شهرهای هوشمند و 5G: را‌ه‌حلی هوشمندانه برای آینده‌ای با ارتباطات چندگانه

شهر هوشمند، شهری متشکل از شبکه‌ها و خدمات سنتی است که با استفاده از فناوری‌های دیجیتال و ارتباطی به صورت کارآمدتر به شهروندان ارائه می‌شود[1]. هدف شهرهای هوشمند که امروزه، تأثیرگذارترین متغیر بازار خدمات مبتنی بر فناوری اطلاعات و ارتباطات هستند، ارتقاء کیفیت زندگی شهروندان است.

از منظر فناورانه، کاربردهای شهر هوشمند در لایه عملیاتی از سویی نیازمند به‌کارگیری سنسورها و عملگرهای هوشمند در کاربردهای مختلف بوده و از سوی دیگر مستلزم توسعه اپلیکیشن‌هایی است که برای ارائه سرویس به مشتریان طراحی شده‌اند. اما بهره‌برداری از داده‌های گردآوری شده و سرویس‌های طراحی شده، در گام اول نیازمند در اختیار داشتن واسط ارتباطی است که ملزومات مورد نیاز برای تحقق نیازهای فناورانه کاربردهای مختلف از منظر پهنای باند، نرخ تبادل داده و تأخیر را برآورده نماید و در گام بعدی، این داده‌ها نیازمند تحلیل و بهره‌برداری به منظور تحقق مدیریت داده‌محور در شهرهای هوشمند هستند.

در حال حاضر، بخش قابل توجهی از کاربردهای شهر هوشمند لزوماً به یک فناوری خاص وابسته نیستند و در این کاربردها، فاکتور سرعت در گردآوری داده‌ها اهمیتی نداشته و در فواصل زمانی طولانی (به صورت bulk) منتقل و تحلیل می‌شوند یا در قالب خدمات استعلامی به مشتریان ارائه می‌شوند. اما به مرور و به موازات توسعه اینترنت اشیاء و بلوغ کاربردهای شهر هوشمند، ارتقاء سطح اتوماسیون فرآیندها، افزایش اهمیت بهره‌برداری از داده‌ها در کاربردهای کلیدی و شناسایی کاربردهای جدیدی که شاید امروزه برای شهروندان مطرح نیستند، نقش لینک برقراری ارتباط، بیش از پیش کلیدی خواهد بود.

روند توسعه اینترنت اشیاء نشان می‌دهد که تا سال 2025 حدود 75 میلیارد دستگاه متصل در سرتاسر جهان وجود خواهد داشت. تعداد فزاینده اشیائی که به یکدیگرمتصل هستند، حجم بی‌سابقه‌ای از داده را تولید می‌کند که مدیریت شهرها می‌توانند با تحلیل آن‌ها آگاهی بیشتری نسبت به تغییرات شهری داشته و پروژه‌های جدیدی در راستای افزایش منافع شهروندان ایجاد کنند. اصطلاح «اینترنت اشیاء گسترده»[2] توصیف مناسبی از تعداد زیاد حسگرها و تجهیزات اینترنت اشیاء است که با یکدیگر ارتباط دارند.

کاربردهای ویژه شهر هوشمند؛ کاتالیزور نسل پنجم ارتباطات

همان طور که گفته شد، تمامی کاربردهای شهر هوشمند وابسته به فناوری خاصی نیستند و بسیاری از این کاربردها را می‌توان با شبکه‌های ارتباطی کنونی نیز عملیاتی نمود. اما در این میان، کاربردهایی هستند که بدون استفاده از نسل جدید ارتباطات عملاً وارد فاز عملیاتی نمی‌شوند. اگرچه در نگاه اول، کاربردهایی که عملیاتی شدن آن‌ها مستلزم 5G هستند، لاکچری (!) به نظر می‌رسند؛ ولی با مروری بر پیش‌بینی‌های اقتصادی توسعه 5G که تأثیر آن در اقتصاد دیجیتال تا سال 2035 را در حدود 13.2 هزار میلیارد دلار در نظر گرفته‌اند[3]، می‌توان دریافت جایگاه 5G در آینده شهرهای هوشمند غیرقابل انکار خواهد بود. در این بخش، برخی از این کاربردها را به طور خلاصه مرور می‌کنیم:

خودروهای خودران؛ حوزه خودروهای خودران و به طور کلی، کاربردهای بلادرنگ[4] تعریف شده در حوزه خودروهای متصل مستلزم در اختیار داشتن لینک ارتباطی هستند که خصوصیات پهنای باند بالا و تأخیر بسیار پایین را به صورت همزمان داشته باشد. خودرو خودران، خودرویی است که می‌تواند محیط اطراف خود را به خوبی و درستی درک کرده و با کمترین دخالت انسان، حرکت کند. لذا در این حوزه، سنسورهای متنوعی هم در خودرو و هم در مسیر حرکت و خیابان وجود دارد که تبادل اطلاعات بین آنها صورت می‌گیرد. این تبادل اطلاعات باعث می‌شود که ضمن ایجاد قابلیت خودرانی در خودروها، اطلاعات برای سایر خودروها نیز ارسال می‌شود که آگاهی از مسیر حرکت و رخدادهای در آن و همچنین تصمیم‌گیری در خصوص سرعت و مسیر حرکت را به همراه دارد.

خدمات حوزه سلامت؛ کاربردهای دقیقی نظیر جراحی از راه دور از جمله مواردی در حوزه خدمات سلامت هستند که ملزومات دقیقی از منظر پهنای باند، قابلیت اطمینان[5] و تأخیر اندک را طلب می‌کنند. یکی از اصول پایه در شهرهای هوشمند، دسترسی همه شهروندان به خدمات حوزه سلامت است. پیشرفت‌های حاصل شده در فناوری‌های ارتباطی باعث می‌شود که این خدمات به صورت آنلاین و از راه دور نیز قابل ارائه باشد. در زمان شیوع کرونا، ارائه این خدمات اهمیت بیشتری پیدا نمود، زیرا مبتلایان به ویروس کرونا نیازمند پایش پارامترهای سلامت هستند. از سویی دیگر، در برخی از بیماری‌ها و رخدادهای پزشکی، زمان طلایی وجود دارد که در حدود چند دقیقه بوده و با تشخیص به‌هنگام رخداد پزشکی می‌توان از مرگ بیمار جلوگیری کرد.

حوزه خدمات ایمنی و بحران؛ بهره‌برداری از گستره وسیعی از تجهیزاتی که برای امداد و نجات انسان‌ها در مواقع بحرانی به‌کار می‌روند، از جمله مواردی هستند که با توجه به اثرگذاری بالا در افزایش شاخص‌های کیفیت زندگی، می‌توانند به عنوان کاتالیزور نسل پنجم محسوب شوند. یکی از بخش‌های حوزه خدمات ایمنی و بحران، سامانه هشدار سریع برای اعلام زلزله است. در زمان وقوع زلزله، دو موج P و S زلزله وجود دارد که با فاصله زمانی بین 5 تا 20 ثانیه از یکدیگر رخ‌دهند.در سامانه‌های هشدار سریع، با استفاده از حسگرهای نصب شده در نقاط مختلف شهری و حاشیه شهرها، به شناسایی این امواج پرداخته و زمان مناسب برای قطع شراین‌های حیاتی و اعلام هشدار به شهروندان را ایجاد می‌کند. این تنها بخشی از خدمات حوزه ایمنی و بحران است که 5G می‌تواند با ایجاد شبکه‌ای پرسرعت به ان کمک نماید.

واقعیت مجازی و افزوده؛ این بخش، از مواردی است که در حال حاضر بیشتر به حوزه سرگرمی معطوف شده و تحقق آن مورد توجه نوجوانان و جوانان و در مجموع gamerهای حرفه‌ای است! محققین پیش‌بینی کرده‌اند که بخش بازی‌های ابری می‌تواند درآمدی بالغ بر 150 میلیارد دلار در سال برای اپراتورهای شبکه 5G ایجاد کند. این در حالی است که کاربران مایلند هزینه‌های بیشتری را برای تجربه پیشرفته فناوری در بازی‌های ابری پرداخت کنند.

تأثیر افزایش حسگرها در شهرهای هوشمند

نسل پنجم شبکه های ارتباطی در افزایش تعداد دستگاه‌های متصل در شهرها و به‌الطبع افزایش تجربه دیجیتالی و هوشمندتر شدن شهرها تأثیر بسزایی دارد. نسل پنجم شبکه تلفن همراه، علاوه بر ارائه سرعت بالاتر در آپلود و دانلود داده‌ها نسبت به نسل‌های قبلی، تأخیر زمانی را نیز کاهش داده و قابلیت اتصال چندین دستگاه را به صورت همزمان ایجاد می‌کند. تأخیر زمانی کمتر به معنی فشرده‌سازی زمان بین ارسال و دریافت سیگنال است.

نسل پنجم شبکه های ارتباطی تأخیر زمانی را به کمتر از 10 میلی‌ثانیه می‌رساند این در حالی است که شبکه 4G در بهترین حالت، تأخیر 1 میلی‌ثانیه‌ای را ارائه می‌دهد. تأخیر زمانی ارائه شده در 5G به این معنی است که داده‌ها در زمان واقعی منتقل می‌شوند. علاوه‌براین، با وجود شبکه‌های جدید (5G)، سرعت انتقال داده و تأخیر زمانی حتی با ده‌ها هزار دستگاه متصل نیز از بین نمی‌رود. بنابرین 5G تراکم دستگاه‌های بیشتری را ارائه می‌دهد. ترکیبی از تراکم بالا و تأخیر اندک، عمیقاً شهرها را متحول خواهد کرد. امروزه، در مکان‌های شلوغ، زمان تعطیلات و یا استادیوم‌ها، ایجاد اتصال با شبکه تلفن همراه، گاهی اوقات با مشکل همراه است، که با 5G دیگر اینگونه نخواهد بود و اتصال همزمان تعداد عظیمی (تا یک میلیون) دستگاه در هر کیلومتر مربع امکان‌پذیر می‌شود. این بدان معنی است که علاوه بر دستگاه‌های شخصی چون تلفن همراه، لپ‌تاب، تبلت و رایانه‌ها شخصی به اینترنت، بسیاری از دستگاه‌ها و حسگرهای دیگر نیز می‌توانند به شبکه متصل شده و تبادل داده نمایند. علاوه‌ بر سادگی موارد بیان شده، مصرف کم انرژی در شبکه‌های 5G، زمان استفاده از باتری در دستگاه‌ها را افزایش داده و پوشش گسترده‌تری را فراهم می‌کند. این شاخص‌ها باعث می‌شود تا شبکه بتواند تعداد زیادی از دستگاه‌های استفاده شده در برنامه‌های اینترنت اشیاء را کنترل نماید. بنابراین 5G یکی از چالش‌های موجود رد توسعه اینترنت اشیاء را از بین می‌برد و باعث می‌شود که بتوان از اینترنت اشیاء نه تنها در منازل و ساختمان‌ها، که در کارخانه‌های صنعتی، ساختمان‌های عمومی، خیابان‌ها و سایر موارد استفاده کرد.

تکامل اینترنت اشیاء عظیم (Massive IoT)

در استاندارد 3GPP، اصطلاح ارتباطات نوع ماشین یا «MTC»[6]برای نشان دادن محدوده وسیعی از ارتباطات بی‌سیم بین سنسورها، محرک‌ها، اشیاء فیزیکی و سایر دستگاه‌هایی که مستقیماً توسط انسان اپراتوری نمی‌شوند، به کار برده شده است. ارتباطات نوع ماشین با دو چالش عمده مواجه است: ارتباطات نوع ماشین عظیم که با (mMTC)[7]نشان داده می‌شود و ارتباطات نوع ماشین با قابلیت اعتماد بالا که با (uMTC)[8]نشان داده شده است.

همان‌گونه که از اسم‌گذاری آن مشخص است در mMTC تمرکز بر ایجاد اتصال مقیاس‌پذیر تعداد فزاینده‌ای از دستگاه‌ها با تمرکز بر پوشش منطقه‌ای وسیع و نفوذ همیق در داخل منازل و ساختمان‌ها است. یک نمونه معمول از این دسته، جمع‌آوری داده‌های اندازه‌گیری شده از تعداد زیادی حسگر کم مصرف مانند کنتورهای هوشمند است. از طرف دیگر، uMTC، در مورد لینک‌های ارتباطی بی‌سیم برای ارائه خدمات شبکه با در نظر گرفتن ویژگی‌هایی چون در دسترس بودن، تأخیر اندک و قابلیت اطمینان بالا است. دو نمونه مهم از این دسته ارتباطات ماشین به هر چیز (Vehicle‐to‐everything) که با V2X نشان داده می‌شود و کاربردهای کنترل صنعتی است.

استاندارد 3GPP تغییرات مختلفی را در معماری شبکه5G و نیز رادیوی جدید (New Radio) به منظور بهبود شبکه برای پشتیبانی از دستگاه‌های اینترنت اشیاء استفاده شده توسط بخش‌های مختلف و همچنین افزودن ویژگی‌های جدید برای فعال کردن خصوصیات نمونه‌های موردی گسترده‌تر، ایجاد نموده است. در این خصوص، دو چالش عمده وجود دارد: 1- اتصال‌های کم هزینه تعداد زیادی دستگاه در یک منطقه و 2- مدیریت کارآمد این دستگاه‌ها در چرخه عمر کامل آنها.

اینترنت اشیاء عظیم، جزئی از موج اولیه 5G نبوده و در نسخه 16 استاندارد آن گنجانده شده است و انتظار می‌رود در اواخر سال 2020 و یا اوایل سال 2021 برنامه‌های اینترنت اشیاء عظیم از ماژول‌های توسعه یافته پشتیبانی کند. تا زمانی که ماژول‌های 5G برای اینترنت اشیاء عظیم وارد بازر شود، استاندارد LTE و Narrowband IoT (NB-IoT) برای پشتیبانی از ارتباطات نوع ماشین (LTE-M) مبتنی بر 4G جهت استفاده در کاربردهای اینترنت اشیاء وجود دارد. از آنجا که موارد استفاده از اینترنت اشیاء شامل حسگرها و دستگاه‌هایی با چرخه عمر طولانی هستند، اهمیت انتخاب فناوری مناسب و نیز حرکت به سوی 5G را بیشتر می‌کند.

شهرهای هوشمند: راه‌حلی دیجیتال برای آینده‌ای محتمل‌تر

در نهایت، 5G ایجاد شهرهای هوشمند را از تئوری به واقعیت نزدیک‌تر کرده و راه را برای توسعه و استقرار برنامه‌هایی چون نظارت بر کیفیت هوا، استفاده از انرژی، الگوهای ترافیکی، کنترل روشنایی خیابان، پارکینگ هوشمند، مدیریت شرایط بحران و نیز مدیریت جمعیت، هموار می‌کند. شهرهای هوشمند از راه‌حل‌های دیجیتال، فناوری و نیز داده‌های جمع‌آوری شده برای بهبود قابل توجه شاخص‌های کلیدی زندگی استفاده می‌کند. این امر موجب بهود ترافیک و زمان‌های رفت و آمد، تسریع در زمان پاسخگویی در شرایط اضطراری و بحران، کاهش هزینه‌های مراقبت‌های بهداشتی و پزشکی، کاهش مصرف انرژی، بازیافت پسماند و در نهایت صرفه‌جویی گسترده در زمینه‌های مختلف می‌شود.

موارد بیان شده، فرصت‌های شغلی جدیدی را برای شرکت‌های ارائه‌دهنده خدمات ایجاد کرده و برنامه‌های مختلفی را برای مدیریت اکوسیستم اینترنت اشیاء با ایجاد هوشمندی با استفاده از داده‌ها ارائه می‌دهد. کشورهای عضو اتحادیه اروپا، برنامه‌های مختلفی را در سطح ملی و منطقه‌ای برای رفع چالش‌های مربوط به شهرها شروع نموده‌اند که یکی از آنها، برنامه افق 2020 (Horizon 2020) و ایجاد بازار واحد دیجیتال است.

[1] تعریف اتحادیه اروپا از شهر هوشمند

[2] Massive IoT

[3] The 5G economy, an independent study from IHS Markit.

[4] real-time

[5] Reliability

[6] Machine‐Type Communication

[7] massive Machine‐Type Communication

[8] ultra‐reliable Machine‐Type Communication

* پی‌نوشت: این متن با همکاری دکتر سیدعلی خدام حسینی تهیه شده و در شماره 209
هفته نامه شنبه منتشر شده است.