C-RAN

📅 آخر تحديث: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

C-RAN ( شبكة الوصول الراديوي السحابية )، والمعروفة أيضًا باسم شبكة الوصول الراديوي المركزية ، هي بنية لشبكات الهاتف المحمول . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] تُعدّ C-RAN بنية مركزية تعتمد على الحوسبة السحابية لشبكات الوصول الراديوي، وتدعم معايير الجيل الثاني والثالث والرابع والخامس للاتصالات اللاسلكية ، بالإضافة إلى معايير المستقبل . ويستمد اسمها من الأحرف الأربعة التي تبدأ بحرف "C" في خصائصها الرئيسية، وهي: "المعالجة النظيفة والمركزية، والراديو التعاوني، وشبكة الوصول الراديوي السحابية في الوقت الفعلي". [ 4 ]

خلفية

تتكون شبكات الاتصالات الخلوية التقليدية ، أو شبكات الوصول الراديوي (RAN)، من العديد من محطات القاعدة المستقلة (BTS). تغطي كل محطة قاعدة منطقة صغيرة، بينما توفر مجموعة محطات القاعدة تغطية لمنطقة متصلة. تعالج كل محطة قاعدة وترسل إشارتها الخاصة من وإلى الجهاز المتنقل ، كما تعيد توجيه حمولة البيانات من وإلى الجهاز المتنقل وإلى الشبكة الأساسية عبر شبكة النقل الخلفية . تمتلك كل محطة قاعدة نظام تبريد خاص بها، ونظام نقل خلفي، وبطارية احتياطية، ونظام مراقبة، وما إلى ذلك. ونظرًا لمحدودية الموارد الطيفية، يعيد مشغلو الشبكات استخدام التردد بين محطات القاعدة المختلفة، مما قد يتسبب في تداخل بين الخلايا المتجاورة.

توجد عدة قيود في بنية الشبكات الخلوية التقليدية. أولًا، يُعدّ بناء وتشغيل كل محطة إرسال واستقبال (BTS) مكلفًا. صحيح أن قانون مور يُسهم في تقليل حجم النظام الكهربائي واستهلاكه للطاقة، إلا أن المرافق الداعمة لمحطات الإرسال والاستقبال لا تتحسن بالقدر الكافي. ثانيًا، عند إضافة المزيد من محطات الإرسال والاستقبال إلى النظام لزيادة سعته، يزداد التداخل بينها نظرًا لتقاربها واستخدامها لنفس التردد. ثالثًا، نظرًا لتنقل المستخدمين، يتذبذب حجم البيانات في كل محطة (ما يُعرف بـ"تأثير المد والجزر")، وبالتالي ينخفض ​​متوسط ​​معدل استخدام كل محطة. مع ذلك، لا يمكن مشاركة موارد المعالجة هذه مع محطات أخرى. لذلك، تُصمّم جميع المحطات للتعامل مع أقصى حجم للبيانات، وليس متوسطها، مما يؤدي إلى هدر موارد المعالجة والطاقة في أوقات الخمول.

تطور بنية محطات القاعدة

محطة قاعدة ماكرو متكاملة

في شبكات الجيل الأول والثاني للاتصالات الخلوية، كانت محطات القاعدة تتميز ببنية متكاملة. حيث جُمعت وظائف الإشارات التناظرية والرقمية والطاقة في خزانة واحدة بحجم ثلاجة. عادةً ما كانت تُوضع خزانة محطة القاعدة في غرفة مخصصة مزودة بجميع التجهيزات الداعمة اللازمة، مثل مصدر الطاقة، وبطارية احتياطية، وتكييف الهواء، وأجهزة مراقبة البيئة، ومعدات نقل البيانات. تُولّد وحدة الترددات اللاسلكية في محطة القاعدة إشارة الترددات اللاسلكية، وتنتشر عبر أزواج من كابلات الترددات اللاسلكية وصولاً إلى الهوائيات الموجودة أعلى برج محطة القاعدة أو نقاط التثبيت الأخرى. وقد شاع استخدام هذه البنية المتكاملة في نشر الخلايا الكبيرة.

محطة قاعدة موزعة

في شبكات الجيل الثالث، قدمت شركات إريكسون ونوكيا وهواوي وغيرها من الشركات الرائدة في مجال معدات الاتصالات بنية محطات قاعدية موزعة. في هذه البنية، تُفصل وحدة وظائف الراديو، المعروفة أيضًا باسم رأس الراديو البعيد ( RRH ) ، عن وحدة الوظائف الرقمية، أو وحدة النطاق الأساسي (BBU)، بواسطة الألياف الضوئية. تُنقل إشارات النطاق الأساسي الرقمية عبر الألياف الضوئية، باستخدام معيار مبادرة بنية المحطة القاعدية المفتوحة ( OBSAI ) أو معيار واجهة الراديو العامة المشتركة ( CPRI ). يمكن تركيب رأس الراديو البعيد (RRH) أعلى البرج بالقرب من الهوائي، مما يقلل الفقد مقارنةً بالمحطة القاعدية التقليدية حيث يتعين على إشارة الترددات اللاسلكية الانتقال عبر كابل طويل من خزانة المحطة القاعدية إلى الهوائي أعلى البرج. كما يتيح وصلة الألياف الضوئية بين رأس الراديو البعيد (RRH) ووحدة النطاق الأساسي (BBU) مرونة أكبر في تخطيط الشبكة ونشرها، حيث يمكن وضعهما على بُعد بضع مئات من الأمتار أو بضعة كيلومترات. تستخدم معظم المحطات القاعدية الحديثة الآن هذه البنية المنفصلة.

C-RAN/Cloud-RAN

يمكن اعتبار C-RAN تطورًا معماريًا لنظام محطات القاعدة الموزعة المذكور أعلاه. فهي تستفيد من العديد من التطورات التكنولوجية في أنظمة الاتصالات اللاسلكية والبصرية وتقنية المعلومات. على سبيل المثال، تستخدم أحدث معايير CPRI، وتقنية تقسيم الطول الموجي الخشن أو الكثيف ( CWDM / DWDM ) منخفضة التكلفة، وموجات المليمتر (mmWave) لتمكين نقل إشارة النطاق الأساسي عبر مسافات طويلة، مما يتيح نشر محطات قاعدة مركزية واسعة النطاق. كما تطبق أحدث تقنيات شبكات مراكز البيانات لتوفير شبكة ربط منخفضة التكلفة وعالية الموثوقية ومنخفضة زمن الوصول وعالية النطاق الترددي في مجموعة وحدات النطاق الأساسي (BBU). وتستخدم منصات مفتوحة وتقنية المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي القائمة على الحوسبة السحابية لتحقيق تخصيص ديناميكي للموارد المشتركة ودعم بيئات متعددة الموردين والتقنيات. [ 5 ]

نظرة عامة على الهندسة المعمارية

تتميز بنية C-RAN بالخصائص التالية التي تميزها عن البنى الخلوية الأخرى:

  1. نشر مركزي واسع النطاق: يسمح للعديد من وحدات الراديو البعيدة (RRHs) بالاتصال بمجموعة وحدات النطاق الأساسي (BBU) المركزية. تصل أقصى مسافة إلى 20 كم عبر وصلة الألياف الضوئية لأنظمة الجيل الرابع (LTE/LTE-A)، ومسافات أطول (40-80 كم) لأنظمة الجيل الثالث (WCDMA/TD-SCDMA) وأنظمة الجيل الثاني (GSM/CDMA).
  2. دعم أصلي لتقنيات الراديو التعاوني: يمكن لأي وحدة نطاق أساسي (BBU) التواصل مع أي وحدة نطاق أساسي أخرى ضمن مجموعة وحدات النطاق الأساسي بنطاق ترددي عالٍ جدًا (10  جيجابت/ثانية فأكثر) وزمن استجابة منخفض (10  ميكروثانية) . يتحقق ذلك من خلال ربط وحدات النطاق الأساسي في المجموعة. وهذا أحد الفروق الرئيسية عن تقنية "هوتيلينج" لوحدات النطاق الأساسي، أو "هوتيلينج" لمحطات القاعدة؛ ففي الحالة الأخيرة، تُكدس وحدات النطاق الأساسي لمحطات القاعدة المختلفة معًا دون وجود رابط مباشر بينها يسمح بتنسيق الطبقة الفيزيائية.
  3. إمكانية المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي القائمة على منصة مفتوحة: يختلف هذا عن محطات القاعدة التقليدية المبنية على أجهزة احتكارية، حيث تكون البرامج والأجهزة مغلقة المصدر ومقدمة من موردين محددين. في المقابل، تُبنى مجموعة وحدات النطاق الأساسي (BBU) لشبكة C-RAN على أجهزة مفتوحة المصدر، مثل الخوادم القائمة على معالجات x86/ARM، وبطاقات واجهة تتولى وصلات الألياف الضوئية إلى وحدات RRH والوصلات البينية في المجموعة. تضمن المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي إمكانية تخصيص الموارد في المجموعة ديناميكيًا لحزم برامج محطات القاعدة، مثل وحدات وظائف 4G/3G/2G من موردين مختلفين، وفقًا لحمل الشبكة. مع ذلك، ولتلبية متطلبات التوقيت الصارمة لأنظمة الاتصالات اللاسلكية، يصل أداء الوقت الفعلي لشبكة C-RAN إلى مستوى عشرات الميكروثواني، وهو أفضل بمرتبتين من حيث الحجم من مستوى الميلي ثانية الذي يُشاهد عادةً في بيئات الحوسبة السحابية.

بنية وأنظمة مماثلة

قامت شركة KT، وهي شركة اتصالات في جمهورية كوريا، بإدخال نظام مركز الحوسبة السحابية (CCC) في شبكة الجيل الثالث (WCDMA/HSPA) وشبكة الجيل الرابع (LTE/LTE-A) في عامي 2011 و2012. [ 6 ] مفهوم CCC هو نفسه مفهوم C-RAN بشكل أساسي.

قامت شركة SK Telecom أيضًا بنشر شبكة الوصول السحابي الذكي (SCAN) وشبكة Advanced-SCAN في شبكة الجيل الرابع (LTE/LTE-A) في كوريا في موعد لا يتجاوز عام 2012. [ 7 ]

في عام 2014، قدمت شركة Airvana (التي أصبحت الآن CommScope) [ 8 ] نظام OneCell، وهو نظام خلايا صغيرة قائم على C-RAN مصمم للمؤسسات والأماكن العامة. [ 9 ]

البنى المتنافسة في تطور الشبكات الخلوية

مجموعة BTS المتكاملة

يُعدّ نظام محطة الإرسال والاستقبال الخارجية المتكاملة صغيرة الحجم أحد الحلول البديلة الرئيسية التي تعالج تحديات مماثلة لشبكات الوصول الراديوي (RAN). وبفضل التطورات في صناعة أشباه الموصلات، أصبح بالإمكان الآن تنفيذ جميع وظائف محطة الإرسال والاستقبال، بما في ذلك الترددات الراديوية، ومعالجة النطاق الأساسي، ومعالجة التحكم في الوصول إلى الوسائط، ومعالجة مستوى التغليف، في حجم لا يتجاوز 50 لترًا. وهذا ما يجعل النظام صغيرًا ومقاومًا للعوامل الجوية، ويُسهّل اختيار موقع محطة الإرسال والاستقبال وبنائها، ويُغني عن الحاجة إلى تكييف الهواء، وبالتالي يُخفّض تكاليف التشغيل.

مع ذلك، ولأن كل محطة إرسال واستقبال تعمل بشكل مستقل، لا يمكنها الاستفادة بسهولة من خوارزميات التعاون لتقليل التداخل بين المحطات المجاورة. كما يصعب ترقيتها أو إصلاحها نسبيًا لأن وحدات الإرسال والاستقبال المتكاملة تُركّب عادةً بالقرب من الهوائي. ويؤدي وجود المزيد من وحدات المعالجة في بيئات أقل حماية إلى ارتفاع معدل الأعطال مقارنةً بشبكة الوصول الراديوي السحابية (C-RAN)، التي تعتمد فقط على وحدات الراديو عن بُعد (RRU) المنتشرة في الهواء الطلق.

تكمن ميزة شبكة الوصول الراديوي السحابية (Cloud RAN) في قدرتها على تطبيق ميزات LTE-Advanced، مثل تقنية النقاط المتعددة المنسقة (CoMP)، بزمن استجابة منخفض للغاية بين رؤوس الراديو المتعددة. مع ذلك، قد تُلغى الفائدة الاقتصادية لتحسينات مثل CoMP بسبب ارتفاع تكاليف الربط الخلفي لبعض المشغلين.

الخلايا الصغيرة

يحدث التنافس الرئيسي بين الخلايا الصغيرة و C-RAN في سيناريوهين للنشر: تغطية النقاط الساخنة الخارجية والتغطية الداخلية.

البحوث والمنشورات الأكاديمية

اجتذبت شبكة C-RAN اهتمامًا بحثيًا أكاديميًا نظرًا لدعمها الأصلي لقدرة الراديو التعاوني المدمجة في بنية C-RAN والتي تتيح العديد من الخوارزميات المتقدمة التي كان من الصعب تنفيذها في الشبكات الخلوية، بما في ذلك الإرسال/الاستقبال التعاوني متعدد النقاط، وتشفير الشبكة، وما إلى ذلك.

في أكتوبر 2011، استضافت ألمانيا المنتدى العالمي للأبحاث اللاسلكية 27، حيث تمت دعوة شركة تشاينا موبايل لتقديم عرض تقديمي حول C-RAN.

في أغسطس 2012، استضافت مدينة كونمينغ الصينية ورشة عمل IEEE C-RAN 2012 .

نشرت دار نشر CRC كتابًا بعنوان "الاتصالات الخضراء: الأسس النظرية والخوارزميات والتطبيقات"، ويحتوي الفصل الحادي عشر منه على عنوان: "C-RAN: إطار عمل شبكة الوصول الراديوي الخضراء". [ 10 ]

في ديسمبر 2012، استضافت ولاية كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية مؤتمر IEEE GlobalCom 2012، وهو ورشة العمل الدولية حول المحطات القائمة على السحابة والاتصالات التعاونية واسعة النطاق .

يحظى مشروع الإطار السابع للجنة الأوروبية برعاية جهات راعية، ويتناول حاليًا العديد من المشكلات المتعلقة بتطوير بنية شبكات الهاتف المحمول. وقد اتخذت العديد من هذه المشاريع شبكة الوصول الراديوي السحابية (C-RAN) كإحدى بنى شبكات الهاتف المحمول المستقبلية، مثل مشروع شبكة السحابة المتنقلة [ 11 ] .

مراجع

  1. ↑ معهد أبحاث تشاينا موبايل. "ورشة العمل الدولية الأولى حول شبكة الوصول الراديوي السحابية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 26 أبريل 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أبريل 2010 .
  2. ↑ طلب براءة اختراع أمريكي رقم 60286850 (تم تقديمه في 26-04-2001)، "طريقة وجهاز لاستخدام قياس التداخل الحامل لمعالجة الإشارات متعددة الحامل"
  3. ↑ شاتيل، ستيف (24-04-2002)، براءة اختراع أمريكية رقم 7430257: طبقة فرعية متعددة الموجات الحاملة لقناة التسلسل المباشر وتشفير الوصول المتعدد
  4. ↑ معهد أبحاث تشاينا موبايل (2011). C-RAN: الطريق نحو شبكة وصول لاسلكية خضراء (ملف PDF) . ك. تشين وآخرون. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 31 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 ديسمبر 2013 .
  5. ^ بومبيلي، داريو. حاجيصمي، أبو الفضل؛ فيسواناثان، هاريهاراسودان (2015). “التزويد والتخصيص الديناميكي في شبكات الوصول إلى الراديو السحابية (C-RANs)”. الشبكات المخصصة . 30 : 128 – 143. دوى : 10.1016/j.adhoc.2015.02.006 .
  6. ↑ شركة الاتصالات الكورية. "شركة الاتصالات الكورية تخطط لأول شبكة Cloud-RAN تجارية في العالم" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 ديسمبر 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 ديسمبر 2012 .
  7. ↑ شركة إس كيه للاتصالات. "أول تطبيق في العالم لتقنية المسح المتقدم" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 ديسمبر 2013 .
  8. ↑ "الخلايا الصغيرة" .
  9. ↑ جونز، دان. "شركة إيرفانا تعود بشبكة 4G Biz Cell بتقنية 'Cloud RAN'" . لايت ريدينج . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يونيو 2015 .
  10. ↑ الاتصالات الخضراء: الأسس النظرية والخوارزميات والتطبيقات . مطبعة سي آر سي. 2012. ص 840. 
  11. ↑ "شبكة الحوسبة السحابية المتنقلة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 أغسطس 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 ديسمبر 2013 .