مزایا و کاربردهای جدید 5G که در 10 سال آینده شاهد آن‌‌ها خواهیم بود

در عصر اطلاعات امروزی، فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) به طرق بی شماری بر جامعه جهانی ما تأثیر گذاشته‌اند، اما این شبکه‌های ارتباطی سیار و نوری هستند که پایه و اساس ICT را شکل می‌دهند. شبکه‌های ارتباطی سیار در 40 سال گذشته پیشرفت‌های چشمگیری را تجربه کرده‌اند. شکل زیر تکامل شبکه‌های تلفن همراه در گذر زمان را نشان می‌دهد.

در دوران 1G، شبکه‌های تلفن همراه عمدتاً برای ارائه خدمات صوتی همراه با پویانمایی‌های محدود استفاده می‌شدند. هیچ استاندارد بین‌المللی وجود نداشت و همین موضوع باعث شد تا گسترده استفاده از فناوری 1G محدود شود. فناوری زیربنایی برای 1G مبتنی بر دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس (FDMA) و پردازش سیگنال آنالوگ است. در نسل اول، نرخ مرسوم انتقال داده برای کاربران عادی به  2 کیلوبیت بر ثانیه محدود می‌شد.

با درک نیاز به یک استاندارد جهانی در شبکه‌های تلفن همراه، مؤسسه استانداردهای مخابراتی اروپا (ETSI) استاندارد سیستم جهانی ارتباطات سیار (GSM) را توسعه داد که پروتکل‌هایی را برای شبکه‌های سلولی 2G مورد استفاده دستگاه‌های سیار مانند تلفن‌های همراه و تبلت‌ها تعریف کرد. فناوری‌های مرتبط با این نسل و رابط‌های استانداردی که تعریف شدند امکان رومینگ بین‌المللی و قابلیت همکاری بین فروشندگان مختلف را فراهم آورد.

فناوری زیربنایی برای 2G مبتنی بر دسترسی چندگانه تقسیم زمانی (TDMA) و پردازش سیگنال دیجیتال است. نرخ مرسوم داده برای کاربران عادی در این نسل برابر با 64 کیلوبیت بر ثانیه بود.

متعاقباً، 3G توسط پروژه مشارکت نسل سوم (3GPP) توسعه پیدا کرد که ماحصل همکاری گروهی از سازمان‌های بزرگ فعال در صنعت مخابرات و فناوری اطلاعات بود که پروتکل‌هایی را برای ارتباطات تلفن همراه توسعه دادند. در این پروژه هفت سازمان مخابراتی در مقیاس ملی یا منطقه‌ای از کشورهای مختلف حضور داشتند که از مهم‌ترین آن‌ها باید به انجمن صنایع و مشاغل رادیویی ژاپن، اتحادیه راه‌حل‌های صنعتی ارتباطات ایالات متحده، انجمن استانداردهای ارتباطاتی چین، موسسه استانداردهای مخابراتی اروپا،  انجمن توسعه استانداردهای مخابراتی هند، انجمن فناوری ارتباطات کره جنوبی و کمیته فناوری مخابرات ژاپن اشاره کرد. این همکاری بین‌المللی پیشرفت قابل توجهی در حوزه ارتباطات سیار به وجود آورد، به‌طوری که سرویس‌های داده‌ای و دسترسی به اینترنت همراه با فناوری 3G پدید آمدند. معماری زیربنایی 3G مبتنی بر فناوری دسترسی رادیویی با تقسیم کد گسترده (CDMA) است تا عملکرد طیفی و پهنای باند بیشتری به کاربران تلفن همراه بدهد. جالب آن‌که نرخ معمولی داده پایین دستی برای هر کاربر 2 مگابیت بر ثانیه بود.

برای 4G، بخش ارتباطات رادیویی اتحادیه بین‌المللی ارتباطات (ITU-R) مجموعه‌ای از الزامات یا همان مشخصات پیشرفته ارتباطات بین‌المللی موبایل (IMT-Advanced) را تعیین کرد. این دستورالعمل‌ها الزامات سرعت پیک سرویس 4G را 100 مگابیت بر ثانیه برای ارتباطات با تحرک‌پذیری بالا (مانند قطارها و اتومبیل‌ها) و  1 گیگابیت بر ثانیه برای ارتباطات کم تحرک‌تر مانند کاربران ساکن یا عابران پیاده در نظر گرفت. 3GPP مشخصات فنی مختلفی را برای 4G منتشر کرد که از نسخه 8 موسوم به (R8) تا نسخه 14 موسوم به (R14) را شامل می‌شود. فناوری زیربنایی برای 4G دسترسی چندگانه با تقسیم فرکانس متعامد (OFDMA) سرنام orthogonal frequency-division multiple access که حتا در مکان‌هایی که طیف رادیویی زیادی در آن‌جا قرار دارد، به دلیل وجود مسیرهای چندگانه تداخل به حداقل می‌رسد. دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس متعامد تک حامل (SC-OFDMA) نیز با هدف دستیابی به بهترین و پر سرعت‌ترین راندمان طیفی بالا و بازده‌دهی حداکثری استفاده می‌شود. برای نیل به این هدف از پهنای باند طیف گسترده‌تر و آرایه‌ای از آنتن‌ها که ارتباطات چند خروجی چند ورودی (MIMO) را ارائه می‌دهند استفاده می‌شود.

برای 5G، سازمان ITU-R مجموعه‌ای از الزامات، یعنی IMT-2020 را برای شبکه‌ها، دستگاه‌ها و خدمات 5G در مستندات Refs مشخص کرده است. علاوه بر این، 3GPP مشخصات فنی مختلفی را منتشر کرده که از نسخه 15 موسوم به (R15) برای 5G آغاز می‌شود که نشان‌دهنده تکامل قابل توجه نسبت به 4G است. به‌طوری که نیازهای ارتباطی یک دنیای هوشمند را به‌طور کامل پاسخ دهد. در 5G با استفاده از پهنای باند طیف عریض‌تر و ارتباطات گسترده عظیم (m-MIMO) حداکثر سرعت انتقال داده به 20 گیگابیت بر ثانیه افزایش می‌یابد. البته برای انتقال downlink، مدولاسیون و مالتی پلکس هنوز بر از معماری OFDMA استفاده می‌شود. برای انتقال uplink، مدولاسیون و مالتی پلکس بر اساس OFDMA یا گسترش تبدیل فوریه گسسته (DFT-s-OFDM) استفاده می‌شود که نسخه کمی بهبود یافته SC-OFDMA است. علاوه بر ارائه نرخ داده بالاتر، 5G تاخیر شبکه کمتری را برای برنامه‌های حساس به زمان و برنامه‌های اینترنت اشیا که نیازمند اتصالات بیشتری هستند ارایه می‌کند.

به‌طور کلی، می‌توانیم این‌گونه بگوییم که عمر مفید هر نسل نزدیک به 10 سال است و نرخ انتقال داده سیار در هر نسل نزدیک به 30 برابر افزایش پیدا می‌کند که به معنای افزایش 1.5 دسی‌بل در سال یا دو برابر شدن در هر دو سال است. دو برابر شدن نرخ انتقال داده سیار در هر دو سال مطابق با قانون مور است که بیان می‌کند تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع متراکم (IC) تقریبا هر دو سال دو برابر می‌شود. با توجه به این‌که داده‌های سیار در نهایت توسط آی‌سی‌ها پردازش می‌شوند این مقدار افزایش منطقی است.

دامنه و کاربردهای 5G

5G با برآورده ساختن نیازهای ارتباطی بی‌سابقه‌ای برای یک دنیای هوشمند کاملاً متصل، نشان می‌دهد که یک فناوری تحول‌آفرین نسبت به 4G است. همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، 5G برای پشتیبانی از مجموعه متنوعی از کاربردها طراحی شده است.

از کاربردهای مهمی که ارتباط مستقیمی با 5G خواهند داشت باید به موارد زیر اشاره کرد، هرچند کاربردها محدود به موارد زیر نمی‌شود:

• گوشی های هوشمند با اتصال 5G.

• پوشیدنی‌هایی که بر فعالیت‌های ورزشی و شرایط سلامت نظارت می‌کنند.

• واقعیت افزوده (AR) و واقعیت مجازی (VR).

• دفتر ابری برای همکاری‌های تیمی کار از خانه و از راه دور.

• آموزش آنلاین که به معلمان اجازه می‌دهد تا به دانش‌آموزان از راه دور آموزش دهند.

• تشخیص و درمان‌های پزشکی از راه دور.

• تولید هوشمند که بهره‌وری و ایمنی را بهبود می‌بخشد.

• خانه هوشمند با بهینه‌سازی لوازم خانگی و سایر ویژگی‌های آن‌ها با هدف دستیابی به هوشمندی.

• شهر هوشمند با ماشین‌های خودران و سیستم حمل و نقل هوشمند.

• میلیاردها اتصال برای اینترنت اشیا.

از دیگر کاربردهای مهم و زیربنایی برای 5G به موارد زیر باید اشاره کرد:

• پهنای باند موبایل پیشرفته (eMBB)، پشتیبانی از برنامه‌های کاربردی از جمله ویدیوی با کیفیت فوق‌العاده، ویدیوی سه‌بعدی، کار و بازی در فضای ابری، AR و VR.

• ارتباطات فوق‌العاده مطمئن و کم تأخیر (uRLC)، پشتیبانی از کاربردی عمومی مانند اتومبیل‌های خودران و هواپیماهای بدون سرنشین، اتوماسیون صنعتی، پزشکی از راه دور و سایر برنامه‌های کاربردی حیاتی.

• ارتباطات گسترده نوع-ماشین (mMTC)، پشتیبانی از برنامه‌های کاربردی مانند خانه هوشمند، ساختمان هوشمند، شهر هوشمند و اینترنت اشیا صنعتی.

شکل زیر نمودار مثلث معروف است که سه گروه اصلی کاربردهای 5G را نشان می‌دهد.

 برای دسته eMBB، اوج نرخ داده مرجع می‌تواند به بیش از 10 گیگابیت بر ثانیه برسد و سرعت انتقال داده‌ها نیز بیش از 100 برابر سریعتر از 4G باشد. کاربردهای جدید شامل دسترسی به اینترنت بی‌سیم ثابت برای خانه‌ها و ساختمان‌ها، پخش رویدادهای بزرگ در فضای باز بدون نیاز به WANهای هزینه‌بر و اتصال پایدار و با کیفیت‌تر برای افراد و وسایل نقلیه در حال حرکت است.

برای دسته uRLLC، تأخیر شبکه نقاط پایانی را می‌توان در 1 میلی ثانیه کنترل کرد که حدود 30 برابر کمتر از 4G است، در حالی که قابلیت اطمینان شبکه نیز از 99.99 درصد به 99.999 درصد بهبود یافته است. این برنامه‌های کاربردی حیاتی مواردی مثل ارتباطات وسایل نقلیه به هر چیز (V2X) سرنام vehicle to everything و کنترل بلادرنگ صنایع، روبات‌ها و مراقبت‌های پزشکی از راه دور، روش‌ها و درمان‌ها را شامل می‌شود.

برای دسته mMTC، بیش از 1 میلیون دستگاه را می‌توان در 1 کیلومتر مربع متصل کرد که نشان‌دهنده افزایش 100 برابری نسبت به 4G است. رویکردی که اجازه می‌دهد میلیون یا حتا میلیاردهای دستگاه اینترنت اشیا بدون دخالت انسان در مقیاسی کم سابقه به یکدیگر متصل شوند و در نهایت بهره‌وری در کارخانه‌ها، مزارع، معادن، بنادر، بیمارستان‌ها، مدارس، خانه‌ها و شهرها را بهبود بخشند.

سه دسته فوق از برنامه‌های 5G در مجموع از از انواع مختلف و گسترده‌ای از خدمات پشتیبانی می‌کنند و با بسیاری از سرویس‌های جدید که انتظار می‌رود در عصر 5G ظهور کنند، سازگار هستند و در نتیجه نحوه خدمت‌رسانی ICT به جامعه جهانی ما در دهه 2020 را متحول می‌کنند.