جيل خامس (شبكات اتصال)

الجيل الخامس لشبكات الخليوي (The 5th Generation Cellular Networks)‏ أو الجيل الخامس للأنظمة اللاسلكية (The 5th Generation wireless Systems)‏ اختصاراً (5G)، هو مصطلح يستخدم في بعض الأوراق والمشاريع البحثية للدلالة على مرحلة رئيسية مقبلة من معايير الاتصالات المتنقلة ما وراء المعايير الحالية جيل رابع/IMT-المتقدمة. 5G لا تصف أي مواصفات معينة في أي وثيقة رسمية نشرتها أي هيئة قياسية للاتصالات.

على الرغم من أن المعايير المحدثة التي تحدد قدرات تتجاوز تلك المعايير المحددة في 4G الحالية هي قيد النظر، لا يزال يجري تجميع تلك القدرات الجديدة وفقا لمعايير 4G الحالية. نهاية العام 2017 صدر المعيار الأولي للجيل الخامس^[1] مع تحديد أهم المتطلبات والتقنيات المرشح استخدامها^[2].

وذكرت وكالة انباء يونهاب الكورية، أن شركة سامسونج قد اختبرت بنجاح شبكة 5G بقدرة إتصال سرعتها 1 جيجابايت في الثانية (يحتمل أن تصل إلى 8 جيجابت في الثانية)، وتهدف إلى تقديم الخدمة بحلول عام 2020.^[3][4]

ما قبل الجيل الخامس^[5]

هناك جيل من أجيال المحمول الجديد تظهر تقريبا في كل 10 أعوام منذ أول جيل أول نظام الشمال الهاتف المحمول ، قد ظهرت في عام 1981. بدء أول تشغيل لنظام 2G حيث طرح في عام 1992 ،أما أول تشغيل لنظام الجيل الثالث 3G فقد تم في عام 2001 , أخيرا نظام 4G المتوافق تماما مع IMT المتقدم كانت قيد التشغيل في عام 2012. بعض المصادر الحكومية أوضحت أن جيلا جديدا من المعايير 5G لن يتم تنفيذها من قبل الاتحاد الدولي للاتصالات حتى عام2020.^[6]

تطوير معايير جيل ثان (النظام العالمي للإتصالات المتنقلة) وجيل ثالث (IMT-2000 وUMTS) استغرق تقريبا 10 سنوات بداية من البداية الرسمية لمشاريع للأبحاث والتطوير ، وتطوير نظم جيل رابع التي بدأت في 2001 أو 2002.^[7][8] ومع ذلك، لم يتم إطلاق أى تطوير VSLN عالمى أو دولى GLAHVDU لشبكات VSLDH 5Gفإن بعض ممثلي الصناعة عبروا عن شكوكهم تجاه 5G.^[9]

عادة ما يتم تعيين نطاقات تردد أجيال المحمول الجديدة وأوسع عرض للنطاق الترددي الطيفي لكل قناة تردد فمثلا (1G تصل إلى 30 كيلو هرتز، 2G تصل إلى 200 كيلوهرتز، 3G تصل إلى 5 ميغاهيرتز، و4G تصل إلى 40 ميغاهيرتز)، ولكن يجادل المتشككون في أنه مايزال هناك مجالا كبيرا لنطاقات الترددات الجديدة أو عرض لنطاق ترددية لقنوات أكبر من 4G.^[9] من وجهة نظر المستخدمين، قد يعني ذلك ضمنا أن أجيال المحمول السابقة لديها زيادة كبيرة في معدل البت الذروة (أي الطبقة المادية صافي معدلات البت للاتصالات لمسافات قصيرة). ومع ذلك، لا يشير أي مصدر أن الذروة معدلات التنزيل والرفع لل 5G ستصل لأكثر من 1 جيجابت في الثانية التي سيتم تقديمها من قبل تعريف نظم ITU-R 4G.^[7] إذا ظهر 5G، وتعكس هذه التكهنات، يجب على الفرق الرئيسي من وجهة نظر المستخدم من عرض بين 4G وتقنيات 5G يكون شيئا آخر غير زيادة الإنتاجية القصوى، على سبيل المثال انخفاض استهلاك البطارية، وانخفاض احتمال انقطاع (تغطية أفضل)، الأسعار مرتفعة قليلا في أجزاء أكبر من مساحة التغطية، وأرخص أو أي رسوم المرور بسبب انخفاض تكاليف نشر البنية التحتية، أو قدرة إجمالية أعلى لكثير من المستخدمين في وقت واحد (أي أعلى مستوى نظام الكفاءة الطيفية). تلك هي الأهداف في العديد من الأوراق البحثية.

نظرة عامة عن الجيل الخامس في الاتصالات

إن الشعار الرئيسي للجيل الخامس هو الانترنت لكل شيء أو انترنت الأشياء^[10] إنترنت الأشياء

أي أن كل شخص وكل شيء سيكون متصلا بالانترنت، فأي أداة أو جهاز في البيت أو في الشارع أو أي مكان عمل سيكون متصلا بشبكة الانترنت، وهذا ما يقودنا إلى مصطلح المدن الذكية، إذ أن البيانات يتم تشكيلها في كل مكان من قبل أي شخص أو أي آلة وسيتم تحليلها في أقل زمن حقيقي ممكن للاستدلال على معلومات مفيدة في الوقت المناسب كمراقبة الحالة الصحية للمرضى وكبار السن، ومراقبة الأجهزة والأدوات في المنزل وتحديد إن كان هناك عطلا ما أو نقصا في مادة ما، وكذلك تحليل حالة المرور في الشوارع  ومساعدة السائقين وتحذيرهم من المخاطر غير المرئية مما يمهد الطريق نحو السيارات ذاتية القيادة. وهنا تلعب الاتصالات المتنقلة دورا محوريا في تمكين النقل الفعال والآمن لهذه المعلومات من آلة آلى آلة أخرى (= MACHINE TO MACHINE M2M ) - بدون تدخل الانسان - لمعالجتها واتخاذ الإجراء المناسب  بأقصى سرعة وأقل تأخير ( أقل من 1ms) .وهذا ما يفرض مزيدا من التحديات على الشبكة المستقبلية التي يجب أن تستوعب بيانات الهواتف الجوالة و العدد الهائل من الأجهزة والحساسات المنتشرة في كل مكان لتكون شبكة واسعة النطاق بقدرة وكفاءة قصوى ودرجة عالية من تأمين الأجهزة المعلومات المنقولة والمخزنة.^[11]

خصائص ومميزات الجيل الخامس ومقارنتها بخصائص الجيل الرابع

• ظهر الجيل الرابع في العام 2011 وكان معتمدا بشكل كبير على عناويين الانترنت

( IPV4)  ( كل عنوان IPV4 مؤلف من 32 خانة ثنائية ) ، أما الجيل الخامس فمن المتوقع تطبيقه في العام 2021 وسيكون معتمدا بشكل كلي على عناوين الانترنت (IPV6 ) (كل جهاز أو آلة له عنوان IPV6 مؤلف من 128 خانة ثنائية ) .

• سرعة نقل البيانات في الجيل الرابع كانت 100Mbps  للأجهزة المتحركة بسرعة لغاية   km/h360 (Mobile users) و 1Gbps للأجهزة الثابتة  stationary users)).

بينما هذه السرعة تصل في الجيل الخامس إلى 1Gbps  للأجهزة المتحركة و 10Gbps  للأجهزة الثابتة.

• زمن التأخير (latency) في الجيل الرابع هو بحدود 10ms (الفترة الزمنية مابين إرسال البيانات ووصولها للطرف الآخر، مثلا الفترة بين طلب أمر ما من السيرفر ووصول هذا الأمر للسيرفر)، أما في الجيل الخامس فالتأخير لا يتجاوز 1ms .
• عرض النطاق الترددي (bandwidth) المستخدم في الجيل الرابع هو 20MHZ ، أما في الجيل الخامس فهو MHZ160 .
• اتصال جهاز مع جهاز بشكل مباشر (D2D communications) وهذا يعني اتصال الأجهزة القريبة من بعضها مباشرة بدون الحاجة إلى برج الخدمة كوسيط.
• مساحة الخلية (cell) في الجيل الخامس أصغر بكثير منها في الجيل الرابع وذلك حتى تستطيع تحمل العدد الكبير من الأجهزة المتصلة بها، بالإضافة إلى أن ذلك يؤدي إلى انخفاض مستوى استهلاك الجهاز للطاقة  بنسبة  90  بالمئة إذ أن أبراج الخدمة  تكون قريبة من الجهاز. (الخلية هي المساحة الجغرافية التي يغطيها برج خدمة واحد ).

القضايا الأمنية المرافقة لشبكات الجيل الخامس

على الرغم من أن شبكات الجيل الخامس ستوفر سرعة عالية لنقل البيانات والقدرة على ربط عدد هائل من الأجهزة ودعمها لمجموعة كبيرة من الخدمات الشخصية وانماجها مع التكنولوجيا المتقدمة القائمة على تقنيات حديثة، فهناك مجموعة واسعة من المسائل الأمنية والتي ستقود إلى تحديات أمنية كبيرة في مستقبل شبكات الاتصال نتيجة عدة عوامل:

• المعمارية والبنية المعتمدة على بروتوكولات الانترنت والتي هي دائما عرضة لأي تهديد.
• تنوع طرق الوصول لشبكة الانترنت.
• عدم تجانس الأجهزة المتصلة من حيث القدرة الحسابية وكفاءة المعالجة والتخزين.
• أنظمة التشغيل المفتوحة على الأجهزة، أي يمكن تنزيل البرامج مهما كان مصدرها وتثبيتها على الأجهزة، وهذا ما قد يخلق الكثير من المشاكل الأمنية.
• الأجهزة المتصلة عادة ما يتم تشغيلها من قبل أشخاص غير محترفين في القضايا الأمنية.

ونتيجة لذلك سيتعين على نظام الجيل الخامس في الاتصالات أن يعالج تهديدات أكثر وأقوى بكثير من أنظمة الاتصال الحالية. وعلى الرغم من أن النظام الجديد سيكون عرضة لعدد كبير من التهديدات الأمنية المعروفة وغير المعروفة، فليس من الواضح أي التهديدات ستكون أخطر وأي أجزاء الشبكة ستكون عرضة أكثر لتلك التهديدات.^[11]

الأجزاء الأكثر عرضة وهدفا للتهديدات

أهداف المهاجمين عادة ما تكون معدات المستخدمين وشبكات الوصول والشبكة النواة لمزود الخدمة:

أجهزة المستخدم  (user equipment) :

في الجيل الخامس ستكون الأجهزة الذكية وأجهزة التابلت جزءا رئيسيا من الحياة اليومية، وهذه الأجهزة ستوفر مجموعة كبيرة من الميزات الهامة التي تمكن المستخدمين من الوصول لعدد كبير من الخدمات الشخصية عالية الجودة. ومن المتوقع زيادة عدد هذه الأجهزة في المستقبل مع ازدياد حجم البيانات وامكانيات الشبكة التي ستدعم كل خيارات التوصيل (2G,3G,4G).ولكن هذه الأجهزة ستكون هدفا رئيسيا للمهاجمين حيث ستتعرض لهجمات أكثر تطورا عن طريق البرمجيات الخبيثة كالفيروسات التي تستهدف كلا من الأجهزة المحمولة وشبكات الاتصال، وهذه البرمجيات تبدو وكأنها صديقة (كالألعاب مثلا)  سواء من مصادر موثوقة أوغير موثوقة، حيث يتم تثبيتها على الأجهزة، لكنها في الواقع مصممة لتمكين المهاجمين من الوصول للبيانات الشخصية للمستخدم، أو للوصول لأنظمة التشغيل لهذه الأجهزة وتعطيلها. مما يعرض المستخدم أو الأجهزة للكثير من المخاطر.

شبكات الوصول (ACCESS NETWORKS) :

من المتوقع أن تكون شبكات الاتصال في الجيل الخامس غير متجانسة ومعقدة إلى حد كبير فهي ستدعم شبكات الاتصال ( 2G,3G,4G)  وغيرها من تقنيات الاتصال المتقدمة وذلك حتى يكون الاتصال مضمونا و آنيا. فمثلا في غياب الشبكة 4G من المفروض تواجد الشبكات الأخرى سواء 2G  أو 3G لضمان إتمام الاتصال. ولكن ذلك يؤدي إلى وراثة جميع القضايا الأمنية المتعلقة بالشبكات السابقة وبالتالي يجب تطوير آليات حماية قوية لمواجهة التهديدات الأمنية الناشئة. فمثلا من المشاكل الأمنية الهامة التي قد تؤثر بشكل خطير على خصوصية المستخدم في نظام الجيل الرابع إمكانية تتبع موقع المستخدم (User location tracking) والتي تتم بطريقتين ؛ الأولى عن طريق تحديد الرقم التعريفي للخلية المزودة للخدمة (C‐RNTI) والثانية هي تحديد الأرقام التسلسلية للبيانات المرسلة.^[11]

الشبكة النواة لمزود الخدمة (Mobile Operator’s Core Network) :

بما أن البنية المعمارية لشبكة الجيل الخامس ستعتمد على عناوين الانترنت (ipv6) فهي ستكون عرضة للهجمات (عبر تلك العناوين) الشائعة على شبكة الانترنت مثل الهجمات التي تستهدف أنظمة التشغيل لأجهزة الشبكة المركزية لمزود الخدمة (DOS attaks) التي تعد من أخطر التهديدات، ولتجنب الخروقات الأمنية للشبكة الناجمة عن استخدام الهواتف الذكية داخل بيئة العمل يجب إجراء مسح دوري لهواتف الموظفين باستخدام برامج الحماية، ولكن هذا النهج يعتبر مكلفا للشركات، فالحلول المبتكرة يجب أن تحقق التوازن بين التكلفة والفعالية، لذلك يتم أخذ عينات من الهواتف الذكية بشكل دوري لفحصها ويتم قياس ذلك على بقية الأجهزة بما يسمى بقياس التمثيل الأمني للهواتف الذكية.^[11]

بحوث

المفاهيم الأساسية المقترحة في الأوراق العلمية حول مناقشة 5G وما بعدها الاتصالات اللاسلكية لشبكات جيل رابع هي:

• توفير تفشي شبكة Ubiquitous computing الحوسبة في كل مكان: يمكن في نفس الوقت أن يكون المستخدم متصلا بعدة تكنولوجيات وصول لاسلكية ويتحرك بسلاسة بينهما (انظر وسائل الإعلام المستقلة تسليم أو العمودي تسليم، IEEE 802.21، من المتوقع أيضا أن تكون المقدمة من النشرات 4G المستقبلة. انظر أيضا multihoming). ويمكن الوصول إلى هذه التكنولوجيات تكون 2.5G، 3G، 4G، أو شبكات المحمول 5G، واي فاي، WPAN، أو أي تكنولوجيا أخرى للوصول مستقبلية. في 5G ، أو أية مفاهيم قد يتم تطويرها في مسارات نقل البيانات المتزامنة المتعددة.^[12]
• المجموعة التتابعية التعاونية : قضية رئيسية في أنظمة ما بعد 4G هو جعل معدلات بت عالية متوفرة في الجزء الأكبر من الخلية، خصوصا للمستخدمين في مواقف تتعرض لها من بين العديد من المحطات القاعدية. في البحوث الحالية، وتعالج هذه المشكلة عن طريق تكرار الخلوي وتقنيات التنوع الكلي ، المعروف أيضا باسم فريق التتابع التعاوني، وكذلك . شعاع النفاذ المتعدد بتقسيم ^[13]
• تكنولوجيا الإدراك الراديوي ، المعروفة أيضا باسم الراديوية الذكية: تتيح تقنيات الراديو المختلفة للمشاركة في نفس الطيف بكفاءة من خلال إيجاد تكييف الطيف غير المستخدم وتعديل مخطط انتقال إلى متطلبات التكنولوجيات التي تتقاسم الطيف حاليا. هذه الديناميكية إدارة موارد الراديو ويتحقق بطريقة التوزيع، وتعتمد على الراديوية المعرفة بالبرمجيات ^[14][15] انظر أيضا IEEE 802.22 القياسية لشبكات المناطق الإقليمية لاسلكي.
• الحيوي مخصصا الشبكات اللاسلكية (DAWN),^[7] أساسا متطابقة مع المحمول المخصص الشبكة (MANET), شبكة متقاطعة لاسلكية (WMN) أو شبكات لاسلكية، جنبا إلى جنب مع هوائي ذكي، تنوع تعاونى ومرنة التشكيل.
• تداخل طبقات البروتوكول أو ما يسمى التصميم متداخل الطبقات Cross layer^[16]
• فضاء ألكسندر ثيوفيل فانديرموند جزئي والتردد بالتقسيم (VFDM): خطة تعديل للسماح بالتعايش مع الخلايا الكبرى والخلايا الراديوية الإدراكية الصغيرة في شبكة ذات مستويين LTE/4G .^[17]
• ب IPv6، حيث يزور الرعاية يتم تعيين العنوان IP المحمول وفقا للموقع وشبكة الإتصال.^[12]
• على ارتفاعات عالية محطة منصة الستراتوسفير نظم (HAPS).^[18]
• أجهزة يمكن ارتداؤها مع قدرات الذكاء الاصطناعي .^[7]
• واحد معيار عالمي موحد.^[7]
• عالم لاسلكي حقيقي مع عدم وجود قيود أكثر مع قضايا الوصول والمناطق.^[12]
• تتمحور حول المستخدم (أو بدأالهاتف الخلية المطور ) مفهوم الشبكة بدلا من بدأ المشغل (كما في 1G) أو مطور نظام البدأ (كما في المعايير 2G، 3G 4G) ^[19]
• في جميع أنحاء العالم على شبكة الإنترنت اللاسلكية (WWWW)، أي شاملة التطبيقات المستندة إلى ويب لاسلكي والتي تشمل القدرة للوصول إلى الوسائط المتعددة الكاملة وراء سرعات 4G.^[7]
• شبكات كثيفة واسعة النطاق المعروف أيضا باسم خدمة ضخمة MIMO الموزعة لتوفيرخلايا خضراء صغيرة مرنة 5G Green Dense Small Cells

مراجع

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة كهرباء
• موسوعة إلكترونيات
• موسوعة اتصال عن بعد