والتوقيتية على السواء في جميع طرائق التشغيل، أمر صعب للغاية، ولا يزال التحفيز الدقيق والتحقق الرسمي والاختبارات المتعلقة بالمعدات داخل الشبكة أمرا أساسيا، وتنتقل الصناعة إلى التصميم القائم على النموذج وتوليد الرموز التلقائية للحد من ذلك.
الأثر على البنية الأساسية للاتصالات: حالات الاستخدام التي تؤدي إلى التطور
شبكة الإنترنت للأمور (IoT) والاتصالات الجماعية
5G supports mMTC (massive machine-type communications) with up to 1 million devices per square kilometer. DSPs in IoT base stations must handle connection setup and release at high rates while maintaining low energy consumption. Narrowband IoT (NB-IoT) and LTE-M already benefit from DSP features like discontinuous reception (DRX) scheduling and power-SPving modes.
المركبات المستقلة ذاتيا ومركبات V2X
ويتطلب الاتصال بين المركبات والمركبات (V2X) وصلات منخفضة جداً موثوق بها من حيث الحجم، مع تأخيرات من نهاية إلى نهاية أقل من 10 أمتار.
التلقائية الصناعية والشبكات الخاصة 5G
وتُنشر شبكات الـ 5G الخاصة (الشبكات غير العامة) في المصانع والموانئ والألغام لدعم المركبات الصناعية المتفجرة والمركبات المصحوبة بمرشدين آليين، ويجب أن تتناول برامجيات إدارة الدعم الميداني في هذه الوزع تحديد مواعيد محددة، وإدماج الشبكات الحساسة من حيث الوقت، والتعايش مع شبكة وي - فيي وغيرها من التكنولوجيات المحلية، والقدرة على تكييف نظام إدارة الدعم الميداني من أجل وضع بروتوكولات تصنيع محددة (مثلا، برنامج حظر التجارب النووية، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي، وبرنامج الأغذية العالمي،
الوصول الثابت بلا سلك
ويستخدم الوصول اللاسلكي الثابت 5G في توصيل الوصلات العريضة النطاق إلى المنازل والأعمال التجارية، ويجب أن تدعم برامج الخدمة الميدانية في معدات أماكن العمل إجراء عمليات نقل ذات مستويات عالية (حتى 256-QAM أو حتى 1024-QAM في ظروف مثالية) وأن تعمل في إطار النطاقات التي يتراوح بين 24 و47 GHz mmWave، ولا تزال إدارة الحزمة في معالجات التخفيف من الارتداد أو شبه الرسمي بسيطة.
خاتمة
ومستقبل مجهزي نظام إدارة الدعم الميداني في 5 زاي وما بعده ليس تطوراً واحداً بل هو مشهد فرعي من البنى المتخصصة مصممة خصيصاً لمختلف سيناريوهات النشر، وسيستمر الطلب المتردي على زيادة الناتج، وانخفاض معدل الرطوبة، وانخفاض استهلاك الطاقة في دفع الابتكار في التصميمات المتعددة العناصر، ووحدات التجهيز ذات القدرة الاستيعابية، والعمليات المتقدمة شبه الموصلات.
وستظل برامج الدعم الميداني ضرورية لمهام الطبقات المادية التي تقوم عليها الاتصالات الخلوية، ولكن دورها آخذ في التوسع ليشمل أجهزة الاستعلام، وأجهزة التشغيل الأمنية، والعملية المرنة المحددة للبرامج، حيث أن الصناعة تتحرك نحو 6 زاي وثباتات تحت ثلاثية، والتحديات التي ينطوي عليها معدل أخذ العينات، والتفكك الحراري، والثبات في الوقت الحقيقي لن تتفاقم إلا معالم الهندسة التي تفهم توليد الهياكل الأساسية الرقمية.
For further reading on specific topics, refer to the 3GPP Release 18 technical specifications] for the latest 5G-Advanced features, the ]O-RAN Alliance front-haul specifications], and detailed architectural analyses from organizations such as the IE Communications Standards