حرکت به سمت نسل بعد شبکه‌های سیار 5G
/ 3 می 17با وجود ویژگی‌ها و سرویس‌های متمایز LTEو فناوری‌های سیار نسل چهارم نسبت به فناوری‌های پیشین خود و با وجود رشد و توسعه سریع آن‌ها در سال‌های اخیر، پیش‌بینی می‌شود که این فناوری‌ها تنها تا حدود یک دهه آینده پاسخگوی نیازهای کاربران باشند. رشد ترافیک داده به میزان چند صد برابر، افزایش تعداد ابزارهای متصل به شبکه‌های بیسیم به میزان چند ده برابر و متنوع شدن سرویس‌های مورد تقاضای کاربران در سال‌های آینده، توسعه شبکه‌های فعلی را ضروری می‌سازد.
بدین جهت در چند سال اخیر ایده شبکه‌های سیار فراتر از نسل چهارم و یا همان شبکه‌های نسل پنجم مطرح شده است. آن‌چه در ادامه می‌آید، مروری بر ویژگی‌ها و مفاهیم مطرح در شبکه‌های نسل پنجم و نمونه‌ای از فعالیت‌های موسسات گوناگون در این حوزه است.
از دهه ۸۰ میلادی و با معرفی نسل اول شبکه‌های سیار، تقریباً در هر دهه شاهد معرفی و توسعه یک نسل از فناوری‌های سیار بوده‌ایم. همزمان با راه‌اندازي موفقيت‌آميز شبكه‌هاي سيار نسل دوم در دهه ۹۰ میلادی، تحقيقات پیرامون شبكه‌هاي نسل سوم آغاز و اين شبكه‌ها از سال ۲۰۰۰ به بهره‌برداري تجاری رسيدند.
با وجود افزایش و بهبود سرویس‌ها در شبکه‌های نسل سوم، استفاده گسترده از آن‌ها با تاخیر مواجه شد و در حقیقت از سال ۲۰۰۵ بود که بسياري از كشور‌ها و خصوصاً كشورهاي اروپايي به شکل وسیع به این نسل روی آوردند.
از همان ابتدای راه‌اندازی تجاری نسل سوم و با افزايش تقاضاي كاربران براي خدمات جديد، تحقيقات پیرامون تكامل شبكه‌هاي نسل سوم توسط نهادهايي نظير 3GPP آغاز شد که نتيجه آن معرفي فناوري‌هايي نظير [HSPA[1 بود كه از سال ۲۰۰۷ به بهره‌برداري تجاري رسيدند و بنام شبكه‌هاي نسل ۵/۳ معروف هستند.
اين فناوري‌ها، قابلیت بهبود نرخ داده تا حد چند ده مگابیت بر ثانیه را دارند. در ادامه این روند، در سال ۲۰۰۸ فناوری LTE در نسخه ۸ استانداردهای 3GPP معرفی شد و از سال ۲۰۱۰ به بهره‌برداری تجاری رسید. در این فناوری که نسبت به نسل‌های قبلی تکامل بسیاری یافته است، سرعت انتقال دیتا تا حدود ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه افزایش می‌یابد.
بسیاری از اپراتورهای مخابراتی و دیگر بازیگران این حوزه از فناوری LTE به‌عنوان یک فناوری نسل چهارم سیار یاد می‌کنند. با این وجود از دیدگاه نهادهای رسمی نظیر اتحادیه جهانی مخابرات ([ITU[2)، نسل چهارم مخابرات سیار که به‌عنوان فناوری‌های IMT-Advanced شناخته می‌شوند، شامل فناوری‌های LTE-Advanced و WiMAX2 می‌شود. فناوری LTE-Advanced نسخه تکامل یافته LTE بوده و از سال ۲۰۱۳ در برخی از کشورها و به‌صورت محدود راه‌اندازی تجاری شده است. فناوری LTE و فناوری‌های نسل چهارم و به‌ویژه LTE-A تفاوت‌های بسیار زیادی با نسل‌های قبلی خود دارند.
به‌عنوان مثال، در بخش دسترسی رادیویی و ارتباط مشترکان با شبکه، استفاده از تکنیک [OFDMA[3 و (SC-FDMA) جایگزین فناوری‌های قبلی نظیر TDMA و CDMA شده است. علاوه بر این استفاده از چند آنتن در ابزارهای سیار و ایستگاه‌های پایه و هم‌چنین استفاده از پردازش‌های مناسب، باعث بهبود سرعت انتقال دیتا در این شبکه‌ها شده است. در بخش هسته یا بخش مرکزی شبکه نیز در نسل جدید، انتقال اطلاعات کاملاً مبتنی بر پروتکل IPاست. علاوه بر این، با کاستن از تعداد المان‌های شبکه، معماری شبکه در این فناوری‌ها ساده‌تر شده است.
دلایل حرکت به سمت نسل پنجم
دهه ۲۰۱۰میلادی دهه ظهور و رشد شبکه‌های نسل چهارم سیار است. آمارهای بدست آمده در طول چند سال اول این دهه و پیش‌بینی‌های موجود برای سال‌های آینده آن، نشان‌دهنده دو برابر شدن رشد تقاضا در بخش ترافیک دیتا در هر سال است. بدین ترتیب پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای شبکه‌های داده در سال ۲۰۲۰ به حدود ۱۰۰۰ برابر مقدار آن در سال ۲۰۱۰ برسد. پیش‌بینی‌های شرکت سیسکو نشان می‌دهد که ترافیک داده سیار در سطح جهان در سال ۲۰۱۸ از مرز ۱۵ اگزابایت در ماه (یعنی ۸/۱ گیگابایت برای هر کاربر در هر ماه) فراتر خواهد رفت. بسیاری از بازیگران صنعت مخابرات نظیر نوکیا از هم اکنون خود را برای انتقال ۱گیگابایت داده به ازای هر کاربر در هر روز در پنج سال آینده آماده می‌کنند.
عامل دوم محرک تحقیقات در حوزه نسل پنجم، افزایش تعداد کاربران متصل به شبکه‌های سیار در سال‌های آینده خواهد بود. افزایش تعداد کاربران سیار از یک سو و مفاهیمی نظیر اینترنت اشیاء و ارتباطات ماشین به ماشین از سوی دیگر، موجب افزایش چشمگیر تعداد ابزارهای متصل به شبکه‌های ارتباطی بیسیم در دهه آینده خواهد شد.
عامل سوم در این رابطه، تنوع سرویس‌ها و افزایش تقاضای کاربران برای کاربردهای جدید و با کیفیت بیشتر است. در حال حاضر تقاضا برای بهبود پارامترهای مختلف کیفیت سرویس نظیر نرخ داده، تاخیر و پوشش به سرعت در حال افزایش است. علیرغم سرویس‌ها و ویژگی‌های متمایز شبکه‌های نسل چهارم، پیش‌بینی می‌شود که این شبکه‌ها در دهه آینده قابلیت پاسخگویی به این نیازهای روزافزون را نداشته باشند.
مجموع سه عامل فوق و برخی از عوامل دیگر باعث شده که بازیگران حوزه مخابراتی در جهان در اندیشه تکامل شبکه‌های نسل چهارم به سمت شبکه‌های فراتر از نسل چهارم که اصطلاحاً شبکه‌های نسل پنجم نامیده می‌شوند، باشند.
شکل۱- دلایل اصلی حرکت به سمت نسل پنجم
تعریف نسل پنجم و ملزومات آن
نسل پنجم مخابرات سیار به مجموعه فناوری‌هایی اطلاق می‌شود که قابلیت‌هایی فراتر از فناوری‌های نسل فعلی و به‌ویژه نسل چهارم داشته و قابلیت پاسخگویی به نیازهای سال‌های آینده در حوزه ارتباطات بیسیم را دارا باشند.
به همین دلیل به این شبکه‌ها، شبکه‌های فراتر از نسل چهارم یا [B4G[4 و یا شبکه‌های فراتر از ۲۰۲۰نیز اطلاق می‌شود. اگرچه تحقیقات در این زمینه در چند سال اخیر آغاز شده، ولی هنوز تعریف جامع و استاندارد خاصی برای شبکه‌های نسل پنجم ارائه نشده است.
با این وجود، هدف اصلی و مشترک تمامی تحقیقاتی که پیرامون فناوری‌های نسل پنجم در جریان است، ارتباط تعداد نامحدود اشیاء با یکدیگر با ظرفیت ارتباطی نامحدود و کیفیت سرویس بالا است.
در این بین یک سری ملزومات برای شبکه‌های نسل پنجم تعریف شده است که برخی از آن‌ها عبارتند از:
پشتیبانی از رشد بسیار زیاد (حدود ۱۰۰۰برابری) در میزان ترافیک شبکه، پشتیبانی از افزایش چشمگیر تعداد ابزارهای مرتبط با یکدیگر به میزان چند ده برابر، افزایش حداقل ده برابری در نرخ داده کاربران، کاهش قابل ملاحظه در تاخیر، افزایش قابلیت اطمینان و در دسترس بودن شبکه، کاهش مصرف انرژی و کمک به حفظ محیط زیست، افزایش طول عمر باتری‌ها، استفاده از فرکانس‌های بالاتر، افزایش کارایی طیف فرکانسی، پوشش وسیع‌تر، کاهش هزینه تجهیزات شبکه و کاربر، امنیت بیشتر، پشتیبانی از سرویس‌های مبتنی بر رایانش ابری و پردازش‌های نرم‌افزاری در بخش هسته شبکه.
فناوری‌های مطرح در نسل پنجم
برای برآورده‌سازی الزامات فوق، فناوری‌های زیادی برای بهره‌گیری در شبکه‌های نسل پنجم معرفی و در حال توسعه هستند. فناوری‌های مطرح در حوزه نسل پنجم یا شکل تکامل یافته‌ای از فناوری‌های مورد استفاده در نسل‌های قبلی هستند و یا بعضاً فناوری‌های جدیدی هستند که در نسل‌های قبلی مورد استفاده نبوده‌اند.
از سوی دیگر بسیاری از فعالیت‌های تحقیقاتی جاری بر ارائه روش‌های جدید یا بهبودیافته در بخش دسترسی رادیویی و به منظور افزایش کارایی طیف فرکانسی و کاهش تاخیر متمرکز می‌باشند.
برخی از فناوری‌های مطرح در نسل پنجم شبکه‌های سیار عبارتند از:
- شبکه‌های ناهمگن[5] شامل سلول‌های با اندازه‌های مختلف از مایکروسل تا فمتوسل و شبکه‌های شامل فناوری‌های دسترسی مختلف؛
- سلول‌های کوچک[6] برای افزایش ظرفیت شبکه و بهره‌برداری بیشتر از فرکانس؛
- ارتباطات ماشین به ماشین؛
- استفاده از پهنای باند وسیع‌تر با حرکت به سمت فرکانس‌های بالاتر و تجمیع حامل‌ها؛
- استفاده از سیستم‌های چند آنتنی مقیاس بزرگ (سیستم‌های مایمو[7] انبوه)؛
- رادیو شناخت‌گر و استفاده فرصت‌طلبانه از طیف رادیویی ؛
- شکل‌دهی پرتو سه‌بعدی و استفاده از روش‌های سکتور‌بندی دوبعدی سلول‌ها؛
- روش‌های دسترسی چندگانه غیرمتعامد؛
- استفاده از امواج باند میلیمتری و بویژه فرکانس‌های بالای ۵۰ گیگاهرتز؛
- انتقال بار به شبکه‌های ثابت نظیر وای‌فای[8] در محیط‌های داخل ساختمان؛
- استفاده از روش‌های ارسال تمام دوطرفه[9].
شکل۲- مقایسه فناوری‌های نسل پنجم با نسل‌های قبلی
فعالیت‌های انجام شده در سطح جهان پیرامون نسل پنجم
در حال حاضر تحقیقات بسیار وسیعی در سطح دنیا در حوزه نسل پنجم در دست انجام است. بسیاری از این تحقیقات در قالب پروژه‌ها و یا تشکیل گروه‌های مطالعاتی است که از مشارکت اپراتورها، تولیدکنندگان تجهیزات، دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بوجود آمده و بطور ویژه در حوزه نسل پنجم فعالیت می‌کنند.
در ادامه شرح مختصری از فعالیت برخی از این مراکز و پروژه‌ها آمده است.
- یکی از اولین فعالیت‌های منسجمی که در سطح جهان در حوزه 5G انجام شد، راه‌اندازی یک مرکز تحقیقاتی مستقل در دانشگاه Surrey انگلستان در اواخر سال ۲۰۱۲ به نام مرکز نوآوری ([5G (5GIC[10 بوده است. بودجه این مرکز ۳۵میلیون پوند است که به‌صورت مشترک توسط دولت انگلیس و کنسرسیومی از اپراتورهای مخابراتی، دارندگان زیرساخت‌های مخابراتی و شرکت‌های بزرگ تولیدکننده تجهیزات نظیر هواوی، سامسونگ و ایرکام تامین می‌شود. فعالیت‌های این مرکز در حال حاضر متمرکز بر توسعه فناوری مناسب برای نسل پنجم، به‌ویژه در بخش واسط هوایی است.
- گروه کاری 5D در ITU در حال تدوین یک توصیه‌نامه با عنوان ” زیرساخت و اهداف کلی توسعه آینده IMT برای سال ۲۰۲۰ و پس از آن است”. در تدوین این توصیه‌نامه پارمترهایی نظیر سرویس‌ها و کاربردهای جدید، استفاده از فناوری‌های نوین، ملزومات طیفی و نیازهای کاربران در کشورهای درحال توسعه مدنظر است. پیش‌بینی می‌شود که اولین خروجی این فعالیت‌ها در سال ۲۰۱۵ منتشر شود.
- پروژه مطرح دیگر در این حوزه، پروژه [METIS[11 است که یک پروژه عظیم در سطح اتحادیه اروپا است که در اواخر سال ۲۰۱۲ و به‌طور ویژه برای فعالیت در زمینه نسل آینده شبکه‌های بیسیم تشکیل شده است. این پروژه توسط یک کنسرسیوم متشکل از ۲۹ شرکت عمده مخابراتی جهان با مدیریت اریکسون انجام می‌شود. بودجه این پروژه حدود ۱۵میلیون یورو است. فعالیت‌های این پروژه بسیار وسیع بوده و تمامی بخش‌های نسل پنجم شامل معماری شبکه، دسترسی رادیویی، سرویس‌ها و کاربردها را در برمی‌گیرد.
علاوه بر پروژه‌های فوق، بسیاری از کشورها و یا شرکت‌ها نیز به‌صورت مستقل پروژه‌هایی را پیرامون نسل پنجم آغاز نموده‌اند. به‌عنوان مثال، کشور چین از سال ۲۰۱۳فعالیت‌های گسترده‌ای را برای تحقیقات در حوزه نسل پنجم آغاز کرده است. در کشور ژاپن نیز اپراتور NTT DoCoMo از ماه می ۲۰۱۴شروع به آزمایش شبکه‌های نسل پنجم با همکاری شرکت‌های آلکاتل-لوسنت، اریکسون، فوجیتسو، نوکیا و سامسونگ نموده است.
شرکت سامسونگ در کشور کره جنوبی نیز تاکنون سرمایه‌گذاری عظیمی را در حوزه نسل پنجم انجام داده است. اخیراً نیز این شرکت تفاهم‌نامه‌ای را با اتحادیه اروپا در زمینه توسعه نسل پنجم منعقد نموده است. در این توافق شرکت‌های اروپایی نظیر آلکاتل- لوسنت، تلفونیکا و اورنج در زمینه توسعه نسل پنجم با کشور کره جنوبی همکاری می‌نمایند.
زمانبندی شبکه‌های نسل پنجم
همان‌طور که در بخش‌های قبلی بیان شد، تحقیقات اولیه در زمینه شبکه‌های نسل پنجم از سال ۲۰۱۲ آغاز شده است. پیش‌بینی می‌شود که از سال ۲۰۱۵ مراحل استانداردسازی این نسل از شبکه‌های مخابرات سیار آغاز شده و از سال ۲۰۱۸ اولین نمونه‌های آزمایشی آن‌ها راه‌اندازی شود.
بر اساس اکثر پیش‌بینی‌ها، راه‌اندازی تجاری شبکه‌های نسل پنج از سال ۲۰۲۰ به بعد خواهد بود. در شکل زیر زمانبندی تقریبی شبکه‌های نسل پنجم آورده شده است.
شکل ۳- زمانبندی مراحل تحقیق و توسعه شبکه‌های نسل پنجم
علیرغم تحقیقات و تلاش‌های انجام شده در راستای توسعه نسل پنجم ارتباطات سیار، این شبکه‌ها هنوز در مراحل اولیه مطالعات خود قرار دارند و پیش‌بینی می‌شود که مراحل استانداردسازی آن بزودی آغاز گردد. لذا با در نظر گرفتن موارد فوق و با توجه به تجربیات قبلی داخلی پیرامون نسل‌های قبلی شبکه‌های سیار و نحوه ورود و استفاده از آن‌ها در شبکه مخابراتی کشور، لزوم فعالیت‌های مطالعاتی در خصوص نحوه مواجهه با شبکه‌های نسل پنجم بسیار ضروری و لازم به نظر می‌رسد. علاوه بر این از آن‌جا که مراحل استانداردسازی و بهره‌برداری شبکه‌های نسل پنجم در جهان هنوز به نتیجه نرسیده است، امکان ورود به موقع کشور در این حوزه جهت ارائه پیشنهادات به نهادهای استانداردسازی جهانی و یا برنامه‌ریزی به‌موقع جهت بومی‌سازی تجهیزات و نحوه بکارگیری آن‌ها در شبکه مخابراتی کشور برای توسعه سرویس‌های باندوسیع فراهم می‌باشد.
[1] High Speed Packet Access
[2] International Telecommunication Union
[3] Orthogonal Frequency Division Multiple Access
[4] Beyond 4G
[5] Heterogeneous networks
[6] Small cell networks
[7] Multiple-Input Multiple-Output
[8] WiFi offloading
[9] Full duplex
[10] 5G innovation center
[11] Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society
