الشبكات الخلوية

توفر الشبكات الخلوية اتصالاً لاسلكيًا واسع النطاق عن طريق تقسيم المنطقة إلى خلايا تخدمها محطات قاعدية وربطها عبر شبكة أساسية، وقد تطورت من أنظمة تركز على الصوت إلى النطاق العريض المتنقل من الجيل الرابع والخامس القائم على الحزم والذي يحمل الإنترنت المتنقل اليوم.

Definition

الشبكة الخلوية هي شبكة لاسلكية واسعة النطاق تقسم منطقة تغطيتها إلى خلايا، تخدم كل منها محطة قاعدية، وتربط هذه المحطات القاعدية عبر شبكة أساسية تتولى المصادقة، وإدارة التنقل، والاتصال بالشبكات الخارجية مثل الإنترنت.

Scope

يغطي هذا الموضوع بنية وتشغيل شبكات البيانات الخلوية: المفهوم الخلوي للخلايا والمحطات القاعدية وإعادة استخدام الترددات؛ تنظيم شبكة الوصول الراديوي والشبكة الأساسية؛ التطور من الأجيال السابقة عبر 4G LTE و 5G، بما في ذلك التحول إلى الشبكات الأساسية ذات تبديل الحزم القائمة على بروتوكول الإنترنت بالكامل؛ والقدرات عالية المستوى التي يستهدفها 5G مثل السعة الأعلى، والكمون المنخفض، والكثافة الهائلة للأجهزة. ويتناول التنقل والتسليم (handoff) على مستوى نظرة عامة، تاركًا إدارة التنقل التفصيلية لموضوعها الخاص.

Core questions

• ما هو المفهوم الخلوي، ولماذا تُقسم مناطق التغطية إلى خلايا؟
• كيف تزيد إعادة استخدام الترددات من سعة النظام الخلوي؟
• كيف تُنظم شبكة الوصول الراديوي والشبكة الأساسية؟
• كيف تطورت الشبكات الخلوية من أنظمة تركز على الصوت إلى 4G و 5G القائمة على بروتوكول الإنترنت بالكامل؟
• ما هي القدرات الجديدة، مثل الكمون المنخفض والاتصال الشامل، التي يهدف 5G إلى توفيرها؟

Key concepts

• الخلايا والمحطات القاعدية
• إعادة استخدام الترددات
• شبكة الوصول الراديوي
• الشبكة الخلوية الأساسية
• 4G LTE
• 5G
• الشبكة الأساسية لتبديل الحزم القائمة على بروتوكول الإنترنت بالكامل
• النطاق العريض المتنقل
• التسليم (نظرة عامة)

Key theories

المفهوم الخلوي وإعادة استخدام الترددات

يسمح تقسيم منطقة الخدمة إلى خلايا وإعادة استخدام نفس الترددات في خلايا غير متجاورة لطيف محدود بخدمة العديد من المستخدمين؛ وتزيد الخلايا الأصغر من السعة على حساب المزيد من المحطات القاعدية والتسليم المتكرر.

فصل شبكة الوصول الراديوي والشبكة الأساسية

تفصل الأنظمة الخلوية شبكة وصول راديوي من المحطات القاعدية التي تدير الارتباط اللاسلكي عن شبكة أساسية تقوم بمصادقة المستخدمين، وإدارة الجلسات والتنقل، وتوجيه حركة المرور من وإلى الشبكات الخارجية، وهو هيكل تم تحسينه عبر الأجيال.

التطور الجيلي إلى بروتوكول الإنترنت بالكامل

تطورت الشبكات الخلوية من الصوت التناظري (1G) عبر الصوت الرقمي والبيانات المحدودة إلى 4G LTE و 5G القائمة على تبديل الحزم وبروتوكول الإنترنت بالكامل، حاملة بشكل متزايد حركة مرور الإنترنت ومتكاملة مع شبكات بروتوكول الإنترنت من البداية إلى النهاية.

Clinical relevance

توفر الشبكات الخلوية الإنترنت المتنقل لمليارات الأجهزة وهي الشكل الأساسي للاتصال في معظم أنحاء العالم. يؤدي الانتقال إلى الشبكات الأساسية 4G و 5G القائمة على بروتوكول الإنترنت بالكامل إلى دمج تقنية الاتصالات الخلوية والإنترنت بشكل وثيق، وتدعم أهداف 5G للكمون المنخفض والكثافة الهائلة للأجهزة تطبيقات تتراوح من الفيديو المتنقل إلى الأتمتة الصناعية وإنترنت الأشياء، مما يجعل البنية الخلوية محورية في تخطيط الاتصال الحديث.

History

بدأت الاتصالات الخلوية بأنظمة الجيل الأول التناظرية (1G)، ثم الجيل الثاني الرقمي (2G) (مثل GSM) التي أضافت الرسائل النصية والبيانات المحدودة. نمت بيانات الحزم عبر 2.5G/3G، وقدمت 4G LTE بنية قائمة على بروتوكول الإنترنت بالكامل وموجهة بالكامل لتبديل الحزم ومحسّنة للبيانات. تبعها 5G بتقنيات راديو جديدة وشبكة أساسية قائمة على الخدمات تهدف إلى تحقيق إنتاجية أعلى، وكمون أقل، ودعم أعداد هائلة من الأجهزة المتصلة.

Key figures

• James F. Kurose
• Keith W. Ross
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• tanenbaum2010

Frequently asked questions

لماذا تُقسم الشبكات الخلوية إلى خلايا؟

الطيف محدود، لذا فإن جهاز إرسال واحد يغطي منطقة بأكملها يمكنه خدمة عدد قليل فقط من المستخدمين. تقسيم المنطقة إلى خلايا، لكل منها محطتها القاعدية الخاصة، وإعادة استخدام الترددات في خلايا متباعدة بما يكفي يسمح لنفس الطيف بخدمة عدد أكبر بكثير من المستخدمين في وقت واحد، مما يزيد السعة بشكل كبير.

ما الذي يميز 5G عن 4G؟

يستخدم 5G تقنيات راديو جديدة وشبكة أساسية معاد تصميمها لتقديم معدلات بيانات قصوى أعلى، وكمون أقل، ودعم عدد أكبر بكثير من الأجهزة المتزامنة مقارنة بـ 4G. لا تستهدف هذه التحسينات الهواتف الأسرع فحسب، بل تطبيقات جديدة مثل التحكم في الوقت الفعلي، ونشر إنترنت الأشياء بكثافة، والنطاق العريض اللاسلكي الثابت.