سرانجام زمان سلام گفتن به 5G فرا رسید

استاندارد نهایی 5G سرانجام در اواخر دسامبر 2017 میلادی از سوی 3GPP منتشر شد. در بیشتر منابع 5G مترادف با سرعت تعریف‌شده است، اما فراموش نکنید 5G روی گوشی‌های هوشمند به تراشه‌ای قدرتمند نیاز دارد که بتواند از باتری به بهترین شکل استفاده کند. پس ما ضمن آن‌که به‌سرعت بیشتری دست پیدا خواهیم کرد، به پردازنده‌ای قوی، باتری‌هایی با طول عمر بیشتر و تنوع در انتخاب شبکه‌هایی بسیار ‌سریع‌تر دست پیدا خواهیم کرد. پس جای تعجب نیست که بیشتر کارشناسان حوزه ارتباطات 5G را سرآغاز یک انقلاب بزرگ در همه صنایع توصیف کرده‌اند.
نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی، یک استاندارد بی‌سیم همانند 4G است. درحالی‌که مشکلات و مسائل خاصی پیش روی این فناوری قرار داشت، اما شرکت‌ها ناامید نشدند و با جدیت سعی کردند روند تکامل این فناوری را به سرانجام برسانند. اپراتورهای بزرگ مخابراتی همچون ورایزن، AT&T و اسپرینت از مدت‌ها قبل فرایند آزمایش شبکه‌های نسل پنجم را در شهرهای مختلف به مرحله اجرا در آورده‌اند و حتی تولیدکنندگانی همچون کوالکام، اینتل و نوکیا نمونه‌های اولیه مولفه‌های 5G را که در نهایت در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها، لپ‌تاپ‌ها و سایر محصولات به کار گرفته خواهد شد، ساخته‌اند. البته مودم‌های 5G کوالکام از وضعیت نمونه اولیه خارج‌شده و آماده تولید هستند. درحالی‌که تا پیش‌ازاین تاریخ دقیقی برای عرضه این فناوری اعلام‌نشده بود و به‌عنوان مثال، در برخی از کشورها چند شهر به شکل محدود زیرساخت‌های این فناوری را ایجاد کرده‌اند، اما برخی از تولیدکنندگان گوشی‌های همراه (همان‌گونه که در مطلب گوشی‌های پیشگام در زمینه 5G مشاهده خواهید کرد.) تصمیم گرفته‌اند گوشی‌های مبتنی بر این فناوری را در سال 2019 میلادی روانه بازار کنند. اما 5G چیست که تا به این اندازه مهم شده است؟

نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی چیست؟

برای آن‌که بتوانیم شناخت درستی از نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی به دست آوریم، در اولین گام باید با اسلاف ماقبل این فناوری همچون نسل‌های دوم تا چهارم آشنایی داشته باشیم. نسل دوم شبکه‌های ارتباطی در دهه 90 میلادی عرضه شد. فناوری که قادر بود از ارتباطات بی‌سیم تلفنی، صوتی و پیامک‌ها پشتیبانی کند. نسل سوم موفق شد انتقال داده‌ها را به پیامک‌ها و تماس تلفنی اضافه کند. سرانجام نسل چهارم موسوم به 4G LTE سرعت و قابلیت اطمینان امکانات یاد شده را دوچندان کرد. نسل پنجم در مقایسه با فناوری‌های پیش از خود در بسیاری از زمینه‌ها بهبود پیدا کرده، اما درعین‌حال خود نیز فناوری‌های جدیدی را معرفی کرده است. درحالی‌که دست‌اندرکاران این فناوری هنوز هم بر سر فناوری‌های نهایی 5G به یک اجماع دقیق و مشخص نرسیده‌اند، بااین‌حال سلول‌های کوچک، امواج میلی‌متری، MIMO، فیلترینگ فضایی و فول داپلکس از مهم‌ترین فناوری‌های مرتبط با 5G هستند. 
امروزه، برج‌های مخابراتی در ابعاد کوچکی وجود دارند که از آن‌ها می‌توان در مکان‌هایی دور از دید همچون سقف خانه‌ها استفاده کرد. این برج‌ها با توجه به آن‌که به کمترین انرژی ممکن نیاز دارند، زمانی‌که به شکل کلاستر درآیند، عملکرد بهتری خواهند داشت.

Small cells؛ سلول‌های کوچک 

سلول‌های کوچک، این پتانسیل را دارند تا داده‌ها را از طریق فناوری امواج میلی‌متری انتقال دهند. طول‌موج این امواج میلی‌متری از متوسط موج‌ها کوتاه‌تر بوده و فرکانس آن‌ها در محدوده 30 تا 300 گیگاهرتز خواهد بود. در این محدوده سیگنال‌ها در امنیت بالایی قرار داشته، اما در مقابل قدرت خیلی زیادی برای عبور از موانع فیزیکی ندارند. به شکلی که تنها یک جسم بسیار ظریف همچون یک برگ درخت به‌راحتی می‌تواند فرایند دانلود را با مشکل همراه سازد. 

millimeter waves؛ امواج میلی‌متری

این امواج میلی‌متری با محدودیت‌های مختلف و زیادی روبه‌رو هستند، اما برای MIMO عملکرد ایده‌آلی دارند.

MIMO؛ مایمو

فناوری مایمو یا همان چند ورودی - چند خروجی یک سامانه بی‌سیم است که از چند فرستنده رادیویی به‌منظور ارسال و دریافت هم‌زمان داده‌ها استفاده می‌کند. شبکه‌های نسل چهارم ارتباطی 4G LTE قادر هستند از حداکثر 8 فرستنده و 4 گیرنده پشتیبانی کنند. درحالی‌که برج‌های مخابراتی 5G این مقدار را به ده‌ها فرستنده و گیرنده گسترش داده‌اند. اما فرستنده رادیویی بیشتر، مشکلات خاص خود را دارد. هرچه تعداد فرستنده‌ها بیشتر باشد تداخل نیز بیشتر خواهد بود. 

beamforming؛ فیلترینگ فضایی

درست در همین مکان است که فناوری فیلترینگ فضایی به میدان وارد می‌شود. فیلترینگ فضایی از الگوریتم‌هایی به منظور مدیریت حرکت امواج بی‌سیم استفاده می‌کند. راهکاری که اجازه می‌دهد امواج در یک پرتو متمرکز قرار گیرند تا قدرت آن‌ها افزایش پیدا کند. 

full duplex؛ فول داپلکس 

فناوری فول داپلکس، به‌منظور تقویت سیگنال‌ها استفاده می‌شود. بخش عمده‌ای از برج‌های مخابراتی و دستگاه‌هایی شبیه به گوشی‌های هوشمند این توانایی را ندارند تا به شکل هم‌زمان داده‌ها را دریافت کرده و ارسال کنند. اما گوشی‌های هوشمندی که به فناوری فول داپلکس تجهیز شده باشند این توانایی را دارند تا به شکل هم‌زمان داده‌ها را ارسال و دریافت کنند. این حرف به معنای دو برابر شدن پهنای باند است. 

پیش‌نویسی با حداقل 20 گیگابایت دانلود و 10 گیگابایت آپلود

اگر آزمایش‌های انجام‌شده و نتایج منتشرشده را به‌عنوان مرجعی در نظر بگیریم، باید بگوییم که 5G فوق‌العاده پرسرعت خواهد بود. به‌گونه‌ای که سرعت آن ممکن است حتی 14 برابر سریع‌تر از 4G باشد. اما در پیش‌نویس اولیه‌ ITU آمده که حداقل سرعت دانلود باید برابر با 20 گیگابیت بر ثانیه و سرعت آپلود نیز 10 گیگابیت بر ثانیه برای هر ایستگاه پایه باشد. این سرعت باید میان همه کاربران برج مخابراتی تسهیم شود. در این میان اپراتورهای بزرگ مخابراتی همچون AT&T زیاد موافق این پیش‌نویس نیستند و اعلام داشته‌اند، 5G باید سریع‌تر از این باشد. داو والتر، معاون بخش ارتباطات رادیویی شرکت AT&T در کنفرانس 5G که چندی پیش برگزار شد، اعلام کرد: «مهندسان ما در سایت آزمایشی مستقر در آستین تگزاس موفق شده‌اند به‌سرعت 6 گیگابیت بر ثانیه دست پیدا کنند. به عبارت دقیق‌تر، شما با این سرعت می‌توانید یک فیلم با فرمت 4K را که حجمی برابر با 100 گیگابایت دارد، در مدت‌زمان دو دقیقه و نیم دانلود کنید.» 

آزمونی که بیانگر سرعت بالای 5G است

آزمایشی که اوایل سال جاری میلادی از سوی شرکت فنلاندی Kauppalehti و اپراتور بی‌سیم Elisa انجام شد نشان داد، نسل پنجم در مقایسه با 4G LTE این پتانسیل را دارد تا 14 برابر سریع‌تر باشد. این گروه تحقیقاتی در عمل موفق شدند به‌سرعت 700 مگابیت بر ثانیه دست پیدا کنند. آزمایشی که با اتکا بر تجهیزات ساخت شرکت هواوی انجام شد و با استانداردهای سازمان 3GPP هماهنگ بود. البته این آزمایش در شرایط ایده‌آل انجام شد و تنها از یک فرستنده برای این منظور استفاده‌شده بود. پژوهشگران الیزا گفته‌اند، در شرایط یکسان 4G تنها به‌سرعت 50 مگابایت بر ثانیه می‌رسد. در این آزمایش فرستنده در فاصله 500 متری با گیرنده قرار داشت و آزمایش روی باند 3.5 گیگاهرتز انجام شد. 

مشکلات و چالش‌های پیش روی 5G

نکته مهم دیگری که در پیش‌نویس ITU به آن اشاره‌شده به کمترین زمان تاخیر در 5G اشاره دارد. ITU بر این باور است، 5 میلی‌ثانیه تاخیر 5G قابل‌قبول است. این در حالی است که در 4G LTE ما شاهد یک‌زمان تاخیر 20 میلی‌ثانیه هستیم. بدون تردید زمان تاخیر کم برای انجام بازی‌های کامپیوتری چند کاربره، برنامه‌های گفت‌وگوی ویدیویی و به‌ویژه ماشین‌های خودران خبر خوبی است. اما در این میان یک مشکل بزرگ وجود دارد. پوشش 5G نه تنها در حد 4G LTE بلکه در حد 3G نیز نخواهد بود. اگر بگوییم در بسیاری از موارد 5G عملکردی شبیه به وای‌فای خواهد داشت تا یک ارتباط موبایلی، شاید اغراق نکرده باشیم. فرستنده‌های 5G به‌جای آن‌که در برج‌های بلندی مستقر شوند، در مکان‌هایی که ارتفاع آن‌ها به زمین نزدیک است قرار می‌گیرند. 5G در ارتباط با دامنه و برد در مقایسه با اسلاف پیش از خود محدود است، در نتیجه اگر فرستنده آن در پشت یک مانع ضخیم همچون یک دیوار قرار گیرد، سیگنال‌ها از دست خواهند رفت. این مشکل به این دلیل به وجود می‌آید که امواج 5G فرکانس بالا و طول‌موج کمی دارند؛ همین مسئله باعث شده تا توان نفوذ به اجسامی ضخیم و قطور همچون دیوارها، پنجره‌ها و درخت‌ها وجود نداشته باشد. برای حل این مشکل می‌توان در مکان‌های پرازدحام همچون پارک‌ها، رستوران‌ها و فرودگاه‌ها تجهیزات 5G را نصب کرد. باسی الکادی، مدیر بخش بازاریابی شرکت کوالکام در این ارتباط گفته است: «تمرکز ما در اولین گام روی شهرهای پر ازدحامی همچون نیویورک و شیکاگو خواهد بود. به همین دلیل، مراکز خرید و پارک‌ها جزو اولین مکان‌هایی خواهند بود که شما 5G را در آن‌ها مشاهده خواهید کرد. همچنین به این نکته دقت کنید که دستگاه‌های 4G بدون مشکل خاصی می‌توانند از 4G LTE پشتیبانی کنند. در نتیجه اگر کاربری از محدوده 5G خارج شود، به‌راحتی می‌تواند از 4G استفاده کند. به همین دلیل تصور می‌کنیم که روند توسعه 4G LTE باید هم‌زمان با 5G ادامه پیدا کند. در نتیجه روند توسعه LTE متوقف نخواهد شد. ما بر این باور هستیم که سرعت 4G LTE تا دو سال آینده به رقم 2 گیگابیت بر ثانیه خواهد رسید. سرعتی که در دسترس عموم مردم قرار خواهد داشت.» جیسوت الیون، مدیر بخش بازاریابی شرکت نوکیا می‌گوید: «اپراتورهای مخابراتی در این زمینه باید جانب احتیاط را رعایت کنند. کافی است به نقشه هوایی منطقه‌ای همچون منهتن نگاه کنید، خیابان‌هایی را خواهید دید که عریض و فاقد درخت هستند و در مقابل خیابان‌های باریکی وجود دارند که درون آن‌ها درختانی قرار دارد. اگر شما فرستنده را در خیابان‌های عریض نصب کنید، در خیابان‌های باریک موفق نخواهید شد سیگنال‌های مطلوبی را دریافت کنید. نقاط دسترسی 5G به لحاظ اندازه، تفاوت‌های بسیاری دارند، همین مسئله باعث می‌شود تا در برخی موارد عملکرد ایده‌آل باشد اما در برخی موارد ضعیف باشد. شما درون مناطق دسترسی، نقاط دسترسی با سرعت زیاد و زمان تاخیر کم را خواهید داشت. این‌چنین مشکلاتی باعث شده تا اپراتورها ترغیب شوند از 4G LTE تا مدت‌زمانی نامعلوم پشتیبانی کنند.» 

مطلب پیشنهادی

آیا 5G می‌تواند به همه انتظارات به وجود آمده پاسخ دهد؟

محدودیت‌ها و چالش‌های پیش‌روی 5G

یک اینترنت پرسرعت برای کاربران خانگی

خدماتی که 5G ارائه می‌کند به کاربران تجاری محدود نیست. کاربران خانگی قادر هستند از مزایای اینترنت پرسرعت 5G بهره‌مند شوند. به‌‌عنوان مثال، شرکت ورایزن سال گذشته میلادی فرایند آزمایش فناوری 5G را در پنج شهر ایالات‌متحده آغاز کرد. این شرکت با همکاری اریکسون، اینتل، کوالکام و سامسونگ در برخی از خانه‌ها اکسس‌پوینت‌های 5G را نصب کرد. اکسس‌پوینت‌هایی که قادر هستند اینترنت فوق‌سریع گیگابایتی در اختیار مردم قرار دهند. اما این تنها ورایزن نیست که آزمایش 5G را آغاز کرده است. AT&T نیز سال گذشته میلادی DirecTV را در اختیار کاربران خانگی قرار داد. DirecTV یک سرویس استریم تلویزیونی متعلق به شرکت AT&T بوده که شرکت در راستای گسترش حوزه کاری خود تصمیم گرفت این سرویس را در قالب یک پکیج چهارگانه اینترنت نسل پنجم خانگی، سرویس همراه، سرویس تلفن ثابت و سرویس پخش تلویزیون ارائه کند. این پکیج به‌راحتی حق انتخاب کاربران خانگی را افزایش می‌دهد. به نظر می‌رسد، ارائه نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی برای کاربران خانگی بیشتر در تعامل با تجهیزات و ملزومات اولیه است. ابرتولیدکنندگان تراشه‌های کامپیوتری همچون اینتل و کوالکام اوایل سال گذشته میلادی خبر از ساخت مودم‌های 5G دادند. به نظر می‌رسد، در سال آینده میلادی پیشرفت‌های زیادی در این زمینه انجام خواهد شد. الکادی در این ارتباط گفته است: «در نگاه اول و در بازه زمانی کوتاه‌مدت، به‌کارگیری فناوری بی‌سیم ساده‌تر از 5G خواهد بود. عمر باتری و سایر مشکلات از جمله چالش‌هایی است که در مسیر توسعه 5G قرار دارد. بدیهی است که 5G ارزان‌قیمت نخواهد بود و اپراتورهای مخابراتی به‌شدت علاقه دارند تا بخشی از هزینه‌ها را به عهده مشترکان واگذار کنند.» پژوهشگران iGR بر این باورند، فرایند طراحی، پیاده‌سازی و توسعه نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی به حدود 48 میلیارد دلار سرمایه به‌منظور ارتقای شبکه‌های LTE تا سال آینده میلادی و 56 میلیارد دلار برای نصب تجهیزات جدید نسل پنجم در خلال سال‌های 2017 تا 2025 نیاز دارد. شرکت سیسکو بر این باور است که میزان به‌کارگیری و مصرف داده اینترنت سلولی تا سال آینده میلادی 57 درصد افزایش پیدا خواهد کرد. ایان گیوت، مدیرعامل موسسه iGR در این خصوص گفته است: «بدون تردید پیاده‌سازی 5G هزینه زیادی به همراه خواهد داشت. بر عکس فناوری‌های بی‌سیم قبلی که بخش عمده‌ای از هزینه‌ها در ارتباط با رابط‌های هوایی بود، نسل پنجم به سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی در مراکز داده و دفاتر مرکزی نیاز خواهد داشت. موفقیت این فناوری در گرو پشتیبانی از سرویس‌ها و برنامه‌هایی است که به زمان تاخیر کم و ارائه استریم‌های ویدیویی بستگی دارند.»

کاربردهای نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی

دنیای صنعت در زمینه انتقال داده‌ها به‌شدت به‌سرعت زیاد و زمان تاخیر کم نیاز دارد. بهبود راندمان این دو مولفه همه صنایع را تحت‌الشعاع خود قرار می‌دهد. صنایعی که در ادامه با آن‌ها آشنا خواهید شد، تحت تاثیر 5G پیشرفت محسوسی خواهند داشت.

وسایل نقلیه

بدون تردید 5G یکی از عوامل کلیدی است که باعث پیشرفت و رشد قابل‌توجه ماشین‌های خودرانی خواهد شد که هر روز به سطح پنج در حال نزدیک‌تر شدن هستند. پژوهشگران بر این باورند، ماشین‌های خودران با اتکا بر شبکه‌های با تاخیر کم، قادر هستند به اطلاعات موجود روی بسترهای ابری به‌راحتی دسترسی پیداکرده، اطلاعات حسگرها و محتوای چندرسانه‌ای را بدون مشکل خاصی به اشتراک قرار داده و به تبادل آن‌ها بپردازند. پژوهش انجام‌شده از سوی ABI Research نشان می‌دهد، طی چند سال آینده نزدیک به 67 میلیون حساب کاربری تنها به ماشین‌های خودرانی اختصاص پیدا خواهد کرد که به شبکه‌های نسل پنجم متصل شده‌اند. ماشین‌هایی که حدود سه میلیون عدد از آن‌ها به ارتباطات با زمان تاخیر کم نیاز خواهند داشت. 

اینترنت اشیا

آشا کدی، مدیر کل بخش استانداردهای پیشرفته موبایل 5G در شرکت اینتل بر این باور است که 5G اولین شبکه‌ای است که به بهترین شکل با اینترنت اشیا در ارتباط خواهد بود. او می‌گوید: «ما برای حل یکسری از مشکلات مربوط به زیرساخت‌های ارتباطی به استانداردهای جدیدی نیاز خواهیم داشت؛ استانداردها و شبکه‌هایی که بر پایه 5G ساخته خواهند شد. در شبکه‌های نسل پنجم، دو مولفه مهم قابلیت‌های محاسباتی و ارتباطی با یکدیگر ترکیب شده‌اند. در نتیجه میلیاردها دستگاهی که به اینترنت وصل می‌شوند دیگر از نظر قدرت پردازشی دغدغه خاصی نخواهند داشت. به دلیل این‌که شبکه از عهده انجام پردازش‌های سنگین بر می‌آید. کافی است دورنمای آینده‌ای را متصور شوید که تجهیزات پوشیدنی همچون ساعت‌های هوشمند، گوشی‌ها و تبلت‌ها قادر خواهند بود از طریق به‌کارگیری حسگرهای حساس به مکان و محتوا اطلاعات را با افرادی که در فهرست مخاطبان یا تقویم شما قرار دارند، به اشتراک قرار داده و در زمان به‌کارگیری سرویس‌های خاصی مصرف باتری را در وضعیت حداقلی قرار دهند. آینده‌ای که در آن همه تجهیزات اینترنت اشیا از وسایل خانگی مجهز به حسگرهای کوچک گرفته تا تجهیزاتی که خارج از خانه قرار دارند، با یکدیگر در تعامل خواهند بود. نکته جالب توجه آن‌که امکان شارژ بی‌سیم در این شبکه‌ها تجمیع خواهد شد تا دستگاه‌ها به شکل مستمر در حال کار باشند.»

مطلب پیشنهادی

جایی که IOT و 5G به هم می رسند...

نسل پنجم شبکه تلفن همراه و اینترنت اشیاء

واقعیت مجازی و افزوده

بدون تردید 5G تحول بزرگی در حوزه استریم‌های ویدیویی و واقعیت مجازی به وجود خواهد آورد. کاری که اپراتور اسپرینت در این زمینه انجام داد، در نوع خود جالب توجه بود. این شرکت موفق شد مسابقه فوتبال آمریکایی Copa America را به شکل واقعیت مجازی بی‌سیم استریم کند. در نمونه مشابه دیگری نیز هواوی پیش‌نمایشی از یک ویدیو 360 درجه را که به شکل زنده روی زیرساخت 5G در حال پخش بود، نشان داد. 

برنامه‌های در تعامل با زیرساخت ابری

برنامه‌های وب و سرویس‌های ذخیره‌ساز ابری به بهترین شکل می‌توانند از 5G استفاده کنند. الکادی در این خصوص می‌گوید: «در آینده زیرساخت ابری به بخش جدایی‌ناپذیر و نامحدود حافظه گوشی‌های هوشمند تبدیل می‌شود. این رویکرد باعث می‌شود تا کاربران دیگر هیچ‌گاه دغدغه پر بودن حافظه گوشی را نداشته باشند. 5G با نرخ زمان بارگذاری پایین به کاربران اجازه می‌دهد در یک‌چشم برهم زدن از برنامه‌های مبتنی بر وب به‌ویژه برنامه‌های ارائه‌شده از سوی گوگل استفاده کرده و اطلاعات را مبادله کنند.» 

5G چه زمانی به شکل واقعی از راه خواهد رسید؟

شرکت تحقیقاتی الیزا پیش‌بینی کرده، این فناوری در اوایل سال 2019 میلادی در کشور فنلاند به شکل تجاری عرضه خواهد شد. پیش‌بینی‌شده، در سایر کشورهای اروپایی و به‌ویژه اسکاندیناوی تا 18 ماه آینده 5G به کار گرفته خواهد شد و در این میان فنلاند اولین کشور خواهد بود.