بررسی اینترنت نسل پنجم 5G

بهره‌برداری آزمایشی از نسل پنجم شبکه تلفن همراه (5G) در حالی در کشورمان نخست شده است که هنوز تردیدهای زیادی در خصوص استانداردها و ساختارهای درنظر گرفته شده برای این تکنولوژی، حتی در ابعاد جهانی هستی دارد. با این اوصاف، آشنایی با تعاریف، استانداردها و فناوری‌های ادغام شده در جدیدترین دودمان شبکه تلفن همراه، خالی از لطف نخواهد بود. پس با آموزش اینترنت موبایل همراه باشید.

در حال آماده دودمان پنجم شبکه تلفن همراه که از آن به اختصار با عنوان 5G یاد می‌شود بدست برترین اپراتورهای تلفن به اتفاق و حتی شرکت‌های پرکار در پهنه تکنولوژی، در فاز آزمایش و رسیدگی پیمان گرفته است. این در حالی است که انتظار می‌رود لغایت دو سال آینده، شاهد عرضه رسمی این دودمان از شبکه موبایل با مزایای قابل توجه باشیم. از همین رو در شهر سخت‌افزار، نگاهی دقیق‌تر به تعاریف، مفاهیم، استانداردها، مزایا و برآورد موعد بهره‌برداری از این تکنولوژی خواهیم داشت.

مفاهیم اولیه
به زبان ساده، 5G، نسل پنجم شبکه تلفن به اتفاق و کلیه ارتباطات قابل سپریدن در این بستر را دربر می‌گیرد. 5G را باید گامی نوین در دامنه فناوری موبایل به حساب آورد که تجربه کاربران را از به‌کارگیری گوشی‌ها یا تبلت‌های هوشمند به هدف تبادل داده‌ها شفا می‌بخشد. این تکنولوژی، با عرضه مفصل به بازار، درمان سرعت را برای کاربران تا اندازه‌ای به همراه خواهد داشت که قبل از این با عرضه شبکه‌های LTE، در مقایسه با شبکه‌های نسل سوم یا همان 3G شاهد بهبود تجربه کاربران بودیم.

5G در کنار سرعت بالا، پوش گسترده‌تر و پایداری اغلب را نیز به همراه خواهد داشت. شبکه نسل پنجم حتی در بسیاری از موارد جایگزین شبکه‌های وای‌فای خانگی خواهد شد. سرعت 5G لغایت حدی است که به عنوان مثالی ملموس‌تر، با استفاده از آن، امکان دانلود فیلم ارباب حلقه‌ها در چند ثانیه ممکن شده و حتی می‌توانید استریم زنده درونمایه را در پلتفرم واقعیت مجازی ممکن سازید. 5G دیرکرد کم‌تر در ارتباطات صورت گرفته در بستر شبکه به اتفاق را نیز به تعقیب خواهد داشت.

نحوه عملکرد
شبکه 5G که در حال آماده در دست گسترش پیمان دارد در باند فرکانس‌بالای طیف بی‌سیم یعنی بین ۳۰ تا ۳۰۰ گیگاهرتز عمل می‌کند که از آن با عنوان طیف موج میلی‌متری یاد می‌شود. امواج‌ میلی‌متری امکان انتقال بسته‌های اطلاعاتی را با سرعت بسیار بالا داشته اما نمی‌توانند مشابه با امواج بسامد پایین‌تری که در شبکه‌های نسل چهارم گواه هستیم جابه‌جا شوند. از همین رو، امواج میلی‌متری با بسامد بالا، مشکلاتی در تصادف با دیوارها، ساختمان‌ها و دیگر موانع دارند.

در شبکه‌ای با بسامد پایین‌تر نظیر 4G LTE، آنتن‌ها را می‌توان با فاصله اغلب از هم به‌کار بست و موانع نیز سخت بزرگواری به حساب نمی‌آیند. این در حالی است که اثناء بهره‌برداری از شبکه‌های دودمان پنجم، سرویس‌دهنده‌ها و اپراتورها باید از تعداد آنتن‌هایی به مراتب بیشتر از آنچه در حال آماده شاهد هستیم کاربرد کنند لغایت بتوانند دست‌یابی به پوششی مثل با شبکه‌های فعلی را شدنی سازند. با این تفاسیر، چشمداشت می‌رود مقارن با بهره‌برداری از 5G، نصب آنتن‌های کوچکی را برای درمان پوشش، در گوشه و کنار شهر شاهد باشیم.

William Webb نویسنده کتاب معمای 5G و سرپرست تیم فناوری کمپانی OpenSignal معتقد است استانداردسازی کامل 5G به بردباری بسیار الی قبل از ۲۰۱۸ میلای سپریدن نخواهد شد. از همین رو هرآنچه که الی پیش از رسیدن به موعد بهره‌برداری در حدود سال ۲۰۱۹ میلادی در خبرها می‌خوانیم یا می‌شنویم، پیش‌نمایشی از مشخصات و قابلیت‌های 5G بوده و تضمین صد درصدی نیست که در نمونه پایانی هم گواه ادغام آن‌ها باشیم.

در حال حاضر، روتر 5G که توسط سامسونگ در همایش جهانی موبایل سال جاری میلادی رونمایی شده است می‌تواند نحوه بهره‌برداری از شبکه ارتباطی دودمان پنجم را لغایت کران زیادی به نمایش بگذارد. روتر نسل پنج سامسونگ به اسم Home Router، از آنتنی بهره‌گیری می‌کند که در قسمت بیرونی پنجره منزل شما نصب شده و به روتر وای‌فای تو منزل شما متصل می‌شود. این آنتن، سیگنال‌های بی‌سیم حاصل از امواج میلی‌متری شبکه نسل پنجم را اخذ می‌کند. این سیگنال‌ها از راه دکل‌های ویژه‌ای ارسال می‌شوند که در پیوستگی به آن‌ها اشاره خواهیم کرد.

اصطلاحات فنی
در مطالب مرتبط با دودمان پنجم شبکه تلفن همراه، به شکیبیدن بسیار با واژگان فنی متفاوتی روبرو خواهید شد که دانستن آن‌ها به درک بهتر مطلب خواهد انجامید.

امواج میلی‌متری (Millimeter Waves)
شبکه‌های بی‌سیم معاصر با دشوار ویژه‌ای دست و پنجه نرم‌ می‌کنند و آن افزایش حوزه اطلاعاتی است که توسط کاربران و دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، در سنجش با گذشته، تبادل و مصرف می‌شود. با وجود این، همچنان از همان طیف فرکانس رادیویی که لغایت پیش از این، در این بستر کاربرد می‌شده بهره گرفته می‌شود. به این ترتیب، شاهد تفریق پهنای باند برای کاربران خواهیم بود و همین امر به تفریق 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 قبل از این برای سرویس‌های همراه کاربرد نشده است. همین امر مایه شده سرویس‌‌دهنده‌های مختلف بهره‌برداری از امواج میلی‌متری را که از فرکانس‌های بالاتری سهم می‌برند ابتدا کنند. امواج میلی‌متری در فرکانس‌هایی بین ۳۰ تا ۳۰۰ گیگاهرتز منتشر می‌شوند که در سنجش با باند فرکانسی کم‌تر از ۶ گیگاهرتز که در دستگاه‌های همراه در ماضی بهره‌گیری می‌شد پیمان می گیرند. این امواج، از آن جهت موج‌های میلی‌متری نام‌گذاری شده‌اند که درازا متفاوتی از یک لغایت ده میلی‌متر دارند. در مقام مقایسه، امواج رادیویی که در گوشی‌های هوشمند امروزی کاربرد می‌شوند چند ده سانتی‌متر طول دارند.

تا به اینجای کار، تنها اپراتورهای سیستم‌های ماهواره‌ای و راداری از امواج میلی‌متری در پروژه‌های مختلف کاربرد کرده‌اند. با هستی این، بعضی سرویس‌دهنده‌های به اتفاق نیز استفاده از این امواج را برای ارسال اطلاعات بین ایستگاه‌های مختلف همانند دو نقطه مشخص ارتباطی پیش درآمد کرده‌اند. با تمام احوال، استفاده از امواج میلی‌متری برای برقراری وابستگی وسط کاربران دستگاه‌های الکترونیکی به اتفاق با یک ایستگاه کم و بیش آن‌ها، راهکاری کاملاً جدید و متفاوت است.

ایراد اصلی به‌کارگیری امواج میلی‌متری آن است که نمی‌توانند عبور سهولت را از موانعی نظیر ساختمان‌ها و دیوارها تجربه کنند. علاوه بر این، امکان جذب آن‌ها بدست شاخ و برگ درختان یا حتی باران هم وجود دارد. همین امر مایه شده شبکه‌های دودمان پنجم، دکل‌های سنتی تلفن به اتفاق را با فناوری جدیدی به نام سلول‌های حقیر (Small Cells) غنی کنند.

سلول‌های حقیر (Smart Cells)
سلول‌های کوچک به راستی ایستگاه‌های مینیاتوری قابل حملی هستند که برای ارائه عملکرد مطلوب، به انرژی حداقلی دربایستن دارند و می‌توان آن‌ها را در هر فاصله ۲۵۰ متری یا مقداری اغلب و کم‌تر در شهرها نصب کرد. برای بازداری از تضعیف سیگنال‌ها، اپراتورهای مختلف می‌توانند هزاران مثال از این ایستگاه‌ها را در هر شهر نصب کنند تا شبکه‌ای که مثل مجموعه‌ای از راهکارهای قابل اعتماد، سیگنال‌ها را از سایر ایستگاه‌های پایه گرفتن کرده و به کاربران در هر ناحیه 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 الی بتوانند از فناوری جدید دیگری به نام Massive MIMO کاربرد کنند.

Massive MIMO
ایستگاه‌های پایه در شبکه‌های فعلی دودمان چهارم از دوازده درگاه برای آنتن‌ها بهره می‌برند الی تمامی شدامد سلولار را مدیریت کنند. در این بین، هشت درگاه برای فرستنده‌ها و چهار درگاه برای گرفتن کننده‌ها درنظر گرفته شده است. این در حالی است که ایستگاه‌های پایه در شبکه دودمان پنجم می‌توانند از صدها پورت پشتیبانی ‌کنند. به این ترتیب، می‌توان شمار 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 اکثریت از کاربرها خواهد داشت. همین امر باعث خواهد شد گنجایش شبکه‌های به اتفاق تا ۲۲ مساوی 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 شمار بیشتر ارسال کننده و دریافت‌کننده برای ارسال و دریافت مقادیر اغلب داده‌ها به طور مقارن استفاده می‌کنند. Massive MIMO شبکه‌های تلفن به اتفاق را با کاربرد از تعداد آنتن بیشتر، به سطح جدیدی از استانداردها ارتقا می‌دهد.

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

در خصوص امواج میلی‌متری، شکل‌دهی به پرتوها، مجموعه متفاوتی از دشواری ها 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 جنبش می‌کنند، به جای انتشار در چند جهت، به تقویت سیگنال کمک کرده و بخت رسیدن آن به کاربر را، آن هم بدون برپایی تداخل افزایش دهد.

استانداردهای متفاوت
در حال حاضر، سردرگمی عجیبی در خصوص طیف پایانی استانداردهای قابل کاربرد در بستر 5G هستی دارد. اپراتورهای مطرح موبایل گمانه‌زنی‌های متفاوتی را درباره استفاده از سه بخش طیف باند پایین، متوسط و بالا انجام داده‌اند. طیف‌های ذیل و میانه در واقع نمونه‌هایی هستند که در حال آماده در شبکه‌های تلفن به اتفاق استفاده می‌کنیم اما طیف باند بالا بیشتر مانند به سیگنال‌های وای‌فای است. بدنیست بدانید در حالت کلی، طیف‌هایی با باند ذیل 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 الی همگی طیف‌های بسامد پایین، میانه و بالا را باهم ترکیب کرده الی در پایان امر، شبکه ایده‌آلی را برپایی کند. گزینه ایده‌آل آن است تا از طیف فرکانسی سطح زیر به عنوان مثال، ۷۰۰ مگاهرتز برای پوشش گسترده‌تر، از طیف فرکانسی متوسط به عنوان مثال، ۳.۵ گیگاهرتز برای گنجایش بیشتر و از امواج میلی‌متری برای دست‌یابی دیرکرد ذیل استفاده شود. با استفاده از امواج میلی‌متری با باند فرکانسی بالا می‌توان مشکلات مربوط به ایجاد تراکم بالا در شبکه را در محیط‌های شلوغ همانند ایستگاه‌های قطار یا فرودگاه‌ها مرتفع کرد.