شبکه ۵G — به زبان ساده

شبکه 5G یا نسل پنجم شبکه‌های مخابراتی در حال ظهور است که نویدبخش انتقال داده با سرعت بسیار بالایی است. انتظار می‌رود که شبکه 5G بتواند انقلابی در شبکه‌های موبایل به وجود آورد و فرصت‌های اقتصادی متنوعی برای دولت‌ها فراهم کند. اما این سوال پیش می‌آید که نسل پنجم مخابرات چگونه قرار است چنین تغییراتی را به وجود بیاورد و تفاوت اصلی آن با نسل چهارم در چیست؟

در این مطلب قصد داریم به بیان ویژگی‌های نسل 5G ارتباطات بپردازیم و آن را از جنبه‌های مختلف بررسی کنیم.

نسل پنجم شبکه‌های مخابراتی، که با نام 5G شناخته می‌شود، بر اساس بازار داغ پیش‌بینی‌ها قرار است یک گام ترقی بزرگ در شبکه‌های موبایل باشد و سرعت دانلود و اشتراک اطلاعات به صورت بلادرنگ (Real Time) را به صورت نمایی افزایش دهد. تا اواخر سال ۲۰۲۰، چندین اپراتور موبایل نمونه اولیه 5G را در چند شهر کشور انگلستان راه اندازی می‌کنند. در حال حاضر در سطح جهان هم نواحی خاصی به صورت آزمایشی از این نسل استفاده می‌کنند. در کشورهای آمریکا، سوئیس، چین و ژاپن نیز کمپانی‌های مختلف در حال تلاش برای فراگیر کردن این شبکه‌ها هستند.

شرکت Ericsson در کشور سوئیس پیش‌بینی کرده است که تا سال ۲۰۲۴، ۱٫۵ میلیارد کاربر که حدود چهل درصد از جمعیت کل کره زمین را شامل می‌شود، تحت پوشش شبکه 5G خواهند بود. اما این تکنولوژی چه تفاوتی با نسل قبل از خود یعنی 4G دارد و به چه صورت فناوری‌های مختلف را تحت پوشش قرار می‌دهد؟

اصول کار شبکه 5G

5G یک سیستم دیجیتالی جدید برای انتقال بیت‌های داده از طریق هوا است. این شبکه با استفاده از یک رابط (Interface) رادیویی جدید 5G، به همراه سایر تکنولوژی‌های نوین در این حوزه، قادر است تا از فرکانس‌های رادیویی بالاتری بهره ببرد. به عنوان مثال در نسل 4G فرکانس کاری در محدوده زیر ۶ گیگا هرتز است در حالی‌که نسل 5G از فرکانس‌های بسیار بالاتر در حدود ۳۰ گیگا هرتز تا 1۰۰ گیگا هرتز استفاده می‌کند.

فیلم آموزش شبیه سازی شبکه های کامپیوتری و مخابراتی با ns-3 در فرادرس

کلیک کنید

این فرکانس بسیار بالا منجر به این امر می‌شود که داده‌های بسیار بیشتری در هوا و با سرعت بسیار بالاتری انتقال یابند و از ازدحام (Congestion) شبکه کاسته شود. همچنین تاخیر (Latency) شبکه به شدت افت می‌کند. تاخیر در شبکه برابر با مقدار زمانی قبل از شروع به انتقال داده است که هنوز فرآیند انتقال، دستورالعمل خاص خود را شروع نکرده است.

رابط جدید در 5G، که از طیف موج میلی متری (Millimetre Wave Spectrum) بهره می‌گیرد، شبکه را قادر می‌سازد تا در یک ناحیه جغرافیایی، تعداد بیشتری وسیله را تحت پوشش قرار دهد. در نسل 4G، حدود ۴۰۰۰ وسیله در هر کیلومتر مربع می‌توانند تحت پوشش قرار گیرند، اما در نسل 5G این مقدار به یک میلیون وسیله افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، تماس‌های صوتی و تصویری می‌توانند بدون ایجاد وقفه و اختلال در طول آن‌ها در یک فضای محدود برقرار شوند.

نسل 5G همچنین از یک تکنولوژی دیجیتال جدید که ورودی خروجی انبوه (Massive MIMO) نام دارد، استفاده می‌کند. عبارت MIMO مخفف Multiple Input Multiple Output (چند ورودی چند خروجی) است و در آن از اشعه‌های چند هدفه برای ردیابی کاربران در اطراف محل سلول (Cell Site) و افزایش پوشش‌دهی، سرعت و ظرفیت شبکه استفاده می‌شود. تکنولوژی‌های شبکه که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند پروژکتور موج را در یک ناحیه منتشر می‌کنند اما اتلاف نور/سیگنال بسیار بالایی دارند. در حالی که بخش عظیمی از عملکرد بهینه نسل 5G به دلیل نصب تکنولوژی Massive MIMO و اضافه کردن آن روی زیر ساخت‌های 4G موجود است.

تفاوت‌های نسل 4G و 5G

در مقایسه با شبکه‌های مخابراتی نسل سوم، نسل چهارم توانست عملکردهای غیر قابل اعمال توسط شبکه نسل سه، مانند برقرای تماس های صوتی و دریافت رشته‌های سیگنال ویدیوئی با کیفت نسبتا خوب را فراهم کند. به عنوان مثال، امروزه مشاهده کانال‌های تلویزیونی به صورت آنلاین به یک کارکرد عادی تبدیل شده است. اما تداوم روند رشد سیگنال‌های ویدیوئی، منجر به افزایش ازدحام شبکه می‌شود. در واقع نسل 4G با محدودیت شدیدی در اندازه اطلاعاتی مواجه است که می‌تواند با سرعت بالا در طول بلوک های طیفی منتقل شود.

فیلم آموزش شبکه های بی سیم Wireless Networks در فرادرس

کلیک کنید

یک تفاوت عمده در دو نسل مخابرات 4G و 5G در این است که مشکل ازدحام در 5G حذف می‌شود. این امر بدین معنی است که کاربران عملا حالتی را تجربه نخواهند کرد که در ساعت اوج ترافیک، گوشی دریافت سیگنال را به صورت کامل نشان دهد، اما حتی قادر به باز کردن یک صفحه اینترنت در مرورگر نباشند.

اما مهم‌ترین تفاوت 4G و 5G در این است که نسل 5G دروازه‌ای برای عملی شدن تکنولوژی اینترنت اشیا (Internet of Things) است. در فناوری اینترنت اشیا، تمام انسان‌ها، وسایل و حتی حیونات در ابعاد وسیعی به یکدیگر متصل می‌شوند. آخرین نسل از ارتباطات، انتظار می‌رود تا صنایع مبتنی بر داده (Data-Driven Industries)، شهرهای هوشمند (Smart Cities) و مدیریت زیرساخت‌ها (Infrastructure Management) را دچار انقلاب بزرگی کند؛ زیرا این نوع از شبکه‌های مخابراتی قادر است تعداد بیشتری وسیله را در یک ناحیه با امنیت و قابلیت اطمینان بیشتر و با وقفه و اختلال بسیار کمتر مورد بهره‌برداری قرار دهد.

در حالت کلی، به دلیل تکنولوژی‌‌های جدید و نیز طیف موج میلی متری مورد استفاده در نسل 5G، سرعت بالاتر، تاخیر پایین‌تر، ظرفیت اتصال وسایل بیشتر، تداخل کمتر و بازده بالاتر از ویژگی‌های این شبکه‌ها است.

پهنای باند، تاخیر و طیف شبکه 5G

هر اپراتور، بلوک طیفی مخصوص به خود را دارد، که این طیف، یک بازه فرکانس رادیویی الکترومغناطیسی برای انتقال صوت، داده و ویدئو در سرتاسر کشور است. این طیف‌ها به یکدیگر می‌پیوندند و ظرفیت کلی شبکه را تشکیل می‌دهند. در واقع این ظرفیت، نشان می‌دهد که شبکه داده‌ها را با چه سرعتی منتقل می‌کند.

امروزه ممکن است یک اپراتور خاص، در کل ۱۰۰ مگا هرتز از طیف کلی را در اختیار داشته باشند و با همین بازه طیفی، خدمات خود را به مشترکان سر تا سر کشور ارائه دهد. اما این مقدار در نسل 5G تقریبا به حدود ۱۰۰۰ مگا هرتز افزایش می‌یابد. در واقع یکی از بزرگ‌ترین تغییراتی که توسط نسل 5G ایجاد می‌شود، افزایش مقدار طیفی ارائه شده به اپراتورها است. این افزایش ظرفیت شبکه باعث می‌شود که داده‌ها با سرعت بالاتری به صورت بلادرنگ منتقل شوند و تاخیر شبکه به مقدار حداقل برسد.

تاخیر در شبکه نسل چهارم در حدود 20 تا 30 میلی ثانیه است، اما در یک شبکه 5G مقدار تاخیر به زیر ۱۰ میلی ثانیه می‌رسد. البته در شرایط بهترین عملکرد ایده‌آل این مقدار حتی تا ۱ میلی ثانیه هم افت می‌کند. چنین پیشرفتی ممکن است به ظاهر تاثیری برای کاربران عادی شبکه نداشته باشد، اما برای صنایعی که کنترل ماشین‌ها از راه دور و در مسافت‌های بالا مورد نیاز است، امکان انتقال داده‌ها را با سرعت و تاخیر بسیار کمی فراهم می‌کند. در جدول زیر مقایسه‌ای از سه نسل 3G و 4G و 5G آورده شده است.

شبکه 5G تا چه حد سریع‌تر است؟

شبکه‌های 5G حدودا دارای سرعتی ۱۰ برابر بیشتر از شبکه‌های 4G هستند. این بدین معنی است که تماس‌های ویدئویی با رزولوشن بسیار بالای 4K (استاندارد مورد استفاده در فیلم‌های سینمایی تجاری) برقرار می‌شوند و دانلود‌ها با سرعت بسیار بیشتری انجام می‌گیرند. در این حالت انتقال داده‌ها در کمتر از ۲۰ میلی ثانیه استاندارد خواهد بود.

البته برای تعداد کمی از کاربردها سرعت‌های در حد گیگابایت مفید است و برای اکثر کاربردها احتیاجی به چنین سرعتی بر روی گوشی‌های تلفن نیست. در واقع برای کاربردهای عادی مانند دانلود فیلم و برقراری ارتباطات زنده، نسل چهارم شبکه هم می‌تواند پاسخگوی این نیازها باشد.

در حال حاضر چنین پیش‌بینی می‌شود که 5G به عنوان یک کاتالیزور برای تسهیل ارتباط ماشین و انسان با یکدیگر در ابعادی جدید عمل کند و فرصت‌های اقتصادی و تجاری جدیدی را خلق کند. بر اساس گزارش آنالیز صنایع IHS، نسل پنجم مخابرات تا سال ۲۰۳۵ منجر به پیشرفت حدود ۱۲٫۳ تریلیون دلار در اقتصاد جهانی خواهند شد. همچنین بر اساس مطالعات انجام شده، حجم داده‌هایی که در جهان تولید می‌شود، از ۳۳ زتا بایت (Zettabytes) در سال ۲۰۱۸ به ۱۷۵ زتا بایت در سال ۲۰۲۵ افزایش می‌یابد. (هر زتا بایت $$10^ {21}$$ بایت است.)

نمونه‌ای از کاربردهای بسیار مهم 5G، در ربات‌های جراحی از راه دور است. در این ربات‌ها علی رغم این که ربات و کاربر کیلومترها از یکدیگر دور هستند، اما استفاده از 5G منجر به افزایش قابلیت اطمینان سیستم می‌شود. البته در چنین کاربردهایی باید تاخیر شبکه به زیر ۲ میلی ثانیه برسد.

یک شبکه سریع، قابل اعتماد و بلادرنگ می‌تواند صنایع مختلف را از بند نیاز به ارتباط کابلی جهت اتصال به شبکه برهاند. چنین شبکه‌ای صنایع را به ارتباطات بی‌سیم برای عملکرد خود مختار (Autonomous) و انعطاف‌پذیرتر مجهز می‌کند. ارتباط بی‌سیم و سریع همچنین موجب کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری می‌شود.

برای مثال، در کشور سوئد استفاده از 5G در حفاری معدن Boliden Aitik هزینه‌ها را در حدود ۱ درصد کاهش داده است و موجب صرفه جویی سالانه ۲٫۵ میلیون دلار می‌شود. زمانی که کارخانه‌ها می‌توانند ۱ تا ۳ درصد راندمان تولید را بالاتر ببرند، این عمل منجر به صرفه جویی میلیون‌ها دلار می‌شود. همچنین بر اساس تحقیقات انجام گرفته، کارخانه‌هایی که مجهز به ارتباطات بی‌سیم 5G هستند، از انعطاف‌پذیری بالاتری برخوردار بوده و مدیریت کلی خطوط تولید به صورت موثرتری انجام می‌گیرد.

رواج نسل ارتباط 5G موجب می‌شود تا شبکه زیرساخت لازم برای حوزه‌های شهر هوشمند (Smart City) و خودروهای متصل (Connected Car) فراهم شود.

امنیت 5G

تمام حوزه‌های کاربردی می‌توانند علاوه بر پوشش، ظرفیت و سرعت بیشتر 5G، از رمزگذاری (Encryption) و امنیت بالاتر این شبکه نیز بهره‌مند شوند. نسل پنجم ارتباطات، برای تمام صنایع، شبکه خاصی را فراهم می‌کند که توسط آن بتوانند اینترنت اشیا را با کنترل بهتر و مخابرات قابل اعتمادتری پیاده‌سازی کنند. در این شبکه کیفیت سرویس‌های محاسباتی مبتنی بر لبه (Edge-Based Computation) یا ابری (Cloud) تضمین شده است.

فیلم آموزش مبانی ICT آی سی تی – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

شبکه 5G المان ضروری امنیت که شبکه‌های WIFI (که طیف در آن‌ها با دیگری مشترک است.) از عهده آن بر نمی‌آیند را نیز فراهم می‌کند و به آسانی دچار تداخل نمی‌شوند. اگر یک کمپانی دارای داده‌های حساس و محرمانه باشد اهمیت داشتن یک ارتباط امن برای انتقال و تحلیل این داده‌ها ضرورتی غیر قابل انکار است که توسط ارتباطات 5G می‌توان به این هدف رسید.

اگر مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی مخابرات
• آموزش مخابرات ۱
• مجموعه آموزش‌ مهندسی الکترونیک
• آموزش اینترنت اشیا (Internet of things) – تکمیلی
• فیبر نوری — به زبان ساده
• مخابرات فیبر نوری — راهنمای جامع
• امواج الکترومغناطیسی — از صفر تا صد

^^