جدول 5.5: السمات الرئيسة لشبكات الجيل الخامس الحديثة - كتاب إنترنت الأشياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 شبكات وبروتوكولات الاتصالات بعيدة المدى

المفاهيم الأساسية

شبكات وبروتوكولات الاتصالات بعيدة المدى: شبكات تربط الأجهزة بشبكة الإنترنت أو أنظمة الشبكات الأخرى عبر مسافات طويلة، بعكس الشبكات المحلية (WPAN/WLAN).

تقنية لوراوان (LoRaWAN): مثال على تقنيات الشبكات منخفضة الطاقة واسعة النطاق (LPWA)، تستخدم هيكلية "نجمة النجوم" للاتصال.

الشبكات الخلوية (الجيل الخامس - 5G): الجيل التالي من تقنية الاتصالات القائمة على بروتوكول الإنترنت، تهدف لتحسين النطاق الترددي ووقت الاستجابة وتقليل النفقات.

خريطة المفاهيم

```markmap

تقنيات شبكات إنترنت الأشياء

بروتوكولات وشبكات الاتصالات قصيرة المدى

تحديد الترددات الراديوية والاتصال قريب المدى (RFID & NFC)

#### RFID

• تخزين واسترداد البيانات عن بعد
• جهاز إرسال وجهاز استقبال لاسلكي
• تتبع الأدوات والمعدات والمواد والأشخاص
• قراءة رقاقات متعددة في وقت واحد (حتى لو كانت مخفية)

#### NFC

• تبادل بيانات آمن
• نطاق اتصال قصير (~10 سم)
• استخدامات: الدفع غير التلامسي، مفاتيح إلكترونية، ربط الأجهزة

#### مقارنة (جدول 5.2)

• التردد: RFID (125 كيلو هرتز - 2.45 جيجا هرتز) | NFC (13.56 ميجا هرتز)
• نطاق الاتصال: RFID (حتى 100 متر) | NFC (~10 سم)
• الاتصال: RFID (أحادي الاتجاه) | NFC (ثنائي الاتجاه)
• الميزة: RFID (التعرف عن بعد) | NFC (أمان عالي)

شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية (WPANs)

#### تعريف

• وسيلة لنقل واستقبال بيانات المستشعرات والمشغلات
• يمكن أن تكون سلكية أو لاسلكية

#### مكونات (شكل 5.22)

• نقطة وصول (Access Point)
• الإنترنت
• مستشعر (Sensor)
• هاتف نقال (Mobile Phone)

#### بروتوكولات WPANs غير المستندة إلى عنوان IP

##### زيجبي (Zigbee)

###### المكونات الرئيسة للشبكة

• متحكم زيجبي (ZC): جهاز عالي القدرة لبناء وبدء الشبكة، يعين العناوين ويسمح بانضمام العقد.
• موجه زيجبي (ZR): مكون اختياري يعالج جزءاً من الشبكة المتداخلة ويعين العناوين.
• جهاز زيجبي طرفي (ZED): نقطة نهاية بسيطة للتواصل مع الوسط (مثل: مفتاح الإضاءة، منظم الحرارة).

###### أنواع حركة البيانات التي يعالجها

• البيانات الدورية: إرسال دوري للبيانات (مثل: المرسلات).
• البيانات المتقطعة: تحدث عند محفزات عشوائية (مثل: مفتاح الإضاءة).
• بيانات زمن الانتقال المنخفض المتكررة: فترات زمنية للإرسال بزمن انتقال منخفض (مثل: أجهزة الإشارة، لوحات المفاتيل).

###### الهيكليات الأساسية

####### هيكلية النجمة (Star Topology)

• متحكم زيجبي (ZC) هو المحور المركزي.
• يمتد إلى نقطتين فقط، مما يحدد المسافة بين العقد.
• نقطة عطل مفردة في المتحكم.

####### هيكلية الشجرة العنقودية (Cluster Tree Topology)

• شبكة متعددة النقاط (Multi-Hop).
• تستخدم أجهزة الإرشاد (Beacons) لتوسيع التغطية والمدى.
• العقد الفرعية يمكنها التواصل مع العقد الرئيسية فقط.
• تشكل نقطة الفشل المركزية مشكلة.

####### هيكلية الشبكة المتداخلة (Mesh Topology)

• يمكن توجيه أي جهاز مصدر إلى أي جهاز وجهة.
• تستخدم طرائق التوجيه المستند إلى الأشجار والجداول.
• الموجهات (ZR) يجب أن تعمل طوال الوقت، مما يستنزف البطارية.
• تسمح للموجهات في نطاق محدد بالتنقل مباشرة.
• الفائدة الأساسية: إمكانية توسع الشبكة ووجود مسارات متعددة للبيانات.

##### البلوتوث (Bluetooth)

###### تعريف

• تقنية اتصال لاسلكية منخفضة الطاقة.
• تستخدم في الهواتف، وحدات التحكم، لوحات المفاتيح، وأجهزة إنترنت الأشياء.

###### الأحداث الرئيسية في شبكات البلوتوث الشخصية

• الإعلان (Advertising): جهاز يطلب الاقتران مع أجهزة أخرى تقوم بالمسح.
• التوصيل (Connecting): عملية اقتران الجهاز بجهاز مضيف.

###### آلية الاتصال (Piconet)

• جهاز في وضع الطاقة المنخفضة يمكنه الاتصال باستخدام قناة الإعلان فقط.
• الجهاز المستمع هو بادئ (Initiator).
• إذا أرسل المُعلن حدثاً إعلانياً قابلاً للاتصال، يجوز للبادئ إرسال طلب اتصال.
• إذا أنشئ الارتباط، يصبح البادئ رئيسياً (Master) والمُعلن فرعياً (Slave).
• يسمى هذا الاتصال بيكونيت (Piconet).
• تحدث أحداث الاتصال بين الرئيسي والفرعي على نفس قناة البداية.
• بعد نقل البيانات، يمكن تغيير التردد لتحديد قناة جديدة.

#### بروتوكولات WPANs المستندة إلى عنوان IP

##### 6LoWPAN

###### الميزة الأساسية

• توافق معظم المستشعرات الأساسية مع نظام عنونة IP.

###### التوافق

• معايير IEEE 802.15.4
• تقنيات البلوتوث
• تقنيات الترددات اللاسلكية الفرعية 1 جيجاهرتز
• الاتصالات عبر خطوط الكهرباء (PLC)

###### خصائص الشبكة

• شبكات متداخلة تبنى على جوانب شبكات أكبر.
• هيكليات مرنة تسمح بشبكات مخصصة (Ad hoc) ومفككة دون اشتراط الارتباط بالإنترنت.
• الارتباط بالإنترنت يتم عبر الموجهات الطرفية (Edge Routers).
• تستخدم التوجيه المتعدد (Multi-Homing) لتوصيل شبكات متعددة.
• التحكم في تدفق البيانات داخل الشبكة يكون في بادئة IPv6 التي أنشأها الموجه الطرفي.

##### بروتوكول التشعب (Thread)

###### الهدف الأساسي

• إتاحة أتمتة المنازل والشبكات المنزلية.

###### الأساس

• يعتمد على IPv6 (6LoWPAN) ومعايير IEEE 802.15.4.

###### الاختلاف عن زيجبي

• قابلية العنونة بـ IP.

###### الخصائص

• هيكلية الشبكة المتداخلة (Mesh Network).
• سعة تصل إلى 250 جهازًا لكل شبكة.
• استهلاك منخفض للطاقة (لا يتطلب استمرار التنفيذ في طبقة الشبكة).
• أمان عالي: جميع الاتصالات مشفرة باستخدام معيار التشفير المتقدم (AES).

بروتوكولات وشبكات الاتصالات بعيدة المدى

تقنية لوراوان (LoRaWAN)

#### تعريف

• مثال على تقنيات الشبكات منخفضة الطاقة واسعة النطاق (LPWA).
• شبكات أجهزة طويلة المدى تعمل بالبطارية.

#### الهيكلية

• هيكلية "نجمة النجوم" (Star of Stars).
• نقاط النهاية تتصل مباشرة بواحدة أو أكثر من البوابات.
• البوابات تتصل بالشبكة الخلفية عبر اتصالات IP العادية.
• خادم الشبكة المركزي مسؤول عن إلغاء تكرار الحزم.

#### الأهمية

• توفر خيارات جديدة لشبكات الشركات الخاصة والبث ومقدمي الخدمات.
• العامل الحاسم بين تقنيات LPWA المختلفة.
• تطوير بنيتها التحتية حيوي لتفعيل إنترنت الأشياء على نطاق استهلاكي أوسع.

الشبكات الخلوية (الجيل الخامس - 5G)

#### تعريف

• الجيل التالي من تقنية الاتصالات القائمة على بروتوكول الإنترنت.
• تهدف لتحل محل شبكات الجيل الرابع (4G).

#### المميزات

• تحسين النطاق الترددي ووقت الاستجابة والكثافة.
• تقليل نفقات المستخدم.
• معيار شاملاً واحداً لجميع الخدمات والفئات الخلوية.

#### السمات الرئيسية (جدول 5.5)

• النطاق العريض المتنقل المحسن (eMBB): ((()))
• اتصالات فائقة الموثوقية وذات زمن انتقال منخفض (URLLC): ⏱️
• اتصالات نوع الآلة الضخمة (mMTC): ⚙️

```

نقاط مهمة

• شبكات WPAN و WLAN تربط الأجهزة بشبكة محلية، لكن الاتصال بالإنترنت أو الشبكات الأخرى يتطلب الاعتماد على شبكات المنطقة الواسعة (WAN).
• بيئة إنترنت الأشياء تشمل أجهزة تعمل في أماكن نائية (مستشعرات، روبوتات، مركبات)، مما يبرز الحاجة لشبكات بعيدة المدى.
• في هيكلية LoRaWAN، يمكن استلام الحزمة نفسها ونقلها بواسطة عدة بوابات، ويتولى الخادم المركزي مسؤولية إلغاء التكرار.
• مسؤولية بناء وتطوير بنية LoRaWAN التحتية تقع على عاتق مسؤولي المدن الذكية وهيئات البث ومقدمي خدمات الاتصالات.
• قبل تطور التقنية الخلوية، كانت أجهزة الاتصالات المحمولة محدودة التغطية وتستخدم كأجهزة إرسال لاسلكي ثنائية الاتجاه.
• الشبكات الخلوية ممتازة في نقل البيانات بسرعات عالية في كلا الاتجاهين، لكن ذلك يكون على حساب النطاق واستهلاك البطارية.

شبكات وبروتوكولات الاتصالات بعيدة المدى Long Range Communication Networks and Protocols

تربط شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية (WPAN) وشبكات المنطقة المحلية اللاسلكية (WLAN) أجهزة الاستشعار بشبكة محلية، ولكن ليس بالضرورة بشبكة الإنترنت أو بأنظمة الشبكات الأخرى. تشمل بيئة إنترنت الأشياء المستشعرات والمشغلات والكاميرات والأدوات الذكية المدمجة والمركبات، وحتى الروبوتات التي تعمل في الأماكن النائية. لقد أصبح من المسلم به أن علينا الاعتماد على التعامل مع شبكة المنطقة الواسعة (WAN – Wide Area Network) على المدى الطويل.

تقنية لوراوان LoRaWAN

تعد التقنيات اللاسلكية منخفضة الطاقة واسعة النطاق (Low Power Wide Area - LPWA) مثالاً جيدًا لشبكات الأجهزة (الأجهزة المختلفة) طويلة المدى التي تعمل بالبطارية. عادة ما يشار إلى هيكلية LoRaWAN باسم هيكلية نجمة النجوم (Star of Stars). تقوم نقاط النهاية بتبادل الحزم عبر بوابات تعمل كجسور، وذلك بوجود خادم شبكة (LoRaWAN) مركزي. تتصل نقاط النهاية مباشرة بواحدة أو بأكثر من البوابات، بينما تتصل المداخل بالشبكة الخلفية (Backend Network) عبر اتصالات (IP) العادية. يمكن في هذه التقنية استلام الحزم نفسها ونقلها بواسطة العديد من البوابات، وفي حال تلقي حزم مكررة، يكون خادم الشبكة مسؤولاً عن إلغاء التكرار. وتوفر تقنيات (LPWA) المفتوحة خيارات جديدة لشبكات الشركات الخاصة والبث ومقدمي الخدمات المختلفة وغير المتصلة لنشر البنى التحتية لإنترنت الأشياء، وتوسيع بيئة نقاط النهاية بسرعة. وستكون بلا شك العامل الحاسم بين تقنيات وحلول التقنيات اللاسلكية منخفضة الطاقة واسعة النطاق (LPWA) المختلفة مثل (LoRaWAN). ويُعد بناء البنى التحتية وتطويرها المحلية منها والإقليمية أمرًا حيويًا لتفعيل استخدام إنترنت الأشياء على نطاق استهلاكي أوسع. ويتحمل مسؤولية ذلك الأشخاص المسؤولون عن المدن الذكية، وهيئات تنظيم البث والإذاعة، ومقدمو خدمات الاتصالات الخلوية والعادية.

شكل 5.27: هيكلية LoRaWAN "نجمة النجوم"

الشبكات الخلوية (الجيل الخامس) Cellular Networks (5G)

من أكثر أنواع الاتصالات شيوعًا استخدام الترددات الخلوية خاصة البيانات الخلوية. فقبل تطور التقنية الخلوية، كانت تغطية أجهزة الاتصالات المحمولة محدودة، واستخدمت مساحة ترددات مشتركة، فالأجهزة كانت بمثابة أجهزة إرسال لاسلكي ثنائية الاتجاه. ثم أصبحت الشبكات الخلوية ممتازة في نقل البيانات في كلا الاتجاهين بسرعات عالية، ولكن على حساب النطاق واستهلاك البطارية. يُعد الجيل الخامس (5G) الجيل التالي من تقنية الاتصالات القائمة على بروتوكول الإنترنت والتي يتم تطويرها لتحل محل شبكات الجيل الرابع الخلوية. بالإضافة إلى ذلك تعمل شبكات الجيل الخامس على تحسين النطاق الترددي ووقت الاستجابة والكثافة وتقليل نفقات المستخدم، وتهدف إلى أن تكون معيارًا شاملاً واحدًا يشمل جميع الخدمات والفئات الخلوية، بدلاً من إنشاء خدمات وتصنيفات مميزة لكل حالة استخدام.

جدول 5.5: السمات الرئيسة لشبكات الجيل الخامس الحديثة

وزارة التعليم 189 Ministry of Education 2025 - 1447

شبكات وبروتوكولات الاتصالات بعيدة المدى Long Range Communication Networks and Protocols تربط شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية (WPAN) وشبكات المنطقة المحلية اللاسلكية (WLAN) أجهزة الاستشعار بشبكة محلية، ولكن ليس بالضرورة بشبكة الإنترنت أو بأنظمة الشبكات الأخرى. تشمل بيئة إنترنت الأشياء المستشعرات والمشغلات والكاميرات والأدوات الذكية المدمجة والمركبات، وحتى الروبوتات التي تعمل في الأماكن النائية. لقد أصبح من المسلم به أن علينا الاعتماد على التعامل مع شبكة المنطقة الواسعة (WAN – Wide Area Network) على المدى الطويل. تقنية لوراوان LoRaWAN تعد التقنيات اللاسلكية منخفضة الطاقة واسعة النطاق (Low Power Wide Area - LPWA) مثالاً جيدًا لشبكات الأجهزة (الأجهزة المختلفة) طويلة المدى التي تعمل بالبطارية. عادة ما يشار إلى هيكلية LoRaWAN باسم هيكلية نجمة النجوم (Star of Stars). تقوم نقاط النهاية بتبادل الحزم عبر بوابات تعمل كجسور، وذلك بوجود خادم شبكة (LoRaWAN) مركزي. تتصل نقاط النهاية مباشرة بواحدة أو بأكثر من البوابات، بينما تتصل المداخل بالشبكة الخلفية (Backend Network) عبر اتصالات (IP) العادية. يمكن في هذه التقنية استلام الحزم نفسها ونقلها بواسطة العديد من البوابات، وفي حال تلقي حزم مكررة، يكون خادم الشبكة مسؤولاً عن إلغاء التكرار. وتوفر تقنيات (LPWA) المفتوحة خيارات جديدة لشبكات الشركات الخاصة والبث ومقدمي الخدمات المختلفة وغير المتصلة لنشر البنى التحتية لإنترنت الأشياء، وتوسيع بيئة نقاط النهاية بسرعة. وستكون بلا شك العامل الحاسم بين تقنيات وحلول التقنيات اللاسلكية منخفضة الطاقة واسعة النطاق (LPWA) المختلفة مثل (LoRaWAN). ويُعد بناء البنى التحتية وتطويرها المحلية منها والإقليمية أمرًا حيويًا لتفعيل استخدام إنترنت الأشياء على نطاق استهلاكي أوسع. ويتحمل مسؤولية ذلك الأشخاص المسؤولون عن المدن الذكية، وهيئات تنظيم البث والإذاعة، ومقدمو خدمات الاتصالات الخلوية والعادية. شكل 5.27: هيكلية LoRaWAN "نجمة النجوم" الشبكات الخلوية (الجيل الخامس) Cellular Networks (5G) من أكثر أنواع الاتصالات شيوعًا استخدام الترددات الخلوية خاصة البيانات الخلوية. فقبل تطور التقنية الخلوية، كانت تغطية أجهزة الاتصالات المحمولة محدودة، واستخدمت مساحة ترددات مشتركة، فالأجهزة كانت بمثابة أجهزة إرسال لاسلكي ثنائية الاتجاه. ثم أصبحت الشبكات الخلوية ممتازة في نقل البيانات في كلا الاتجاهين بسرعات عالية، ولكن على حساب النطاق واستهلاك البطارية. يُعد الجيل الخامس (5G) الجيل التالي من تقنية الاتصالات القائمة على بروتوكول الإنترنت والتي يتم تطويرها لتحل محل شبكات الجيل الرابع الخلوية. بالإضافة إلى ذلك تعمل شبكات الجيل الخامس على تحسين النطاق الترددي ووقت الاستجابة والكثافة وتقليل نفقات المستخدم، وتهدف إلى أن تكون معيارًا شاملاً واحدًا يشمل جميع الخدمات والفئات الخلوية، بدلاً من إنشاء خدمات وتصنيفات مميزة لكل حالة استخدام. --- SECTION: جدول 5.5: السمات الرئيسة لشبكات الجيل الخامس الحديثة --- جدول 5.5: السمات الرئيسة لشبكات الجيل الخامس الحديثة وزارة التعليم 189 Ministry of Education 2025 - 1447 --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: هيكلية LoRaWAN "نجمة النجوم" Description: A network diagram illustrating the 'Star of Stars' architecture of LoRaWAN. It shows a central 'بوابة LoRaWAN' (LoRaWAN Gateway) depicted as a rectangular box with four connection points. Each connection point leads to a smaller rectangular box representing a 'عقدة LoRaWAN' (LoRaWAN Node). Each node box then connects to two circular devices, representing end devices. There are 8 circular end devices in total. The overall structure forms a star-like pattern with the gateway at the center and nodes branching out to end devices. Context: Illustrates the network topology of LoRaWAN technology as described in the accompanying text. **TABLE**: السمات الرئيسة لشبكات الجيل الخامس الحديثة Description: A table outlining the key features of 5th Generation (5G) networks, divided into 'الوصف' (Description) and 'الميزات' (Features) columns. Each feature is represented by an icon. Table Structure: Headers: الوصف | الميزات Rows: Row 1: النطاق العريض المتنقل المحسن (Enhanced Mobile Broadband - eMBB) | ((())) Row 2: اتصالات فائقة الموثوقية وذات زمن انتقال منخفض (Ultra-Reliable and Low-Latency Communications - URLLC) | ⏱️ Row 3: اتصالات نوع الآلة الضخمة (Massive Machine Type Communications - mMTC) | ⚙️ Context: Summarizes the main characteristics and use cases of 5G networks.