این مطلب یکی از مقالات چاپ شده در پرونده ویژه «نسل پنجم شبکههای موبایل» است. برای دانلود کل پرونده ویژه اینجا کلیک کنید.
هر ده سال یا کمی بیشتر اتفاق بزرگی در حوزه موبایل رخ میدهد. طی یک دهه، نسل جدیدی از فناوریهای شبکههای موبایل معرفی و فراگیر میشوند. نخستین شبکه موبایل در دهه 1980 به بازار وارد شد. شبکههای GSM در دهه 1990 معرفی شدند. بعد، نوبت به شبکههای 3G در دهه 2000 بود و در سال 2010 شاهد شبکههای 4G/LTE بودیم. هر نسل شبکههای موبایل سعی کرده است کمبودها و نقایص نسل پیش از خود را برطرف کند. GSM سعی کرد مشکلات و ضعفهای امنیتی شبکههای تلفن آنالوگ را مرتفع کند. 3G سعی کرد تبادل اطلاعات را به شبکههای موبایل وارد کند و سرعت را هم افزایش دهد که چندان موفق نبود و 4G تلاش کرد تجربه ناخوشایند استفاده از اطلاعات روی موبایل را بهبود بدهد. در حال نزدیک شدن به پایان یک دهه دیگر هستیم و طبق قاعده باید منتظر اتفاق بزرگی در صنعت شبکههای موبایل باشیم. 5G در حال ظهور است و گزارشها و تحلیل رفتار بازار این اتفاق بزرگ را تأیید میکند، اما 5G قرار است چه کمبودها و مشکلاتی از نسل قبلی خود را برطرف کند؟
در اینجا چیزی وجود دارد؛ هیچکس درباره 5G مطمئن نیست. واقعاً هنوز آینده واضح و مشخص نیست. شکاف اصلی این است که مردم با خدمات اپراتورهای مخابراتی تلفن همراه امروزی از نظر قیمت و محدوده پوششدهی و حتی سرعت مشکلی ندارند که بخواهند منتظر آمدن نسل بعدی شبکههای موبایل برای برطرف کردن آنها باشند. با هزینه کردن کمی پول میتوانند از خدمات LTE و LTE-A بهره ببرند و نارضایتی جزیی فعلی را هم حل کنند. صنعت موبایل به این رضایتمندی کاربران اهمیت نمیدهد و خیز جدید خود برای 5G را آغاز کرده است. آنها میگویند 5G قرار است مشکلاتی که امروز وجود ندارد ولی در طی چند سال آینده بروز خواهند کرد، حل کند. در واقع، آنها میخواهند از پیش مشکلات احتمالی آینده را حدس بزنند و راهکار ارائه بدهند و ما را برای سالهای آینده نزدیک آماده کنند.
برای 5G به ساختن استانداردهایی نیاز داریم که تا سال 2030 و حتی فراتر از آن قابلیت استفاده و کاربری داشته باشند. این همه آیندهنگری در صنعت موبایل بیسابقه است و دستاندرکاران این صنعت را حیران و سرگردان کرده است.
ابتدا استانداردها باید برای هر فناوری جدید موبایل تعریف و ساختاردهی شوند. این کار از چند سال قبل از استفاده و فراگیر شدن این فناوری آغاز میشود؛ زیرا پس از اجرا قرار است این استانداردها برای یک دهه یا بیشتر در کل صنعت و سراسر جهان باقی بمانند و مبنای هر ارتباطی باشند. برای 5G به ساختن استانداردهایی نیاز داریم که تا سال 2030 و حتی فراتر از آن قابلیت استفاده و کاربری داشته باشند. این همه آیندهنگری در صنعت موبایل بیسابقه است و دستاندرکاران این صنعت را حیران و سرگردان کرده است. سخت است شما بیست سال بعد را پیشبینی کنید و برای آن دست به استانداردسازی بزنید.
به سال 2000 برگردیم؛ با 3G فقط به دنبال راهاندازی یک شبکه موبایلی مبتنی بر اطلاعات بودیم و یافتن پاسخی برای این پرسش که سال 2010 جهان موبایل چه شکلی خواهد بود؟ در این دهه، به دنبال گردآوری و مجتمع کردن مجموعهای از ویژگیها در یک بسته و دستگاه خاص بودیم و اکنون این همه ویژگی در یک اسمارتفون درون جیب ما است. تصویرسازی استفاده از 5G مانند این است که سعی در پیشبینی ظهور آیفون پنج سال قبل از رونمایی آن داشته باشیم. هیچکس نمیتوانست این پیشبینی را داشته باشد یا اینکه بداند بازار چگونه باید تغییر کند تا به این محصول جدید واکنش نشان دهد یا کاربران با چه فضای تازهای روبهرو خواهند شد و در نهایت به کجا میرسند. اکنون، ما دوباره در چنین وضعیتی قرار داریم و باید ده سال آینده را تصویرسازی و دوباره تلاش کنیم چشماندازی از جهان پس از ارائه 5G به دست آوریم تا براساس آن استانداردسازی کنیم. اگر تاریخ راهنما باشد، به سوی یک شکست بزرگ پیش میرویم، اما این حرف به این معنا نیست که صنعت موبایل تلاش نخواهد کرد تا تاریخ دوباره تکرار شود.
تعریف یک استاندارد
5G نامی بیمعنا است؛ زیرا هنوز استانداردی وجود ندارد. سالها است که این نام مطرح شده است، در حالی که هنوز تعریف درستی از آن نداریم. در همین حال، سازمانها، دانشگاهها، دولتها، مراکز تحقیقاتی و آزمایشگاهها در حال کار روی فناوریهایی هستند که استاندارد نسل بعدی شبکههای موبایل را تشکیل دهد. اما امروز 5G چیزی بیشتر از یک مفهوم نیست و یک نیاز برای رفتن از یک فضای مهآلود و هالهمانند به یک فضای واقعی تا شش سال آینده است. براساس نشانههای تاریخی، نخستین شبکههای ساخته شده براساس استاندارد 5G در سال 2020 راهاندازی خواهند شد. در این فرصت باقیمانده تا رسیدن به این نقطه تاریخی، سالهای سختی برای استانداردسازی 5G خواهد بود. مؤسسههایی مانند FCC ،3GPP ITU و IEEE دو تا سه سال فرصت دارند تا استانداردهای لازم برای راهاندازی شبکههای 5G را تکمیل و نهایی کنند. همچنین، تمام مراکز تحقیقاتی و آزمایشگاهی، دولتها، سازمانها و دانشگاهها درگیر این قضیه خواهند بود و باید به این سازمانهای استانداردساز کمکرسانی کنند یا حمایتهای لازم مادی را به عمل آورند (شکل 1).
شکل 1: مهندسان شرکت سامسونگ در حال توسعه و آزمایش فناوریهایی برای شبکههای 5G هستند.
این ایده که استاندارد 5G آماده است، یک اشتباه عمدی و جمعی با همدستی علاقهمندان این صنعت برای ترغیب و تشویق دیگران به همکاری و آزمایش فناوریهای مختلف همراستا با 5G است تا به این گونه بتوانند به پیشرفت این فناوری بنیادی کمک کنند، بدون اینکه یک استاندارد مشخص و تعریف شده وجود داشته باشد. حتی خود این مراکز نیز اذعان دارند هنوز هیچ استاندارد نهایی تهیه نشده است. با این حال، تمام این آزمایشها و همکاریها به پایهریزی یک استاندارد مقدماتی و پایهای منجر میشود که شروعی برای فعالیت و تخصیص بودجه در سراسر جهان به جهت توسعه پروژههای فناوری 5G باشد.
تیبت کلینر، رئیس کمیسیون CONNECT اروپا، میگوید: «طیفهای فرکانسی عمدهترین چالش کنونی و آینده بر سر اجرای اولیه با موفقیت شبکههای 5G هستند. ما بهطور عمومی به اندازه کافی طیفهای فرکانسی برای 5G نداریم و این فناوری به بهینهسازی گستردهای روی طیفهای موجود نیاز دارد.»
بهعنوان مثال، اتحادیه اروپا و کره جنوبی یک تفاهمنامه همکاری با یکدیگر روی توسعه 5G امضا کردند. هر دو طرف وعده کردند 700 میلیون یورو و 5/1 میلیارد دلار برای گسترش و راهاندازی شبکههای 5G محلی بودجه بدهند. انگلستان، نزدیک به 70 میلیون پوند برای ساخت یک مرکز تحقیقاتی 5G بهنام 5G Innovation Centre تخصیص داده است. 5GIC مجموعهای در بازار شهر گیلدفورد است که آوریل سال آینده بازگشایی خواهد شد. این مرکز تحقیقاتی در هنگام شروع به کار پروژه آزمایش فناوریهای موجود را روی نسل بعدی شبکههای موبایل انجام میدهد. ایده این مرکز ساختن محیطی ناهمگون از 41 اکسسپوینت شامل سلولهای کوچک، ماکروسلولها، سلولهای داخل و خارج از خانه و نقاط دسترسی دیگر است. شرکتهای سازنده محصولات 5G میتوانند دستگاههای خود را در این محیط آزمایش و ارزیابی کنند. دانشجویان و کارمندان دانشگاه گیلفورد در این مرکز فعالیت خواهند کرد و برای آزمایشها به کار گرفته میشوند.
ایالات متحده تمرکز و حسن نیت بیشتری نسبت به 5G دارد و بسترهای مطالعاتی و تحقیقاتی فراوانی را تدارک دیده است. برای مثال، مرکز NYU Wireless که بخشی از مؤسسه پلیتکنیک دانشگاه نیویورک است، مسئولیت یافته است از سراسر این شهر اطلاعاتی را جمعآوری کند تا بتواند نقشهای از ایستگاهها و واحدهای موبایل مستقر و پراکنده در نیویورک به دست آورد. سپس، براساس این اطلاعات مدلهای کانالهای 5G را توسعه دهد. راهاندازی شبکههای آزمایشی و مراکز ارزیابی فناوریهای 5G نشان میدهد که با وجود نداشتن استانداردی در این زمینه، صنعت موبایل به راه خود ادامه میدهد و در حال ساخت نسل بعدی شبکههای موبایل است.
در حال حاضر، سه معیار اصلی برای استاندارد 5G مطرح شده است:
1- این شبکه باید بتواند سرعت دانلودی برابر یک گیگابیت بر ثانیه برای شروع به دست بدهد و در آینده به سرعت چند گیگابیت بر ثانیه برسد.
2- این شبکه باید تأخیر را به زیر یک میلیثانیه برساند.
3- این شبکه باید بتواند مصرف انرژی مؤثرتری نسبت به نسلهای پیشین داشته باشد (هرچند هیچ توافقی درباره چقدر بیشتر هنوز وجود ندارد).
با وجود اینکه نمیتوان پیشبینیهای دقیقی درباره نسل بعدی شبکههای موبایل داشت و نیازمندیهای کاربران باید توسط این شبکه پاسخ داده شود، این صنعت به یک اجماع کلی درباره 5G رسیده است. ارتباطات ماشین به ماشین یکی از کاربردهای 5G است. همچنین، قرار است 5G اینترنت اشیا را فعال کند؛ مفهومی که میگوید در آینده در همه جا هر شیء آنلاینی میتواند بیسروصدا با اشیای آنلاین دیگر ارتباط داشته باشد. 5G میخواهد تسهیلاتی برای ما فراهم کند تا بتوانیم از طریق شبکههای موبایل به خودروها متصل شویم و از راه دور روباتهای صنعتی را کنترل کنیم. دسترسی و کنترل از راه دور سیستمهای پزشکی و زیرساخت شهرهای مدرن آینده نیز جزء اولویتهای 5G هستند. همه اینها تصویر بزرگتری از این نسل شبکههای موبایل میسازند. اگر بخواهیم مثالهای عینی و قابل درکتری از کاربردهای فوق ارائه دهیم، باید به دانلود ویدیوهای 4K و 8K با سرعت بالا بدون هیچ تأخیری اشاره کنیم. اگر هنوز میخواهیم به جلو پیش برویم و سالهای خیلی دور را در نظر بگیریم، شاید مفهومی مانند «وب ملموس» (Tactile Web) برای هر فردی امکانپذیر باشد. با وجود این کاربردهایی که برای 5G ترسیم شده است و شمای کلی از آینده به دست میدهد، هنوز بحث و تبادل نظر پیرامون استانداردهای آن و چگونگی فناوریهای مرتبط داغ و زیاد و گاه بسیار متفاوت است.
کسی به فکر طیفهای فرکانسی نیست؟
هر استاندارد جدید موبایل نیازمند طیفهای فرکانسی بیشتر است. شبکههای 5G نیز از این قاعده مستثنی نیستند. اگر اپراتورهای موبایل میخواهند با ظرفیتهای بسیار بیشتری پاسخگوی کاربران باشند، به همان اندازه نیازمند طیفهای فرکانسی بیسیم بیشتری هستند تا به خدمت گرفته شوند. با تغییر و ورود هر نسل شبکههای موبایل، دولتها باید دنبال شناسایی طیفهای فرکانسی مورد نیاز اپراتورها باشند و مشخص کنند چه کسی از کدام باند و چگونه استفاده کند تا تداخل به وجود نیاید. سپس، باید بهترین روشها برای فروش و واگذاری این طیفهای تازه را بیابند و قیمتهای منصفانه و مقرون بهصرفهای تعیین کنند. همچنین، باید مطمئن شوند هر اپراتور بهطور کامل به تعهداتش عمل میکند و طیفهای واگذار شده خریداری میشوند و در حال استفاده هستند. در تاریخ صنعت بیسیم انواع حراجهای طیفهای فرکانسی، دعواهای حقوقی بر سر یک طیف خاص و زد و بندهای پشتپرده دولتیها و شرکتهای بزرگ برای واگذاری طیفهای خاص، تأخیر در راهاندازی شبکه و درگیریهای زیاد میان شرکتهای سرویسدهنده را شاهد بودیم. این شغل کمی آلوده، ولی با سود زیاد همراه است.
اتحادیه اروپا و کره جنوبی یک تفاهمنامه همکاری با یکدیگر روی توسعه 5G امضا کردند. هر دو طرف وعده کردند 700 میلیون یورو و 5/1 میلیارد دلار برای گسترش و راهاندازی شبکههای 5G محلی بودجه بدهند.
بهطور قطع 5G از الگوهای قدیمی تخصیص طیف فرکانسی تبعیت نخواهد کرد، ولی با یک دردسر جدید هم روبهرو است؛ به اندازه کافی طیف فرکانسی آزاد وجود ندارد. تحلیلگران حوزه شبکههای بیسیم اعتقاد دارند بهطور ویژه مسئلهای مانند رومینگ روی 5G مشکلساز خواهد بود. تیبت کلینر، رئیس کمیسیون CONNECT (شبکههای ارتباطی، محتوا و فناوری) اروپا، در این باره میگوید: «طیفهای فرکانسی عمدهترین چالش کنونی و آینده بر سر اجرای اولیه باموفقیت شبکههای 5G هستند. ما بهطور عمومی به اندازه کافی طیفهای فرکانسی برای 5G نداریم و این فناوری به بهینهسازی گستردهای روی طیفهای موجود نیاز دارد. بهوضوح تخصیص طیفهای بیشتر به 4G و پس از آن 5G میتواند کمککننده باشد، ولی به یک چالش عمومی تبدیل خواهد شد. به علاوه، چالش دیگر یافتن باندهای هارمونیک عمومی برای رومینگ 5G است، به طوری که تمام این طیفها قابلیت استفاده در نقاط مختلف جهان توسط اپراتورها را داشته باشند.»
یک راهکار میتواند تقسیمبندی و خرد کردن طیفهای فرکانسی بالاتر به طیفهای فرکانسی پایینتر، مثلاً طیفهای 700 مگاهرتز و 2.6 گیگاهرتز باشد که در حال حاضر توسط بیشتر اپراتورها استفاده میشوند. رویکرد دیگر میتواند حرکت به سوی طیفهای بالاتری مانند 6 گیگاهرتز، 28 گیگاهرتز و 38 گیگاهرتز باشد. فرکانسهای فراتر از 30 گیگاهرتز، بالاترین فرکانسهای موجود هستند و بهعنوان موجهای میلیمتری شناخته میشوند. استفاده از این باندهای فرکانسی برای اپراتورها بهشدت مهیج و تحریککننده است، بهویژه اینکه دعاوی حقوقی کمتری هم دارند و حداقل استفاده از آنها تضمین شده است و قابلیت توسعه برای 5G را دارند.
آشا کددی، مدیرکل استانداردها و فناوریهای پیشرفته گروه ارتباطات موبایل اینتل، این گونه تفاوت میان امواج مایکروویو و میلیمتر را توضیح میدهد: «من در حال رانندگی هستم و مجبور میشوم تا اواخر شب رانندگی کنم. وقتی به روبهروی در گاراژ خانهام میرسم، ترجیح میدهم از نور بالا استفاده کنم تا بهتر بتوانم گاراژ و دیوارهای کناری و محیط اطرافش را ببینم. نور بالا کمک میکند دامنه دید وسیعتری پیدا کنم. وقتی از امواج میلیمتری استفاده میکنید، بسته به فرکانسی که استفاده میکنید و اینکه چقدر بالاتر است، همانند نور بالای خودروها است.»
طیفهای سنتی اجازه انتقال اطلاعات در یک مسافت طولانیتر را میدهند، اما قدرت و ظرفیت کمتری دارند. امواج میلیمتری پهنای باند بیشتری میدهند، اما سیگنالها برد زیادی (به اندازه طیفهای سنتی رده پایین) ندارند. امواج میلیمتری نیز قابلیت استفاده از فناوریهایی مانند Beamforming را دارند. در این فناوری بهجای اینکه امواج در همه جهتها بهصورت فراگیر پخش و ارسال شوند، فقط در یک جهت مشخص و مستقیم برای دریافت توسط دستگاههایی مانند روتر، هندست یا کامپیوترهای کلاینت ارسال میشوند. تد راپاپورت، پروفسور و استاد دانشگاه نیویورک سیتی و مدیر بخش NYU Wireless، میگوید: «امروزه در همه جای جهان برای شبکههای سلولی موبایلی یا شبکههای وایفای از آنتنهای چندوجهی در ایستگاههای پایه و تلفن همراه استفاده میکنیم و آنتنهای مستقیم یا Beamforming زیادی وجود ندارد. ممکن است شبکههای LTE در آینده محدودیتهایی داشته باشند، ولی هنگامی که به سوی امواج میلیمتری حرکت کنید، توانایی قرار دادن دهها یا صدها آنتن در یک فضای کوچک را خواهید داشت که به شما اجازه ارائه پرتوهای بسیار باریک انرژی را میدهد.» تد راپاپورت ادامه میدهد: «این تغییر موجب پویا شدن کامل شبکههای بیسیم میشود و ابتدا از محیطهای محدود امروزی که در آنها چند اپراتور و سرویسدهنده مشغول به فعالیت هستند و شما در هر گوشه خیابان یک نفر را در حال فریاد زدن با گوشی موبایل میبینید، شروع میشود و به محیطهای متمرکز روی امواج رادیویی حامل انرژی مانند مگافونها کشیده میشود. در آن صورت، هر کس میتواند با یک مگافون در حال صحبت باشد.»
امواج میلیمتری نیز قابلیت استفاده از فناوریهایی مانند Beamforming را دارند. در این فناوری بهجای اینکه امواج در همه جهتها بهصورت فراگیر پخش و ارسال شوند، فقط در یک جهت مشخص و مستقیم برای دریافت توسط دستگاههایی مانند روتر، هندست یا کامپیوترهای کلاینت ارسال میشوند.
امواج میلیمتری یک کشف تازه نیستند. تحقیقات درباره این طیفهای فرکانسی به دهه 1980 برمیگردد، اما کار روی فرکانس 60 گیگاهرتز بهتازگی کشف شده ایده بسیار خوبی است که اکنون مورد توجه محققان قرار گرفته است. امواج این طیف فرکانسی قوی، ولی در بعد مسافت ضعیف هستند. این ویژگی موجب شد همانند نیاز به اکسیژن در هوا، شرکتهای مخابراتی و دستگاههای بیسیم به سوی این امواج هجوم آورند و فراموش کنند که هنوز بحث مجوزها و واگذاریهای قانونی باقی مانده است. پرسشی که اینجا مطرح میشود این است که چرا امواج میلیمتری دوباره بعد از سی سال مورد توجه قرار گرفتهاند؟ تحقیقات جدید نشان میدهد در میان این فرکانسها میتوان امواج خاصی را یافت که مشکلات بالقوه این طیفهای فرکانسی را نداشته باشند و بشود در صنعت موبایل آنها را به کار گرفت. به گفته راپاپورت، در برخی از این فرکانسها مشکل دیوار حل شده است: «اگر من به سراغ فرکانسهای بالاتر از 28، 38 تا 70 گیگاهرتز بروم، به مدت طولانی نمیتوانم از اکسیژن موجود در فضا در طیفهای بالاتر از 60 گیگاهرتز استفاده کنم، ولی رفتار امواج رادیویی بهشدت تغییر کرده و بسیار شبیه طیفهای فرکانسی میشود که در حال حاضر شبکههای سلولی موبایل و شبکههای بیسیم بدون از دست دادن جو اتمسفر استفاده میکنند. در واقع، این امواج نزدیک به جو اتمسفر میرایی بسیار بسیار کمتری نسبت به امواج آزاد روی طیفهای فرکانسی کاری امروزی دارند. میرایی امواج میلیمتری دلایلی بیشتر از عواملی مانند بارش باران یا عوامل شناخته شده در فضای آزاد ندارند.»
تا همین اواخر مانعی بر سر استفاده از امواج میلیمتری برای شبکههای 5G وجود نداشت، بلکه اخیراً و با تحقیقات جدید انجام گرفته مشخص شد بزرگترین چالش پیش رو این است که چگونه از این امواج در محیطهایی غیرمسقف و فضای آزاد بیرونی استفاده شود. مثلاً بارش باران بهشدت روی این امواج تأثیرگذار است و رگبار شدید میتواند کار این فرکانسها را بهطور کامل مختل کند. یکی از انتقادهای مخالفان استفاده از امواج میلیمتری روی 5G به همین موضوع برمیگردد. باران میتواند میرایی کامل امواج میلیمتری را همراه داشته باشد. سابقه چنین موضوعی نیز وجود دارد. در گذشته، صنعت خدمات مالی از امواج میلیمتری برای تبادل اطلاعات مالی میان مراکز داده چند سرویسدهنده بهره میبرد. باران پدیدهای است که در این صنعت بهطور جدی اختلالهایی ایجاد کرد. طبق مقالههای آکادمی NYU، میرایی برای امواج میلیمتری در فاصله 200 متری با سیگنالهای برخوردار از قدرت 1.4 دسیبل رخ میدهد. یعنی، فاصله یک سلول موبایل با دیگری نمیتواند بیشتر از 200 متر باشد. همین مقالهها به این موضوع هم اشاره دارند که اگر به اندازه کافی به سراغ طیفهای فرکانسی بالا برویم، این میرایی بسیار کمتر میشود و جای نگرانی برای کاربران موبایل نخواهد بود. در یکی از این مقالهها میخوانیم: «کار تعدادی از محققان روی امواج میلیمتری در فرکانسهای 28 تا 38 گیگاهرتز برای سلولهای موبایل کوچک نشان میدهد در فاصله یک کیلومتری پدیدهای مانند باران کمترین تأثیر و میرایی را خواهد داشت.» آنتنهای مستقیم نیز در این زمینه کمکرسان هستند و میتوانند از میرایی و از دست رفتن بیش از حد سیگنالها جلوگیری کنند.
ماهنامه شبکه را از کجا تهیه کنیم؟
ماهنامه شبکه را میتوانید از کتابخانههای عمومی سراسر کشور و نیز از دکههای روزنامهفروشی تهیه نمائید.
ثبت اشتراک نسخه کاغذی ماهنامه شبکه
ثبت اشتراک نسخه آنلاین
کتاب الکترونیک +Network راهنمای شبکهها
- برای دانلود تنها کتاب کامل ترجمه فارسی +Network اینجا کلیک کنید.
کتاب الکترونیک دوره مقدماتی آموزش پایتون
- اگر قصد یادگیری برنامهنویسی را دارید ولی هیچ پیشزمینهای ندارید اینجا کلیک کنید.
نظر شما چیست؟