آینده‌ای که برای جهان خود متصوریم پر از سیستم‌های هوشمند و ارتباطات مجازی است؛ خودروهای خودران، خانه‌های هوشمند و ... . اما سوال این است که چه قدر با این آیندة جذاب فاصله داریم؟ در جهان پرسرعت امروزی، برای ما کاملاً پذیرفته شده‌است که یک فایل چند ده مگابایتی در کمتر از پنج دقیقه دانلود شود. اما در بسیاری از این فرآیند‌های هوشمند مثل هدایت یک خودروی خودران، جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها نباید بیش از چند میلی ثانیه طول بکشد. و می‌دانیم که استانداردهای فعلی تبادل داده، مثل 5G، نیازهای لازم برای این امر را تأمین نمی‌کند. اما راه حل چیست؟
طبق پیش‌بینی‌ها، نخستین شبکه‌های تجاری 5G در دهۀ پیش رو به بهره‌برداری می‌رسند، روندی که هم‌اکنون آغاز شده و نصب اولین آنتن‌های BTS نسل پنجم را در کشور خودمان هم شاهد بوده‌ایم. در حال حاضر تکنولوژی 5G هنوز در مرحلۀ برنامه‌ریزی و طراحی قرار دارد و شرکت‌ها و صنایع در حال سنجش جوانب گوناگون آن هستند. با این حال همگی روی یک چیز توافق دارند: نسل جدید باید بتواند حجم بسیار بیشتری از داده را در مدت زمانی بسیار کوتاه‌تر از استانداردهای فعلی مدیریت کند. تأخیر این بستر باید کمتر از 1 میلی‌ثانیه و حداکثر سرعت دانلود آن 20 گیگابیت بر ثانیه باشد. (برای مقایسه، شبکه‌های 4G در حدود 70 میلی ثانیه تأخیر دارند و حداکثر سرعت دانلود آن‌ها 1 گیگابیت بر ثانیه است!)
ولی چه پیشرفتی در فناوری قرار است چنین تحولی را رقم بزند؟ با اینکه هنوز دقیقاً نمی‌توان گفت که چه فناوری‌هایی بیش‌ترین نقش را در توسعۀ 5G خواهند داشت، اما چند روش و تکنولوژی تاکنون مورد توجه بیشتری قرار گرفته‌اند که معرفی آن‌ها می‌تواند تمایز نسل چهارم و پنجم را بهتر نشان دهد.
محدودیت در پهنای باند
شبکه‌های بی‌سیم فعلی برای افزایش سرعت با مشکل بزرگی مواجه هستند؛ ارائه‌کنندگان خدمات برای تبادل داده محدود به باند فرکانس رادیویی هستند. بنابراین با افزایش تعداد کاربران، پهنای باند اختصاص یافته به هر کاربر و سرعت تبادل داده کاهش می‌یابد. در این شرایط، تحولاتی در ابعاد IoT که نیازمند تبادل حجم زیادی از داده‌اند تنها در حد یک رویا باقی می‌ماند.
راه حل، استفاده از باند فرکانسی تازه‌ای است که تا به حال برای شبکه‌های موبایل مورد استفاده قرار نگرفته‌است. در حالی که شبکه‌های بی‌سیم فعلی از باند 3-6 GHz استفاده می‌کنند، ارائه‌دهندگان شبکه‌های 5G از باند «موج میلی‌متری» که در فرکانس‌های 6-300 GHz قرار دارد بهره خواهند برد. پیش از این، تنها ماهواره‌ها و سیستم‌های راداری از این امواج استفاده می‌کردند و اخیراً هم، برخی از سرویس‌دهندگان مخابراتی این امواج را برای انتقال داده بین دو نقطۀ ثابت، مثل دو ایستگاه مخابراتی، به کار گرفته‌اند. اما استفاده از موج میلی‌متری برای تبادل داده بین دو گوشی موبایل رویکردی کاملاً جدید است.
البته چالشی بزرگ در استفاده از امواج میلی‌متری وجود دارد؛ این امواج نمی‌توانند به خوبی از ساختمان‌ها و موانع عبور کنند و همچنین، ممکن است به وسیلۀ باران یا شاخ و برگ درختان جذب شوند. شبکه‌های بی‌سیم فعلی از ایستگاه‌های مخابراتی بزرگ و با توان بالا استفاده می‌کنند که با فاصلۀ نسبتاً زیادی از هم قرار گرفته‌اند. اما به دلیل مشکلات انتشار امواج میلی‌متری، در سیستم‌های 5G نمی‌توان از این شیوة توزیع ایستگاه‌های مخابراتی برای برقراری ارتباط بهره برد، چرا که اگر یک نفر پشت مانعی مثل یک درخت ایستاده باشد، تماس با او غیر ممکن می‌شود!
حل این چالش ما را به سوی استفاده از فناوری بعدی سوق می‌دهد: «شبکه‌های سلولی کوچک»؛ یعنی استفاده از تعداد خیلی زیادی ایستگاه‌های کوچک با توان پایین که با فاصلۀ کمی نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند. آنتن‌های مخابراتی موجود، معمولاً در ارتفاع حدود 30 متری زمین نصب می‌شوند اما آنتن‌های 5G به اندازه‌ای کوچک هستند که بتوان آن‌ها را روی چراغ راهنمایی و یا پشت‌بام یک ساختمان نصب کرد به همین دلیل می‌توان به وسیلة تعداد زیادی از این آنتن‌ها، مناطق مختلف را با شبکه‌هایی متراکم پوشش داد. استفاده از این سلول‌های کوچک در استفادۀ بهینه از پهنای باند هم کمک‌کننده خواهد بود، چون آنتن‌هایی که در مجاورت هم نیستند می‌توانند از فرکانس یکسانی استفاده کنند. البته در این فناوری لازم است که هر آنتن در فاصلۀ 100 یا 200 متری آنتن قبلی نصب شود. بنابراین، تعداد آنتن‌های مورد نیاز چندین برابر آنتن‌های فعلی خواهد بود و این مسئله ممکن است برای استفاده از 5G در مناطق روستایی ایجاد مشکل کند.
افزایش ظرفیت هر کانال
ایستگاه‌های 4G تنها 12 پورت برای اتصال آنتن دارند، 8 فرستنده و 4 گیرنده. اما با کمک سیستم‌های «Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output)» تعداد بسیار بیشتری آنتن می‌تواند در یک آرایه قرار بگیرد و هر ایستگاه 5G در حدود 100 پورت خواهند داشت! با این روش می‌توان با تقسیم اطلاعات و ارسال آن‌ها از چند مسیر، بازدهی یک کانال فرکانسی (نرخ بیت‌های ارسالی به تعداد کاربرهای مشخص) را افزایش داد و همچنین، هم‌زمان داده‌ها را با تعداد کاربر بسیار بیشتری تبادل کرد. این فناوری، ظرفیت شبکه‌های موبایل را تا چند ده برابر حالت فعلی افزایش می‌دهد و استفاده از سیستم‌های MIMO بزرگ برای آیندۀ 5G بسیار امیدوارکننده است.
عکس 2-1
اما این روش هم، مثل اکثر راه‌کارهای مهندسی، بدون مشکل نیست و در این سیستم نصب تعداد بسیار زیادی آنتن بر روی یک ایستگاه باعث تداخل شدید بین امواج می‌شود. راه کاهش این تداخل استفاده از «Beamforming» است. این فناوری، یک تکنیک ارسال سیگنال است که مانند یک چراغ راهنمایی، فقط در مسیرهای مشخصی هر سیگنال را ارسال می‌کند. در این روش، با تبادل اطلاعات اولیه بین فرستنده و گیرنده، وضعیت مکانی آن‌ها نسبت به هم و مشخصات کانال ارتباطی موجود معلوم شده و سپس مناسب‌ترین مسیرها برای انتقال سیگنال تعیین می‌شوند و فرستنده، بسته‌های داده را تنها در این مسیرها ارسال می‌کند. بنابراین هم تداخل بین امواج کاهش می‌یابد و هم با تعیین دقیق مسیرها، شانس عبور سیگنال از بین موانع موجود بیشتر می‌شود. به این ترتیب Beamforming این امکان را فراهم می‌کند تا با استفاده از Massive MIMO پهنای باند برای استفادة تعداد زیادی کاربر بهینه شود.
ارتباط دوطرفة هم‌زمان
در سیستم‌های ارتباطی دوطرفه، همة کاربران می‌توانند اطلاعات را هم ارسال و هم دریافت کنند اما یکی از ویژگی‌های مهم، هم‌زمان بودن این ارتباط دوطرفه است(full duplex). هنگامی که تنها یک مجرای ارتباطی وجود دارد، برای مثال در بی‌سیم‌های ساده مثل walkie-talkie، شما در آن واحد باید فقط اطلاعات را ارسال یا دریافت کنید چون یک آنتن ساده نمی‌تواند بدون رخ دادن تقابل، بر روی یک فرکانس، سیگنالی را ارسال و هم‌زمان روی همان فرکانس، سیگنال دیگری را دریافت کند. این پدیده باعث زمان‌بر شدن ارتباط می‌شود. یک راه رفع این مشکل، استفاده از دو فرکانس مجزا برای ارسال و دریافت داده‌است اما این کار پهنای باند مصرفی را بیشتر می‌کند و مزیت چندانی ندارد.
راه‌کار مناسب‌تر، ارسال و دریافت هم‌زمان روی یک فرکانس با اختصاص نوبت‌هایی به ارسال و دریافت است. در این راستا متخصصین موفق به ساخت ترانزیستورهایی شده‌اند که می‌توانند به عنوان سوییچ‌های فوق سریع مورد استفاده قرار گیرند تا وقفه‌ای در انتشار برعکس امواج ایجاد کنند و ارسال و دریافت را به صورت مجزا انجام دهند. البته مشکل این فناوری، ایجاد تداخل از طریق اکوهای مزاحم است. سیگنالی که فرستنده تولید می‌کند به مراتب به آنتن دستگاه نزدیک‌تر و از سایر سیگنال‌هایی که دستگاه دریافت می‌کند قوی‌تر است. بنابراین، ارتباط دوطرفة هم‌زمان، نیازمند روش‌های ویژۀ از بین بردن اکو نیز هست.
چالش‌های غیرفنی
اخیراً در چندین شهر بزرگ اعتراضاتی علیه راه‌اندازی و نصب شبکۀ 5G صورت گرفته و بعضاً به حدی بوده‌است که نصب ایستگاه‌ها را در چند شهر لغو کند یا به تأخیر بیندازد. معترضان عموماً به خطر احتمالی تشعشعات رادیویی آنتن‌هایی اشاره می‌کنند که در مجاورت مردم نصب می‌شوند. همچنین فقدان شواهد علمی که نشان دهد سیگنال‌های 5G، به خصوص امواج میلی‌متری، برای سلامتی خطری ندارند آن‌ها را نگران کرده‌است. یکی از مسائلی که در این باره مطرح است، فاصلۀ کم آنتن‌های 5G با افراد است. آنتن‌های 4G عموماً در ارتفاعی قابل توجه و با فاصله نسبت به یکدگیر قرار می‌گرفتند. اما فاصلۀ بین آنتن‌های 5G به مراتب کمتر و ارتفاعشان هم به اندازۀ یک تیر چراغ راهنمایی یا یک ساختمان خواهد بود.
عکس 2-2
به گفتۀ متخصصین، اگر یک ایستگاه 5Gکه در یک ایستگاه اتوبوس نصب شده، همان توانی را مصرف کند که یک آنتن 4Gدر 30 متری زمین مصرف می‌کند، خطر ابتلا به سرطان وجود خوهد داشت، اما باید توجه داشت که هر آنتن 5Gقرار است مساحت بسیار کمتری را پوشش دهد و بنابراین، توان بسیار کمتری مصرف می‌کند. همچنین در فاز اولیة راه‌اندازی نسل پنجم، تنها باند فرکانس رادیویی به کار گرفته می‌شود که هم‌اکنون هم در نسل سوم و چهارم مورد استفاده است. در این باند، به دلیل آنکه هنوز به فرکانس‌های یونیزه‌کننده وارد نشده‌ایم، خطر ابتلا به سرطان وجود نخواهد داشت. البته در فاز اولیه، تنها بهبودی اندک را در سرعت تبادل داده مشاهده خواهیم کرد و فاز اصلی، فاز دوم است که امواج میلی‌متری در آن استفاده خواهد شد. در این فاز، نکتۀ حائز اهمیت این است که امواج میلی‌متری جذب پوست نمی‌شوند، بلکه روی سطح پوست بازتاب می‌یابند. بنابراین تاثیر آن‌ها روی پوست خیلی کمتر است. تنها خطر شناخته شده در رابطه با امواج میلی‌متری، گرم شدن موضعی پوست است که می‌تواند در حد نیم درجۀ سانتی‌گراد باشد. اما همچنان ممکن است خطرات ناشناخته‌ای وجود داشته باشد که موجب نگرانی است.
آنچه که واضح است، این است که آیندۀ سرشار از واقعیت مجازی، اتومبیل‌های خودران و اشیای هوشمند بدون بالا رفتن سرعت تبادل داده ممکن نخواهد بود. از طرفی، نباید برای آیندۀ درخشان، بی‌گدار به آب زد و سلامتی خود را به خطر انداخت. با مشخص شدن جزئیات بیشتر از طراحی‌های نسل پنجم، می‌توانیم امیدوار باشیم که شواهد علمی متقنی برای خطرناک نبودن این تکنولوژی نیز کشف شود.
https://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g
