بررسی نقش فناوری موج میلی‌متری در سیستم‌های ۵G – از شایعات بی‌اساس تا حقایق غیرقابل انکار

بررسی نقش فناوری موج میلی‌متری در سیستم‌های ۵G – از شایعات بی‌اساس تا حقایق غیرقابل انکار
بدون نظر, ۰۲/۱۰/۱۳۹۷, توسط , در موبایل

واحد خبر mobile.ir : شبکه‌های ۵G به‌زودی در جای‌جای دنیا شروع به کار خواهند نمود. این نسل از ارتباطات بی‌سیم توان خود را از نوعی تکنولوژی جدید موسوم به "موج میلی‌متری" (mmWave) تأمین می‌کند. اپراتورهای آمریکایی تمایل خاصی به این تکنولوژی داشته و به احتمال زیاد در سراسر دنیا (البته با درجات مختلف) به کار گرفته خواهد شد. اما باید توجه داشت که لزوما همه شبکه‌های ۵G از فناوری موج میلی‌متری استفاده نمی‌کنند (یا دست‌کم، همیشه از این تکنولوژی استفاده نمی‌کنند). اما مثل هر تکنولوژی جدید دیگری، فناوری موج میلی‌متری نیز در ابتدای امر با برخی مشکلات اجتناب‌ناپذیر مواجه بوده و طی چند سال اخیر کارشناسان زیادی کارکرد آن را زیر سؤال برده‌اند.

5G mmWave Technology Overview

تد راپاپورت (Ted Rappaport) مدیر و پایه‌گذار مؤسسه NYU Wireless، چندی پیش گفته بود که در آینده نزدیک، انتظار می‌رود ترافیک داده موبایل در هر سال ۵۳ درصد افزایش یابد. گفتنی‌ست، طی ۴۰ سال گذشته، سرعت کلاک پردازنده‌های کامپیوتر و حجم حافظه آنها، ۶ میلیون برابر شده است. با توجه به افزایش داده مورد استفاده از سوی کاربران، به طیف‌هایی با فرکانس بالاتر نیاز داریم و یکی از بزرگ‌ترین و مهم‌ترین استفاده‌های امواج میلی‌متری، در انتقال حجم عظیمی از داده‌هاست. در حال حاضر، فرکانس‌های موج میلی‌متری در مواردی مثل استریم کردن ویدئوهای با رزولوشن بالا در محیط‌های بسته مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما برای انتقال داده در محیط‌های باز، موج میلی‌متری با مشکلاتی مواجه بوده و همین مسأله باعث شده تا عده‌ای در استفاده از این فناوری برای عرصه موبایل، تشکیک کنند.

کارکرد موج میلی‌متری در مسافت‌های طولانی و توانایی آن در عبور از دیوارها از جمله سؤالاتی‌ست که در این زمینه مطرح می‌شود. حتی برخی از افراد معتقدند باران و یا دست خود کاربر هم ممکن است موجب انسداد سیگنال‌های موج میلی‌متری شود. مطمئنا همه این ادعاها بی‌اساس نیستند، اما بیشتر آنها طی سال‌های اخیر بررسی و برای رفع آنها چاره‌اندیشی شده است. واقعیت آن است که فناوری موج میلی‌متری به زودی در دسترس همگان قرار خواهد گرفت. لذا در این مقاله قصد داریم به وضعیت کنونی این تکنولوژی پرداخته و ببینیم این نگرانی‌ها تا چه حد جدی هستند. اما قبل از آن، بد نیست نگاهی بیندازیم به ماهیت موج میلی‌متری.

الفبای موج میلی‌متری

موج میلی‌متری و ۵G واژه‌هایی هستند که معمولا به جای همدیگر استفاده می‌شوند، اما باید دانست که تفاوت‌های کلیدی بین آنها وجود دارد. تکنولوژی موج میلی‌متری تنها بخشی از آن چیزی‌ست که شبکه‌های ۵G در آینده از آن استفاده خواهند کرد. شاید عباراتی مثل فرکانس‌های باند کوتاه (low band) و زیر ۶ گیگاهرتز را نیز شنیده باشید، که هر دو بخشی از این استاندارد بوده و زمانی که با هم ترکیب شوند می‌توانند ضمن ارائه سرعت دیتای بالا به مشتریان، مزایای دیگری نیز برای آنها به همراه داشته باشند.

اصطلاح موج میلی‌متری، به بخش خاصی از طیف فرکانس رادیویی بین ۲۴ و ۱۰۰ گیگاهرتز اشاره می‌کند که طول موج بسیار کوتاهی دارند. مثل استاندارد وای-فای ۸۰۲.۱۱ ad با فرکانس ۶۰ گیگاهرتز، از این طیف نیز – که بین مایکروویو و امواج مادون قرمز قرار دارد – می‌توان برای ارتباطات بی‌سیم با سرعت بالا استفاده کرد. این قسمت از طیف، عمدتا بلااستفاده می‌ماند، از این رو هدف تکنولوژی موج میلی‌متری آن است که میزان پهنای باند موجود را به شکل چشمگیری افزایش دهد. انبوهی از سیگنال‌های تلویزیون و رادیو و همچنین شبکه‌های کنونی ۴G LTE فرکانس‌های پایین‌تر را اشغال کرده‌اند (این سیگنال‌ها معمولا در محدوده بین ۸۰۰ تا ۳,۰۰۰ مگاهرتز قرار می‌گیرند). مزیت دیگر این طول موج کوتاه آن است که می‌تواند داده را با سرعت بیشتری انتقال دهد (هرچند که مسافت انتقال آن، کوتاه‌تر است).

5G mmWave Technology Overview

خلاصه آنکه، باندهای با فرکانس پایین‌تر، علی‌رغم پوشش مسافت‌های طولانی‌تر، سرعت داده کمتری را ارائه می‌کنند. دقیقا عکس این حالت را در باندهای با فرکانس بالا شاهد هستیم (پوشش مناطق کمتر با سرعت داده بیشتر). همانطور که گفته شد، موج میلی‌متری تنها تکه‌ای از پازل بزرگ ۵G محسوب می‌شود، اما علت اینکه اپراتورها مدام از این تکنولوژی صحبت می‌کنند، آن است که موج میلی‌متری ضمن فراهم نمودن بستر مناسب برای پهنای باند بسیار بالا، سرعت داده چشمگیری را نیز ارائه می‌کند.

یکی از اهداف موج میلی‌متری آن است که همین پهنای باند موجود در مناطق کوچک‌تر و پرجمعیت را افزایش دهد. به این ترتیب در بسیاری از شهرهای بزرگ می‌توان مشکل تراکم داده در مناطق شلوغ (از قبیل ورزشگاه‌ها، سالن‌های کنفرانس و …) را برطرف نمود. از طرفی، باندهای زیر ۶ گیگاهرتز و باندهای کوتاه زیر ۲ گیگاهرتز، به احتمال زیاد نقش مهمی در پوشش مناسب شبکه در مناطق حومه شهر و روستایی ایفا خواهند کرد.

بررسی حقایق و شایعات مربوط به موج میلی‌متری

• موج میلی‌متری از دیوارها عبور نمی‌کند

شاید این متداول‌ترین موضوعی باشد که درباره شبکه‌های ۵G آینده مطرح می‌شود. البته این قضیه تا اندازه‌ای صحت دارد. اکثر مصالح ساختمانی – مثل سیمان و آجر – سیگنال‌های با فرکانس بالا را تضعیف نموده و منعکس می‌کنند. لذا احتمال دریافت سیگنالی که از داخل به خارج حرکت می‌کند، کاهش می‌یابد. حتی خود هوا هم با محدود کردن فرکانس‌های بالای ۲۸ گیگاهرتز تا شعاع یک کیلومتر، ممکن است موجب از دست رفتن داده شود. گفتنی‌ست، چوب و شیشه نیز باعث ضعیف شدن سیگنال‌های فرکانس بالا می‌شوند، اما به میزان کمتر. بنابراین احتمالا می‌توان کنار پنجره از شبکه ۵G موج میلی‌متری استفاده کرد.

5G mmWave Technology Overview

این قابلیت منعکس‌کننده در تکنولوژی موج میلی‌متری، علاوه بر معایب فوق، مزایایی هم دارد. برای دریافت سیگنال‌‌ها با آنتن ۵G نیازی به "خط دید" (line-of-sight) نیست. شبکه‌های ۵G برای عبور دادن امواج از موانعی که بر سر مسیر گوشی شما وجود دارد، از پرتوسازی یا beamforming بهره می‌برند و تجهیزات ۵G نیز برای ارسال و دریافت سیگنال‌ها از چندین آنتن استفاده می‌کنند. به این ترتیب، داده‌ها از چندین جریان ترکیب شده و باعث می‌شود سیگنال اصلی قوی‌تر شده و پهنای باند افزایش یابد. لذا چه در بیرون (با بازتاب از ساختمان‌ها) و چه از درون (با بازتاب از دیوارها) مشکلی برای دریافت سیگنال‌ها نخواهد بود. همچنین، اپراتورها می‌توانند در مراکزی چون ورزشگاه‌ها یا فروشگاه‌های خیلی بزرگ، اقدام به نصب فرستنده‌های پرتوساز نمایند.

مخلص کلام آنکه، سیگنال‌های ۵G با فرکانس بسیار ‌بالا، مسافت دوری را طی نکرده و از درون به بیرون به‌خوبی منتقل نمی‌شوند. البته به‌کارگیری MIMO (ورودی چندگانه، خروجی چندگانه) و پرتوسازی، تضمینی‌ست بر اینکه برای استفاده از موج میلی‌متری نیازی به خط دید نیست. شاید سیگنال موج میلی‌متری نتواند به درون ساختمان‌ها نفوذ کند، اما می‌تواند با پرش از اطراف و دور زدن آنها، سیگنال خوبی را به دست دهد. البته در محیط‌های بسته، کاربران عمدتا ناچار به استفاده از سیگنال‌های زیر ۶ گیگاهرتزی و سیگنال‌های LTE خواهند بود.

• وقتی تلفن همراه را در دست خود نگه داشته‌اید، سیگنال موج میلی‌متری از آن رد نمی‌شود

این موضوع نیز – با توجه به دلایلی که ذکر شد – تا حدی درست است. بخش عمده بدن انسان را آب تشکیل داده و موجب تراکم بالای آن شده است. همین مسأله باعث می‌شود بدن انسان امواج فرکانس بالا را مسدود کند. کار نکردن هدفون‌های بلوتوثی در صورتی که راه گوشی به وسیله بدن مسدود شده باشد، تا حدی به همین پدیده مربوط می‌شود.

مطمئنا دست انسان نمی‌تواند به طور کلی سیگنال را مسدود کند، اما می‌تواند سیگنالی که به خودی خود معمولی یا ضعیف است را، بدتر و یا کاملا بلااستفاده کند. کمترین مزاحمتی که دست انسان می‌تواند ایجاد کند، آن است که سرعت را کاهش داده و یا جریان داده را مختل کند. در بدترین حالت ممکن، در دست گرفتن گوشی، می‌تواند آنتن‌دهی آن را از ۱۰۰ به صفر برساند، که مطمئنا آزاردهنده خواهد بود.

اما برای این مشکل هم راه‌حلی وجود دارد. وقتی گوشی را در دست گرفته و مشغول صحبت هستید، احتمال اینکه در آن واحد هر دو لبه گوشی و قسمت بالایی آن، پوشانده شود بسیار کم است.

5G mmWave Technology Overview

در طرح مرجعی که کوالکام ارائه کرده، برای دریافت سیگنال قدرتمند، پیشنهاد شده که ۳ ماژول آنتن در یک دستگاه اسمارت‌فون کار گذاشته شود (که در صورت اتصال از طریق هات‌اسپات ۵G که از پس مصرف بالای آن برآید، تعداد آنتن‌ها به ۴ افزایش می‌یابد). لازم نیست این ۳ ماژول به صورت همزمان فعال باشند. بسته به اینکه کدام ماژول در حال دریافت بهترین سیگنال است، گوشی‌های هوشمند این ماژول‌ها را متناوبا خاموش و روشن می‌کنند تا مصرف انرژی کاهش یابد.

• ۵G در هوای بارانی کار نمی‌کند

این جمله به هیچ وجه جالب نیست. این طور نیست که ۵G اصلا در هوای بارانی کار نکند، اما این گفته تاحدی حقیقت دارد. مثل دو موضوع قبل، قطرات باران موجود در هوا نیز سطحی اضافی از تراکم را تحمیل کرده و موجب تضعیف سیگنال‌ها می‌شوند. حتی رطوبت هوا هم می‌تواند چنین مشکلی را ایجاد کند. البته این موضوع جدیدی نیست. جی‌پی‌اس مدرن و دیگر سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای فرکانس‌بالا، همواره با پدیده‌ای به نام "محوشدگی بارانی" یا Rain fade مواجهند. با توجه به اینکه حیطه فعالیت سیستم‌های مذکور در فضایی به مراتب بالاتر است، به احتمال زیاد ۵G نیز حتی در فواصل چند صد متری به مشکل برخواهد خورد.

وقتی هوا بارانی‌ست، قدرت سیگنال‌های موج میلی‌متری قدری کاهش می‌یابد. این امر، در وهله اول کمی سرعت را کاهش داده و در شرایط وخیم‌تر ممکن است ارتباط را مختل کند. میزان کاهش قدرت سیگنال‌ها به شدت بارندگی و عوامل دیگری مثل فاصله از دکل‌های مخابراتی بستگی دارد. کاربری که در مرز محدوده پوشش یک دکل قرار دارد، بیش از سایرین از هوای بارانی متضرر خواهد شد.

• موج میلی‌متری برای سلامتی شما زیان‌آور است

این شایعه به هیچ وجه قابل قبول نبوده و پرداختن بیش از حد به این موضوع، تنها به نظریه‌های توطئه دامن خواهد زد. مطمئنا از پژوهش‌های معتبری که به درک بهتر خطرات احتمالی این فناوری کمک کند، استقبال می‌شود، اما در حال حاضر مدرک علمی معتبری دال بر خطرهای این تکنولوژی برای سلامت فردی وجود ندارد.

5G mmWave Technology Overview

• موج میلی‌متری برد کافی نداشته و نمی‌تواند منطقه را به‌خوبی پوشش دهد

شکی نیست که موج میلی‌متری کوتاه‌بردترین تکنولوژی به کار گرفته شده در نسل آینده شبکه‌هاست، اما نباید فراموش کنیم که موج میلی‌متری آنقدر هم کوتاه‌برد نیست که بی‌فایده باشد. دکل‌های مخابراتی احتمالا تا یک کیلومتر پوشش مستقیم خواهند داشت، البته با احتساب موانعی مثل ساختمان‌ها و شاخ و برگ درختان، اگر بگوییم برد یک دکل به شعاع ۵۰۰ متر می‌رسد، بهتر است.

از این رو مشخصا منطقه وسیعی تحت پوشش این فناوری قرار نمی‌گیرد و اگر بخواهیم همان منطقه‌ای را که در حال حاضر تحت پوشش کامل شبکه ۴G قرار دارد، با موج میلی‌متری تحت پوشش قرار دهیم، ناچار به استفاده از تعداد بیشتری دکل با فاصله‌های نزدیک به هم خواهیم بود. از این رو، بعید است موج میلی‌متری در خارج از شهر و مناطق روستایی به کار گرفته شود. احتمالا اولویت نخست موج میلی‌متری، استفاده در مناطق شهری خواهد بود؛ جایی که این فناوری بتواند حداکثر تعداد کاربران را در فضایی کوچک پوشش دهد.

5G mmWave Technology Overview

البته ناگفته نماند، موج میلی‌متری تنها بخش کوچکی از طیف بزرگ‌تر ۵G است. در شرایطی که امکان دریافت سیگنال‌های با فرکانس بالا را نداشته باشید، طیف شبه وای-فای زیر ۶ گیگاهرتزی و طیف باند کوتاه شما را پوشش خواهند داد.

• ۵G از گیگابیت LTE سریع‌تر نیست، پس فایده استفاده از آن چه خواهد بود؟

باتوجه به اینکه سرعت شبکه‌های کنونی gigabit LTE بیش از آن چیزی‌ست که واقعا بخواهیم و بتوانیم از آن استفاده کنیم، چه چیزی می‌تواند شبکه جدید ۵G با آن قیمت گزافش را توجیه کند؟

سرعت و در درجه بعدی میزان تأخیر، دو عامل مهم در تصمیم کاربران در انتخاب شبکه ارتباطی خود به شمار رفته و ۵G راه رسیدن به سرعت بالاتر و تأخیر کمتر را آسان‌تر نموده است. درست است که در شرایط ایده‌آل ۴G LTE می‌تواند به سرعتی معادل گیگابیت و بالاتر برسد، اما در بسیاری از کشورها، طیف یا ظرفیت ارائه این میزان از سرعت به تک‌تک کاربران (بر بستر شبکه‌های کنونی LTE) وجود ندارد. همانطور که قبلا هم گفته شد، عمده کار ۵G، افزایش میزان پهنای باند موجود از طریق به کارگیری طیف‌های با فرکانس بالاتر است تا رسیدن به سرعت‌های گیگابیت و بالاتر از آن، آسان‌تر شود.  

برچسب ها :
mobile.ir

درباره آریا پارسا

چند ساله که برنامه نویسی می کنم. به دنیای دیجیتال و وب بسیار علاقه مندم و سعی می کنم هر روز در دیجی وبی مطالب مفیدی را برای شما دوستان ارسال کنم.

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *