در این مقاله به راهکارهای تسریع و تسهیل پیاده سازی 5G در ایران پرداخته شده است. این راهکارها دو حوزه را شامل می‌شوند که یکی استفاده موثر از زیر ساخت موجود شبکه سلولی و دیگری ایجاد زیرساخت‌های جدید می‌باشد. در حوزه استفاده موثر از زیرساخت‌های موجود، دو راهکار شامل دسترسی بیسیم ثابت و اشتراک‌گذاری پویای طیف بین شبکه‌های 4G و 5G در ادامه توضیح داده می‌شود.
اپراتورها با راه اندازی شبکه مخابراتی نسل پنجم به دنبال پاسخگویی به نیازهای صنعتی، کاربردی و دستیابی به هدف اتصال همه چیز به شبکه هستند. به این منظور، راهکارهایی جهت تسهیل پیاده سازی 5G در ایران ارائه شده است. البته در کنار راه‌اندازی 5G جهت استفاده کارا از آن بایستی تجهیزات موجود مانند WiFi نیز توسعه یابد.
مقدمه
اینترنت پرسرعت از طریق شبکه‌های سلولی موبایل، ماهواره یا کابل مانند فیبرنوری ارائه می‌شود. در مکان‌هایی که کابل‌کشی فیبرنوری ممکن یا به‌صرفه نیست، راهکار دسترسی بیسیم ثابت (FWA) با فناوری‌هایی مانند LTE و Wimax موجود است، اما سرعت آن کمتر از فیبرنوری است. ظهور 5G و استانداردسازی آن، سرعت فناوری‌های بیسیم ثابتی مانند 5G FWA را به سطحی رسانده که با فناوری‌های کابلی رقابت می‌کند و به همین دلیل، فعالان حوزه ارتباطات توجه ویژه‌ای به 5G FWA معطوف کرده‌اند.
سرعت ارائه شده در LTE FWA تا 100Mbps است در حالیکه فناوری 5GFWA سرعت Gbps ۱-۱۰ که در حدود سرعت ارسال داده با فیبرنوری است و در عین حال مقرون به صرفه نیز می‌باشد را ارائه میدهد. دلایل عمده سرعت بیشتر 5GFWA نسبت به LTE FWA افزایش پهنای باند، افزایش صد برابری ظرفیت و عملکرد تاخیری کمتر در شبکه 5G نسبت به LTE و همچنین بازده طیفی بهتر به لطف آنتن‌های هوشمند در 5G است.
گرایش به سوی 5GFWA در آمریکا آغاز شد، زیرا اگرچه حدود ۸۰ درصد از واحدهای مسکونی به اینترنت پهن باند دسترسی دارند، تنها ۲۳ درصد به اینترنت فوق‌سریع (بیشتر از ۱۰۰ Mbps) دسترسی دارند. همچنین ۹۷ درصد از سطح زمین آمریکا را مناطق روستایی تشکیل میدهد که دسترسی کامل به اینترنت پرسرعت ندارند و امکان ارائه اینترنت پرسرعت در این مناطق فقط از طریق فیبرنوری وجود ندارد. بنابراین، 5GFWA راه‌حلی مناسب برای پوشش این مناطق است.
تکنولوژی دیگری که به کمک آن می‌توان راه‌اندازی 5G را سرعت بخشید، فناوری اشتراک گذاری پویای طیف (DSS) است. باند فرکانسی یکی از منابع ارزشمند و کمیاب شبکه‌های مخابراتی محسوب می‌شود؛ بنابراین با بهره‌برداری پویا و بهینه از آن و همچنین با اشتراک‌گذاری طیف 4G میان شبکه‌های 4G و 5G، اپراتورها می‌توانند روند راه‌اندازی 5G را شتاب دهند؛ در بخش “تخصیص طیف پویا” به تشریح بیشتر این موضوع می‌پردازیم.
دسترسی بیسیم ثابت
فناوری 5GFWA با بهره‌برداری از زیر ساخت موجود شامل سایت‌ها و ایستگاه‌های پایه موجود شبکه موبایل، لینک‌های backhaul و … و همچنین اضافه نمودن برخی قابلیت‌های 5G، دسترسی به اینترنت با سرعت بالا را از طریق ارتباط بیسیم بین دو نقطه ثابت (ایستگاه پایه و کاربر) فراهم می‌نماید. نرخ‌های داده قابل دستیابی فناوری 5GFWA با نرخ داده راهکارهای ثابت مانند فیبرنوری می‌توانند با هم رقابت کنند. شکل زیر معماری FWA را نمایش میدهد.
تجهیزات FWA در سمت کاربر شامل آنتن، فرستنده و گیرنده، مودم یا روتر برای توزیع اتصال در داخل محل کاربر است. 5GFWA شامل دو واحد بیرونی و داخلی است. واحد بیرونی یک سیم‌کارت دارد که شناسایی خط و مجوز دسترسی به شبکه را فراهم می‌کند. این واحد، رابط اترنت را به واحد داخلی متصل می‌کند و با استفاده از VLANهای اختصاصی، خدمات صوتی، تصویری و داده را جدا می‌نماید.
CPE یکی از عوامل اصلی محدودکننده عملکرد کلی لینک‌های شبکه‌های تلفن همراه محسوب می‌شود. CPEهای تلفن همراه دارای محدودیت‌هایی هستند که CPE های FWA این محدودیت‌ها را رفع کرده و عملکرد بهتری ارائه می‌دهند. این پیشرفت‌ها مزایای متعددی ایجاد کرده‌اند که شامل افزایش اندازه و مساحت پوشش سلول و ارتقای نرخ داده می‌شوند.
مهندسان با رفع دو محدودیت اصلی، عملکرد را بهبود بخشیده‌اند: اولاً افزایش توان ارسال به دلیل فاصله بیشتر ماژول آنتن و فرستنده از کاربر، و ثانیاً امکان استفاده از سایز فیزیکی بزرگتر که بهره آنتن بالاتری را در اختیار قرار میدهد. آنتن‌ها و ویژگی‌های عملکرد پیشرفته مانند شکل‌دهی پرتو در گیرنده و همچنین عدم محدودیت‌های عملکرد به دلیل عمر باتری از دیگر محدودیت‌هایی است که در CPE های FWA رفع می گردد.
تحلیل نقش فناوری 5G در توسعه شبکه‌های ثابت بیسیم (FWA)
فناوری 5G با ویژگی‌ها و قابلیت‌های متعددی به استقرار موفق 5G FWA کمک می‌کند. این فناوری پهنای باند را افزایش میدهد و امکان شکل‌دهی پرتو را در هر دو جهت عمودی و افقی فراهم می‌کند. سیستم‌های 5G از پیکربندی منعطف بیسیم پشتیبانی می‌کنند و قابلیت تجمیع حامل‌ها را ارائه می‌دهند. این فناوری از مدولاسیون‌های مرتبه بالاتر استفاده می‌کند و امکان تمایز سرویس را ایجاد می‌نماید. همچنین 5G قابلیت اتصال دوگانه را فعال کرده و از معماری جدا شده پشتیبانی می‌کند. در ادامه، ما برخی از این موارد را به تفصیل شرح خواهیم داد.
در مورد پشتیبانی از معماری غیرمتمرکز شایان توجه است که برخی از الزامات 5G، مانند تأخیر کم و پهنای باند بسیار بالا، لازم است تا در بصورت انعطاف‌پذیر لحاظ گردد. این امکان با جدا کردن توابع RAN، از جمله جدا کردن صفحه کاربری و صفحه کنترل در لایه‌های بالاتر، فراهم می‌شود. در مورد مدولاسیون‌های با مرتبه بالاتر که استاندارد 5G از آن‌ها(Downlink 1024QAM, Uplink 256QAM) پشتیبانی می‌کند، استفاده از آن مدولاسیون‌ها تنها در فواصل خیلی نزدیک به ایستگاه پایه مفید است. در 5GFWA به دلیل بالاتربودن بهره آنتن FWA (نسبت به گوشی همراه) می‌توان از مدولاسیون با مرتبه بالاتر و افزایش گذردهی بهره برد.
مقایسه فنی-اقتصادی 5G FWA با راهکارهای سنتی
از سوی دیگر، تجهیزاتFWA برخلاف دستگاه‌های تلفن همراه قادر به پیاده‌سازی مؤثر چندین آنتن و RF chains برای ارسال و دریافت هستند. به همین دلیل با ترکیب آنتن‌های با بهره بالاتر، 5GFWA در فروسو از تجمیع حامل‌ها به منظور بهبود عملکرد خود نیز بهره می‌برد.
از جمله مزایای اصلی 5GFWA، استقرار سریع و مقرون به صرفه بودن آن به دلیل عدم نیاز به کابل کشی گسترده و استفاده موثر از زیرساخت موجود است. همچنین انعطاف پذیری از دیگر مزایای آن است چرا که گسترش و پیکربندی مجدد آن نسبت به شبکه‌های سیمی آسان‌تر است. همچنین حذف، اضافه یا بازآرایی مشترکین بدون تغییر زیرساخت امکان‌پذیر است. دسترسی پذیری از دیگر مزایای آن است زیرا به مناطق با عدم دسترسی به فیبر نوری مانند مناطق روستایی و کمتر تحت پوشش، می‌توان اینترنت پرسرعت را ارائه داد. در مکان‌هایی که به صورت کابلی نمی‌توان اینترنت ارائه داد از FWA یا ماهواره می‌توان کمک گرفت. جدول زیر مقایسه این فناوری‌ها را نشان میدهد.
چالش‌ها و کاربردهای راهبردی فناوری 5G FWA در توسعه ارتباطات ایران
درکنار مزایایی که برای 5GFWA مطرح شد، عدم دید مستقیم و حساسیت به شرایط جوی از چالش‌های این فناوری است. همانطور که بیان شد فناوری 5GFWA سبب تسهیل پیاده سازی 5G در ایران میگردد و نقش مهمی در پوشش 5G دارد. از جمله کاربردهایFWA می توان موارد زیر را نام برد:
FWA اینترنت پرسرعت را برای مناطق شهری فراهم می‌کند و در مناطق روستایی و کم‌تراکم نیز امکان دسترسی به اینترنت را افزایش میدهد. کسب‌وکارها از آن به‌عنوان اینترنت پشتیبان استفاده می‌کنند. همچنین این فناوری دسترسی سریع به اینترنت را در مناطق جدید یا در حال توسعه فراهم می‌سازد. این فناوری در حوزه‌های نظامی و امنیتی نیز کاربرد دارد و می‌تواند اتصال امن و پایدار را در مناطق عملیاتی فراهم کند. همچنین در صنایعی مانند معادن و سایت‌های صنعتی که کابل‌کشی دشوار یا غیرممکن است، راه‌حل مناسبی به شمار می‌رود. در کشاورزی هوشمند نیز FWA می‌تواند اینترنت را در زمین‌های وسیع فراهم کند و امکان کنترل سیستم‌های آبیاری، حسگرها و تجهیزات دیگر را فراهم سازد.
پیاده سازی FWA در فرکانس‌های موج میلیمتری است که mmw را به عنوان راه حلی برای ارائه پوشش 5G در منطقه وسیع تعریف می‌کند. نکته‌ای حائز اهمیت اینکه در 5GFWA mmw گسترش پوشش 5G از چند صد متر به چندین کیلومتر (۷ تا ۱۰ کیلومتر) توسعه می‌یابد. اپراتور آمریکایی Uscellular با همکاری نوکیا رکورد جهانی 5G FWA mmWave را ثبت کرده است. آن‌ها به سرعت دانلود 1Gbps در فاصله ۱۰ کیلومتری دست یافته‌اند. همچنین توانسته‌اند سرعت 750Mbps را در فاصله ۱۱ کیلومتری به‌دست آورند.
تخصیص پویای طیف
اپراتورهای شبکه موبایل برای راه‌اندازی 5G، 100MHz پهنای باند پیوسته در باند میانی، 1GHz پهنای باند در باند بالا (mmWave) و باند پایین را برای پوشش‌دهی گسترده تأمین می‌کنند. از آنجایی که فرکانس‌های باند پایین توسط 4G اشغال شده‌اند، شبکه مخابراتی 5G در دسترسی به طیف باند پایین با چالش مواجه است. برای تخصیص فرکانس‌های باند پایین به 5G، باید یا تخصیص مجدد طیف انجام شود که زمان‌بر است، یا سایت‌های 4G خاموش شوند تا طیف برای 5G آزاد گردد؛ اما این راه حل عملی و درست نیست، چرا که هنوز تعداد زیادی کاربران 4G وجود دارند.
راه‌حل این چالش، اشتراک‌گذاری پویای طیف است که امکان استفاده هم‌زمان از طیف 5G برای ارائه خدمات 4G و 5G را فراهم می‌کند. در این فناوری، سیستم به‌طور مداوم طیف را مانیتور می‌کند و بر اساس تعداد کاربران و نوع خدمات درخواستی، طیف را به شبکه‌های 4G و 5G تخصیص میدهد.
سپس با توجه به تعداد کاربران هر نسل و سرویس‌های درخواستی آن‌ها، تخصیص منابع و یا اشتراک گذاری طیف بین آن‌ها صورت می‌گیرد. البته که در این اشتراک‌گذاری مدیریت تداخل نیز لحاظ میگردد. تکنولوژی‌ها و سخت‌افزار مورد نیازDSS شامل سیستم‌های مدیریت طیف، واحد پردازش باند پایه، آنتن‌های پیشرفته و ابزارهای تداخل طیف می‌باشد. سیستم‌های مدیریت طیف، مسئول مانیتورینگ و کنترل در لحظه طیف است که جهت بهینه‌سازی و استفاده موثر از طیف، مجهز به هوش مصنوعی است.
در فناوری DSS، مدیریت الگوریتم‌ها و تخصیص منابع به‌صورت پویا در واحد پردازش باند پایه انجام می‌شود و از آنتن‌های پیشرفته برای بهبود عملکرد استفاده میگردد. این فناوری موجب استفاده بهینه از طیف، تسریع در استقرار 5G، کاهش هزینه‌ها و افزایش پوشش می‌شود. با این حال، پیچیدگی فنی، مدیریت شبکه و چالش‌های نظارتی از موانع اصلی پیاده‌سازی آن در برخی کشورها هستند.
مدیریت هوشمند طیف در عصر 5G: از CBRS تا مزایده‌های فرکانسی
شرکت های پیشروی جهانی در حوزه اشتراک گذاری پویای طی از فعالان این حوزه اپراتورهای Verizon، T-Mobile، Vodafon را می‌توان نام برد که اشتراک گذاری پویای طیف را از سال ۲۰۲۰ آغاز نموده‌اند. همچنین کشورهای خاورمیانه، عربستان و امارات از سال ۲۰۲۰ و قطر از سال ۲۰۲۱ فعالیت خود را در این حوزه آغاز نموده‌اند. از تولیدکنندگان تجهیزات مورد نیاز فناوری DSS، می توان شرکت‌های اریکسون، هوآوی، سامسونگ و ZTE را نام برد.
نمونه‌هایی از اشتراک گذاری پویای طیف CBRS (Citizens Broadband Radio Service) ، TV White Space و Light Licensing را می‌توان نام برد. CBRS باند میانی GHz ۳.۵-۳.۷ که در اختیار وزارت دفاع آمریکا و ایستگاه‌های زمینی ماهواره‌ای بوده است را با کاربران دیگر ضمن رعایت تداخل به اشتراک می‌گذارد. لازم به ذکر است که اولویت کاربران قبلی این طیف بالاترین است و همچون گذشته در هر لحظه امکان استفاده آن‌ها از طیف وجود دارد. قبلاً، مجوز طیف برای باند بزرگتر با قیمت بسیاربالا ارائه میگردید که باعث خارج شدن برخی از بازیگران از صحنه می‌شد.
در پنج سال اخیر توسعه 5G در کشورهای مختلف با استفاده از باندهای فرکانسی مختلف انجام شده که باندهای میانی C-Band (۳٫۳ تا ۳٫۸ گیگاهرتز) محبوب‌ترین هستند. پیش از 5G، این باندها معمولاً برای کاربردهای غیر موبایلی یا TD-LTE استفاده می‌شدند. پس از استانداردسازی 5G، این باندها در برخی کشورها از طریق مزایده به اپراتورهای موبایل واگذار شدند. به عنوان مثال، مزایده باند C-Band در لهستان برای چهار اپراتور موبایل با قیمت پایه ۱۰۴ میلیون دلار برای هر ۱۰۰ مگاهرتز برگزار شد.
CBRS با ایجاد مجوزهای بسیار کوچکتر سبب بهره‌مندی بازیگران بیشتری از طیف شده است. در TV White Space، از فرکانس‌های پخش تلویزیونیِ استفاده نشده، در طیف بیسیم بهره‌برداری میگردد.
نتیجه گیری
ماموریت صنعت پهن‌باند، اطمینان از دسترسی تمام افراد به اینترنت پرسرعت، صنایع پهن باند و گسترش خدمات آن با کیفیت بالا بدون توجه به مکان یا شرایط اقتصادی افراد، جهت مشارکت در اقتصاد می‌باشد. جهت دستیابی به این هدف، مجموعه‌ای از راه‌حل‌های فناورانه به منظور تسریع و تسهیل پیاده سازی 5G در ایران توسط صنعت پهن‌باند پذیرفته می‌شود. در این راستا فناوری‌های دسترسی بیسیم ثابت و اشتراک گذاری پویای طیف مطرح گردیـد. دسترسی بیسیم ثابت در عین حال که مقرون به صرفه است، سرعتی قابل مقایسه با فیبرنوری ارائه میدهد و پیش‌بینی میگردد تا سال ۲۰۳۰ تعداد ۳۴۰ میلیون نفر مشترک داشته باشد. اشتراک‌گذاری پویای طیف، پیاده‌سازی 5G را در ایران تسریع و تسهیل کرده و بهره‌وری از منابع محدود طیف را به شکل مؤثری افزایش می دهد.
