سامسونگ چگونه نسل پنجم مخابرات سلولی را ممکن می‌کند؟

فرصت نشده بود در «یک پزشک» در مورد خبر جالب توجه پژوهش‌های سامسونگ روی نسل پنجم مخابرات برایتان بنویسم.

اما خوشبختانه یکی از خوانندگان یک پزشک آقای بهزاد بیگلربیگی که در بخش تحقیقات شرکت سامسونگ در آمریکا کار می‌کنند، به تازگی لطف کرده‌اند و مقاله‌ای در این مورد برای ما نوشته‌اند، با هم این مقاله را می‌خوانیم:

سامسونگ که تا همین چند سال پیش به شرکتی دنباله‌رو و کپی‌کننده معروف بود، چند سالی است در دنیای موبایل گوی سبقت را از سایر رقبا ربوده است. بی‌دلیل نیست که میان این همه شرکت سازنده موبایل، اپل تنها سامسونگ را به دادگاه می‌کشد و سود عظیم ساسونگ در فروش محصولات تلفن‌های موبایل در چند سال اخیر نشان از آن دارد که این شرکت خیز بلندی را برای کسب شرکت برتر و پیشرو در زمینه مخابرات موبایل حداقل در ده سال آینده دارد.

در حالی که در حال حاضر در بسیاری از کشورهای دنیا از جمله ایران مخابرات داده‌های نسل سوم 3G محصولی نوپاست و در کشورهای پیشرفته درصد کسانی که از شبکه‌های مجهز به نسل چهارم (4G) و LTE بهره می‌برند بسیار کم هستند، سامسونگ به تازگی خبری را منتشر کرد که نشان از آینده‌نگری سامسونگ می‌دهد.

این خبر که در وبلاگ رسمی سامسونگ در روز 13 مه 2013 منتشر شده است عنوان می‌کند که سامسونگ نخستین تکنولوژی مخابرات موبایل نسل پنجم را در باند میلی متری ارائه کرده است. در این خبر نسبتا کوتاه اشاره می‌شود که سامسونگ موفق شده تا فرستنده و گیرنده‌ای را برای مخابرات سلولی بسازد که در باند 28 گیگاهرتز کار می‌کند و قادر است اطلاعات را تا سرعت 1.056 گیگابیت در ثانیه تا فاصله 2 کیلومتری ارسال و دریافت نماید. این اعداد خیره کننده تقریبا محقق شدن سرعتی 10 برابر سرعت فعلی شبکه 4G را نویده می‌دهد و تجاری شدن آن گام بسیار بزرگی در افزایش سرعت اینترنت بر روی گوشی‌ها و تبلت‌ها و دستگاه‌های موبایل خواهد بود. در این مقاله قصد داریم تا به طور اجمالی به بررسی شبکه‌های فعلی موبایل بپردازیم و سپس مفهوم شبکه های 5G را به طور خلاصه برای خوانندگان توضیح بدهیم.

از اولین نسل مخابرات سلولی که در سال 1978 بصورت آنالوگ راه‌اندازی شد بیش از یک دهه گذشت تا ورود دنیای دیجیتال به مخابرات سلولی به فراگیر شدن استفاده از تلفن همراه کمک شایانی کند. در اوایل دهه 90 نسل دوم مخابرات سلولی با اضافه کردن سرویس‌های محبوبی چون SMS ، MMS و انتقال تصاویر، در کنار کارکرد اصلی یعنی انتقال صوت به انتقال داده‌های دیجیتال نیز مشغول شدند. در نسل سوم در کنار افزایش سرعت بارگزاری اطلاعات سرویس‌هایی چون GPS، Mobile TV و ویدیئو کنفرانس هم پیش بینی شده بود. ویژگی‌هایی که با تلفن‌های هوشمند بیشتر سازگار هستند. اما با پیشرفت تکنولوژی تصاویر و ویدئوهای باکیفیت، همچنان مشکل سرعت انتقال داده باقی بود. این مشکل با ورود نسل چهارم مخابرات سلولی گامی به جلو برداشت. یکی از استانداردهای نسل چهارم LTE است که سرعت دانلود و آپلود آن تا 100 و 50 مگابیت در ثانیه پیش‌بینی شده است. با کمک این نسل دسترسی به سرویس‌هایی چون HD mobile TV، تلویزیون سه‌بعدی و محاسبات ابری امکان‌پذیر است. در حال حاضر همچنان کار بر روی این استانداردها و استانداردهای آینده در حال انجام است و در سال‌های آینده سرویس‌های سریع‌تر را در شبکه‌های سلولی شاهد خواهیم بود.

اما سؤال اینجاست که این افزایش سرعت و در نتیجه امکان افزودن قابلیت‌های جدید بر روی موبایل‌ها تا کجا ادامه خواهد داشت؟ به عبارت بهتر شرایط حاضر تا چه حد امکان بهبود پیدا کردن است؟

با نگاهی به سیستم‌های موبایل فعلی می‌بینیم که فرکانس کار تمامی آنها در محدوده زیر 3 گیگاهرتز کار می‌کنند. در سال‌های اخیر با گسترش روزافزون تعداد کاربران موبایلی و همینطور تعداد زیاد دستگاه‌های بی‌سیمی که در محدود 2.5 گیگاهرتز کار می‌کنند، ترافیک شدیدی در این باند فرکانسی ایجاد شده است. همچنین در فرکانس‌های پایین در هر فرکانس حامل (فرکانسی که رادیوی دستگاه بی‌سیم با برج مخابرات سلول باید ارتباط برقرار کند) پهنای باند کمتری -نسبت به فرکانس‌های بالاتر- در اختیار است. این پهنای باند کمتر به محدودیت سرعت منجر می‌شود.

این عوامل باعث می‌شود تا طراحان شبکه به فکر به‌کارگیری طیف فرکانسی بالاتر برای مخابرات سلولی باشند. مزایای فرکانس بالاتر، خلوتی کمتر باند فرکانس، در اختیار داشتن پهنای باند بیشتر و همینطور سایز کوچکتر فرستنده و گیرنده خواهد بود! با وجود این همه مزیت پس چرا طراحان سریعا طراحی‌هایشان را به فرکانس‌های بالاتر نمی‌برند؟

پاسخ اینجاست که در کنار مزیت‌های باندهای بالاتر، معایبی نیز در آن هست که طراحی را کاری چالش‌برانگیز می‌کند. از معایب فرکانس‌های بالاتر می‌توان به کاهش شدید برد اشاره کرد. برد یک سیستم رادیویی با مجذور فرکانس عملکرد آن رابطه معکوس دارد. یعنی اگر فرکانس کار یک سیستم 10 برابر شود، با شرایط برابر، برد آن به یک صدم برد فعلی کاهش پیدا می‌کند. همینطور معمولا امواج در فرکانس‌های بالاتر نفوذپذیری کمتری دارند و در اجسامی چون آب به شدت تلف می‌شوند. همینطور تکنولوژی مدارات مجتمع الکترونیکی در فرکانسهای بالاتر به پیشرفتگی فرکانس های پایین نیست و این طراحی مدارات را پیچیده‌تر و سخت‌تر می‌کند.

اما هیچ یک از اینها دلیل بر این نیست که باید دست روی دست گذاشت و تسلیم شرایط سخت فرکانس‌های بالاتر شد. با ابتکارات در طراحی شبکه و مدارات می‌توان بر این محدودیت‌ها غلبه کرد و نشان داد که می‌توان از مزیت‌های فرکانس‌های بالاتر استفاده کرد. کاری که سامسونگ یک نمونه موفقش را انجام داده است.

به طور کلی یک شبکه مخابرات سلولی از تقسیم منطقه جغرافیایی تحت پوشش به سلول‌ها تشکیل می‌شود. ابعاد این سلول‌ها بستگی به پارامترهای جغرافیایی و همینطور معماری در انتشار امواج رادیویی دارد. همینطور جمعیت و چگالی مشترکین نیز از پارامترهای تعیین کننده ابعاد این سلول‌ها است. بسته به سایز هر سلول، نوع آن می تواند ماکروسل، میکروسل و پیکوسل باشد. در هر سلول، پوشش توسط یک برج سلولی یا جایگاه پایه (Base station) پوشش داده می‌شود. همه ما در اطرافمان بر روی دکل‌ها و همینطور بعضی پشت بام‌های ساختمانهای بلند این ایستگاه‌های پایه را دیده‌ایم. معمولا آنتن روی هر یک از این پایگاه‌ها یک زاویه 120 درجه را پوشش می‌دهد که به‌کار‌گیری سه تا از آنها می‌تواند منجر به پوشش 360 درجه‌ای حول آن در کل سلول شود.

در سیستم پیشنهادی سامسونگ که در شکل زیر مشاهده می‌شود، پایگاههای پایه MMB ها (مخفف Millimeter Broadband) به سیستم اضافه می‌شوند. این MMB ها در واقع همان فرستنده و گیرنده‌های فرکانس‌های بالاتر هستند که امکان ارسال و دریافت سریعتر اطلاعات را امکان‌پذیر می‌سازند. در این سیستم پیشنهادی فرکانس 28 گیگاهرتز برای پیاده‌سازی سیستم در نظر گرفته شده است. در مطالعه سیستمی این شبکه سلول‌هایی با حداکثر فاصله 1 کیلومتر در نظر گرفته می‌شوند. در این سیستم ترکیبی با 4G اطلاعات سیستمی، کنترل کانال‌ها و فیدبک‌ها از طریق شبکه 4G انجام می شود و فقط ارسال و دریافت سریع اطلاعات بین کاربران موبایل و پایگاه پایه از طریق شبکه MMB انجام می‌شود. حسن این کار این است اطلاعات ضروری برای کنترل شبکه و سیگنال از طریق شبکه 4G انجام می شود که بر خلاف باند میلیمتری در مقابل موانع نفوذ بیشتری دارد و شبکه آن قابلیت اطمینان بالاتری دارد.

اما هنوز یک مشکل اساسی باقی است. آن هم برقراری لینک در فرکانس 28 گیگاهرتز تا فاصله 1 کیلومتری! همانطور که پیشتر گفتیم با افزایش ده برابری فرکانس رنج سیستم رادیویی به یک صدم کاهش پیدا می کند. پس اگر بخواهیم سیستم را با همان یک آنتن فرستنده و یک آنتن گیرنده پیاده‌سازی کنیم باید توان خروجی را 100 برابر بزرگ کنیم که عملا از لحاظ تکنولوژی امکان‌پذیر نیست. حتی اگر هم امکان‌پذیر باشد، فکرش را بکنید که این مقدار توان باتری موبایل شما را در چند ثانیه خالی خواهد کرد.

تنها راه باقی‌مانده این است که به جای یک آنتن در فرستنده و یک آنتن در گیرنده، از آرایه‌ای از آنتن‌ها در فرستنده و گیرنده، بهره بجوییم. این کار بهره آنتن‌ها را به نحوه چشمگیری افزایش می‌دهد و در ضمن به آنتن فرستنده و گیرنده جهت‌دهی بیشتری می دهد. یعنی آنتن دستگاه شما در راستای خاصی بیشترین توان را ارسال خواهد کرد. اما برای آنکه پوشش مناسبی برای هر ماکرو یا میکروسل داشته باشیم، باید این جهت‌دهی به طور هوشمند صورت بگیرد تا همیشه جهت ارسال را به سمت گیرنده مطلوب تغییر دهد.

در واقع هنر ماجرا، ساختن رادیوهای هوشمندی است که ما را قادر می‌سازد در سلوله‌ای مخابراتی اطلاعات را در جهت خاصی ارسال و دریافت کنیم. این کار حسن دیگری هم دارد و آن امنیت اطلاعات است. چرا که در این روش شما اطلاعاتتان را دیگر در همه جهات (بر خلاف موبایلهای امروزی) نمی‌فرستید.

اکنون در میانه‌های سال 2013 سامسونگ توانسته نمونه های اولیه این تکنولوژی را با موفقیت اجرا کند. البته این یک نمونه آزمایشگاهی است و تا تجاری شدن فاصله دارد. همچنین مراحل استانداردسازی آن نیز چند سالی زمان خواهد برد. سامسونگ پیشبینی کرده است که در سال 2020 این سیستم‌ها به طور تجاری در مخابرات سلولی وارد شود. باید منتظر شد و دید که آیا در عمل استقبال خوبی از این سیستم‌ها در بازار و همچنین شرکتهای توسعه مخابراتی می شود یا خیر.

منابع : + و + و +