وقد أدى التقدم السريع في التكنولوجيا إلى تغييرات تحولية في كيفية نقل البيانات وتجهيزها، وهناك ابتكاران رئيسيان يؤديان هذا التغيير هما 5 جي و حوسبة حافة، ويهيئان فرصا جديدة لتطبيقات منخفضة الدقة، تتطلب تجهيز البيانات في الوقت الحقيقي، وتقلل من التأخيرات، وبالنسبة للمهندسين الذين يبنون الجيل القادم من النظم الرقمية، فهما لكيفية تكملة هذه التكنولوجيات بعضها بعضا، وتستكشف هذه المادة التحديات والحلول الهندسية في مفترق طرق 5 زاي.

Understanding 5G Technology

5 زاي هو الجيل الخامس من تكنولوجيا الخلايا اللاسلكية، المصممة لتوفير سرعة البيانات بشكل أسرع بكثير، وارتفاع كثافة الاتصالات، وانخفاض درجة الرطوبة بدرجة كبيرة مقارنة بالشبكات السابقة، في حين أن 4G LTE توفر فترات متأخرة في نطاق 30 إلى 50 ميلا ثانية، و 5G غايات تحت 1 مللي الثانية فوق واجهة الهواء، ويتم ذلك من خلال مزيج من التكنولوجيات اللاسلكية الجديدة، بما في ذلك موجة المفاعلات المتعددة (Mpleputti)،

وتُعرِّف ثلاث فئات رئيسية من الخدمات 5 زاي: تعزيز النطاق الترددي المتنقل للبيانات العالية السرعة، والاتصالات المنخفضة الأجل الموثوق بها، للتطبيقات الحرجة للبعثات، والاتصالات من النوع المختلط، فيما يتعلق بنشرات IoT على نطاق واسع، وتتصل فئة URLC بوجه خاص بتطبيقات الحزم المنخفضة، حيث تضمن 99 ملغماً من التأخيرات في نهاية المطاف().

5 زاي - تعتمد الشبكات القائمة على الخدمات على هيكل يفصل بين أجهزة التحكم والطائرات المستخدمة، ويتيح النشر المرن لوظائف الشبكات الأساسية، وهذه المرونة المعمارية هي عامل تمكيني رئيسي للتكامل الحاسوبي الحازم، لأنها تتيح وضع الموارد المحوسبة على شبكة الوصول اللاسلكي (الشبكة).

فهم الحوسبة

والحساب الحوسبي هو نموذج حاسوبي موزع يقترب من مصدر تجهيز البيانات وتخزينها - مثل أجهزة الاستشعار أوت أو الكاميرات أو أجهزة الاستخدام - غير الاعتماد على مراكز البيانات السحابية المركزية وحدها، ويمكن للتطبيقات، عن طريق تجهيز البيانات عند الحافة، أن تحقق درجة من عدم الكفاءة، وتخفض استخدام النطاق الترددي، وتحسين الخصوصية.

ويمكن نشر البنية التحتية للطرق على مختلف المستويات: على الجهاز نفسه (حافة الترقوة)، وعلى بوابة محلية أو خادوم (على حافة المباني)، أو في موقع على شبكة طرفية مثل برج خلايا أو مكتب مركزي (على حافة الشبكة)، وفي حالة تطبيقات الشبكة 5G، كثيرا ما تتحقق الشبكة من خلال منابر حاسوبية متعددة الصُدد، التي يوحدها المعهد الأوروبي لشبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية ذات الشبكة اللاسلكية.

وتشمل الفوائد الرئيسية للحوسبة الحادة تحليل البيانات في الوقت الحقيقي، وتخفيض حركة المرور في الظهر، وتحسين سيادة البيانات، والقدرة على العمل في بيئات مفصَّلة أو منخفضة الترددات، وهذه الخصائص تجعل من المحسِّن على نحو حازم مرافقا طبيعيا لخمسة آلاف في سيناريوهات مراعية للآداب.

The Synergy of 5G and Edge Computing

وفي حين أن 5G توفر القدرة على الاتصال بين الترددات العالية والقابلية للارتقاء، وهي لا تستطيع بمفردها ضمان وجود تساهل من الطرف إلى آخر لأن البيانات لا تزال يجب أن تسافر إلى سحابة نائية، وتحسب الحوسبة التي تقطع المسافة، وتخلق نظاماً إيكولوجياً قوياً حيث يعمل 5G كوصلة عالية السرعة وموثوقة بين الأجهزة وأجهزة الحافة، وهي تشكل معاً الأساس لتطبيقات تتطلب من الباطن 10 ملي.

وهذا التآزر مهم بصفة خاصة بالنسبة لتطبيقات مثل القيادة المستقلة، حيث يتعين على المركبة أن تجهز عملية ضخ أجهزة الاستشعار وتتخذ قرارات منقسمة إلى ثانية، وقد يعني تأخير حتى 20 ميل ثانية الفرق بين التوقف الآمن والاصطدام، وبتجهيز البيانات محليا عند خادم حافة يقع في محطة قاعدية، يمكن تخفيض وقت المرحلتين ذهابا وإيابا إلى بضع ثوان.

وفي مجال التشغيل الآلي الصناعي، يتيح 5G وحساب الحواف نظماً لمراقبة المواقع المغلقة فيما يتعلق بالأسلحة الآلية وأحزمة النقل وكاميرات التفتيش النوعية، ويتيح التقلبات الحاسمة في الاتحاد الثوري للقوات المسلحة، مقروناً بالإستعراض المتحرك القائم على الحواف، للمصانع العمل مع المربوط القريب من الصفر، مما يؤدي إلى تحسين المصانع والسلامة.

وينطوي التكامل، في المحفوظات، على نشر خواديم تابعة للشركة في 5 مواقع للشبكة العالمية للتنوع البيولوجي أو نقاط التجميع، ويدعم هذا النسق الأساسي قواعد توجيه حركة المرور التي توجه بيانات تطبيق محددة إلى أقرب خادوم للحواف، وتخفف من التأخير في النقل إلى أدنى حد، كما أن قيام الشبكة بزيادة تمكين الشبكات الافتراضية المكرّسة التي لها معايير ملائمة للثبات والموثوقية بالنسبة لمختلف حالات الاستخدام.

التحديات الهندسية في التقاطع

وتشكل نظم البناء التي تجمع بين 5 جي و حوسبة الحافة تحديات هندسية كبيرة عديدة، ويجب التصدي لها لتحقيق الإمكانات الكاملة لتطبيقات منخفضة الكفاءة.

ضمان القدرة على التواصل الموثوق به في البيئات العكسية

5G millimeter wave signals have limited range and are susceptible to obstruction by buildings, trees, even rain. For outdoor autonomous vehicles or drones, maintaining a stable connection requires careful network planning, multiple antenna formations, and fallback mechanisms to lower frequency bands. Edge servers must be designed to handle intermittent connectivity Gracely, caching data and queuing coincideh session requires robust management.

إدارة تدفق البيانات الجماعية من الأجهزة المتفجرة المرتجلة

ويمكن أن تولد مركبة مستقلة واحدة عدة جيغابايت من بيانات الاستشعار في الساعة، وينتج مصنع ذكي يضم آلاف أجهزة الاستشعار التابعة لليو تي كل يوم، ويقلل كل هذه البيانات إلى غيمة مركزية غير عملي، ويستخدم مقياسا حاسوبيا متطورا ويعالج معظم البيانات محليا، ولكن على المهندسين تصميم خطوط أنابيب بيانات توازن التجهيز المحلي مع التفريغ السحابي.

تطوير الهياكل الأساسية للطرق السريعة

وتوزع علاوات الادج جغرافيا وتختلف في القدرات من حواسيب صغيرة وحيدة إلى خواديم كاملة تعمل بالرفوف، وتستفيد التطبيقات التي تنسق بين آلاف المواقع المتباينة التي لا يوجد فيها تدخل يدوي من نهج قوي في البنية التحتية - كود، وتساعد عمليات توزيع الشباك الكوبيرية على الحد الأمثل (مثل كوبي إيدج أو فينيورت أو ميكروك 8) في إدارة عمليات تحديث البرامجيات.

Securing Data Transmission and Processing at the Edge

ويمكن أن تكون مبانٍ للدجاج متاحة مادياً للمهاجمين، مما يثير القلق بشأن التلاعب، والهجمات على الشاشات الجانبية، وسرقة البيانات، ويجب أن يكون مسار الانتقال من جهاز إلى خادم السحاب مشفراً من الطرف إلى آخر، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تعدد المواصلات على الهياكل الأساسية المشتركة للجفاف يستحدث أسطحاً جديدة للهجوم.

الطاقة وضغوط الحرارة

وكثيراً ما تكون لخواديم الدمج المنتشرة في أجهزة الكشف الخارجي أو بالقرب من أبراج الإذاعة ميزانيات محدودة للطاقة وقدرة على التبريد، وتستهلك وحدات الاحتباس الحراري ووحدات التخطيط العام ذات الأداء العالي الطاقة الكبيرة، ويجب على المهندسين أن يحسنوا استخدام البرمجيات بكفاءة في المعدات المقيدة، باستخدام تقنيات مثل القياس الكمي للنموذج، والفرز، والمقارنة القائمة على الأحداث.

التشغيل المتبادل مع نظم ليغايسي

ولا تزال العديد من البيئات الصناعية والمشروعية تعمل على 4G أو Wi-Fi أو شبكة Ethernet، ويتطلب الانتقال إلى 5G التوافق التراجعي والتسليم السلس بين الشبكات.

الحلول الهندسية للارتطام المنخفض

وللتغلب على هذه التحديات، يقوم المهندسون بنشر مجموعة من الشبكـات والبرمجيات والابتكارات في المعدات التي تصمم خصيصا للاستمرارية 5 جي - إيدج.

شبكة متقدمة

ويتيح تقسيم الشبكة للمشغلين إنشاء شبكات افتراضية متعددة على رأس بنية تحتية ثابتة مشتركة قوامها 5 جي، ويُستحسن كل شريحة من الاحتياجات المحددة من الخدمات، أما بالنسبة لتطبيقات التساهل المنخفضة، فيمكن تشكيل شريحة من هذا القبيل من خلال ضمانات دقيقة، وموارد إذاعية مخصصة، ومسار مباشر لخواديم الحافة.

Deploying Distributed Edge Servers with MEC

(ج) توفر الحواسيب الإلكترونية المتعددة المواقع إطاراً موحداً لنشر التطبيقات على حافة الشبكة 5G.() وتُعرِّف وزارة الطاقة المتجددة تطبيقات تطبيقات قياسية تتعلق بمعرفة المواقع وإدارة النطاق الترددي والتعرض للمعلومات عن الشبكات اللاسلكية، ولا يمكن للمهندسين وضع منابر للشبكة في موقع الشبكة العالمية، أو مركز التجميع، أو المكتب المركزي، من أجل تحقيق الحد الأمثل من حالات التأخير في استخدام الترددات، وهو هيكل فرعي يمكن أن يكون مركباًاًاً.

شبكة المعلومات الإدارية وإدارة الموارد

وتتغير سرعة حركة المستخدمين، وسرعة حركة حركة حركة المرور، وأنماط التدخل، وتستخدم نماذج الاستخبارات والتعلم الآلي في تخصيص الموارد التنبؤية، والكشف عن الشذوذ، والارتقاء الآلي، مثلا، يمكن لعنصر التعاضد أن يتعلم التنسيب الأمثل لوظائف الشبكة الافتراضية (الصناديق الوطنية الافتراضية) للتقليل إلى أدنى حد من الرطوبة، مع تخصيص المزيد من الحلول المتعلقة بإدارة الموارد اللاسلكية القائمة على أساس الترددي.

التعجيل بعجلات برامجيات المعدات وقطع الغيار ذات الاستخدام الأمثل

وكثيراً ما تكون وحدات الإزالة للأغراض العامة غير كافية لتلبية الطلبات المحسوبة على استخدام أجهزة الاستطلاع أو تجهيز التغليف في الوقت الحقيقي عند الحافة، ويستخدم المهندسون أجهزة عجلات معدات مثل FPGA، أو GPU، أو وحدات التجهيز الالكتروني المتخصصة (وحدات تجهيز الهواء) لتحميل مهام محددة، وبالنسبة لوظائف الشبكة، فإن البرمجيات الصغيرة والمتوسطة الحجم ذات الرؤوس القابلة للبرمجة (مثل البرمجيات P4)

صفر - صفر - صفر أمن البيئات الحادة

ويتطلب تأمين سلسلة سلسلة 5G-edge نموذجاً لا يثق فيه أي جهاز أو مستخدم أو قطاع شبكي، ولا يُصدق عليه أو يؤذن به أو يُشفّر، وينفذ المهندسون أجزاء مصغرة من أجل عزل مختلف عناصر التطبيق، واستخدام نظام تبادل المعلومات عن مخاطر استخدام المركبات (التراخيص) في الاتصالات بين الخدمات والخدمات، ونشر أجهزة منشأة للتوعية بالهوية.

الأوركسترات و الشغب في الحافة

وتتطلب إدارة آلاف من عُدد الحواف منصة قوية للتفتيش تدعم التحديثات المفرطة في الجو والرصد عن بعد والتعافي من الأوتوماتيكي، ويجب أن توفر الحلول القائمة على أساس الكبريت والمكيفة حسب الحواف، مثل خط المايكرويكات، أو الميكروبات، أو المركب، نموذجاً مألوفاً لتغليف الحاويات.

حالات الاستخدام الحقيقي في العالم

ويجري بالفعل نشر مجموعة من 5 ج وحساب الحواف عبر صناعات متعددة، ويساعد فهم حالات الاستخدام هذه المهندسين على إعطاء الأولوية لقرارات التصميم.

المركبات المستقلة

المركبات ذات المستوى الرابع والمستوى الخامس تعتمد على تركيب أجهزة الاستشعار (الكاميرا، والرادار، والأشعة فوق الصوتية) وخوارزميات تخطيط المسارات التي تتطلب وجود فترات متأخرة تحت 10 مليمترات، ويمكن لخواديم في وحدات جانبية الطرق أو محطات قاعدية تجهيز بيانات التصور التعاوني (مثل تبادل المعلومات عن العقبات حول الزوايا) وإعادة إرسالها إلى المركبات ذات الترددات العالية

Remote Surgery and Telemedicine

يتطلب إجراء جراحة عن بعد الحصول على تغذية مرتدة وبث فيديو مع وجود تواتر نهائي دون 20 ميلاً ثانياً.

Augmented and Virtual Reality

وتحتاج التطبيقات المتعلقة بالصدمات الكهربائية/المركبات إلى درجة منخفضة من الكفاءة لتجنب مرض الحركة وتوفير التجارب غير المتجانسة، ومن خلال تحميلها على خادم ذي وصلة 5 جي، يمكن أن تستخدم أجهزة الرؤوس الخفيفة ذات الوزن المنخفض بطارية أقل، ولا تزال تنتج رسوما بيانية عالية الجودة، وتشمل الأمثلة المساعدة عن بعد، حيث يرى فني شروحا زائدة افتراضية على المعدات الحقيقية، أو تصميم جهاز فيديو مقسم على أساس نوعي.

التشغيل الآلي الصناعي

وتستخدم المصانع الذكية 5G وحساب الحواف من أجل مراقبة الأجهزة الآلية في مواقع مغلقة، والتفتيش على الجودة في الوقت الحقيقي، والصيانة التنبؤية، ويشمل النشر النموذجي خواديم حافة تجمع البيانات من أجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة، والكاميرات، وأجهزة الاستشعار من حيث اليقظة، وتُعد نماذج المعلومات المتعلقة بالكشف عن العيوب أو التنبؤ بفشل المعدات في غضون ثوانٍ معزولة.

المدن الذكية والسلامة العامة

فالحوسبة الحوسبة في تطبيقات المدن الذكية - إدارة التداخل، والرصد البيئي، ومحللي الحشود - تعتمد على 5 جي بالنسبة لأجهزة الاستشعار الموزعة بشكل كثيف، مثلا، يمكن تجهيز أطعمة الفيديو من التقاطعات على مدخل حافة للكشف عن انتهاكات حركة المرور أو مركبات الطوارئ، مما يؤدي إلى تغيير الإشارات في غضون ثواني، كما أن الطائرات الآلية التي تعمل على كشف أجهزة التصوير ذات النطاق الترددي العالية الاستبانة تعمل على خدمة الشاشة الحقيقية.

التوقعات المستقبلية

ومع استمرار شبكات المقاولات المحلية الخمسية في التنفيذ على الصعيد العالمي، ومع نضج الهياكل الأساسية الحاسوبية، ستزداد إمكانات التطبيقات المبتكرة المنخفضة السعر زيادة كبيرة، وتشمل الاتجاهات الرئيسية إدماج 5 جي في شبكات المؤسسات الخاصة (مثلاً، 5G LAN)، ووضع تطبيقات ذات حواف مصممة من الأرض لنشرها، وتقارب الحوافات، والإنجازات المسبقة عن علم.

وستؤدي المعايير الجديدة، مثل الإصدار 18 وما بعده من إطلاقات على نطاق GPP، إلى تعزيز الدعم للحوسبة الحادة، بما في ذلك تبسيط وضع صندوق البريد العالمي والتعرض لخدمة الحواف الأصلية، وسيؤدي ظهور 6G في أواخر عام 2020 إلى زيادة طمس الخط بين الشبكة والرسوم، مع وجود قدرات تعاونية على الحافة، وينبغي للمهندسين أن يستثمروا في المهارات المحيطة بالكوبرنيتات، وأجهزة قياسية متعددة الأطراف، وأجهزة المعلومات المسبقة عن طريق شبكة المعلومات عن طريق شبكة المعلومات عن المعادن، وشبكة AI/ML، والأمن للبقاء في المستقبل.

إن تقاطع 5 جي وحساب الحواف ليس مجرد تحديث تقني بل هو تحول نموذجي في كيفية تصميم التطبيقات القائمة على كثافة البيانات في الوقت الحقيقي، وبوجود نظم هندسية موثوقة وقابلة للقياس، ومأمونة في هذا التقاطع، يمكننا فتح مستويات جديدة من الاستجابة التي ستحول الصناعات وتحسن الحياة اليومية.