سیر تکامل شبکه های مخابرات سلولی از نسل اول تا نسل پنجم (1G To 5G)

سیر تکامل شبکه های مخابرات سلولی از 1G تا 5G

در این بخش مقاله ای با عنوان سیر تکامل شبکه های مخابرات سلولی از نسل اول تا نسل پنجم را برای علاقمندان آماده کردیم که تحقیق مناسب و با ارزشی در این زمینه می باشد. در ادامه با ما باشید تا با تاریخچه و پیشرفت هایی که در شبکه های مخابرات سلولی صورت گرفته آشنا شویم.

مخابرات بی سیم موبایل

در طی دهه های اخیر پیشرفت های بسیاری در صنعت مخابرات بی سیم موبایل صورت گرفته است. امروزه تلفن همراه یکی از ملزومات زندگی روزمره بشر شده است. در طی چند دهه اخیر، مخابرات سلولی از یک فناوری گران قیمت برای مشتریان خاص، به سیستم های همگانی استفاده شده از طریف بیشتر جمعیت دنیا تبدیل شده است. تاکنون (نوشته شده در سال 1396) چهار نسل از سیستم های مخابرات موبایل در جهان عرضه شده که هر کدام وابسته به فناوری ها و کاربرد های مشخصی هستند. در این گزارش نسل ها و گام هایی که بین دو نسل برداشته شده اند، به عنوان مقدمه ذکر شده و پیشرفت های آخرین نسل این سیستم ها که تحت عنوان 5G شناخته می شود بیان می شود.

1- نسل های مختلف شبکه های مخابرات بی سیم موبایل

در طول چند دهه گذشته، شبکه های مخابرات بی سیم موبایل دستخوش تغییرات بسیاری شده اند. تاکنون (تا سال 1396) چهار نسل از سیستم های مخابرات موبایل در جهان عرضه شده است که هر نسل حدودا 10 سال پس از نسل قبلی خود ظهور کرده است. هر نسل بی سیم موبایل (G) عموما با تغییری در ماهیت سیستم، سرعت، فناوری، فرکانس، ظرفیت داده، تاخیر و غیره همراه است. در هر نسل تعدادی استاندارد با ظرفیت های مختلف، تکنیک های جدید و ویژگی های نوظهور معرفی می شود که آن را از نسل قبلی خود متفاوت می سازد. در اولین نسل از مخابرات بی سیم موبایل یا به اختصار 1G از فناوری آنالوگ تنها برای برقراری تماس های صوتی استفاده می شد. فناوری نسل دوم یا G2، دیجیتال بود و علاوه بر تماس صوتی از پیام های متنی نیز پشتیبانی می کرد.

نسل سوم فناوری موبایل یا 3G از نرخ داده های ارسالی بالاتر، ظرفیت بیشتر و ارتباطات چند رسانه ای پشتیبانی می کرد. در نسل چهارم سیستم های موبایل یا 4G، فناوری موبایل به سمت برودبند (پهنای باند یا Broadband) واقعی تغییر کرد و با افزایش پهنای باند و QoS و همینطور کاهش قیمت منابع، محدودیت های شبکه 3G تا حدود زیادی برطرف گردید. نسل پنجم سیستم های موبایل سلولی یا باختصار 5G با تغییر نوع استفاده از تلفن های همراه، انقلاب جدیدی را در بازار موبایل ایجاد خواهد کرد.

شکل 2

اگرچه موبایل برودبند (Mobile Broadband) همچنان بخش مهمی از نسل موبایل آینده خواهد بود اما شبکه های بی سیم آتی علاوه بر این کاربرد رنج وسیع تری از کاربردهای جدیدتر را نیز شامل خواهند داشت. بنابراین، باید به 5G به عنوان پلاتفرمی که اتصالات بی سیم را برای همه انواع سرویس های موجود و سرویس های ناشناخته آتی فراهم می آورد و در نتیجه شبکه های بی سیم را فراتر از موبایل برودبند می برد، نگریست. در آینده باید اتصالات در هر مکان و زمان برای همه کس و همه چیز فراهم گردد. به چنین سناریویی معمولا جامعه تحت شبکه اطلاق می گردد که در آن اتصالات فراتر از گوشی های هوشمند رفته و تاثیر عمیقی بر جامعه گذاشته است. در ادامه مروری بر چهار نسل مخابرات موبایل از 1G تا 4G خواهیم داشت و در انتها به معرفی نسل پنجم شبکه های موبایل یا باختصار 5G خواهیم پرداخت.

2- شبکه های موبایل از G1 تا 4G

سیستم های موبایل مخابراتی نخستین بار در اوایل دهه 1980 معرفی شدند. سیستم های نسل اول از تکنیک های مخابراتی آنالوگ که بسیار شبیه تکنیک های بکار رفته در رادیوهای آنالوگ قدیمی بودند، استفاده می کردند. در نسل اول سلول ها بسیار بزرگ و انحصاری بودند، بدرستی از طیف رادیویی موجود استفاده نمی شد و ظرفیت آنها بسیار پایین ( 2.4kbps) بود. از طرفی گیرنده های موبایل نیز بسیار بزرگ و گران بودند به طوریکه بازار موبایل را تنها منحصر به کاربران تجاری کرده بودند. کاربرد این نسل فقط برقرای تماس های صوتی به صورت محلی بود. از جمله سیستم های 1G می توان از NNT در ژاپن، AMPS در آمریکا و TACS در اروپا نام برد. مخابرات موبایل قبل از سیستم های 1G نیز در مقیاس کم و برای جامعه هدف کوچکتر وجود داشتند. در جدول زیر، ویژگی های سیستم های نسل اول با هم مقایسه شده است.

شکل 3: جدول مقایسه سیستم های نسل اول

در اوایل دهه 1990 با معرفی سیستم های نسل دوم (2G) موبایل به عنوان یک محصول برای مردم به سرعت رشد کرد. در سیستم های نسل دوم برای اولین بار از فناوری دیجیتال استفاده شد که در نتیجه آن امکان استفاده موثرتر از طیف رادیویی و نیز گیرنده های کوچک تر و ارزان تر فراهم گردید. سیستم های نسل 2 ابتدا برای مکالمه طراحی شده بودند ولی بعدها به منظور پشتیبانی از خدمت پیام کوتاه (SMS) ارتقا یافتند. متداول ترین سیستم 2G سیستم GSM با نرخ بیت 9.6kbps بود که ابتدا برای اروپا طراحی شده بود، اما بعدها در کل دنیا بکار گرفته شد. همچنین IS-95 یا cdmaOne و IS-54/TDMA در آمریکا و تکنولوژی PDC در ژاپن نیز سیستم های 2G دیگری بودند. در جدول زیر، مقایسه ویژگی های سیستم های نسل دوم نشان داده شده است.

شکل 4: جدول مقایسه سیستم های نسل دوم

موفقیت سیستم های مخابراتی 2G همزمان با رشد اولیه اینترنت بود. بنابراین طبیعی بود که اپراتورهای شبکه بخواهند هر دو موضوع را در کنار هم ارائه دهند و به کاربر این امکان را بدهند که بتواند بر روی گیرنده موبایل خود دانلود داده نیز داشته باشد. برای این منظور سیستم های 2.5G بر اساس ایده 2G و با معرفی شبکه هسته packet switched و بهبود واسط هوایی بنا نهاده شدند که از طریق آنها داده نیز علاوه بر صدا با حداکثر نرخ بیت 64kbps قابل انتقال گشت. با اضافه شدن این تکنیک ها GSM به GPRS، IS-95 به سیستم IS-95B و 54-IS به 136-IS ارتقا یافتند.

در همان زمان نرخ داده موجود روی اینترنت نیز روند رو به رشدی داشت و به همین منظور طراحان برای اولین بار کارایی سیستم های 2G را با بکارگیری تکنیک هایی نظیر EDGE (نسل 2.75G با حداکثر نرخ داده تا 256kbps) و سپس معرفی سیستم های قدرتمندتر 3G در سال های بعد از 2000 بهبود بخشیدند. سیستم های 3G از تکنیک هایی متفاوت از G2 برای ارسال و دریافت رادیویی بهره جسته تا نرخ داده قابل انتقال را افزایش داده و از طیف رادیویی موجود به صورت موثر تری استفاده شود.

در اواخر دهه 1990، ITU با انتشار مجموعه الزامات سیستم های مخابراتی نسل سوم (3G) تحت عنوان 2000-IMT آغازگر روند توسعه فناوری های 3G شد. متداول ترین سیستم 3G در دنیا با نام سیستم مخابراتی موبایل جهانی (UMTS) با نرخ بیت 2Mbps در پهنای باند 5MHz توسط 3GPP معرفی شد. UMTS توسعه یافته GSM است که در آن فناوری واسط هوایی کاملا تغییر کرده، ولی شبکه هه سته تقریبا بدون تغییر مانده است. این سیستم در سال 2005 با معرفی فناوری های 3.5G پرسرعت (3GPP Release 5) HSPA برای کاربردهای انتقال داده با حداکثر نرخ بیت 14Mbps ارتقا یافت. در سال 2007 نیز +HSPA با 3.5G در Release 7 3GPP با استفاده از تکنیک MIMO نرخ بیت فروسو را تا 28Mbps در پهنای باند 5MHz افزایش داد. واسط هوایی UMTS دو پیاده سازی تقریبا متفاوت دارد.

شکل 5

WCDMA نسخه ای است که ابتدا تحت عنوان GPP Release 99 استاندارد شد و در حال حاضر در اکثر نقاط دنیا در حال استفاده است. نوع دوم TD-SCDMA تحت عنوان GPP Release 4 از مشتقات WCDMA است که در چین توسط یکی از اپراتورهای 3G بنام China Mobile توسعه یافت تا وابستگی آن کشور به فناوری های غربی و سودرسانی به کمپانی های غربی را به حداقل رساند. فناوری 3G مورد استفاده در آمریکای شمالی عمدتا cdma2000 است که توسعه یافته 95-IS است. این فناوری نیز سپس به سیستم 3.5G با دو نام HRPD یا EV-DO ارتقا یافت که در آن از تکنیک های مشابه HSPA استفاده می شد.

شکل 6

فناوری 3G دیگر موجود، تکنوژی WiMAX است که این فناوری توسط انجمن مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) تحت عنوان استاندارد IEEE 802.16 توسعه یافته و تاریخچه بسیار متفاوتی از سایر سیستم های 3G دارد. استاندارد اولیه یعنی IEEE 802.16-2001 برای سیستمی بود که داده را به جای کابل های ثابت روی لینک های مایکروویو نقطه به نقطه منتقل می کرد. استاندارد بازبینی شده آن که به عنوان WiMAX ثابت یا IEEE 802.16-2001 شناخته می شد از ارتباطات نقطه به چند نقطه بین یک ایستگاه پایه تمام جهتی و تعدادی گیرنده ثابت پشتیبانی می کرد. سپس این استاندارد مجددا ارتقا یافت و WiMAX موبایل یا IEEE 802.16e نامیده شد که در آن گیرنده می توانست حرکت کند و ارتباطات خود را از یک ایستگاه پایه به دیگری دست به دست کند. وقتی همه این قابلیت ها در این استاندارد به وجود آمد، WiMAX نیز مشابه سایر سیستم های مخابراتی نسل سوم شد با این تفاوت که استانداردی بود که از همان ابتدا برای داده بهینه شده بود.

3- استاندارد سازی نسل چهارم شبکه های موبایل (4G)

برای سالیان طولانی، بیشترین حجم ترافیک شبکه های موبایل مخابراتی مربوط به مکالمات صوتی می شد. در مقابل رشد ترافیک داده روی موبایل ابتدا بسیار کند بود، اما در سال های پس از 2010 استفاده از آنها به شدت رشد کرد. این رشد تا حدودی به دلیل توسعه فناوری های مخابراتی 3.5G است. اما یک عامل مهم تر آن معرفی Apple iPhone در 2007 و پس از آن تجهیزات مبتنی بر سیستم عامل Google Android از سال 2008 است. این تلفن های هوشمند جذابیت بیشتری دارند و مخاطب پسندانه تر از گوشی های قبلی هستند و برای پشتیبانی از تولید app ها توسط گروه های سوم طراحی شده اند. نتیجه این قابلیت ها رشد چشمگیر تعداد نرم افزارهای کاربردی موبایل و میزان استفاده از آنها بوده است. به عنوان یک عامل دیگر می توان استراتژی اپراتورهای شبکه در تشویق مخاطبان به استفاده از داده روی موبایل با پرداخت هزینه محدود بازای دانلود داده نامحدود اشاره کرد که باعث سوق دادن تولید کنندگان app و کاربران به سمت مصرف داده بدون محدودیت شده است. در نتیجه این عوامل در سال های نزدیک 2010 شبکه های 3G رو به اشباع رفتند و تقاضا برای افزایش ظرفیت شبکه آغاز گشت.

شکل 7

ITU در سال 2008 با انتشار مجموعه الزامات موردنیاز برای سیستم های مخابراتی نسل چهارم (4G) تحت عنوان IMT-Advanced روند استاندارد سازی نسل چهارم را آغاز کرد. براساس این الزامات، حداکثر نرخ داده سیستم باید در پهنای باند 40 MHz حداقل 600Mbps در فرو سو و270Mbps  در فراسو با شد. بمنظور افزایش ظرفیت و برآوردن سایر الزامات در سیستم جدید لازم بود علاوه بر فناوری های دسترسی رادیویی کارآمدتر، ساختار شبکه نیز تغییر یابد. بنابراین 3GPP تصمیم گرفت تا یک بار دیگر هر دو ش بکه رادیویی و ش بکه هسته را مجددا طراحی نماید. نتایج این تغییرات عموما “تكامل بلند مدت یا به اختصار LTE نامیده می شود که استانداردسازی آن از Release 8 سلسله استانداردهای 3GPP آغاز شده است. لازم به ذکر است که 3GPP در Release 8 الزامات ITU برای IMT-Advanced را برآورده نکرد و برای حصول این مقصود شروع به مطالعه روش های بهبود قابلیت های LTE نمود. خروجی اصلی این مطالعه، تدوین استانداردی برای سیستم Release 10 با عنوان LTE-Advanced بود.

در الزامات طراحی LTE-Advanced تعیین شده بود که حداکثر نرخ داده 1000 Mbps در فروسو و 500 Mbps در فراسو فراهم گردد. در عمل، این سیستم به گونه ای طراحی شده است که حداکثر نرخ داده به ترتیب 300 Mbps و 1500 Mbps را با استفاده از پهنای باند 100 MHz که از 5 جزء مجزای 20 MHz تشکل شده است، ارائه می نماید. لازم بذکر است که این مقادیر تئوری برای شرایط ایده آل هستند و در هیچ سناریوی واقعی قابل حصول نیست. نهایتا، LTE-Advanced سازگار با LTE طراحی شده است، بطوریکه گیرنده موبایل LTE می تواند با ایستگاه پایه LTE-Advanced کار کند و برعکس. در جدول زیر اهداف عملکرد تعیین شده در LTE-Advanced به همراه قابلیت های به دست آمده در LTE و LTE-Advanced خلاصه شده است.

شکل 8: اهداف عملکرد IMT-Advanced و قابلیت های LTE و IMT-Advanced در مسیرهاي فروسو و فراسو

پس از ارزیابی پروپزال های ارائه شده، ITU در اکتبر 2010 اعلام کرد که دو سیستم الزامات LTE-Advanced را برآورده می کنند. یکی از این سیستم ها LTE-Advanced بود و دیگری نسخه بهبود یافته سیستم WiMAX تحت استاندارد IEEE 802.16e بود که به عنوان موبایل WiMAX 2.0 شناخته می شود. در ابتدا، ITU قصد داشته اصطلاح 4G را تنها برای سیستم هایی که الزامات LTE-Advanced را برآورده می کردند، بکار ببرد. اما نه LTE و نه WiMAX 1.0 (موبایل IEEE 802.16e) این الزامات را برآورده نمی ساختند. به همین دلیل، انجمن مهندسان به این سیستم ها 3.9G را اطلاق کردند. اما این ملاحظات مانع استفاده انجمن های بازاری از LTE و WiMAX 1.0 به عنوان فناوری های 4G نشد. هرچند این اصطلاح از حیث کارآیی فناوری ناخواسته بود، اما در واقع منطقی بود چرا که در گذر از UMTS به LTE فناوری به طور کامل تغییر می کند ولی در گذر از LTE به LTE-Advanced تغییر واضح نیست. بنابراین مدتی قبل ITU تسلیم شد و در دسامبر 2010، اعلام کرد که 4G نه تنها به LTE و WiMAX 1.0 بلکه به هر فناوری دیگری که کارایی به ص ورت قابل ملاحظه بهتری نسبت به سیستم های 3G اولیه داشت، اطلاق می شود. در ادامه، Release های مختلف 3GPP از 2008 تا 2015 و مهمترین ویژگی های آنها و تاثیر آنها بر 5G را توضیح خواهیم داد.

1-3: 3GPP Release 8 , 9 (LTE)

در 3GPP Release 8 ، سیستم LTE برای اولین بار با هدف افزایش نرخ داده و با یک واسط رادیویی جدید و شبکه هسته مبتنی بر IP معرفی شد. برخلاف پیاده سازی ایستگاه های پایه در GSM، در LTE از یک ساختار شبکه رادیویی flat استفاده می شد که عملکردها بین ایستگاه های پایه (eNodeB) توزیع شده بودند. مهمترین ویژگی های LTE شامل OFDMA در فروسو، سیستم های آنتن چند ورودی – چند خروجی (MIMO) و شبکه هسته بسته ای بهبود یافته (EPC) می باشند. پهنای باند مورد استفاده در LTE نیز با توجه به میزان طیف در اختیار اپراتورهای مختلف، از 1.4MHz تا 20MHz متغیر می باشد.

شکل 9

با استفاده از مالتی پلکسینگ فضایی پیک نرخ داده LTE R8 در فرو سو و فراسو به ترتیب به 300Mbit/s و 75Mbit/s می رسد. همچنین در این 8 Release ، تاخیر راه اندازی و دست به دست شدن به 10msec کاهش یافت. در 9 Release تنها تغییرات کمی در ساختار شبکه انجام شد و ویژگی های سرویس جدیدی معرفی شد. یکی از دلایل اصلی عدم تغییرات زیاد در این نسخه این بود که در زمان شروع استاندار سازی 9 Release صنعت همچنان داشت بر روی پیاده سازی و توسعه سیستم جدید LTE Release 8 و ابتدا باید کارایی سیستم جدید ارزیابی می شد. در این نسخه فمتوسل های LTE به شکل eMBMS، SON، HeNB و LCS برای کاربردهای مبتنی بر موقعیت معرفی شدند.

2-3: 3GPP Release 10 , 11 , 12 (LTE-Advanced)

3GPP Release 10، اولین فاز پروژه LTE-Advanced بود که برای برآورده کردن الزامات ITU برای IMT-Advanced و با هدف بهبود پوشش توسعه یافت. استاندارد سازی Release 10 در ژوئن 2011 به اتمام رسید و به عنوان کاندید اصلی 3GPP IMT-Advanced (نسل چهارم موبایل) به ITU در TR 36.912 ارائه گشت. در Release 10، ظرفیت سیستم LTE به پیک نرخ داده 3Gbps و 1.5Gbps به ترتیب در فروسوو فراسو افزایش یافت. از جمله شاخص ترین ویژگی های LTE-Advanced می توان به معرفی تجمیع کریر (CA) با حداکثر تجمیع 5 کریر و دستیابی به پهنای باند 100MHz، مالتی پلکس فضایی مرتبه بالاتر تا حداکثر MIMO 8×8 در DL و MIMO 4×4 در UL و شبکه های ناهمگون (HetNet) اشاره کرد. همچنین در Release 10، کارایی سیستم در لبه سلول ها با معرفی تکنیک eICIC بهبود یافت. استاندارد سازی 11 Release در مارچ 2013 تکمیل شد و در آن بهبودهای بیشتری در تجمیع کریر، MIMO، نودهای رله، تجمیع با WiFi و eICIC صورت گرفت. در این نسخه باندهای فرکانسی جدید، کانال ePDCCH و ویژگی جدیدی به نام CoMP برای بیم فرمینگ و زمانبندی چند کریر نیز معرفی شدند. کانال ePDCCH قابلیت پشتیبانی از ظرفیت فروسوی بالا، هماهنگی تداخل بین سلولی و بیم فرمینگ را اضافه می کند.

شکل 10

نیاز به افزایش ظرفیت ناشی از رشد روز افزون استفاده از موبایل دیتا، تقاضا برای ارتقای کیفیت تجربه کاربر و پشتیبانی از کاربردهای جدید، الزامات جدیدی را برای 3GPP Release 12 ایجاد کرد. استاندارد سازی Release 12 در مارچ 2015 اتمام یافت و مهمترین ویژگی های این نسخه عبارتند از:

• تکنیک های چندآنتنی جدید و گیرنده های پیشرفته برای افزایش ظرفیت سیستم
• ویژگی های جدیدی برای بهبود پشتیبانی از HetNet نظیر اتصال دو گانه و روشن خاموش سلول کوچک
• تجمیع کریر ناپیوسته داخل باند
• ارتقای همکاری متقابل بین LTE و WiFi
• پشتیبانی از مدولاسیون QAM 256 برای DL
• معرفی ارتباطات از نوع ماشین (MTC) و دسته های جدید UE و پشتیبانی از نرخ داده پایین با استفاده یک آنتن دریافت، کانال داده باریک و عملکرد نیمه داپلکس

در مسیر نهایی سازی استاندارد 3GPP Release 12، چندین دسته از گوشی های جدید نیز معرفی شدند. از جمله آنها می توان به 0 UE category با ظرفیت شبکه کم برای پشتیبانی از کاربردهای MTC و همچنین category 13-16 با پیک نرخ داده های بالاتر و پشتیبانی از مدولاسیون و ساختار MIMO پیشرفته تر اشاره کرد.

شکل 11

3-3: GPP Release 13-3  (LTE-Advanced Pro یا 4.5G)

دومین فاز از استانداردهای LTE اولین نسخه LTE-Advanced Pro با استاندارد سازی 3GPP Release 13 در مارچ 2016 معرفی شد. در Release 13 ویژگی های متنوع جدیدی همراه با ارتقای ویژگی های موجود در نسخه های قبلی معرفی شدند. هدف اصلی بسیاری از این تغییرات کاهش هزینه برای افزایش حداکثر نرخ بیت بازای هر کاربر و ظرفیت در لبه سلول می باشد. برخی از ویژگی های Release 13 عبارتند از: بهبود خدمات امنیت عمومی نظیر D2D و ProSe، ارتقای ویژگی های MTC و موقعیت یابی داخل ساختمان، بهبود CA تا پشتیبانی از تجمیع 32 کریر، اتصال دوگانه سلول کوچک و همکاری متقابل با WiFi، دسترسی به طیف آزاد 5HGz به کمک باند دارای مجوز (LAA)، پشتیبانی از 3D Beamforming و MIMO مرتبه بالا تا 64 پورت آنتن، بهبود روش های موقعیت یابی داخل س اختمان، بهبود تکنیک های ارسال چند کاربره با استفاده از روش های کدینگ برهم نهی، یک نقطه سلول به چند نقطه (SC-PTM) و کاهش تاخیر.

4- حرکت به سمت 5G

در سالیان اخیر، شاهد رشد نمایی ترافیک داده در شبکه های موبایل هستیم و براساس پیش بینی شرکت cisco ، ترافیک داده موبایل در دنیا بین 2010 تا 2020 حدودا 1000 برابر افزایش خواهد داشت. ترافیک موبایل عمدتا توسط گوشی های هوشمند که مصرف داده بالایی دارند استفاده می شود. علاوه بر افزایش نرخ نفوذ این نوع گیرنده ها، عامل دیگر رشد چشمگیر ترافیک موبایل، افزایش تقاضا برای برنامه های چند رسانه ای نظیر ویدیو UHD و سه بعدی و نیز واقعیت افزوده و تجربه نزدیک به واقعیت می باشد. امروزه ویدیو روی موبایل، بیش از 50% از ترافیک داده موبایل در دنیا را تشکیل میدهد و پیش بینی می شود این رقم تا سال 2018 (این متن سال 2017 نگارش شده) به دو سوم افزایش یابد. نهایتا، شبکه های اجتماعی نیز اهمیت زیادی برای کاربران موبایل پیدا کرده است و الگوی مصرف جدید و سهم ترافیک داده موبایل قابل ملاحظه ای را ایجاد نموده است.

شکل 12

علاوه بر رشد 1000 برابری ترافیک، تعداد رو به رشد دستگاه های متصل نیز چالش دیگری را به شبکه موبایل آتی تحمیل خواهد کرد. انتظار می رود که در جامعه متصل آینده، همه کس و همه چیز زیر چتر اینترنت چیزها (IoE) یا اینترنت اشیا (IOT) به هم متصل شوند و ده ها تا صدها دستگاه در خدمت هر انسان قرار خواهد گرفت. رشد ترافیک موبایل 1000 برابری در کنار میلیاردها دستگاه متصل، سیستم سلولی را به یک شبکه برودبند همه جا حاضر با ظرفیت و بهره وری انرژی بالا و پشتیبانی از انواع کیفیت سرویس های مختلف مبدل می سازد. در واقع، نسل آینده سیستم سلولی را می توان اولین نمونه از یک شبکه همگرای سیمی و بی سیم تصور کرد که تجربه مشابه فیبر را برای کاربران موبایل به ارمغان خواهد آورد. چنین زیر ساخت بی سیم سراسری، فوق برودبند دارای تاخیر بسیار کم، جامعه را متصل خواهد کرد و چرخ اقتصاد آینده را به پیش خواهد برد.

بنابراین، باوجود اینکه LTE هنوز در مراحل ابتدایی پیاده سازی است و تا 2016 Q3، تعداد مشترکان آن در جهان به 22.4% رسیده است و 2G همچنان بیشترین سهم را در بازار جهانی دارد، صنعت در حال حرکت به سمت نسل بعدی مخابرات موبایل با عنوان 5G به منظور پاسخگویی به نیازهای جدید بشر می باشد. مشابه 3G و 4G که به ترتیب در پی توصیه نامه های ITUR برای 2000-IMT و IMT-Advanced، استاندارد شدند، به منظور استاندارد سازی 5G نیز در سال 2015 نهاد ITU-R توصیه نامه ای را برای تعیین چارچوب و اهداف نسل آینده سیستم های مخابراتی در سال 2020 و بعد از آن منتشر کرده است. در این توصیه نامه کاربردها و الزامات سیستم های آتی نیز تعیین شده است.

شکل 13

این الزامات برای ارائه سرویس های جدیدی نظیر شبکه های هوشمند، خدمات سلامت، حمل و نقل هوشمند، واقعیت افزوده، اتوماسیون بی سیم، کنترل از راه دور و سایر مواردی که توسط سیستم های قبلی IMT برآورده نمی شوند، تهیه شده است. به طور کلی، سناریوهای استفاده IMT برای 2020 و بعد از آن در سه دسته زیر خلاصه می شود:

• eMBB (موبایل برودبند بهبود یافته): از آنجا که امروزه موبایل برودبند اصلی ترین پیشران شبکه های موبایل 3G و 4G هستند، این سناریو همچنان نقش مهمترین سناریو از کاربردهای شبکه های نسل بعد را ایفا خواهد کرد. رشد قابل توجه تعداد گوشی های هوشمند، تبلت ها، ادوات پوشیدنی و سایر دستگاه های استفاده کننده از دیتا در کنار ظهور کاربردهای مالتی مدیای پیشرفت منجر به افزایش چشمگیر حجم ترافیک دیتای موبایل شده است و بر اساس پیش بینی ها تا سال 2020 نیاز کاربران شبکه های سلولی بین 100 تا 1000 برابر ظرفیت فعلی این سیستم ها خواهد بود. بنابراین، ITU-R الزامات جدیدی را تحت عنوان موبایل برودبند بهبود یافته تعیین کرده است که به دلیل استفاده و سیع و همگانی، این دسته الزامات کاربردهای متنوع با چالش های متفاوتی را پوشش می دهد. به عنوان نمونه می توان به تامین پو شش در نقاط پر ترافیک و برعکس مناطق با پوشش وسیع اشاره کرد که اولی نیازمند نرخ داده های بالا، تراکم کاربر زیاد و ظرفیت خیلی بالا است در حالیکه در حالت دوم موبیلیتی و پیوستگی سرویس مهم تر است و الزامات رخ داده و تراکم کاربر کمتر است. به طور کلی، سناریوی موبایل برودبند بهبود یافته، به عنوان سناریوی مخابرات دارای محوریت انسان در نظر گرفته می شود.
• M-MTC (مخابرات انبوه از نوع ماشین): این سناریو در پی رشد روزافزون مخابرات M2M و اینترنت اشیا (IoT) تعریف شده و منحصر به کاربردهای دارای محوریت ماشین است که ویژگی اصلی آن اتصال تعداد زیادی از ادوات که معمولا ارسال های محدود با حجم داده ناچیزی که به تاخیر نیز حساس نمی باشند، است. تعداد زیاد دستگاه های متصل باعث تراكم اتصالات بالا به صورت محلی می شود اما مجموع كل ادوات متصل در سیستم چالش اصلی است و نیاز به کاهش هزینه برای این دستگاه ها را بیشتر می کند. به دلیل امکان استفاده از ادوات M-MTC در نقاط دور از دسترس، لازم است عمر این دستگاه ها نیز بسیار طولانی باشد.

شکل 14

• URLLC (مخابرات فوق امن و با تاخیر کم): هدف از این سناریو پوشش هر دو حوزه مخابرات دارای محوریت انسان و ماشین است که به حوزه دوم مخابرات از نوع ماشین حساس (C-MTC) نیز اطلاق می شود. این سناریو برای کاربردهای دارای الزامات شدید برای تاخیر، قابلیت اطمینان و دسترس پذیری بالا تعریف شده است. از جمله نمونه های موارد استفاده این سناریو می توان به ارتباطات اتومبیل به اتومبیل برای امنیت، کنترل بی سیم تجهیزات صنعتی، جراحی پزشکی از راه دور و اتوماسیون توزیع در شبکه های هوشمند اشاره کرد. نمونه های دیگر کاربردهای با محوریت انسان این سناریو، بازی های سه بعدی و اینترنت لمسی می باشد که علاوه بر تاخیر کم نیازمند نرخ داده های خیلی بالا نیز می باشند.

در شکل زیر این سه دسته سناریوی کاربرد 2020-IMT همراه با مثال های موارد استفاده هر یک نمایش داده شده است. لازم به ذکر ست که این سه سناریو تنها دسته بندی از کاربردهای قابل پیش بینی برای مخابرات نسل بعد است و همه موارد استفاده را پوشش نمی دهد و در نتیجه می تواند برای تعیین قابلیت های اصلی موردنیاز برای تکنولوژی نسل بعدی واسط رادیویی برای 2020-IMT مورد استفاده واقع گردد. قطعا کاربردهای جدیدی در آینده ظهور خواهند کرد که امروزه قابل پیش بینی نیستند. بنابراین، وا سط رادیویی جدید باید انعطاف پذیری بالایی برای تطبیق با موارد استفاده جدید را داشته با شد و الزامات موردنیاز برای موارد استفاده نوظهور را نیز برآورده نماید.

شکل 15: موارد استفاده IMT-2020 و نگاشت آنها به سناریوهای کاربردی

ITU-R به منظور توسعه چارچوب 2020-IMT مجموعه ای از قابلیت های اصلی فناوری 2020-IMT برای پشتیبانی از موارد استفاده 5G را مطابق دیاگرام سمت چپ شکل زیر تعیین کرده است. همانطور که در این شکل مشاهده می شود، برخی مقادیر هدف تعیین شده برای الزامات 2020-IMT، مطلق و برخی نسبت به قابلیت متناظر آنها در IMT-Advanced تعریف شده اند. شایان ذکر ست که لازم نیست همزمان به مقادیر هدف مربوط به قابلیت های مختلف رسید و برخی از آنها تا حدودی حتی در تناقض با یکدیگر هستند، به همین دلیل در دیاگرام سمت راست شکل زیر اهمیت هر یک از این قابلیت های اصلی برای دستیابی به هر یک از سه سناریوی تعیین شده برای ITU-R نمایش داده شده است.

شکل 16: دیاگرام چپ: قابلیت های اصلی IMT-2020 ، دیاگرام راست: اهمیت قابلیت های اصلی با سناریوهای استفاده مختلف

5- روند استاندارد سازی 5G

در پی انتشار مشخصات 2020-IMT ، فعالیت های استاندارد سازی 3GPP برای یک شبکه رادیویی جدید که مکمل LTE با شد در 3GPP Release 14 آغاز شده است. 3GPP در Release 14 یک مطالعات مقدماتی بر روی مشخصات 5G انجام داده و براساس نتایج آن، توسعه مشخصات 5G را در 3GPP Release 15 و 3GPP Release 16 آغاز نموده است. Release 15 مشخصات فاز اول 5G را منتشر می کند که ویژگی های اولیه 5G را تعریف می کند و Release 16 مشخصات فاز دوم 5G را منتشر می کند که تعیین کننده ویژگی های بیشتر 5G جهت برآوردن کامل الزامات 2020-IMT است. مطابق شکل زیر مشخصات 5G در دو فاز نهایی می گردد که 1 Phase و 2 Phase به ترتیب در سپتامبر 2018 و مارچ 2020 پایان می یابند اما 3 Stage آنها در ژوئن 2018 و دسامبر 2019 نهایی می گردند.

شکل 17: زمانبندی شبکه 5G در ITU-R (WP5D) و 3GPP

Release 14 (4.9G یا 4.5G Pro یا pre5G)

همانطور که اشاره شد با رشد استفاده از شبکه های LTE-A ، نیاز به سرویس هاس جدید نیز پیوسته در حال افزایش است و با وجود پیشرفت های LTE تا 14 Release، هنوز س ناریوهایی مانند نیاز به تاخیر بسیار کم و یا بهره گیری از باندهای فرکانسی بالاتر وجود دارد که LTE نمی تواند به خوبی به آنها پاسخ دهد. از سال 2015، فعالیت های استانداردسازی 3GPP برای یک شبکه رادیویی جدید که مکمل LTE باشد در 14 Release که نسخه بعدی LTE-Advanced Pro است، آغاز شده است. از جمله ویژگی های اصلی جدید 3GPP Release 14 که به قابلیت های LTE اضافه شده است می توان به توسعه LAA و eLWA برای پشتیبانی از دسترسی به طیف بدون مجوز در فراسو، پشتیبانی از سیستم های حمل و نقل هوشمند (ITS) شامل مخابرات V2X، بهبود eMTC برای بالا بردن ظرفیت ماشین های متصل و پشتیبانی از MBMS برای ارتقای نرم افزار و ارتباطات D2D پشتیبانی از فناوری Massive MIMO تا 64 پورت آنتن و بهبود ویژگی های eMBMS اشاره کرد.

هدف از 3GPP Release 14 که مشخصات آن در ژوئن 2017 تکمیل شد، تهیه گزارش های فنی (TR) مربوط به 5G به عنوان فاز مطالعات مقدماتی موردنیاز برای تهیه مشخصات فنی (TS) استاندارد 5G با شبکه رادیویی جدید است. دو نمونه از آیتم های مطالعاتی مربوط به 5G در 3GPP Release 14 عبارت از الزامات موردنیاز برای تکنولوژی دسترسی 5G توسط TSG RAN و معماری سیستم 5G توسط TSG SA می باشند. در ادامه، خلاصه ای از چند TR اصلی 5G در Release 14 که تاکنون منتشر شده است را بیان خواهیم کرد. به عنوان نمونه، در مارچ 2016 گروه کاری الزامات و خدمات 3GPP، گزارش فنی TR 22.891 ذیل آیتم مطالعاتی معماری سیستم 5G، فاز مطالعاتی الزامات سرویس 5G را با نام SMARTER منتشر کرد. TR 22.891 بیش از 70 مورد استفاده از 5G را در پنج دسته اصلی مطابق شکل زیر تبیین کرده است. گزارش های فنی مربوط به چهار فعالیت از SMARTER در 14 Release انجام شده است و یک TR درباره بهبودهای V2X قرار است در 15 Release تکمیل گردد.

شکل 18: ابعاد سرویس 3GPP SMARTER

در دسامبر 2016 نیز گزارش فنی TR 23.799 منتشر شد که در آن نتایج مطالعات NextGen در مورد معماری شبکه 5G انجام شده در 14 Release بیان شده است. در این گزارش ویژگی های اصلی مربوط به معماری شبکه 5G تعیین شده است. جدول ذیل نشان میدهد که این مرحله شامل چه ویژگی هایی است و در چه فازهایی مشخصات فنی مربوط به این ویژگی ها تعیین خواهد شد.

شکل 19: -موضوعات اصلی براي معماری سیستم 5G (TR 23.799 [V14.0.0) و فازهای کارهاي مربوط به ساختار سیستم 5G

در 5G، سرویس eMBB نیازمند سرعت های فوق سریع (20Gbps)، سرویس IoT برای کاربردهای حساس نیازمند تاخیر (زیر 5ms) و امنیت (99.999%) عالی و سرویس IoT انبوه نیازمند اتصالات انبوه (106 devices/Km2) می باشند. به منظور دستیابی به کلیه این الزامات در سرویس های مختلف، یک شبکه 5G باید تطبیق پذیر باشد تا بتواند یک راه حل بهینه و در خور را برای هر سرویس ارائه دهد. یکی از تکنولوژی های نامزد برای این منظور، قطعه بندی شبکه است که در Release 15 استاندارد خواهد شد. قطعه بندی شبکه یکی از ضروری ترین تکنولوژی هایی است که احتمالا 5G به آن وابسته خواهد بود چراکه به اپراتورها این امکان را می دهد که یک شبکه فیزیکی را به چندین شبکه مستقل منطقی تقسیم نمایند.

3GPP Release 14 , 15 (فاز 1 و 2 استاندارد 5G)

از نیمه دوم سال 2017، کار بر روی Release 15 توسط 3GPP با تمرکز بر انتشار اولین سری از استانداردهای 5G همزمان با تکمیل مشخصات LTE-Advanced Pro آغاز شده است. مطابق برنامه زمانبندی ارائه شده توسط 3GPP این نسخه تا سپتامبر 2018 منتشر خواهد شد. از مهمترین ویژگی های 15 Release باید سازگاری با نسل بعد در هر دو بخش دسترسی رادیویی و طراحی پروتکل باشد تا فازبندی استاندار سازی 5G میسر گردد. اسکوپ شبکه دسترسی رادیویی جدیدی که باید در 15 Release استاندارد شود شامل هر دو عملیات غیر مستقل (NSA) و مستقل (SA) می باشد. در مود NSA، هر دو شبکه رادیویی 5G NR و LTE می توانند با یکدیگر کار کنند زیرا این مود به 5G NR این اجازه را میدهد که از control plane مربوط به LTE استفاده نماید. همچنین، مود SA اجازه میدهد با پشتیبانی 5G NR از کلیه قابلیت های control plane، این شبکه رادیویی جدید به صورت مستقل کار کند. از آنجا که در نسخه های اخیر LTE از بسیاری از کاربردها و خدمات عصر 5G نیز پشتیبانی می شود، نظریه درستی است که مطابق شکل زیر به تحولات LTE نیز به عنوان بخشی از کل راه حل دسترسی بی سیم 5G نگریست.

شکل 20

در حالیکه تمرکز اصلی 15 Release بر روی سرویس های از نوع eMBB یکی از سناریوهای استفاده از 5G تعیین شده در ITU (URLLC , mMTC , eMBB) است، این نسخه پشتیبانی از برخی سرویس های از نوع URLLC را نیز فراهم می کند. شایان ذکر است که دلیل فازبندی استاندارد سازی 5G و تصمیم 3GPP برای انتشار فاز اول مشخصات 5G با قابلیت های محدود در 15 Release تا سال 2018، اشتیاق بازار برای پیاده سازی تجاری 5G در سال 2020 است که 3GPP را مجبور کرده است فاز اول مشخصات فنی 5G را در سال 2018 منتشر کند تا فرصت کافی برای توسعه محصولات بر اساس این مشخصات فنی اولیه تا سال 2020 وجود داشته باشد. شواهد نشان می دهد در برخی نقاط دنیا اشتیاق برای توسعه و پیاده سازی فناوری 5G حتی قبل از برنامه زمانی تعیین شده توسط ITU-R وجود دارد.

شکل 21: راهکار کامل دسترسی بی سیم 5G شامل فناوری دسترسی رادیویی جدید 5G و تحولات LTE

نهایتا 3GPP در 16 Release، فاز دوم استاندارد سازی 5G که کلیه الزامات 2020-IMT را برآورده خواهد کرد تا سال 2020 منتشر خواهد کرد تا ITU-R مطابق برنامه زمانی استاندارد 5G را در سال 2020 مشخص نماید. البته توسعه فناوری د ستر سی رادیویی جدید 5G با انتشار فاز 2 پایان نخواهد یافت و مشابه سایر فناوری های 3GPP مجموعه ای از نسخه ها به دنبال آن منتشر خواهد شد که هر یک ویژگی جدیدی را به فناوری 5G اضافه خواهد نمود.

باندهای فرکانسی پیاده سازی اولیه 5G

هنوز در مورد اینکه دقیقا چه باندهای فرکانسی برای فناوری دسترسی رادیویی جدید 5G مورد استفاده قرار خواهند گرفت، تصمیمی اتخاذ نشده است. مطابق شکل زیر، 15-WRC مجموعه ای از باندهای فرکانسی جدید را زیر 6GHz برای IMT تعیین کرده است.

شکل 22: طیف تعیین شده در WRC-15 و طیف در نظر گرفته شده براي پیاده سازی اولیه 5G

بعلاوه، در 15-WRC مجموعه ای از باندهای فرکانسی بالاتر از 10GHz نیز برای مطالعه به عنوان طیف جدید بالقوه MT برای 19-WRC معرفی شده است. مسلما این باندها برای فناوری د ستر سی رادیویی 5G نامزد هستند. البته راه اندازی اولیه شبکه دسترسی رادیویی جدید 5G ممکن است با توجه به تصمیمات رگولاتورهای ملی امنطقه ای در سایر باندها صورت پذیرد. به طور کلی تا امروز، مطابق شکل بالا دو بازه فرکانسی اصلی برای پیاده سازی اولیه شبکه دسترسی رادیویی جدید 5G معرفی شده است که عبارتند از:

• بازه فرکانسی 3-4.2 GHZ و 4.4-4.99 GHZ
• بازه فرکانسی 25-29.5 GHZ

لازم بذکر ست که این بازهای فرکانسی تنها تا حدودی با باندهای فرکانسی تعیین شده در 15-WRC یا مورد مطالعه برای 19-WRC مشترک هستند.

9- نتیجه گیری

دنیای مخابرات بی سیم موبایل به سرعت در حال توسعه است و در سال های اخیر رشد قابل ملاحظه ای در این حوزه صورت پذیرفته است. به طور خلاصه، در جدول زیر ویژگی های نسل های مختلف سیستم های موبایل مخابراتی از نسل دوم تا پنجم نمایش داده شده است. سیستم جدید مخابرات سلولی 5G انقلاب جدیدی در صنعت موبایل است که در آن بسیاری از تکنیک ها و فناوری های جدید مورد استفاده واقع شده است. فناوری های جدید 5G هنوز در حال توسعه هستند و استاندارد جدید 5G تاکنون معرفی نشده است ولی انتظار می رود که تا سال 2020 این فناوری پیاده سازی گردد.

به طور کلی، 5G را باید به عنوان یک پلاتفرم در نظر گرفت که امکان ارتباطات بی س یم را برای همه انواع س رویس های موجود و س رویس های ناشناخته آینده فراهم خواهد نمود. مسلما، موبایل برودبند همچنان یکی از مهمترین کاربردهای مخابرات بی سیم خواهد ماند ولی علاوه بر آن با استفاده از 5G، ارتباطات و دسترسی پیوسته به اطلاعات در هر زمان و در هر مکان برای هر انسان و ماشینی امکان پذیر خواهد شد.

شکل 23: جدول مقایسه نسل های مختلف سیستم های موبایل 2G تا 5G