شبکه 5G از سیر تاپیاز

اصطلاحات فنی

در مطالب مرتبط با نسل پنجم شبکه تلفن همراه، به احتمال زیاد با اصطلاحات فنی متفاوتی روبرو خواهید شد که دانستن آن‌ها به درک بهتر مطلب خواهد انجامید.

امواج میلی‌متری (Millimeter Waves)
شبکه‌های بی‌سیم امروزی با مشکل ویژه‌ای دست و پنجه نرم‌ می‌کنند و آن افزایش گستره اطلاعاتی است که توسط کاربران و دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، در مقایسه با گذشته، تبادل و مصرف می‌شود. با وجود این، همچنان از همان طیف فرکانس رادیویی که تا پیش از این، در این بستر استفاده می‌شده بهره گرفته می‌شود. به این ترتیب، شاهد کاهش پهنای باند برای کاربران خواهیم بود و همین امر به کاهش سرعت سرویس‌دهی و حتی بروز قطعی بیشتر در ارتباطات منجر خواهد شد.

یکی از راهکارهای موجود برای حل این مشکل، انتقال داده‌ها روی طیف جدیدی است که تا پیش از این برای سرویس‌های همراه استفاده نشده است. همین امر باعث شده سرویس‌‌دهنده‌های مختلف بهره‌برداری از امواج میلی‌متری را که از فرکانس‌های بالاتری بهره می‌برند آغاز کنند. امواج میلی‌متری در فرکانس‌هایی بین ۳۰ تا ۳۰۰ گیگاهرتز منتشر می‌شوند که در مقایسه با باند فرکانسی کم‌تر از ۶ گیگاهرتز که در دستگاه‌های همراه در گذشته استفاده می‌شد قرار می گیرند. این امواج، از آن جهت موج‌های میلی‌متری نام‌گذاری شده‌اند که طول متفاوتی از یک تا ده میلی‌متر دارند. در مقام مقایسه، امواج رادیویی که در گوشی‌های هوشمند امروزی استفاده می‌شوند چند ده سانتی‌متر طول دارند.

تا به اینجای کار، تنها اپراتورهای سیستم‌های ماهواره‌ای و راداری از امواج میلی‌متری در پروژه‌های مختلف استفاده کرده‌اند. با وجود این، برخی سرویس‌دهنده‌های همراه نیز استفاده از این امواج را برای ارسال اطلاعات بین ایستگاه‌های مختلف نظیر دو نقطه مشخص ارتباطی آغاز کرده‌اند. با تمام احوال، استفاده از امواج میلی‌متری برای برقراری ارتباط میان کاربران دستگاه‌های الکترونیکی همراه با یک ایستگاه نزدیک آن‌ها، راهکاری کاملاً جدید و متفاوت است.

ایراد اصلی به‌کارگیری امواج میلی‌متری آن است که نمی‌توانند عبور آسانی را از موانعی نظیر ساختمان‌ها و دیوارها تجربه کنند. علاوه بر این، امکان جذب آن‌ها توسط شاخ و برگ درختان یا حتی باران هم وجود دارد. همین امر باعث شده شبکه‌های نسل پنجم، دکل‌های سنتی تلفن همراه را با تکنولوژی جدیدی به نام سلول‌های کوچک (Small Cells) غنی کنند.

سلول‌های کوچک (Smart Cells)
سلول‌های کوچک در واقع ایستگاه‌های مینیاتوری قابل حملی هستند که برای ارائه عملکرد مطلوب، به انرژی حداقلی نیاز دارند و می‌توان آن‌ها را در هر فاصله ۲۵۰ متری یا مقداری بیشتر و کم‌تر در شهرها نصب کرد. برای جلوگیری از تضعیف سیگنال‌ها، اپراتورهای مختلف می‌توانند هزاران نمونه از این ایستگاه‌ها را در هر شهر نصب کنند تا شبکه‌ای که مانند مجموعه‌ای از راهکارهای قابل اعتماد، سیگنال‌ها را از دیگر ایستگاه‌های پایه دریافت کرده و به کاربران در هر منطقه ارسال می‌کند، شکل گیرد.

آنتن‌های موجود در سلول‌های کوچک، در صورتی که امواج میلی‌متری را جابه‌جا کنند  می‌توانند به مراتب کوچک‌تر از آنتن‌های سنتی باشند. این تفاوت اندازه، نصب سلول‌ها را برفراز ساختمان‌ها و دیگر نقاط مشخص، ساده‌تر خواهد کرد. این زیرساخت متفاوت برای شبکه‌ها می‌تواند بهره‌وری بیشتر از طیف‌ها را به همراه داشته باشد.

ایستگاه‌های پایه (Base Stations) در شبکه نسل پنجم تعداد آنتن بیشتری هم در مقایسه با ایستگاه‌های پایه در شبکه‌های همراه فعلی دارند تا بتوانند از تکنولوژی جدید دیگری به نامMassive MIMO استفاده کنند.

Massive MIMO
ایستگاه‌های پایه در شبکه‌های فعلی نسل چهارم از دوازده درگاه برای آنتن‌ها بهره می‌برند تا تمامی ترافیک سلولار را مدیریت کنند. در این بین، هشت درگاه برای فرستنده‌ها و چهار درگاه برای دریافت کننده‌ها درنظر گرفته شده است. این در حالی است که ایستگاه‌های پایه در شبکه نسل پنجم می‌توانند از صدها پورت پشتیبانی ‌کنند. به این ترتیب، می‌توان تعداد آنتن بیشتری را در یک آرایه واحد جا داد. این ساختار به معنای آن است که یک ایستگاه پایه امکان دریافت و ارسال سیگنال‌ها را در هر لحظه، از مبدا تعداد به مراتب بیشتری از کاربرها خواهد داشت. همین امر باعث خواهد شد ظرفیت شبکه‌های همراه تا ۲۲ برابر یا حتی بیشتر، افزیش یابد.

این تکنولوژی، Massive MIMO نامیده می‌شود. MIMO به معنای چند ورودی، چند خروجی است. این عنوان، سیستم‌های بی‌سیمی را شرح می‌دهد که از دو یا تعداد بیشتر ارسال کننده و دریافت‌کننده برای ارسال و دریافت مقادیر بیشتر داده‌ها به طور همزمان استفاده می‌کنند.Massive MIMO شبکه‌های تلفن همراه را با بهره‌گیری از تعداد آنتن بیشتر، به سطح جدیدی از استانداردها ارتقا می‌دهد.

فرم‌دهی پرتوها (Beamforming)
قابلیت شکل‌دهی به پرتوها در واقع سیستم ویژه‌ای برای ایستگاه‌های پایه سلولار (Cellular Base Stations) به حساب می‌آید که بهینه‌ترین مسیر تحویل اطلاعات به یک کاربر مشخص را شناسایی کرده و در این مسیر، میزان تداخل ایجاد شده در طول فرایند انتقال را کاهش می‌دهد. بسته به وضعیت موجود و تکنولوژی در دسترس، راهکارهای متفاوتی برای استفاده از این سیستم در شبکه‌های نسل پنجم درنظر گرفته شده است.

در خصوص امواج میلی‌متری، شکل‌دهی به پرتوها، مجموعه متفاوتی از مشکلات را مرتفع می‌کند. به عنوان مثال، سیگنال‌های سلولار به آسانی توسط مجموعه‌ای از اشیا سد شده و در مسافت‌های طولانی، تضعیف می‌شوند. در این وضعیت، شکل‌دهی به پرتوها می‌تواند با متمرکز کردن یک سیگنال موجود در مجموعه‌ای از پرتوها که به مقصد یک کاربر مشخص حرکت می‌کنند، به جای انتشار در چند جهت، به تقویت سیگنال کمک کرده و شانس رسیدن آن به کاربر را، آن هم بدون ایجاد تداخل افزایش دهد.

استانداردهای متفاوت
در حال حاضر، سردرگمی عجیبی در خصوص طیف نهایی استانداردهای قابل استفاده در بستر5G وجود دارد. اپراتورهای مطرح موبایل گمانه‌زنی‌های متفاوتی را در خصوص استفاده از سه دسته طیف باند پایین، متوسط و بالا انجام داده‌اند. طیف‌های پایین و متوسط در واقع نمونه‌هایی هستند که در حال حاضر در شبکه‌های تلفن همراه استفاده می‌کنیم اما طیف باند بالا بیشتر شبیه به سیگنال‌های وای‌فای است. بدنیست بدانید در حالت کلی، طیف‌هایی با باند پایین می‌توانند مسافت بیشتری را طی کنند اما به همان اندازه، اطلاعات کم‌تری را جابه‌جا می‌کنند. در طرف مقابل، طیف‌هایی با باند بالا، اطلاعات بیشتری را حمل می‌کنند اما به همان اندازه پوشش کم‌تری هم دارند.

ایده اصلی پیاده‌سازی 5G آن است تا تمامی طیف‌های فرکانس پایین، متوسط و بالا را باهم ترکیب کرده تا در نهایت امر، شبکه ایده‌آلی را ایجاد کند. گزینه ایده‌آل آن است تا از طیف فرکانسی سطح پایین به عنوان مثال، ۷۰۰ مگاهرتز برای پوشش گسترده‌تر، از طیف فرکانسی متوسط به عنوان مثال، ۳.۵ گیگاهرتز برای ظرفیت بیشتر و از امواج میلی‌متری برای دست‌یابی تاخیر پایین استفاده شود. با استفاده از امواج میلی‌متری با باند فرکانسی بالا می‌توان مشکلات مربوط به ایجاد تراکم بالا در شبکه را در محیط‌های شلوغ نظیر ایستگاه‌های قطار یا فرودگاه‌ها مرتفع کرد.

بنابرگزارش انجمن جهانی موبایل (GSMA) دست‌یابی به شبکه 5G مسلتزم آن است تا تعداد زیادی از ملاحظات و استانداردهایی که در ادامه از نظر خواهید گذراند رعایت شود:

۱-ارتباطی با سرعت یک تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه برای انتقال داده‌ها

۲-تاخیر یک میلی‌ثانیه‌ای برای انتقال اطلاعات در مسیر بسته مشخص شده

۳-پهنای باند ۱۰۰۰ برابری به ازای هر واحد مشخص شده مساحت

۴- افزایش ۱۰ تا ۱۰۰ برابری تعداد دستگاه‌های متصل

۵-دسترسی ۹۹.۹۹۹ درصدی

۶-پوشش ۱۰۰ درصدی

۷-کاهش ۹۰ درصدی در مصرف انرژی شبکه

۸- بهبود چشمگیر صرفه‌جویی در مصرف انرژی برای مولفه‌های مختلف حاضر در این شبکه

از طرف دیگر، اتحادیه بین‌المللی تکنولوژی (ITU) نیز مشخصاتی را اعلام کرده که  از منظر این مرجع، سرویس‌دهنده‌ها برای دریافت تاییدیه‌های 5G باید به نمایش بگذارند:

۱-نرخ دانلود حداکثری ۲۰ گیگابیت بر ثانیه

۲-نرخ آپلود حداکثری ۱۰ گیگابیت بر ثانیه

3-حداکثر نرخ بهره‌وری طیفی در دریافت داده‌ها در یک باند فرکانسی مشخص، به میزان ۳۰ بیت بر ثانیه

۴-حداکثر نرخ بهره‌وری طیفی در ارسال داده‌ها در یک باند فرکانسی مشخص، به میزان ۱۵ بیت بر ثانیه

۵- تجربه نرخ دانلود ۱۰۰ مگابیت برثانیه توسط کاربران

۶-تجربه نرخ آپلود ۵۰ مگابیت بر ثانیه توسط کاربران

تفاوت با 4G و نسل‌های پیشین

• سرعت اولین تفاوت عمده بین ۴G با شبکه ۵G است. عملکرد در پهنای باندهای میلیمتری بین ۳۰ تا ۳۰۰ گیگاهرتز از ویژگی های ۵ جی بوده، اما شبکه های ۴G فعلی در فرکانس های زیر ۶ گیگاهرتز عمل می‌کنند.
• اشباع شدن اکثر طیف های فرکانسی که باعث کاهش بهره وری و قدرت انتقال داده ها می شود باعث شده تا برای بیشتر ابزارها از فرکانس های بالای ۳۰ گیگاهرتز استفاده شود. در طول موج مایکروویو سرعت انتقال داده کمتر از یک گیگابیت در ثانیه است. این عدد در امواج میلیمتری حداقل به ۱۰ گیگابیت در ثانیه می رسد.
• نداشتن تاخیر زمانی یکی از مهمترین مشخصات شبکه ۵G است. این تکنولوژی برای کاربردهایی که نیاز به پاسخ سریع دارند، بسیار حیاتی است. کنترل از راه دور وسایل نقلیه یکی از آنهاست.
• شبکه‌های ۵G در شرایط ایده‌آل نرخ تاخیر زیر یک میلی‌ثانیه دارند، اما تاخیر زمانی در ۴G از یک اپراتور تا اپراتور دیگر و از یک گوشی تا گوشی دیگر متفاوت است. با این وجود، به طورر کلی برآورد می‌شود که تاخیر ۵G چیزی حدود ۶۰ تا ۱۲۰ برابر سریعتر از میانگین تاخیر ۴G باشد.
• اگر بخواهید بدانید که سرعت ۵G چقدر است باید بگوییم که سرعت پنجمین نسل شبکه تقریبا ۲۰ برابر سریعتر از شبکه ۴G LTE است.
• شبکه ۴G فاقد سرعت، ظرفیت و انعطاف‌پذیری لازم برای پشتیبانی کامل از نوآوری‌های تلفن‌های همراه و سایر دستگاه‌های هوشمند است. ارائه کنندگان شبکه ۵G وعده می‌دهند که این تکنولوژی به طور یکپارچه ای با سنسورهای بی سیم، فناوری ارتباط بین خودروهای خودران، چراغ‌های ترافیکی هوشمند، شبکه‌های انرژی هوشمند، موبایل‌های پوشیدنی و سایر دستگاه‌های خانه هوشمند کار خواهد کرد.

مهم‌ترین نکته‌ای که باید در خصوص 5G درنظر داشته باشید آن است که علی‌رغم تمام اخبار و اطلاعاتی که به عنوان مثال در کنگره جهانی موبایل سال جاری میلادی از این تکنولوژی شنیدیم یا جزئیاتی که از سرعت بالای ارتباط اینترنتی در این نسل، در آزمایش‌های اولیه به گوش می‌رسد و حتی با وجود تمام زیرساخت‌هایی که توسط شرکت‌های مختلف ایجاد شده است5G هنوز به‌طور تمام و کمال به مرحله بهره‌برداری نرسیده است.

شبکه نسل پنجم از مشخصاتی متفاوت از آنچه در نسل قبل یا همان 4G شاهد بودیم بهره‌ می‌برد اما هنوز بر سر جزئیات بهره‌برداری از این شبکه جدید نیز اختلاف نظرهایی وجود دارد. در زمینه بهره‌برداری تجاری، همچنان در خصوص سرعت اینترنت یا محدوده پوشش و حتی کاهش زمان تاخیر در انتقال داده‌ها، جمع‌بندی نهایی انجام نشده است. در ابعاد جهانی نیز شرکت‌هایی نظیر ورایزون، AT&T، اینتل و کوالکام تست‌های ویژه‌ای را روی تکنولوژی 5Gانجام داده‌اند.

نسل‌های پیشین نظیر 3G بدون شک تحولی ویژه را در ارتباطات به ثبت رسانده‌اند. شبکه نسل سوم، سیگنال‌ها را از نزدیک‌ترین دکل همراه دریافت کرده و از آن برای برقراری تماس، انتقال پیام و تبادل داده‌ها استفاده می‌کند.

شبکه 4G نیز عملکردی مشابه با 3G داشته اما ارتباط اینترنتی با سرعت بالاتر و تاخیر پایین‌تر یعنی فاصله زمانی کم‌تر بین ایجاد عامل تاثیرگذار در شبکه و مشاهده تاثیر را به همراه داشت. شبکه نسل چهارم یا 4G مدعی است که ارتباطی تا پنج برابر سریع‌تر را در مقایسه با سرویس‌های 3G فعلی پیش روی مشتاقان قرار می‌دهد و از نقطه‌نظر تئوری نیز می‌تواند رسیدن به سرعت دانلودی تا ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه را ممکن سازد.

برخی کارشناسان معتقدند ارتباطات وای‌فای در بستر 5G می‌تواند تا سه برابر سریع‌تر از 4Gباشد و در قالب راهکار تک استریمه، سرعت پایه ۴۵۰ مگابیت برثانیه، در قالب سیستم دو استریمه سرعت ۹۰۰ مگابیت بر ثانیه و در قالب ترکیب سه استریمه نیز سرعت ۱.۳ گیگابیت برثانیه را به راحتی به مرحله اجرا بگذارد.

سامسونگ در کنگره جهانی موبایل امسال، روتر خانگی 5G خود را پیش روی مشتاقان قرار داد که می‌تواند دست‌یابی به سرعتی تا ۴ گیگابیت بر ثانیه (Gbps) را ممکن سازد. این سرعت برابر با ۵۰۰ مگابایت بر ثانیه است که امکان دانلود یک بازی ۵۰ گیگابایتی را در مدت زمان دو دقیقه به شما داده یا با استفاده از آن می‌توانید یک فیلم ۱۰۰ گیگابایتی با رزولوشن 4K را در کم‌تر از چهار دقیقه دانلود کنید. برای اینکه مقایسه دقیق‌تری از آنچه در قالب 5G پیش روی شما قرار می‌گیرد با ترکیبی که در حال حاضر شاهد هستیم داشته باشید، بدنیست بدانید بر اساس گزارش بیزینس اینسایدر، متوسط سرعت اینترنت در ایالات متحده آمریکا در سال ۲۰۱۶ میلادی، ۵۵ مگابیت بر ثانیه اعلام شده است که پس از تبدیل، سرعت ۶.۵ مگابیت بر ثانیه را به دست می‌دهد.

مزایا و معایب
همان‌طور که گفتیم، 5G سرعتی به مراتب بالاتر را در مقایسه با 4G پیش روی مشتاقان قرار می‌دهد. این امر به بهره‌وری هرچه بالاتر در قالب استفاده از این راهکار در دستگاه‌های سازگار، با سرعت دانلودی (از نقطه نظر تئوری) تا ۱۰ هزار مگابیت برثانیه منجر خواهد شد. علاوه بر این، پهنای باند بالاتر، دست‌یابی به سرعت دانلود بهینه را ممکن ساخته و امکان اجرای اپلیکیشن‌های اینترنتی پیچیده و در ابعاد گسترده‌تر را روی دستگاه‌های الکترونیکی همراه فراهم می‌کند.

کاهش تاخیر نیز به نحوی خواهد بود که به عوان مثال، وقفه کم‌تری را بین لمس دکمه اجرا و آغاز پخش محتویات از سرویس‌های آنلاین نظیر نت‌فلیکس شاهد خواهید بود. این کاهش تاخیر برای برخی کاربران نظیر گیمرها از اهمیت بیشتری برخوردار خواهد بود.

شبکه‌های 5G حتی می‌توانند به بهره‌برداری از تکنولوژی‌های نیازمند به پردازش سریع و زیاد اطلاعات در بستر شبکه آنلاین، نظیر خودروهای مجهز به قابلیت‌های خودران نیز سرعت ببخشند.

این در حالی است که 5G  از نقطه نظر منفی، هزینه بیشتر برای اجرا و بهره‌برداری را به همراه خواهد داشت. اگرچه گوشی‌های هوشمند مدرنی که در آینده نزدیک روانه بازار می‌شوند سازگاری کاملی با این استاندارد خواهند داشت اما دستگاه‌های الکترونیکی قدیمی‌تر فاقد مولفه‌های لازم برای بهره‌گیری از این تکنولوژی هستند.

 از طرف دیگر، همان‌طور که می دانید دسترسی به ارتباط اینترنت بی‌سیم پایدار، به تعداد دستگاه‌هایی که به یک کانال ارتباطی متصل هستند وابسته است. با اضافه شدن 5G به طیف ارتباطات بی‌سیم، احتمال تراکم بالا و ازدحام در محدوده‌های فرکانسی مشخص، وجود خواهد داشت..

نیاز به خرید گوشی هوشمند جدید
برای استفاده از شبکه 5G به خرید گوشی‌های هوشمند سازگار با این استاندارد نیاز خواهد بود. گوشی‌هایی که به احتمال زیاد از چند آنتن مختلف بهره می‌برند و البته سرعت به مراتب بالاتری هم دارند.

زمان بهره‌برداری
در حال حاضر اپراتورهایی مانند AT&T و ورایزون بهره‌برداری آزمایشی از شبکه‌های نسل پنجم را در دستورکار قرار داده‌اند اما انتظار می‌رود انتظار می‌رود بهره‌برداری گسترده از این شبکه، از سال ۲۰۱۹ میلادی آغاز شود. این برنامه زمانی، پیش از این اواخر ۲۰۱۹ تا اواسط سال ۲۰۲۰ میلادی را هدف گرفته بود. با وجود این، اپراتورها و تولیدکننده‌های تجهیزات مخابراتی موفق شدند به روند بهره‌برداری از این شبکه، سرعت ببخشند.