شعارسال: امروز، نسل پنجم شبکه‌های تلفن همراه نیز درحال‌توسعه است. انتظار می‌رود در اواخر سال ۲۰۱۹ میلادی، این شبکه به‌صورت تجاری قابل‌عرضه باشد. نسل پنجم شبکه‌ تلفن همراه، به معنای دقیق کلمه انقلابی است در درک ما از ارتباطات. زیرا تحولات بسیاری در این حوزه ایجاد خواهد شد. در این مقاله می‌خواهیم به چیستی نسل پنجم شبکه تلفن همراه یا همان اینترنت ۵G و نیز مشخصات و نحوه کارکرد آن بپردازیم.

تلفن همراه، این پیرمردِ جوان

تلفن‌های همراه با تعریفی که می‌شناسیم، از دهه هشتاد میلادی به این‌سو، متولد شده‌اند. پیش از آن، تلفن‌های همراه آن‌قدر بزرگ و سنگین بودند که فقط می‌توانستید آن‌ها را در خودرو نصب کنید. مدتی بعد هم که ابعاد آن‌ها کوچک‌تر شد، برای حملشان یک کیف لازم بود. تنها در اواخر دهه هشتاد میلادی بود که اندازه و وزن تلفن‌های همراه با اندازه و استحکام جیب‌های لباس ما هم‌خوانی پیدا کردند.

همراه با کوچک‌تر شدند تلفن‌های همراه، شبکه‌های موبایل نیز پیشرفت کردند. پیشرفت‌هایی که به دنیای آنلاین ما رسیدند. پیش از آغاز بحث در مورد نسل پنجم، بهتر است تاریخچه مختصری از شبکه‌های موبایل را مرور کنیم.

یکی بود یکی نبودِ نسل صفرم موبایل

نسل صفرم شبکه‌ تلفن همراه (۰^th Generation or 0G) در دهه ۴۰ ارائه و تا میانه دهه ۷۰ میلادی توسعه یافت. این نسل با استفاده از ارتباطات رادیویی آنالوگ (مشابه آنچه در رادیو موج متوسط، کوتاه و FM وجود دارد) کار می‌کرد. برای انجام تماس در این شبکه، لازم بود کاربر با واحد انسانی که وظیفه ایجاد ارتباط بین مشتریان را به عهده داشت، تماس بگیرد و از آن‌ها بخواهد که وی را با استفاده از کلید‌ها و فیش‌های گوناگون، به کاربر مورد نظرش متصل کنند!

این نسل از شبکه‌ تلفن همراه، در اصل همان نسخه بی‌سیم شده شبکه تلفن کابلی بود. تلفن‌های همراهی که از این سیستم استفاده می‌کردند، بزرگ و سنگین بودند و فقط می‌شد آن‌ها را روی وسایل نقلیه مثل خودرو نصب کرد. در اواخر دهه هفتاد بود که تلفن‌های همراه نسل صفرم، کوچک شدند و یک نفر می‌توانست آن‌ها را حمل کند. همچنین در اواخر نسل صفرم، اپراتورهای انسانی حذف شدند و برقراری ارتباطات با ابزارهای خودکار صورت می‌گرفت. ژاپن نیز اولین کشوری بود که در سال ۱۹۷۹شبکه تلفن همراه نسل صفرم را در تمام کشور عملیاتی کرد.

اولین تلفن همراه قابل‌حمل با نام DynaTAC 8000X توسط شرکت موتورولا در ۳ آوریل ۱۹۷۳ معرفی شد.

چند سال پس‌ازاین پیشرفت‌ها، نسل اول شبکه‌ تلفن همراه (۱^st Generation or 1G) در ۱۹۸۱ معرفی شد. در نسل اول نیز، همانند نسل صفرم از ارتباط آنالوگ استفاده می‌شد. به همین دلیل سرعت اتصال کم بود و فقط امکان ایجاد تماس‌های صوتی وجود داشت. اگر بخواهیم تصویری از میزان محدودیت ارتباطی این نسل بیان کنیم، شاید بهتر باشد معادل دیجیتالی آن را بیاوریم. سرعت این اتصال در معیارهای دیجیتال، تنها ۲ کیلوبیت در ثانیه (Kb/s 2) بود.

نسل دوم، بالاخره موبایل!

در سال ۱۹۹۲ نسل دوم (۲^nd Generation or 2G) شبکه‌ تلفن همراه معرفی شد. در این سال‌ها تلفن‌های همراه کوچک شده بودند و «در جیب جا می‌شدند». از سویی هزینه تولید تلفن‌های همراه کاهش یافته و قیمت آن برای استفاده عموم مردم مناسب شده بود. از این زمان بود که انقلاب تلفن‌های همراه در جهان، آغاز شد. نسل دوم شبکه تلفن‌ همراه بر پایه ارتباطات دیجیتال بود. استاندارد‌هایی که در این نسل معرفی شدند، علاوه بر تماس‌های صوتی، امکان ارسال پیام‌های متنی کوتاه (Short Message Service or SMS) را هم فراهم کردند. سرعت ارتباط داده‌ای در این سیستم بین ۱۴ تا ۶۴ کیلوبیت در ثانیه بود.

استانداردهای دیجیتال ارائه‌شده در نسل دوم، این امکان را فراهم کرد که کاربران زیادی بتوانند هم‌زمان از تلفن همراه استفاده کنند. با توسعه نسل دوم و ارائه نسل‌های ۲٫۵ و ۲٫۷۵، سرعت ارتباط داده‌ای تا ۱۴۴ کیلوبیت در ثانیه افزایش یافت. با این کار، امکان ارائه اینترنت نیز در این شبکه فراهم شد.

استاندارد‌هایی که در نسل دوم معرفی شدند، علاوه بر تماس‌های صوتی، امکان ارسال پیام‌های متنی کوتاه را هم فراهم کردند.

تنها دو سال پس از عرضه تجاری نسل دوم شبکه‌های موبایل، «همراه اول» در سال ۱۳۷۳ (۱۹۹۴ میلادی) اولین شبکه‌ تلفن همراه را به ایران آورد. این شرکت توانست در اولین گام با استفاده از ۱۷۶ آنتن نسل دوم، به ۹۲۰۰ کاربر خدمات تلفن همراه ارائه دهد. ارائه تلفن‌های همراه با استقبال زیادی در ایران مواجه شد. همراه اول نیز به دنبال این استقبال گسترده، دامنه فعالیت‌ها و نقاط تحت پوشش را گسترش داد، به‌طوری‌که یک سال بعد یعنی ۱۳۷۴، شهرهای مشهد، اهواز، تبریز، اصفهان و شیراز تحت پوشش شبکه همراه اول قرار گرفتند و تعداد کاربران نیز به ۱۵۹۰۷ کاربر افزایش یافت.

نسل سوم

۹ سال بعد، نسل سوم (۳^rd Generation or 3G) شبکه‌های تلفن همراه ظهور کرد. نسل سوم یک شبکه پهن‌باند بود و می‌توانست ارتباطات ویدئویی، داده‌ای و صوتی را برقرار کند. با ظهور نسل سوم، امکان آنلاین بودن با تلفن همراه به وجود آمد. سرعت انتقال داده‌های دیجیتال در این شبکه از ۱۴۴ کیلوبیت در ثانیه تا ۲ مگابیت در ثانیه افزایش پیدا کرد.

استفاده از تلفن همراه با توسعه شبکه نسل سوم همگانی شد. گوشی تلفن همراه که پیش‌ازاین فقط موردتوجه بزرگ‌سالان بود، به وسیله‌ای برای همه افراد بدل شد. دیگر موبایل فقط مختص «باباهای پولدار» نبود. بلکه این جوانان بودند که کاربردهای تلفن هوشمند را به والدین خود آموزش می‌دادند. با توسعه نسل سوم و عرضه نسل‌های ۳٫۵ و ۳٫۷۵ سرعت انتقال داده‌ها تا ۱۰ مگابیت در ثانیه افزایش پیدا کرد.

نوکیا ۶۶۳۰ اولین گوشی تلفن همراه با پشتیبانی از نسل سوم بود.

نسل چهارم، مسابقه آغاز می‌شود

نسل چهارم (۴^th Generation or 4G) شبکه‌ تلفن همراه در سال ۲۰۰۹ ارائه شد. این نسل در حال حاضر پیشرفته‌ترین شبکه تجاری موجود در جهان است. توسعه نسل‌های پیشین شبکه تلفن همراه، با محوریت افزایش امکانات شبکه صورت می‌گرفت؛ اما نسل چهارم، از ابتدا بر پایه افزایش سرعت ارتباطی بنا شد. این نسل، به معنای واقعی کلمه انقلابی در دنیای تلفن‌های همراه ایجاد کرد.

نسل چهارم در اولین مرحله ارائه خود، «تحول بلندمدت» (Long Term Evolution or LTE) نامیده شد. حداقل سرعت ارتباطی در این شبکه ۱۰ مگابیت بر ثانیه است؛ اما این شبکه می‌تواند تا ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه نیز سرعت ارتباطی ارائه دهد.

در ایران نیز، همراه اول به‌عنوان بزرگ‌ترین اپراتور تلفن همراه، با پرش از نسل سوم، نسل چهارم شبکه‌ موبایل را توسعه داد و به‌سرعت نسل ۴.۵ را نیز عرضه کرد.

نسل پنجم، کمربندها را ببندید!

تلاش برای توسعه نسل پنجم (۵G) شبکه تلفن همراه از سال ۲۰۱۱ ‌آغازشده است. این شبکه نیز در ادامه توسعه نسل چهارم و در تلاش برای بهبود جنبه‌های ارتباطی به وجود آمد. نسل پنجم قرار است برخی از فاکتورهای اساسی ارتباطی در شبکه همچون سرعت، میزان تاخیر، پهنای باند و مصرف انرژی را بهبود دهد. برای انجام چنین کاری، توسعه‌دهندگان نسل پنجم مجبور هستند فناوری‌ها و تکنیک‌های پیشرفته‌ای را که در ادامه می‌‌آیند، به‌کارگیرند.

۱– امواج میلی متری

شبکه‌های تلفن همراه در بازه فرکانسی بین ۸۰۰ مگاهرتز با طول‌موج ۳٫۷۵ متر در نسل دوم تا ۲۷۰۰ مگاهرتز با طول‌موج ۹۰ سانتی‌متر در نسل چهارم کار می‌کنند. پهنای باندی هم که به هر اتصال اختصاص می‌یابد، چند کیلوهرتز است. این پهنای فرکانسی، امکان اتصال هم‌زمان دستگاه‌‌های زیادی را ندارد. از سویی، نمی‌توان در این محدوده فرکانسی، سرعت انتقال داده‌ها را از حدی بیشتر کرد. در نسل پنجم شبکه تلفن همراه، بازه فرکانسی مورداستفاده تا ۳۰۰ گیگاهرتز (با طول‌موج یک میلی‌متر) افزایش می‌یابد.

در نسل پنجم شبکه تلفن همراه، بازه فرکانسی مورداستفاده تا ۳۰۰ گیگاهرتز افزایش می‌یابد.

این پهنای باند می‌تواند نیازهای آینده را تامین کند؛ زیرا پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد، با گسترش اینترنت اشیا، خودروهای خودران، ابزارهای واقعیت افزوده و واقعیت مجازی تا سال ۲۰۲۵ حدود ۵۰ میلیارد وسیله متصل به اینترنت خواهیم داشت. تامین اینترنت و ارائه اتصال دائمی و پایدار به‌تمامی این وسایل با پهنای فرکانسی موجود امکان‌پذیر نیست.

تخصیص فرکانس کار

بازه فرکانسی مذکور متناسب با کارکرد هر وسیله‌ای، بین تجهیزات و عملکردهای گوناگون توزیع خواهد شد. برای کاربران معمولی بازه ۲۴ تا ۴۰ گیگاهرتز و برای خدمات اضطراری بازه ۶۰ تا ۷۰ گیگاهرتز تعریف‌شده است. به‌عنوان مثالی از خدمات اضطراری می‌توان به ابزارهای جراحی از راه دور، خودروهای خودران، سیستم‌های بهداشتی و دستگاه‌های صنعتی اشاره کرد.

این تجهیزات نیازمند ارتباط سریع، کم‌تاخیر و با کمترین تداخل هستند. یک باند فرکانسی مشترک نیز وجود خواهد داشت که در صورت پر بودن هرکدام از این بازه‌ها، مورد استفاده قرار گیرد.

اینکه چرا امواج میلی‌متری تا به امروز استفاده نشده‌اند، دو دلیل دارد. اولین دلیل، نبود احساس نیاز به استفاده از این امواج بود. از سوی دیگر، این امواج به‌راحتی در هوا جذب می‌شوند. ازاین‌روی برای داشتن ارتباط دائمی با این امواج، لازم است همواره دیدمستقیمی بین فرستنده و گیرنده وجود داشته باشد. به همین جهت لازم بود که فناوری دیگری اختراع می‌شد. بخش‌ دیگری از فناوری نسل پنجم روی ایجاد دیدمستقیم متمرکز است.

۲– آنتن‌هایی با تعداد اتصالات زیاد

ساختار آنتن‌های ارتباطی تلفن همراه نسل چهارم به‌گونه‌ای‌ است که برای تعداد زیادی کاربر، هم‌زمان اتصال داده فراهم کنند؛ اما یک مشکل وجود دارد. این تعداد، هنوز برای اتصال ۵۰ میلیارد وسیله در جهان کافی نیست. ازاین‌روی در مسیر توسعه شبکه نسل پنجم، ساختار آنتن‌ها به نحوی تغییر کرده است که بتوانند تعداد اتصالات هم‌زمان را چندین برابر کند.

در شبکه نسل پنجم استفاده از آنتن‌ها با اتصالات زیاد هم ظرفیت آنتن را افزایش می‌دهد و هم امکانی برای شکل‌دهی و جهت‌دهی امواج فراهم می‌آورد.

۳– شکل‌دهی امواج

تمامی تجهیزات مخابراتی که امروزه استفاده می‌شوند، برای ایجاد ارتباط، امواج خود را در همه جهات ارسال می‌کنند و منتظر دریافت پیام متقابل در همان فرکانس هستند. این مسئله هم آلودگی الکترومغناطیسی شدید در محیط ایجاد می‌کند و مصرف انرژی زیادی هم دارد؛ زیرا بخش بزرگی از امواج ارسالی در محیط جذب می‌شوند.

هرچقدر هم فاصله فرستنده و گیرنده بیشتر باشد، میزان مصرف انرژی بیشتر می‌شود. به همین دلیل هنگامی که در جاده هستید، مصرف باتری تلفن همراه شما به‌مراتب بیشتر از داخل شهر است. این مشکل سوی دیگری هم دارد. ارسال و دریافت اطلاعات با این روش، همراه با تداخل فراوان با امواج دستگاه‌های دیگر است. درنتیجه پایداری ارتباط نیز کاهش می‌یابد.

در نسل پنجم شبکه‌ تلفن همراه، سعی شده آنتن‌ها ارتباطی به نحوی طراحی شوند که امواج را دقیقا به موقعیت مکانی کاربر، ارسال کنند. همین فناوری در تلفن‌های همراهی که قرار است به شبکه نسل پنجم متصل باشند نیز استفاده خواهد شد. درنتیجه، میزان مصرف باتری گوشی بسیار کاهش خواهد یافت.

آنتن‌های نسل پنجم به نحوی طراحی شده‌اند که می‌توانند موقعیت مکانی کاربر را تشخیص داده و امواج ارتباطی با آن کاربر خاص را فقط در آن جهت و به سمت وی ارسال کنند.

۴– آنتن‌های کوچک

آنتن‌های کوچک شبکه موبایل، چیز جدیدی نیستند. آنتن‌های موبایل به چهار دسته ماکرو (Macrocell) یا بزرگ با حداکثر بُرد ۳۰ کیلومتر، آنتن‌های میکرو (Microcell) با بُرد کمتر از ۲ کیلومتر، پیکو (Picocell) با بُرد کمتر از ۲۰۰ متر و آنتن‌های فمتو (Femtocell) با برد حدود ۱۰ متر تقسیم می‌شوند.

آنتن‌های ماکرو معمولا برای پوشش مناطق کم تراکم مثل جاده‌ها و برخی مناطق شهری به کار می‌روند. آنتن‌های میکرو، پیکو و فمتو که همگی جزء آنتن‌های کوچک هستند، برای پوشش مناطق پرتراکم کاربرد دارند. آنتن‌های میکرو عموما در مناطق شهری و بالای ساختمان‌ها نصب می‌شوند. از آنتن‌های فمتو هم می‌توان در داخل ساختمان‌ها و برای بهبود آنتن‌دهی استفاده کرد.

آنتن‌های میکرو، پیکو و فمتو که همگی جزء آنتن‌های کوچک هستند، برای پوشش مناطق پرتراکم کاربرد دارند. آنتن‌های میکرو عموما در مناطق شهری و بالای ساختمان‌ها نصب می‌شوند.

از آنجایی ظرفیت خدمات‌دهی هر آنتنی محدود است، درنتیجه هر چه آنتن‌های کوچک‌تر با برد کوتاه استفاده کنیم، می‌توانیم کاربران بیشتری را پوشش دهیم. طراحی شبکه نسل پنجم، بر استفاده از آنتن‌های کوچک تاکید دارد. ترکیب این کار با فناوری شکل‌دهی امواج و امواج میلی‌متری، می‌تواند با مصرف انرژی بسیار کم، به تعداد زیادی کاربر خدمات باکیفیتی ارائه دهد.

معمولا شبکه‌های نسل‌های قبل مثل نسل چهارم و سوم در خدمات‌دهی به مناطق پرتراکم مثل ورزشگاه‌ها یا نمایشگاه‌های پربازدید مثل نمایشگاه کتاب، دچار مشکل می‌شوند. آنتن‌های کوچک نسل پنجم این توانایی را دارند که در محل‌های با تراکم یک‌میلیون نفر در هر کیلومترمربع، خدمات ارائه دهند.

۵– دو سویه‌گی کامل

تمامی سیستم‌های ارتباطی امروزی، برای داشتن ارتباط دو‌طرفه هم‌زمان، از یک فرکانس برای ارسال و از فرکانس دیگری برای دریافت داده استفاده می‌کنند. تلفن‌های همراه هم از این قاعده مستثنا نیستند؛ اما این کار یک مشکل ایجاد می‌کند.

با افزایش تعداد کاربر، فضای فرکانسی برای ایجاد ارتباط پر می‌شود. فقط به این نکته توجه کنید که وقتی قرار است تعداد زیادی وسیله هم‌زمان به شبکه موبایل و اینترنت آن متصل باشند، نه‌تنها بازه فرکانسی مورداستفاده کاملا پر خواهد شد، بلکه به علت تراکم و نزدیکی فرکانس‌های مورداستفاده، تداخل زیادی رخ می‌دهد و درنتیجه ارتباطات ناپایدار و کند خواهند شد.

تراشه X50 شرکت کوالکام یکی از اولین تراشه‌های فرستنده-گیرنده شبکه نسل پنجم موبایل برای استفاده در وسایل الکترونیکی است.

فناوری دوسویه‌گی کامل (full-duplex) که در شبکه نسل پنجم عملی شده است، این امکان را فراهم می‌کند که بتوان فقط با استفاده از یک فرکانس، ارتباط هم‌زمان دوسویه داشت. این کار، تعداد اتصالات هم‌زمان را دو برابر می‌کند.

همچنین این فناوری نه‌تنها در شبکه نسل پنجم، بلکه می‌تواند در شبکه‌های نسل چهارم و سوم نیز استفاده شود.

گذار از نسل چهارم به نسل پنجم

نسل پنجم شبکه تلفن همراه، «رادیوی جدید» (New Radio or NR) نام‌گرفته است. استاندارد‌های لازم برای توسعه این نسل همچنان در حال تدوین هستند. البته این پیشرفت‌ها در اصل، در ادامه توسعه نسل چهار حاصل شده‌اند؛ اما وقتی تغییرات بنیادی‌تر می‌شود، دوست داریم از آن به‌عنوان تغییر نسل یاد کنیم. این قضیه در نسل‌های پیشین نیز صدق می‌کند؛ مثلا شاید بتوانیم نسل ۳٫۷۵ شبکه تلفن همراه را LTE، نسل ۴ را LTE-A یا LTE Advanced و نسل ۴٫۵ شبکه تلفن همراه را LTE-A Pro بنامیم.

یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها که به توسعه نسل پنجم منجر شد، ابداع آنتن‌های با تعداد اتصال زیاد بود. این آنتن‌ها در اصل محصول نسل ۴٫۵ شبکه تلفن همراه هستند؛ اما همراه شدن این ابداع با دیگر ایده‌های گفته شده در سطور بالا، باعث شد که نام نسل پنجم را به این شبکه تلفن همراه جدید برگزینیم.

چرا یک نسل بیشتر؟

برای اینکه تصویر بهتری از نسل پنجم شبکه‌های تلفن همراه به دست آورید، بهتر است برخی از مشخصات و عملکرد‌های آن را بیان کنیم.

حداکثر سرعت نظری در نسل چهارم، ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه است که با توجه به محدودیت‌های عملی، در بهترین حالت تا ۵۰ مگابیت در ثانیه قابل‌دسترسی است. طراحی اولیه نسل پنجم، بر اساس سرعت ۱۰ گیگابیت در ثانیه انجام‌شده است! در برخی نسخه‌های آزمایشی، شرکت نوکیا توانسته تا ۱۹ گیگابیت بر ثانیه نیز سرعت ارتباطی بگیرد. شرکت‌های دیگر همچون هواوی (Huawei) مدعی هستند که توانسته‌اند به سرعت ۷۰ گیگابیت در ثانیه برسند. شرکت‌های سامسونگ و اریکسون توانسته‌اند با اتصالات در حال حرکت، مثل رانندگی، در سرعت ۵ گیگابیت در ثانیه دادهتبادل کنند.

طراحی اولیه نسل پنجم، بر اساس سرعت ۱۰ گیگابیت در ثانیه انجام‌شده است!

تاخیر یکی از فاکتورهای مهم ارتباطی است و به مدت‌زمانی گفته می‌شود که دستگاه شما پس از ارسال یک داده‌ خاص، پاسخ آن را دریافت می‌کند. در نسل چهارم تاخیر ارتباطی بین ۵۰ تا ۱۰۰ میلی‌ثانیه بود. این تاخیر در نسل پنج به حدود ۱ میلی‌ثانیه کاهش پیدا کرده است. مصرف انرژی نسل پنجم ۹۰ درصد کمتر از نسل چهار است. انتظار می‌رود، میزان مصرف باتری گوشی‌های نسل پنج نیز با همین سیاق کاهش یابد.

موبایل و فراتر از آن

نسل پنجم، فراتر از یک شبکه‌ ارتباطی صرف برای تلفن‌های همراه است. با نسل پنجم شبکه‌های موبایل ایجاد یکی از بزرگ‌ترین و مهم‌ترین فناوری‌های دنیای امروز یعنی اینترنت اشیا، ممکن خواهد شد. بدون وجود چنین شبکه ارتباطی، امکانی برای تجاری شدن خودروهای خودران نیز وجود نخواهد داشت.

امیدوارم اپراتورهای تلفن همراه در کشور، پس از ارائه نسل پنجم شبکه موبایل، با همان سرعتی که زیرساخت‌ها و تجهیزات خود را برای نسل چهار بهبود دادند، در مورد نسل پنج نیز به نحو مشابهی اقدام کنند تا از دنیای فناوری عقب نمانیم. چراکه همین امروز صنایع مجازی و کسب‌وکارهای آنلاین، یگانه امید ملت و دولت برای توسعه غیرنفتی ایران هستند.

شعارسال، با اندکی تلخیص و اضافات برگرفته از سایت تحلیلی – خبری تجارت نیوز ، تاریخ انتشار: 15 اردیبهشت 1397، کد خبر: 240342، www.tejaratnews.com