نسل پنجم شبکه های موبایل (5G)

نسل پنجم شبکه های موبایل

5G نسل پنجم شبکه های موبایل و انقلابی چشمگیر در شبکه های 4G LTE امروزی است. این شبکه به گونه ای طراحی شده است که در عصر تکنولوژی با رشد بی سابقه اطلاعات توانایی ارضای نیاز جامعه امروزی را داشته باشد و امکان استفاده از اینترنت اشیاء را فراهم سازد. 5G که فعلا در کنار شبکه های 4G موجود شروع به کار کرده پس از تکامل می تواند به تنهایی پاسخگوی تمامی نیازهای حال حاضر باشد.
علاوه بر اتصالات سریعتر و ظرفیت بالاتر، یکی از مزایای بسیار مهم نسل پنجم سرعت پاسخگویی بالا یا همان تاخیر کم می باشد. تاخیر مدت زمانی است که طول می کشد تا دستگاه ها در یک شبکه موبایل بدون سیم به یکدیگر پاسخ بدهند. زمان پاسخگویی شبکه های 3G معمولا 100 میلی ثانیه، 4G تقریبا 30 میلی ثانیه و 5G در حدود 1 میلی ثانیه می باشد. می توان گفت چنین سرعتی به معنای ارسال و دریافت اطلاعات به طور همزمان است که پنجره جدیدی از کاربردها را به روی کاربران می گشاید.

5G چه چیزهایی را امکان پذیر می کند؟

نسل پنجم شبکه های موبایل، رویای اتصال همزمان میلیاردها دستگاه و در نتیجه اینترنت اشیاء (IoT) و دنیایی یکپارچه را محقق می‌کند.
این فناوری با سرعت بالا، تاخیر کم و ظرفیت اتصال شگفت انگیز خود فرصت های تجاری و خدماتی بی نظیری را برای کاربران و صنایع رقم می زند. به طور کلی استفاده از شبکه 5G در سه گروه اصلی صورت می پذیرد:

1. ارتباطات گسترده بین انواع ماشین ها: این قابلیت با عنوان اینترنت اشیاء (IoT) نیز شناخته می شود و به معنای ارتباط میلیون ها دستگاه بدون نیاز به دخالت انسان می باشد. این قابلیت باعث انقلابی در فرآیندهای صنعتی امروزی مانند کشاورزی، تولید و ارتباطات تجاری می گردد. 

2. ارتباطات با تاخیر ناچیز: ماموریت های حساس مانند کنترل آنی دستگاه ها، روبات های صنعتی، ارتباطات بین ماشین ها، سیستم های امنیتی، رانندگی خودکار، جراحی از راه دور و بسیاری روندهای خاص دیگر بدین شکل انجام پذیر خواهند بود.

3. افزایش پهنای باند: بهبود این مورد سبب بالا رفتن سرعت انتقال اطلاعات و ظرفیت شبکه می شود، همچنین کاربردهای جدیدی شامل دسترسی به اینترنت بدون سیم در هر نقطه نیز امکان پذیر می شود.

علاوه بر مواردی که گفته شد تکنولوژی‌ های جدیدی چون واقعیت مجازی (VR) و افزوده (AR) در دسترس همگان قرار خواهد گرفت. واقعیت مجازی تجربه های جدیدی از ارتباطات را پدید می آورد که قبلا دیده نشده اند؛ با 5G و VR شما می توانید به راحتی به شهر مورد علاقه تان سفر کنید، بازی های فوتبال زنده را طوری تماشا کنید که انگار در کنار زمین نشسته اید یا حتی برای خرید املاک، در حالی که روی کاناپه خود نشسته اید، می توانید در خانه مورد نظر قدم زده و به بررسی تک تک نقاط بپردازید. به همین ترتیب صنایع قادر خواهند بود با حجم اطلاعاتی که در اختیارشان قرار می گیرد در وقت، انرژی و منابع مالی صرفه جویی کنند.
ارائه خدمات 5G از سال 2019 آغاز شده و پیشبینی می شود تا سال 2025 به پوشش جهانی برسد. ویژگی های اصلی دستگاه های 5G که در حال ارائه اند یا در آینده عرضه خواهند شد، سرعت بالاتر در دسترسی به اطلاعات، دانلود و پخش محتوا می باشد. علاوه بر این دستگاه هایی که از شبکه نسل پنجم بهره می برند، قدرت محاسباتی بسیار بالاتری دارند.

5G چگونه کار می کند؟

اکثر اپراتورها در ابتدا شبکه های نسل جدید را با 4G تجمیع خواهند کرد تا خللی در انتقال اطلاعات وارد نشود.
یک شبکه موبایل از دو جزء اصلی تشکیل شده است: شبکه دسترسی رادیویی و شبکه هسته.
شبکه دسترسی رادیویی از انواع متفاوت امکانات از جمله سلول های کوچک، برج های مخابراتی، دکل ها و سیستم های داخلی و خانگی تشکیل شده است که کاربران موبایل و دستگاه های بدون سیم را به شبکه هسته اصلی متصل می سازد.
سلول های کوچک مشخصه اصلی نسل 5G خواهند بود، به خصوص در محدوده امواج میلی متری (mmWave) که بُرد اتصالات کوتاهتر است. برای فراهم آوردن ارتباط پیوسته، سلول های کوچک بسته به منطقه ای که نیاز به اتصالات احساس می شود، به صورت خوشه ای توزیع می شوند که سبب تکمیل شبکه بزرگتر و افزایش بُرد می گردد.
سلول های ماکروی 5G از آنتن های MIMO (ورودی چندگانه، خروجی چندگانه) استفاده می کنند که با داشتن عناصر یا اتصالات بیشتر می توانند اطلاعات بیشتری را در آنِ واحد ارسال و دریافت کنند. مزیت این آنتن ها این است که امکان اتصال به شبکه را برای افراد بیشتری فراهم می آورند در حالی که تغییری در سرعت ایجاد نمی کنند. در مناطقی که آنتن های MIMO از تعداد زیادی عناصر ارتباطی تشکیل می شوند، نام Massive MIMO به آنها اطلاق می شود؛ اما باید خاطر نشان کرد که اندازه فیزیکی آنها مشابه آنتن های ایستگاه های 3G و 4G می باشد.
شبکه هسته سامانه انتقال اطلاعاتی است که همه صداها، اطلاعات و اتصالات اینترنتی را مدیریت می کند. در مورد 5G، شبکه هسته در حال طراحی مجدد است تا بتواند به راحتی با خدمات ابری و اینترنتی هماهنگ شود. بسیاری از خصوصیات پیشرفته 5G مانند مجازی سازی و تقسیم بندی شبکه توسط هسته کنترل می شوند. تصویر زیر، نمونه هایی از سرورهای ابری محلی را نشان می دهد که به نمایش سریعتر محتوا (پخش آنلاین) و کاربردهایی که در آن ها نیازمند تاخیر بسیار کم هستیم، مانند سیستم های جلوگیری از برخورد اتوموبیل ها، کمک می کنند.

5G چگونه به طور هماهنگ با 4G کار می کند؟

هر گاه اتصال 5G برقرار می شود، دستگاه هم به شبکه 4G متصل می شود (برای ایجاد کنترل سیگنال در بُرد بلند) و هم شبکه 5G (جهت افزایش سرعت با استفاده همزمان از ظرفیت های نسل چهارم و پنجم). هر جا پوشش 5G محدود باشد، اطلاعات از طریق 4G منتقل می شوند تا در فرآیند ایجاد ارتباط قطعی موقت ایجاد نشود؛ بنابراین می توان گفت نسل پنجم با این طراحی تکمیل کننده نسل پیشین خود می باشد.
در بسیاری از کشورها باندهای فرکانسی اولیه 5G زیر 6 GHz (در بسیاری از موارد بین 3.3 – 3.8 GHz) و مشابه شبکه های Wi-Fi و موبایل کنونی هستند. طیف بالای 6 GHz، که شامل باندهای 26 – 28 GHz یا همان امواج میلیمتری نیز می شود، ظرفیت های بی نظیری در مقایسه با فناوری های حاضر ارائه می دهد. طیف جدید و ظرفیت بالاتر امکان اتصال کاربران بیشتری را فراهم کرده، سرعت اتصالات را بالاتر برده و حجم اطلاعات را نامحدود کرده است. طیف مورد استفاده در امواج میلیمتری پوششی موضعی فراهم می سازد، چرا که بُرد این امواج بسیار کوتاه است؛ با این حال ایستگاه های 5G آینده فرکانس های این امواج را در باندهایی تا 86 GHz نیز استفاده خواهند کرد.
تصویر زیر طیف موبایل را در محدوده فرکانس های رادیویی بین 3 – 100 GHz نشان می دهد که 5G بالای 6 GHz قرار می گیرد.

Massive MIMO

همانطور که اشاره شد، نسل جدید از این آنتن ها برای ارسال و دریافت اطلاعات به طور همزمان بهره می برد. اندازه فیزیکی آنتن های Massive MIMO تقریبا مشابه 4G خواهد بود اما با فرکانس بالاتر؛ در واقع اندازه هر عنصر آنتن کوچکتر خواهد بود که به ما اجازه می دهد تعداد بیشتری از آن ها را در یک محفظه قرار دهیم، سپس دستگاه هایی که برای استفاده در اختیار کاربران قرار می گیرد به این گونه آنتن ها مجهز خواهند شد.

تکنولوژی متمرکزسازی پرتوها (Beam Forming)

این فناوری به ایستگاه های Massive MIMO اجازه می دهد که سیگنال رادیویی را تنها در یک مسیر و برای یک کاربر بفرستند، در حالی که قبلا ارسال سیگنال ها در همه جهات انجام می شد و همین سبب اتلاف وقت و انرژی می شد. این تکنولوژی از پیشرفته ترین الگوریتم های پردازش سیگنال استفاده می کند تا با تشخیص بهترین مسیر، سیگنال را در کوتاهترین مدت به کاربر هدف برساند. افزایش بازده و اجتناب از تداخل با سیگنال های دیگر از مزایای این روش هستند.