مهم‌ترین ویژگی‌ها و چالش‌های توسعه 5G در ایران و جهان

در حالی از تکنولوژی 4G به 5G کوچ می‌کنیم که بسیاری از کشورهای پیشرفته جهان به پوشش حداکثری 5G دست پیدا کرده‌اند یا حداقل بسیاری از شهرهای بزرگ و پرجمعیت آن‌ها از پوشش کامل 5G بهره می‌برند.

اما در کشورهای درحال توسعه همچون ایران، این روند بسیار کندتر پیش می‌رود، چالش‌های متعددی پیش روی توسعه نسل پنجم ارتباطات در کشور وجود دارد که مانع از استفاده حداکثری از ظرفیت‌های این فناوری می‌شود.

زمانی که در خصوص فناوری 5G سخن می‌گوییم، منظورمان صرفا اینترنت پرسرعت 5G نیست، مزیت‌های مختلف نسل پنجم ارتباطات موجب می‌شود تا از این فناوری برای توسعه خدمات در سطوح مختلف استفاده شود.

اما دسترسی به فناوری 5G نیازمند اراده مسئولین، تهیه سخت‌افزارهای لازم، آماده‌سازی زیرساخت‌ها و برنامه‌ریزی برای بهره‌برداری از این فناوری است. همچنین باید فضا را در جهت توسعه شرکت‌های فعال در حوزه نسل پنجم ارتباطات فراهم کرد.

ظهور نسل پنجم ارتباطات با چالش‌های مختلفی همراه است، ظرفیت بالا و ابعاد گسترده این فناوری خودش یکی از چالش‌هایی است که باعث می‌شود توسعه 5G در کشورهایی مانند ایران که مقدمات و زیرساخت لازم برای استفاده حداکثری از این فناوری پیش‌بینی نشده، با مشکل مواجه شود.

اما راهکار این نیست که در خصوص گذشته و فرصت‌های از دست رفته اندوهگین شویم، در نگاه رو به جلو لازم است تا به فکر حل مشکلات موجود باشیم.

در حال حاضر توسعه فناوری 5G در کشورمان (و دیگر کشورهای جهان) با چالش‌هایی مواجه است که در ادامه آن‌ها را بررسی کرده و به راهکارهای اجرا شده در سطح جهانی در خصوص این چالش‌ها نیز اشاره خواهیم کرد:

باند فرکانسی

به نظر می‌رسد اراده جدی برای توزیع باند فرکانسی 3500 در جهت توسعه فناوری نسل پنجم ارتباطات وجود ندارد.

باند فرکانسی 3500 به ادعای انجمن جهانی تلفن همراه GSMA بهترین باند فرکانسی برای توسعه 5G محسوب می‌شود و عدم تخصیص بهینه و یکپارچه این فرکانس به اپراتورهایی که برای توسعه نسل پنجم ارتباطات نیاز به تامین تجهیزات و فراهم آوردن زیرساخت‌ها دارند، به یک چالش بزرگ تبدیل شده است.

این باند فرکانسی در نقطه تعادل بین پوشش و ظرفیت برای شبکه‌های بی‌سیم از نظر فنی بهترین باند برای بهره‌وری از نسل پنجم ارتباطات است. باند فرکانسی 3500 همچنین از نظر عملکرد تاخیر و ظرفیت، جذاب‌ترین بستر برای بهره‌برداری از 5G است.

انجمن جهانی تلفن همراه در خصوص باند فرکانسی 3500 اعلام کرده که تخصیص صحیح محدوده 3.5 گیگاهرتز اجازه می‌دهد تا از کانال‌های پیوسته گسترده 80-100 مگاهرتز برای هر اپراتور استفاده شود که عملکرد شبکه را به حداکثر و در عین حال هزینه‌های مصرف کننده را به حداقل می‌رساند.

نحوه توزیع فرکانس‌های ارتباطی در اکثر کشورهای پیشرفته جهان به صورت مزایده انجام می‌شود و اپراتورها می‌توانند بر سر باندهای مختلف با یکدیگر رقابت کنند.

فناوری مایمو

نام مایمو یا MIMO مخفف Multiple Input, Multiple Output بوده و به زبان ساده به معنای چند ورودی و چند خروجی است که در اتصالات اینترنت وایرلس کاربرد دارد.

این نوع اتصال در اتصال 4G هم دیده می‌شود اما نسخه پیشرفته آن در فناوری 5G مورد استفاده قرار می‌گیرد که با آنتن‌های پیشرفته توانایی افزایش پوشش شبکه، نرخ داده و ظرفیت شبکه را دارد. ماهیت این فناوری آن است که ظرفیت شبکه به شکل مدیریت شده میان کاربران توزیع شود و اتصال پایدارتر با سرعت بیشتری میان گروه عظیمی از کاربران برقرار شود.

فناوری مایمو با تعداد آنتن‌های درونی یک دستگاه گیرنده ارتباط مستقیم دارد، به عنوان مثال اگر تنها یک آنتن درون دستگاه دریافت کننده وجود داشته باشد مایمو 1 در 1 نام دارد، یعنی این دستگاه می‌تواند از یک جریان ورودی داده پشتیبانی کند. اما این ظرفیت به مرور 2 در 2 و 4 در 4 شد و ظرفیت انتقال دیتا به ترتیب 4 برابر و 8 برابر شد. حال در فناوری 5G صحبت از مایمو 64 در 64 و 256 در 256 به میان آمده که می‌تواند نحوه اتصال کاربران را دگرگون کند.

از جمله دلایل علاقه اپراتورهای مختلف در کشورهای جهان به توسعه 5G پشتیبانی از همین فناوری‌های نوین است که می‌تواند در صنایع و کسب‌وکارهای مختلف مورد استفاده قرار گیرد. شرکت‌های مطرح مانند T-Mobile اخیرا بر روی فناوری MU-MIMO سرمایه‌گذاری کرده‌اند و توانستند تا ظرفیت شبکه 5G خود را حتی تا 50 درصد افزایش دهند.

همچنین همراهی نوکیا با اپراتور AT&T برای توسعه MIMO شکل گرفته و در آزمایش‌های اولیه باعث افزایش 60 تا 90 درصدی ظرفیت شبکه 5G شده است.

هواوی طی کنفرانس MWC2022 جایزه بهترین زیرساخت شبکه تلفن همراه را دریافت کرد، محصول هواوی شامل فرستنده‌هایی بود که از فناوری MIMO بهره می‌برد. معاون بخش تولید محصولات بی‌سیم هواوی در این خصوص گفت: این محصول استقرار زیر 3 گیگاهرتز را برای اپراتورهایی که به دنبال ایجاد شبکه‌های تلفن همراه مبتنی بر باندهای مختلف همراه به فناوری‌های دسترسی رادیویی (RAT) و همچنین طیف پهنای باند کوچک گسسته هستند، ساده می‌کند.

فناوری شکل‌دهی پرتو

فناوری شکل‌دهی پرتو یا Beamforming یکی دیگر از تکنولوژی‌های جذاب دنیای ارتباطات بی‌سیم است که در نسل پنجم ارتباطات می‌تواند تفاوت عظیمی در کیفیت خدمات ایجاد کند. اکسس پوینت‌هایی که از این فناوری بهره‌می‌برند، سیگنال‌های متمرکز را به سمت دریافت کنندگان ارسال می‌کنند. در واقع اکسس پوینت به جای ارسال سیگنال به جهات مختلف، سیگنال را در یک جهت خاص برای کاربران خاص ارسال می‌کند.

به عنوان مثال اکسس پوینتی که در یک منطقه مسکونی قرار دارد، به جای آن که سیگنال‌ها را در تمامی جهات بی‌وقفه ارسال کنند، سیگنال‌ها را تنها به سمت خانه‌های مسکونی، مغازه‌ها و خیابان‌های آن منطقه مسکونی ارسال می‌کند و به این شکل از هدر رفت انرژی جلوگیری می‌شود. اکسس پوینت‌هایی که از شکل‌دهی پرتو استفاده می‌کنند تا یک دهم مصرف انرژی کمتری دارند و این می‌تواند یک مزیت بزرگ برای اپراتورهای تلفن همراه باشد.

با این فناوری علاوه بر افزایش پهنای باند هر کاربر، شاهد افزایش محدوده پوشش اکسس پوینت و گسترش بیشتر شبکه و در نهایت جلوگیری از هدر رفت انرژی در انتقال داده هستیم. یکی از مهم‌ترین کاربردهای بیم فریمینگ آن است که از تداخل سیگنال‌ها در مایمو با پورت‌های بالا جلوگیری می‌کند. درواقع می‌توان مایمو و بیم فریمینگ را به عنوان مکمل در کنار هم استفاده کرد.

ارتباط دستگاه به دستگاه

ارتباط دستگاه به دستگاه (D2D) فناوری است که دستگاه کاربر اجازه می‌دهد بدون دخالت زیرساخت‌های شبکه مانند یک نقطه دسترسی یا ایستگاه‌های پایه با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

در واقع یک ارتباط تک‌گامه بین فرستنده و گیرنده جایگزین ارتباط سلولی شامل فراسو و فروسو می‌شود. کاهش مصرف توان، افزایش نرخ ارسال و کاهش تاخیر از جمله مزایای این فناوری برای شبکه‌های سلولی است. هم‌چنین بستر مناسبی برای ایجاد سرویس‌های جدید فراهم می‌گردد.

ارتباط دستگاه به دستگاه به ارتباط بین دستگاه‌ها (تلفن‌های همراه یا وسایل نقلیه و غیره) مرتبط می‌شود. در این فناوری برای اتصال دستگاه‌ها اغلب نیازی به ارتباط مستقیم با زیرساخت شبکه وجود ندارد، از این رو می‌توان انتظار داشت که در نسل پنجم ارتباطات، بخشی از مشکل ظرفیت شبکه حل شود، نباید فراموش کنیم یکی از مزیت‌های 5G آن است که دستگاه‌های بیشتری در شبکه‌های سریع‌تر و مطمئن‌تر به یک‌دیگر متصل شوند.

حجم ترافیک در شبکه‌‎های بی‌سیم/ سلولی با رشد جنون‌آمیزی مواجه است و طبیعتا نسل چهار شبکه‌های سلولی (مانند LTE) با وجود پروتکل‎‌های پیشرفته‌ای که در آن مورد استفاده قرار گرفته است پاسخگوی تقاضای کاربران نخواهد بود.

استفاده از گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها و همچنین تمایل کاربران برای استفاده از شبکه‌های اجتماعی را می‌توان از جمله عوامل رشد روز افزون ترافیک دانست.

با توجه به اینکه پهنای باند منبع در همه نقاط در دسترس نیست، اختصاص پهنای باند بیشتر به شبکه‌های سلولی راه‌حل مناسبی برای پاسخگویی به کاربران نیست. راه حل استفاده از ارتباط کاربر به کاربر است. اتصال دیوایس به دیواس به کاربرانی که در نزدیکی هم قرار دارند این امکان را می‌دهد تا بطور مستقیم و بدون گذر از ایستگاه پایه و شبکه هسته به مبادله اطلاعات بپردازند. اضافه کردن این نوع ارتباط به شبکه‌های سلولی مزایای زیادی به‌دنبال خواهد داشت. به‌علت فاصله کم بین کاربران D2D سرعت ارسال اطلاعات بالا و تاخیر کم خواهد بود.

صرفه جویی در مصرف منابع شبکه، بهبود بهره‌وری طیفی، کاهش مصرف انرژی، افزایش پوشش شبکه سلولی، انتقال ترافیک شبکه سلولی و کمک در جهت رفع تراکم در شبکه از جمله نقاط قوت این فناوری جدید خواهد بود. همچنین بستر مناسبی برای ایجاد سرویس‌های جدید ایجاد خواهد شد.

کلان داده‌ها

در نسل پنجم ارتباطات قرار است تا حجم عظیمی از داده‌ها قابل انتقال باشند، این یکی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی است که کارشناسان شبکه در خصوص 5G به ما وعده دادند، اما چگونه این اتفاق رخ می‌دهد؟ 5G دقیقا بزرگ‌ترین معظلات استفاده از داده‌های کلان را برطرف خواهد کرد. نسل پنجم ارتباطات با بهره‌وری از ویژگی‌هایی مانند پهنای باند، سرعت بالا، تاخیر ناچیز و حتی استفاده از هوش مصنوعی این معضلات را برطرف می‌کند.

البته نقش اساسی را اینترنت اشیا اجرا خواهد کرد، کلان داده‌ها توسط اینترنت اشیا هدایت می‌شوند، در واقع کلان‎ داده‌‎ها و اینترنت اشیا دو زیرساخت پیچیده در هم هستند، استفاده از حجم عظیم داده‌ای که توسط اشیا هوشمند تولید می‌شوند، می‌تواند هر سازمان و کسب وکاری را متحول کند. همچنین با استفاده از یادگیری ماشین، اشیا با استفاده از داده‌های ذخیره شده رفتارهای جدیدی را یاد می‌گیرند و خود را با محیط اطراف‎شان تطبیق می‌دهند.

کلان‌داده‌ها یکی از مهم‌ترین چالش‌های اجرایی شدن فناوری 5G در مناطق شهری هستند. زمانی که ترافیک داده افزایش پیدا کند، برای مدیریت این حجم تردد داده مفهوم تاخیم کم و پهنای باند گستره می‌تواند نقشی کلیدی را بازی کند.

از این نظر 5G انقلابی در مدیریت داده‌های بزرگ ایجاد می‌کند و به طور قابل توجهی قابلیت‌های ارتباطی را افزایش خواهد داد. فناوری بی‌سیم 5G همچنین به دلیل در دسترس بودن 24 ساعته و تاثیری که می‌تواند بر ظرفیت‌های ذخیره‌سازی شبکه و قابلیت‌های محاسباتی داشته باشد، نقش مهمی در پردازش داده‌ها‌ی کلان خواهد داشت.

تاخیر کم

حالا که موضوع تاخیر در فناوری 5G به میان آمد بهتر است کمی بیشتر در خصوص این ویژگی صحبت کنیم. تاخیر به زمان ارسال تا دریافت پیام توسط فرستنده گفته می‌شود. تاخیر برای افزایش سرعت ارتباطات اهمیت فراوانی دارد، به عنوان مثال در بازی‌های آنلاین تاخیر مهم‌ترین نقش را دارد، اگر تاخیر شما زیاد باشد، حتی در صورتی که قبل از رقیب به او شلیک کرده باشید، ممکن است او بتواند شما را بکشد، زیرا در اینجا سرعت عمل شما با تاخیر زیاد گرفته شده و تاخیر کم اینترنت رقیب باعث شده تا فرمان شلیک او زودتر به سرور‌های بازی برسد.

این ویژگی در خصوص دیگر موارد مانند سرویس‌های پزشکی یا اورژانسی، واقعیت افزوده، خودروهای خودران و غیره نیز اهمیت فراوانی دارد و بدون تاخیر کم نمی‌توان چنین سرویس‌هایی را عرضه کرد. مثال مهم تاثیر کم را می‌توان در خصوص عمل رباتیک از راه دور در ایران که توسط همراه اول صورت گرفت به عینه دید، در یک عمل جراحی از راه دور اگر تاخیر زیاد باشد جان بیمار در خطر خواهد بود.

در آمریکا شرکت تی موبایل اولین اپراتوری بود که از فناوری 5G مستقل با سرعت کم استفاده کرد و به نوعی برتری خود نسبت به دیگر شرکت‌های ارائه دهنده خدمات دیتا و اینترنتی را نشان داد. این کار هزینه زیادی دارد و به ویژه شرکت‌های آمریکایی سرمایه‌گذاری گسترده‌ای برای کاهش تاخیر در سرویس‌های خود انجام داده‌اند، در برخی گزارش‌ها به سرمایه‌گذاری 69 میلیارد دلاری در سال 2021 اشاره شده است.

چالش امنیت

اما چالش پایانی را می‌توان بحث امنیت دانست. امنیت یکی از چالش‌های بزرگ در فناوری 5G است. یکی از مزیت‌های 4G نسبت به نسل پنجم ارتباطات پوشش‌دهی گسترده آن است، یعنی شبکه 5G از نظر مساحت، پوشش دهی کمتری دارد و مانند 4G نمی‌تواند از دیوارها عبور کند.

از آن‌جایی که برای پوشش یک منطقه بزرگ تحت نظر 5G به آنتن‌های متعددی نیاز است، داده‌های کاربران در آنتن‌های محلی 5G دردسترس بوده و مهاجمین می‌توانند راحت‌تر به اطلاعات کاربران در همان منطقه دسترسی داشته باشند. حتی در این موارد اطلاعات ارزشمندی از مکان شما قابل فاش شدن است.

مورد دیگر آن است که در حملات از راه دور می‌توان سپرهای امنیتی 5G را دور زد و با جعل ایستگاه مخابراتی به داده کاربران دسترسی داشت.

کارشناسان در خصوص این مشکلات امنیتی راهکارهایی پیشنهاد داده‌اند که از جمله معتبرترین آن‌ها می‌توان به ذخیره‌سازی داده کاربران به صورت هیبریدی توسط اپراتورها اشاره کرد. در این روش داده‌های حساس به صورت محلی ذخیره می‌شوند و داده‌های کمتر حساس در فضای ابری. بنابراین اپراتورها دسترسی و کنترل بیشتری بر روی داده‌ها خواهند داشت.

در همین راستا اپراتورهای مطرح دنیا برای برقراری امنیت داده کاربران خود به سراغ راه حل‌های مختلف در حوزه امنیت رفته‌اند، به عنوان مثال شرکت AT&T اعلام کرده که برای تامین امنیت داده‌های حساس کاربرانش از یک سرویس فایروال مدیریت‌ شده در هسته مرکزی داده‌ها پشتیبانی می‌کند. این سرویس کلیدی قابلیت‌هایی را برای مشاهده تهدید، جلوگیری از حملات پیشرفته در لایه برنامه و اجرای پروتکل‌های امنیتی، به‌ویژه برای موارد استفاده از اینترنت اشیا و فناوری اطلاعات با قابلیت 5G فراهم می‌کند.

استفاده از شبکه‌های محلی ایمن و پهنای باند 5G محافظت شده، از دیگر راه‌کارهای AT&T است. پهنای باند بی‌سیم محافظت شده با دروازه وب امن و دسترسی از راه دور محافظت شده، ارتباطات بسیار ایمن را برای استفاده از برنامه‌های کاربردی یا تجاری حتی مبتنی بر فضای ذخیره‌سازی ابری ایجاد می‌کند. شرکت AT&T توضیح داده که این قابلیت‌های امنیتی توسعه یافته، یک محیط شبکه بسیار امن را برای کسب‌وکارها فراهم می‌کند تا به داده‌ها و برنامه‌هایی که در بستر 5G مورد استفاده قرار می‌دهند، دسترسی پیدا کنند.

اجرا و توسعه نسل پنجم ارتباطات در ایران

تاکنون با بزرگ‌ترین و مهم‌ترین ویژگی‌های نسل پنجم ارتباطات و چالش‌هایی که برای توسعه 5G در جهان ایجاد کرده است، آشنا شدیم و به طور خلاصه از راهکارها و سیاست‌هایی اپراتورهای برجسته جهان با میلیون‌ها کاربر در کشورهای مختلف نیز اطلاع پیدا کردیم. اما آیا اجرای این پروژه بزرگ در کشور و توسعه نسل پنجم ارتباطات در ایران عملی است؟

نسل پنجم ارتباطات مانند یک دریا، پهناور پرظرفیت است و اپراتورهای ایرانی به میزان حمایت، برنامه‌ریزی و توانمندی خود می‌توانند از این دریا بهره‌برداری کنند، اما عدم رفع موانع پیش روی اپراتورها مانند تخصیص باند فرکانسی 3500 باعث می‌شود کشتی توسعه نسل پنجم ارتباطات در مراحل ابتدایی به گل بنشیند.

اپراتور اول ایران به همراه سایپا و ایران‌خودرو کارش را آغاز کرد، همراه اول بیشترین پوشش شبکه‌ای را نسبت به سایر اپراتورهای کشور دارد و با سرمایه‌گذاری در فناوری 5G می‌تواند با ارائه سیمکارت‌هایی با کاربرد اینترنت اشیا، پوشش حداکثری برای اتصال به خودروهای هوشمند متصل را برقرار کند.

افزایش تعداد دستگاه‌های فیزیکی و مجازی متصل به شبکه مانند گجت‌های پوشیدنی، ابزارهای پزشکی از راه دور، واقعیت مجازی/افزوده، ارتباطات ماشین به ماشین، اینترنت اشیا و خودروهای خودران، منجر به افزایش بار کاری شبکه و تاخیر بسیار پایین در ارسال داده‌ها شده است.

مهم‌ترین و بزرگ‌ترین مانع پیش روی توسعه 5G در کشور توزیع منصفانه فرکانس محدوده 3500 است که در بخش ابتدایی مقاله از آن به عنوان یکی از چالش‌های اصلی توسعه 5G حتی در دیگر کشورهای جهان یاد کردیم.

همراه اول پیش قراول نسل جدید ارتباطات: تحول دیجیتال همزمان با توسعه 5G

در کشورمان فرکانس محدوده 3500 به بازیگران حوزه TD-LTE واگذار شده است. البته مدیران سازمان تنظیم مقررات چندین بار وعده تعیین تکلیف و برگزاری مزایده برای محدوده فراکنس 3500 را اعلام کرده‌اند اما به نظر می‌رسد برخی ذی‌نفعان مانند صدا و سیما تاکنون از این موضوع جلوگیری کرده‌اند و توسعه نسل پنجم ارتباطات در گرو این تعیین وضعیت، بلاتکلیف مانده است. طبیعتا چنین تصمیم‌گیری‌هایی موجب عقب ماندگی کشور در زمینه توسعه 5G خواهد شد.