نسل پنجم اینترنت – 5G

تقریبا نزدیک به ده سال می شود که نسل چهارم اینترنت ارائه شده است و ما هنوز که هنوزه از تمام ظرفیت های پهنای باند و سرعتش بهره نبردیم. احتمالا اطلاع دارید که نسل چهار یا همون LTE که در حال حاضر در حال استفاده ازش هستید می تونه تا سرعت 100مگابیت در ثانیه رو ساپورت کنه ! حالا ما داریم از چقدرش استفاده میکنیم؟ در بهترین حالت ممکن 4 مگابیت را داریم استفاده می کنیم.

و حالا یهویی حضرت 5G سر از مرز های مشور ما در آورده و شرکت های موبایلی دارند ادعا می کنند که تا سال 2020 همزمان با سایر کشور های دنیا ما از این فناوری رونمایی خواهیم کرد!

در اینجا سوالی مطرح میشود که آیا واقعا قراره نسل پنجم با تمام ویژگی های خارق العاده اش رو نمایی بشه داخل کشور و یا نه همون نسل چهارم خودمون رو از نقطه  نظر سرعت افزایش بدیم و اسم 5G بگذاریم روش ؟! خب جواب این سوال رو میگذارم تا خودتون با خودندن ویژگی هایی که میگم در مورد این نسل شگفت انگیز بهش جواب بدید و اگر دوست داشتید نظرتون رو هم با ما در میان بگذارید.

برسیم به ویژگی ها و نیازمندی های نسل پنجم (5G):

بگذارید داستان 5G رو براتون تعریف کنم، چجوری شد که نسل چهارم با اون همه دبدبه و کبکبه پرچم سفید رو داد بالا و داره خودش رو بازنشسته می کنه ؟

ویژگی ها :

1-  فناوری آنتن انبوه:

ایستگاه­های پایه 4G امروزی به­ ازای هر آنتن، 12 پورت دارند که تمام ترافیک شبکه سلولی از طریق آن‌ها مدیریت می‌شود: 8 پورت به فرستنده‌ها و 4 پورت به گیرنده‌ها اختصاص دارد. اما ایستگاه­ های پایه  5G از حدود یک‌صد پورت پشتیبانی می‌کنند و این یعنی می‌توان روی هر آرایه تعداد آنتن‌های بسیار بیش‌تری جای داد. با چنین قابلیتی، ایستگاه پایه می‌تواند هم‌زمان سیگنال‌های بسیار بیش‌تری را از کاربران دریافت و برای آن‌ها ارسال کند که این امر ظرفیت پاسخ‌گویی شبکه‌های تلفن همراه را تا 22 برابر و حتی بیش‌تر افزایش می‌دهد. این فناوری که آنتن انبوه نام دارد به سامانه‌هایی اشاره می­کند که با بهره‌‌گیری از دو یا بیش از دو فرستنده و گیرنده، ظرفیت ارسال و دریافت هم‌زمان داده را افزایش می‌دهند. ایده موجود در پس آنتن­ های انبوه، این است که بتوان در هر آرایه ده‌ها آنتن تعبیه کرد. آنتن (غیر انبوه) همین حالا هم در ایستگاه­های پایه شبکه 4G به‌کار گرفته می‌شود. آنتن انبوه در خصوص  5G آینده امیدبخشی ترسیم کرده است. البته نصب تعداد بسیار بیش‌تری آنتن برای مدیریت ترافیک شبکه‌های سلولی ممکن است به برخورد سیگنال‌ها و سپس بروز تداخل بیش‌تر منجر شود. به همین علت ایستگاه­های پایه 5G باید از فناوری‌های دیگری همچون امواج میلی‌متری، ریزسلول‌ها، ارتباطات کاملا دوطرفه و شکل‌دهی پرتو، بهره ببرند تا بر چنین مشکلاتی غلبه کنند.

2- شکل‌دهی پرتو

شکل‌دهی پرتو، درواقع یک روش انتقال سیگنال رادیویی می‌باشد که در آن به­جای ارسال و انتشار فراگیر سیگنال‌ها، آن‌ها را در یک جهت خاص یا برای یک دستگاه خاص ارسال کند. در شکل‌دهی پرتو، سیگنال‌هایی که در یک جهت خاص با یکدیگر تداخل سازنده دارند تقویت می‌شوند، در حالی­که در جهت‌های دیگر که باعث اختلال در عملکرد یکدیگر می‌شوند و در نتیجه تداخل مخرب دارند تضعیف می‌گردند. مزایای شکل‌دهی پرتو عبارتند از:

1-    قدرت و سرعت سیگنال‌های ارسالی به کاربران شبکه بیش‌تر می‌شود.

2-    تداخل را کاهش می‌دهد.

3-    محدوده‌ی بیش‌تری را می‌توان پوشش داد.

4-    نرخ انتقال هر کاربر افزایش می‌یابد.

5-    از اتلاف انرژی سیگنال رادیویی در مکان‌های غیر ضروری و ایجاد آلودگی فرکانسی در محیط‌های دیگر جلوگیری می‌نماید.

شکل 1، مقایسه‌ی بین نسل چهارم تلفن همراه و آنتن­های انبوه نسل پنجم را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می­شود در شبکه‌ی 5 G از فناوری شکل‌دهی پرتو استفاده شده است که منجر به پوشش‌دهی بیش‌تر شبکه‌های سلولی و افزایش توان سیگنال دریافتی کاربران شده است.

شکل 1: استفاده از فناوری آنتن انبوه و شکل‌دهی پرتو در 5G

3- امواج میلی‌متری

یکی از مشکلاتی که در شبکه‌های سلولی وجود دارد این است که هر روز به تعداد کاربران و دستگاه‌های متصل به شبکه افزوده می‌شود، در حالی­که انتقال داده‌ها هنوز هم از طریق همان امواج رادیویی که در گذشته استفاده می‌شد، انجام می‌گیرد. این یعنی هر روز پهنای باند برای افراد کم‌تر و کم‌تر می‌شود که بعدها می‌تواند موجب کاهش سرعت انتقال داده‌ها و قطع اتصال با شبکه شود. یکی از را‌ه‌های مواجهه با این مشکل، انتقال این سیگنال‌ها به یک طیف کاملا جدید از فرکانس‌های رادیویی است که تابه‌حال از آن‌ها استفاده نشده است. از این رو، ارائه‌ دهندگان سرویس‌های مخابراتی به استفاده از امواج میلی‌متری که از فرکانس‌های بالاتر نسبت به امواج رادیویی امروزی برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند، روی آورده ­اند. طیف فرکانسی امواج میلی‌متری بین 30 تا 300 گیگاهرتز است در حالی­که شبکه‌های تلفن همراه LTE و شبکه‌های WiFi، همگی در بازه زیر 6 گیگاهرتز قرار دارند. این امواج را میلی‌متری می‌نامند چون طول آنها بین 1 تا 10 میلی‌متر متغیر است در حالی­که امواج رادیویی امروزی که برای انتقال داده استفاده می‌شوند، ده‌ها سانتی‌متر طول دارند. یکی دیگر از دلایل و انگیزه‌های اصلی که به سمت امواج میلی‌متری می‌رویم نیازمندی به سرعت انتقال داده بسیار بالاتر و تاخیر بسیار ناچیز در شبکه‌های 5G است. امواج میلی‌متری امکان دستیابی به سرعت‌هایی تا 10 گیگابیت در ثانیه را می‌دهند.

چالش عمده‌ای که در به­‌کا­ر­گیری امواج میلی‌متری وجود دارد این است که این امواج نمی‌توانند به ‌راحتی از دیوارها و موانع عبور کنند و همچنین توسط باران و شاخ و برگ‌ها جذب می‌شوند که راه‌حل آن بهره‌گیری از ریزسلول‌ها در شبکه‌های 5G می‌باشد، چرا که در مسافت‌های نسبتاً کوتاه چند صد متری، عوامل طبیعی مانند باران و هوا تأثیرات اندکی روی بیش‌تر فرکانس‌های امواج میلی‌متری دارند. هم چنین به کمک فناوری‌های مدیریت ارسال سیگنال مانند آنتن و شکل‌دهی پرتو می‌توان این چالش را به یک مزیت تبدیل کرد.

4- ایستگاه‌های پایه متحرک

فناوری مبتنی بر تحرک ایستگاه پایه در حال کسب محبوبیت بیش‌تر در سال‌های اخیر برای رسیدن به بهره‌وری انرژی بهتر و افزایش طول عمر شبکه است. ایستگاه‌های پایه می‌توانند به­ صورت ثابت یا متحرک مستقر شوند و دستگاه کاربر می‌تواند از طریق نزدیک‌ترین ایستگاه پایه در شبکه، اطلاعات خود را ارسال نماید. برای مثال در شبکه­های حس‌گر­ بی‌سیم، ایستگاه‌های پایه متحرک  با سرعت مشخصی در طول یک مکان مشخص حرکت می‌کنند و داده‌های حس شده را از حس‌گرها در یک روش انتقال یک‌پرش یا چندپرش جمع‌آوری می‌کنند. تحرک ایستگاه پایه می‌تواند به‌طور موثر سربار انرژی در گره‌های حساس در نزدیکی ایستگاه پایه را کاهش دهد و شبکه حس‌گر بی‌سیم را به مدت طولانی‌تر فعال کند زیرا رله‌های کم‌تری برای ارسال پیام به ایستگاه پایه موردنیاز است.

هنگامی که گره‌ها در یک شبکه حس‌گر بی‌سیم ایستا هستند، جمع‌آوری داده‌ها توسط ایستگاه پایه از منابع مختلف پردازش دشوار و وقت‌گیر خواهد بود. استقرار ایستای ایستگاه پایه هم‌چنین منجر به مشکل حفره انرژی می‌شود، زیرا گره‌های همسایه همیشه باید فعال باشند تا اطلاعات را از منابع به ایستگاه‌های پایه انتقال دهند. ایستگاه‌های پایه متحرک پتانسیل زیادی برای افزایش طول عمر یک شبکه حس‌گر بی‌سیم و انجام مسیریابی کارآمد و کاهش مصرف انرژی در مقایسه با ایستگاه‌های ایستا دارند. ایستگاه­های پایه تلفن همراه نیز مشکلاتی مانند منطقه پوشش­دهی، تاخیر زمانی، هماهنگ‌سازی زمان بین  گره مبدا و مقصد، قطع ارتباط و غیره را دارند. استفاده از ایستگاه‌های پایه متحرک پوشش­ دهی بهتر و توازن ‌بار را برای دستگاه‌های کاربر فراهم می‌کند، با این حال به دلیل متحرک بودن ایستگاه‌های پایه با مشکل مدیریت و کنترل شبکه روبه‌رو خواهیم بود.

5- ایستگاه پایه مبتنی بر پهپاد

پرنده هدایت­ پذیر از راه دور یا پهپاد، هواپیمایی بدون سرنشین است که به ­صورت کنترل از راه دور و یا خودکار با استفاده از حس‌گرها و نرم­ افزار کنترل سیار بودن تعبیه شده در آن، به پرواز در می‌آید. پیش از این، پهپادها عمدتا در صنایع نظامی به منظور شناسایی اهداف به­کار می‌رفتند اما با پیشرفت‌های اخیر در پهپادهای سبک‌وزن و کم‌هزینه که با انرژی باتری کاری می‌کنند در کاربردهای غیرنظامی نیز از آن استفاده می‌شود. پهپاد می‌تواند نقش برجسته‌ای در برآورده کردن نیازمندی‌های ارتباطی همه‌پخشی، نقطه به نقطه و نقطه به چند نقطه در شبکه‌های سلولی 5G داشته باشد. به­عنوان مثال، از کاربردهای همه‌پخشی بی­سیم معمول می‌توان به جمع‌آوری اخبار ماهواره‌ای، پوشش زند‌ه‌ی رویدادهای ورزشی، جریان ویدئویی و غیره اشاره کرد.

مزایای اصلی فناوری پهپاد عبارتند از:

1-    می‌توانند در محیط‌های خطرناک و صعب العبور که دسترسی به آن‌ها مشکل است و یا نصب دکل در آن‌ها مستلزم صرف هزینه‌ی بالاست به­کار گرفته شوند.

2-    در جاهایی که هزینه‌ی اجاره سایت‌های نصب دکل بالاست، با توجه به تعداد در حال افزایش استقرار ریزسلول‌ها، پهپادها می‌توانند جایگزین مناسبی برای ایستگاه­های پایه نصب شده روی پشت­بام باشند.

3-    زمانی­که زیرساخت شبکه دچار آسیب شده است و یا جوابگوی کاربران نیست، می‌توانند به بازیابی سریع سرویس‌های شبکه کمک نمایند.

4-    یکپارچه کردن پهپادها با شبکه‌های زمینی که اضافه‌بار داشته و با ازدحام رو به رو شده­اند، به BS ها این امکان را می‌دهد تا مقداری از ترافیک سلولی خود را به پهپادها منتقل کنند و از میزان دست­به‌دست‌شدن (انتقال از یک سلول به سلول دیگر) کاربرانی که سیار بودن بالایی دارند بکاهند.

5-    می‌توانند به آسانی و به سرعت جا به جا شوند تا پوشش و ظرفیت را در مناطق با تقاضای بالا افزایش دهند و یا اینکه در زمان بحران و در مناطقی که دچار حادثه شده­اند در کم­ترین زمان ممکن، یک پوشش مناسب را فراهم نمایند.

6-    به دلیل ارتباطات دید مستقیم (LOS) بهتر با کاربران روی زمین، می‌توانند پوشش محیطی را بهبود بخشند.

7-    می‌توانند ارتفاعشان را به منظور برآوردن نیازمندی‌های کیفیت خدمات بر اساس تراکم کاربران، نرخ داده مطلوب، تداخل و غیره تنظیم کنند.

پهپاد‌ها بر اساس محدودیت اندازه، وزن و توانشان می‌توانند دسته­بندی شوند. این محدودیت‌ها مستقیما بر روی حداکثر ارتفاع عملیاتی، پوشش ارتباطی، محاسبات و حداکثر زمان پرواز اثر می‌گذارند. بر این اساس، می‌توان دو نوع دسته‌بندی پلتفرم‌های ارتفاع پایین (LAP) و پلتفرم‌های ارتفاع بالا (HAP) را در نظر گرفت. LAP ها در ارتفاع کمتر از 10 کیلومتر پرواز می‌کنند، انرژی و ظرفیت پایینی دارند، میزان بار قابل حملشان از چند ده گرم تا 7-5 کیلوگرم متغیر است و می‌توانند بین 10 تا 40 دقیقه بسته به ظرفیت باتری، الگوی سیار بودن و وزن بارشان پرواز کنند. با توجه به این که LAP ها توانایی بلند کردن وزن‌های بسیار محدودی را دارند ممکن است نتوانند تجهیزات LTE را (که وزن معمولشان 10 کیلوگرم است) حمل کنند. با این وجود، LAP ها از نظر اقتصادی با صرفه ­تر هستند و می‌توانند به سرعت استقرار یابند. علاوه بر این، پیوندهای ارتباطی دید مستقیم برد کوتاه می‌توانند به منظور بالابردن میزان پوشش ایجاد شوند. HAPها توانایی پرواز در ارتفاع بیش از 10 کیلومتر را داشته و  پوشش گسترده­تر و زمان پرواز طولانی­تری دارند. از این رو، HAP ها برای پوشش بی­سیم قابل اطمینان در نواحی جغرافیایی بسیار بزرگ مناسب هستند.

در شکل 2، یک شبکه سلولی که از پهپادهای مختلف به­عنوان ایستگاه­های پایه کمک گرفته است، نشان داده شده است.

برای سناریوهای شبکه­ سازی سلوی که پیش ‌از این به آن‌ها اشاره شد، روشن است که استفاده از پهپادها به دلیل ویژگی‌های کلیدی اعم از چابکی، تحرک، انعطاف ­پذیری و ارتفاع انطباقی، کاملا طبیعی است. در واقع، با بهره ­برداری از این ویژگی‌های منحصربه‌فرد و هم‌چنین ایجاد پیوندهای ارتباطاتی LoS، پهپادها می‌توانند عملکرد شبکه­ های بی­سیم زمینی موجود را برحسب پوشش، ظرفیت، تاخیر و کیفیت خدمت کلی، ارتقاء دهند. چنین سناریوهایی به‌روشنی، بسیار نویدبخش هستند و می‌توان با بلوغ بیش‌تر فناوری و ظهور سناریوهای عملیاتی جدید، پهپادها را به‌عنوان بخش اصلی شبکه­ های سلولی 5G دید. طبیعتا، دست‌یابی به چنین مزایایی مستلزم غلبه بر چالش‌های متعدد است.

و این تازه ابتدای راه است … 

ادامه دارد

احسان کاشانی

اگر میخواین کمی بیشتر با این تکنولوژی آشنا بشید این ویدیو از دست ندهید

(در ضمن  کتاب فوق العاده کامل و جامع هم در قسمت کتاب ها درباره نسل پنجم اینترنت 5G قرار دادیم که پیشنهاد میشه حتما مطالعه کنید)