5G از چه طیف‌های فرکانسی استفاده می‌کند؟

ویژگی‌های کلیدی فناوری 5G

برخی از مهم‌ترین و کلیدی‌ترین ویژگی‌هایی که باعث شده‌اند تا فناوری فوق مورد توجه شرکت‌ها و کاربران قرار بگیرد به‌شرح زیر هستند:

• بالاترین سرعت انتقال داده‌ها: نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی سرعت دانلود و آپلود بسیار بالایی را فراهم می‌کند، به‌طوری‌که دستیابی به سرعت‌هایی مثل 10 گیگابیت بر ثانیه برای دانلود و 2 گیگابیت بر ثانیه برای آپلود دور از انتظار نیست. این سرعت بالا به کاربران امکان استفاده از برنامه‌ها و خدماتی مانند استریم ویدیوهایی با کیفیت بالا، بازی‌های آنلاین و واقعیت مجازی را می‌دهد.
• پهنای باند بیشتر: نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی باند فرکانسی گسترده‌تری را در اختیار قرار می‌دهد که برقراری ارتباطات بیشتر و انتقال داده‌های بالاتر را تسهیل می‌کند. این پهنای باند بیشتر به اپراتورها و تامین‌کنندگان ارتباطات سیار اجازه می‌دهد تا تعداد بیشتری کلاینت را به‌طور همزمان در شبکه پشتیبانی کنند.
• زمان پاسخ‌گویی کمتر: نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی زمان پاسخ‌گویی یا به عبارت دقیق‌تر تاخیر به مراتب کمتری نسبت به نسل قبل دارند که همین مسئله باعث شده تا در ارتباطات بلادرنگ مثل ویپ، خودران‌ها، استریم‌ها و ارتباطات ماشین به ماشین (M2M) به‌شدت مفید واقع شوند. 
• افزایش تعداد اتصالات: با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند Massive MIMO سرنام Multiple-Input Multiple-Output و Beamforming، نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی قادر هستند با تعداد بالایی از دستگاه‌ها به‌صورت همزمان ارتباط برقرار کنند. این ویژگی مهم برای اینترنت اشیاء (IoT) و شهر هوشمند یک دستاورد بزرگ است، زیرا به شبکه‌ای از حس‌گر و تجهیزات با قابلیت اتصال به شبکه اجازه می‌دهد تا داده‌های جمع‌آوری‌شده از محیط را در مدت زمان کوتاهی برای مراکز داده ارسال کرده و پاسخ را در کمترین زمان دریافت کنند. بنابراین، مشکلی از بابت اتصال انواع مختلفی از تجهیزات مستقر در معابر شهری به شبکه هوشمند وجود نخواهد داشت. 

طیف‌های فرکانسی مورد استفاده در شبکه 5G

در فناوری ارتباطات بی‌سیم، باندهای فرکانسی مختلف برای انتقال امواج رادیویی استفاده می‌شوند. این باندهای فرکانسی بر اساس مقدار فرکانس (تعداد تکرارها در یک واحد زمان) دسته‌بندی می‌شوند. فرکانس رابطه مستقیمی با سرعت انتقال داده‌ها و برد ارتباط دارد. شبکه 5G از طیف فرکانسی گسترده‌ای استفاده می‌کند تا ارتباطات بی‌سیم را فراهم کند. این طیف شامل مجموعه‌ای از فرکانس‌های مختلف است که به شبکه‌های 5G اجازه می‌دهد ارتباطات بیشتری را برقرار کنند و نرخ انتقال داده بالاتری را در اختیار کاربران قرار دهند. 

اکنون که تا حدودی با برخی از ویژگی‌های کلیدی 5G آشنا شدیم، وقت آن رسیده به معرفی برخی از طیف‌های فرکانسی پرکاربرد در این فناوری بپردازیم.

Sub-6 GHz

این طیف شامل فرکانس‌های زیر 6 گیگاهرتز است و به‌عنوان طیف پایه برای شبکه‌های 5G عمل می‌کند. این فرکانس‌ها شامل باندهای 700 مگاهرتز، 2.5 گیگاهرتز، 3.5 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز می‌شوند. طیف Sub-6 GHz برای پوشش گسترده و انتقال داده‌های بالا مناسب است. همین مسئله باعث شده تا Sub-6 GHz به یکی از باندهای فرکانسی اصلی مورد استفاده در فناوری 5G تبدیل شود. در شبکه‌های ارتباطی، فرکانس‌های بی‌سیم در دسته‌بندی‌های مختلف قرار می‌گیرند.

Sub-6 GHz به فرکانس‌های زیر 6 گیگاهرتز (GHz) اشاره دارد. این باند فرکانسی شامل فرکانس‌هایی مثل 2.4 و 5 گیگاهرتز است که در حال حاضر شبکه‌های وای‌فای از آن استفاده می‌کنند. شکل 1، باندهای تجاری رایج Sub-6 GHz مورد استفاده در نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی را نشان می‌دهد. 

شکل 1

اگر در نظر داشته باشیم تا عملکرد فرکانس Sub-6 GHz را به زبانی ساده شرح دهیم باید بگوییم که نحوه کار Sub-6 GHz به این صورت است که ابتدا فرآیند تولید سیگنال را انجام می‌دهد. در ابتدا، یک منبع سیگنال (مثل یک مودولاسیون رادیویی) سیگنالی با فرکانس Sub-6 GHz تولید می‌کند. این سیگنال شامل اطلاعاتی است که قرار است ارسال شوند مانند صدا، داده‌ها و تصاویر. مرحله بعد، انتقال سیگنال است. سیگنال تولیدشده از طریق یک آنتن ارسال می‌شود. آنتن می‌تواند به‌صورت یک آنتن مخابراتی در یک برج یا یک آنتن داخلی در دستگاه‌هایی مانند تلفن همراه باشد. سیگنال Sub-6 GHz به‌صورت امواج رادیویی از آنتن ارسال می‌شود. در مرحله بعد، انتقال در محیط انجام می‌شود. به این معنی که سیگنال Sub-6 GHz از طریق هوا به مقصد ارسال می‌شود. این امواج رادیویی قادر به نفوذ به دیوارها و ساختمان‌ها هستند و به‌صورت مستقیم یا با انعکاس از سطوح مختلف به مقصد می‌رسند. مرحله بعد دریافت سیگنال است. سیگنال Sub-6 GHz

توسط آنتن در دستگاه مقصد دریافت می‌شود. آنتن دریافت‌کننده، سیگنال را تشخیص می‌دهد و آن را به دستگاه پردازشی (مانند مودم یا تلفن همراه) ارسال می‌کند. در نهایت، فرآیند پردازش سیگنال انجام می‌شود. سیگنال دریافت‌شده توسط دستگاه پردازشی تفسیر و تجزیه می‌شود. اطلاعات مورد نیاز (مانند داده‌ها یا صدا) استخراج می‌شود و قابل استفاده برای کاربر می‌شود.

فرآیند انتقال سیگنال Sub-6 GHz بین دو دستگاه بی‌سیم به این صورت عمل می‌کند. البته، در شبکه‌های بزرگ‌تر، مانند شبکه‌های سیار، این فرآیند با دستگاه‌ها و تجهیزات اضافی انجام می‌شود که در جهت تقویت و مدیریت سیگنال‌ها استفاده می‌شوند. با توجه به توضیحاتی که ارائه کردیم باید بگوییم که Sub-6 GHz دارای برد بیشتر و قدرت نفوذ بهتر در مقایسه با باندهای با فرکانس بالاتر مانند mmWave است. از طرفی، Sub-6 GHz سرعت بالا و پهنای باند بیشتری را نسبت به فرکانس‌های پایین‌تر مثل 2.4 گیگاهرتز فراهم می‌کند. استفاده از باند Sub-6 GHz در شبکه‌های 5G مزایایی مانند پوشش گسترده‌تر، قدرت نفوذ بهتر در ساختمان‌ها و مناطق شهری و قابلیت انتقال داده‌ها در فواصل طولانی‌تر در اختیار ما قرار می‌دهد. این باند فرکانسی مناسب برای استفاده در مناطق شهری است که نیاز به پوشش گسترده‌تر و ارتباطات مکان‌محور دارند. در مقایسه با باندهای با فرکانس بالاتر مانند mmWave، باندهای Sub-6 GHz دارای ویژگی‌های متفاوتی هستند که برخی از آن‌ها به‌شرح زیر است:

• پوشش وسیع: فرکانس Sub-6 GHz دارای پوشش بیشتری نسبت به فرکانس‌هایی مثل mmWave  است. به بیان دقیق‌تر، امواج رادیویی با فرکانس‌های Sub-6 GHz قدرت نفوذ بهتری به ساختمان‌ها و مناطق شهری دارند و ارائه خدمات بی‌سیم در فواصل طولانی‌تر را امکان‌پذیر می‌کنند. 
• سرعت و پهنای باند: Sub-6 GHz قادر است سرعت بالا و پهنای باند بیشتر را نسبت به باندهای با فرکانس پایین‌تر مانند 2.4 گیگاهرتز ارائه دهد. در نتیجه قابلیت انتقال داده‌های بیشتر و تجربه کاربری بهتر با استفاده از شبکه‌های 5G به‌دست می‌آید. این ویژگی برای ارتباطات بی‌سیم با سرعت بالا و ارسال و دریافت داده‌های حجیم ویدئویی و داده‌های دیگر ضروری است.
• پایداری سیگنال: فرکانس‌های Sub-6 GHz دارای پایداری سیگنال بالا هستند. به عبارت دقیق‌تر، در مقابل موانع مانند دیوارها و مواد ساختمانی، سیگنال‌های Sub-6 GHz قادر به حفظ پایداری و کیفیت ارتباط هستند. این ویژگی مفید است، زیرا امکان ارائه خدمات بی‌سیم در مناطق با جمعیت بالا و ساختمان‌های بزرگ را بهبود می‌بخشد.
• فرکانس معمول: فرکانس‌های Sub-6 GHz معمولا در کاربردهای بی‌سیم رایج مانند شبکه‌های وای‌فای، بلوتوث و شبکه‌های سلولی 4G و 5G استفاده می‌شوند. از این‌رو، تجهیزات بی‌سیم موجود در بازار توانایی پشتیبانی از فرکانس‌های Sub-6 GHz را دارند.

به‌طور کلی، فرکانس‌های Sub-6 GHz به‌دلیل پوشش گسترده، قدرت انتقال بالا، پایداری سیگنال و استفاده گسترده در تجهیزات بی‌سیم، برای ارائه خدمات مختلف از جمله ارتباطات سلولی و اینترنت بی‌سیم بسیار مناسب هستند.

امواج میلی‌متری (mmWave)

این طیف شامل فرکانس‌های بالاتر از 24 گیگاهرتز است. این فرکانس‌ها امکان انتقال حجم زیادی از داده‌ها را به‌وجود می‌آورند، اما پوشش آن‌ها محدودتر است. این طیف نیز برای نقاط فشرده و مناطقی با تراکم بالا مانند شهرها و مراکز شلوغ استفاده می‌شود. به‌طور کلی، امواج میلی‌متری به باندهای فرکانسی بسیار بالا در فناوری ارتباطات بی‌سیم اشاره دارد. این باندهای فرکانسی در بازه فرکانسی 30 گیگاهرتز تا 300 گیگاهرتز قرار دارند. استفاده از mmWave در فناوری ارتباطات، انتقال داده‌ها با سرعت بسیار زیاد را امکان‌پذیر می‌کند. این باندهای فرکانسی دارای پهنای باند بسیار بالایی هستند که اجازه می‌دهند حجم زیادی از داده‌ها را در یک زمان کوتاه انتقال داد. از طرفی، برد امواج میلی‌متری محدود است و تحت تاثیر موانع فیزیکی مانند ساختمان‌ها افت شدید پیدا می‌کنند (شکل 2). 

شکل 2

به‌لحاظ فنی، عملکرد امواج میلی‌متری به این صورت است که ابتدا فرآیند تولید سیگنال انجام می‌شود که همانند فناوری قبلی، یک منبع سیگنالی را در محدوده فرکانس‌های مجاز در یک کشور تولید می‌کند. در ادامه، سیگنال تولیدشده از طریق یک آنتن mmWave ارسال می‌شود. آنتن‌های mmWave به‌دلیل فرکانس بالا، کوچک‌تر از آنتن‌های Sub-6 GHz هستند و فرآیند ساخت آن‌ها مستلزم رعایت جزئیات فنی دقیقی است. سیگنال mmWave به‌صورت امواج رادیویی از طریق آنتن ارسال می‌شود. این فرکانس‌ها به‌طور معمول باید به‌شکل مستقیم ارسال شوند، بنابراین در صورت انعکاس یا وجود پارازیت، کیفیت و قدرت سیگنال به‌شکل قابل توجهی افت می‌کند. سیگنال mmWave توسط آنتن دریافت‌کننده در دستگاه مقصد دریافت می‌شود. آنتن دریافت‌کننده، سیگنال را تشخیص می‌دهد و آن را به دستگاه پردازشی (مانند مودم یا تلفن همراه) ارسال می‌کند. سیگنال دریافت‌شده توسط دستگاه پردازشی تجزیه‌و‌تحلیل می‌شود و اطلاعات مورد نیاز (مانند داده‌ها یا صدا) استخراج می‌شود تا کاربر بتواند از آن استفاده کند. 

مهم‌ترین ویژگی امواج میلی‌متری قدرت انتقال بالای آن‌ها است که قادر به ارسال و دریافت حجم زیادی از داده‌ها هستند. به‌طور کلی مزایای فناوری امواج میلی‌متری در موارد زیر خلاصه می‌شود: 

• سرعت بالا: mmWave قادر است سرعت انتقال داده‌ها را به‌طور چشم‌گیری افزایش دهد. این فناوری می‌تواند سرعت‌های چند گیگابیت بر ثانیه را فراهم کند که امکان استفاده از برنامه‌ها و خدماتی را که نیازمند پهنای باند بالا هستند مانند واقعیت مجازی، بازی‌های آنلاین گرافیکی پیشرفته و استریم فیلم‌های 4K و 8K ،‌ وجود می‌آورد. 
• زمان پاسخ‌گویی کوتاه‌تر: استفاده از امواج میلی‌متری باعث کاهش تاخیر در انتقال داده‌ها می‌شود. این ویژگی در برنامه‌هایی که نیازمند زمان‌بندی دقیق و پاسخگویی سریع هستند مانند سرویس‌های ویپ و خودران‌ها اهمیت زیادی دارد. 
• ظرفیت بالا: باندهای میلی‌متری دارای پهنای باند بسیار بالایی هستند که اجازه می‌دهند چندین کلاینت به‌طور همزمان حجم زیادی از اطلاعات را انتقال دهند. این ویژگی اهمیت زیادی در محیط‌هایی با تراکم بالا مثل فستیوال‌ها، استادیوم‌های ورزشی و پخش‌های زنده دارد. 

با این حال، امواج میلی‌متری محدودیت‌هایی دارد که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره شده است.

• برد محدود: امواج میلی‌متری در برابر موانع فیزیکی آسیب‌پذیر هستند و بنابراین کاربران ساکن در ساختمان‌هایی که مجهز به شیشه‌های چندلایه است یا از مواد عایق‌بندی قوی در شالوده ساختمان استفاده شده است مشکل دریافت سیگنال را تجربه می‌کنند. بنابراین، برد شبکه‌های مبتنی بر امواج میلی‌متری کم است که نیاز به استقرار تعداد بیشتری از تجهیزات فرستنده و گیرنده‌ برای تقویت سیگنال و جبران محدودیت را اجتناب‌ناپذیر می‌کند. 
• آسیب‌پذیری به‌دلیل وجود موانع طبیعی: امواج میلی‌متری به‌راحتی توسط موانع فیزیکی مانند باران، برف، درختان و حتا بدن انسان تضعیف می‌شوند. این موضوع باعث قطعی و تداخل در ارتباطات می‌شود.
• در حال حاضر، امواج میلی‌متری در فناوری‌های ارتباطی بی‌سیم بسیار پیشرفته مانند شبکه‌های 5G و برخی از شبکه‌های وای‌فای پرسرعت استفاده می‌شود.

فناوری اشتراک‌گذاری طیف پویا

(Dynamic Spectrum Sharing )

 این فناوری به شبکه 5G اجازه می‌دهد از طیف‌های فرکانسی موجود در شبکه‌های 4G استفاده کند و به اپراتورها این قابلیت را می‌دهد تا به‌طور تدریجی و با توجه به نیازها، باند فرکانسی خود را از 4G به 5G ارتقاء دهند. فناوری اشتراک‌گذاری طیف پویا یک فناوری پرکاربرد در حوزه شبکه‌های بی‌سیم است که امکان اشتراک‌پذیری طیف فرکانسی بین سرویس‌ها و فناوری‌های مختلف را به‌وجود می‌آورد. در فناوری‌ قبلی که پیش‌تر اشاره کردیم، طیف فرکانسی به‌صورت اختصاصی برای هر سرویس ارتباطی مانند 2G، 3G، 4G و غیره استفاده می‌شد، اما با رشد روزافزون تراکم ترافیک و نیاز به پهنای باند بیشتر در شبکه‌های بی‌سیم، استفاده بهینه از طیف فرکانسی ضروری شده است (شکل 3). 

شکل 3

DSS به‌عنوان یک الگوی نرم‌افزاری، اجازه می‌دهد چند فناوری و سرویس مختلف، طیف فرکانسی را به‌صورت همزمان و به اشکال متفاوت مورد استفاده قرار دهند. به عبارت دیگر، DSS به تجزیه‌وتحلیل دقیق طیف فرکانسی و تخصیص آن به‌صورت پویا و بر اساس نیازهای مختلف سرویس‌ها می‌پردازد. با استفاده از DSS، یک محیط ارتباطی می‌تواند طیف فرکانسی را بین فناوری‌های مختلف مانند

2G، 3G، 4G و 5G به‌صورت پویا تقسیم کند که به معنای استفاده بهینه از طیف فرکانسی و افزایش ظرفیت شبکه است. به علاوه، DSS ارتقاء سرویس‌های موجود به فناوری‌های جدید را امکان‌پذیر می‌کند؛ بدون آن‌که نیازی به تغییرات سخت‌افزاری گسترده ضروری باشد. به این ترتیب، اپراتورها می‌توانند به‌سرعت به شبکه‌های 5G سوییچ کنند، در حالی که همچنان سرویس‌های 4G را نیز ارائه می‌دهند. 

استفاده از DSS برای اشتراک طیف فرکانسی به‌صورت پویا باعث می‌شود تا فناوری‌هایی مثل واقعیت مجازی، اینترنت اشیاء، خودران‌ها و سرویس‌های بی‌سیم عملکرد بهتری داشته باشند. در حال حاضر، این فناوری در شبکه‌های 5G استفاده می‌شود. پرسش مهمی که مطرح می‌شود این است که چه تفاوتی بین DSS و تقسیم طیف فرکانسی سنتی وجود دارد؟

تفاوت اصلی بین اشتراک‌گذاری طیف پویا و تقسیم طیف فرکانسی سنتی در روش استفاده از طیف فرکانسی است. در تقسیم طیف فرکانسی سنتی، طیف فرکانسی به‌طور اختصاصی به یک فناوری یا سرویس اختصاص داده می‌شود. به عبارت دیگر، هر فناوری از یک بخش خاص از طیف استفاده می‌کند. به‌عنوان مثال، یک باند فرکانسی ممکن است به‌طور اختصاصی برای 4G LTE یا 5G استفاده شود و سرویس‌های دیگر قادر به استفاده از آن نباشند. 

اما در DSS، طیف فرکانسی به‌صورت پویا و مشترک بین فناوری‌ها و سرویس‌ها تقسیم می‌شود. به عبارت دقیق‌تر، یک باند فرکانسی می‌تواند به‌صورت همزمان توسط چند فناوری مختلف مانند 2G، 3G، 4G و 5G استفاده شود. با استفاده از الگوریتم‌ها و روش‌های نرم‌افزاری، DSS تصمیم می‌گیرد کدام بخش از طیف فرکانسی به کدام فناوری تخصیص داده شود که این فرآیند تخصیص به‌صورت پویا و بر اساس نیازهای مختلف سرویس‌ها تغییر می‌کند.

بنابراین، تفاوت اساسی بین DSS و تقسیم طیف فرکانسی سنتی در اشتراک‌پذیری طیف فرکانسی بین فناوری‌ها و سرویس‌ها است. در DSS، طیف فرکانسی به‌صورت پویا و از طریق نرم‌افزار مدیریت می‌شود، در حالی که در تقسیم طیف فرکانسی سنتی، طیف به‌صورت اختصاصی بین فناوری‌ها تقسیم می‌شود و هر فناوری از بخشی از طیف استفاده می‌کند.

کلام آخر

استفاده از این طیف‌های فرکانسی متنوع، به شبکه 5G اجازه می‌دهند تا از پهنای باند بیشتری استفاده کند و نرخ انتقال داده‌های بالاتری را در اختیار کاربران قرار دهد. همچنین، استفاده از طیف‌های فرکانسی مختلف، اپراتورها را قادر می‌سازد به‌شکل بهتری به پوشش‌دهی و سرویس‌دهی به مناطق مختلف بپردازند.