معرفي فناوري 4G كي فرا

معرفي فناوري 4G كي فرا

آيا مي توان تصوري از تجلي فناوري 4G، حتي به صورت ادغام استانداردهاي 4G و 3G داشت؟ بدون شك، فناوري 4G يكي از جانشين هاي مناسب براي 3G است. با وجود اين، در حال حاضر هنوز در اين مورد بحث مي شود كه ماهيت فناوري 4G چيست و شامل چه فناوري هايي مي شود؛ اما به طيف فركانسي مورد نياز براي توسعة اين فناوري هيچ اشارهاي نمي شود.

از پيشرفت شبكه هاي WCDMA و تجهيز روزبه روز شبكه هاي 3G به فناوري HSDPA مي توان نتيجه گرفت كه صنعت مخابرات سيار بي وقفه به سمت استفاده از نسل آيندة سيستم هاي ارتباطات سيار پيش مي رود.
قرار است طرح گسترش فناوري 4G- كه در ابتدا با عنوان طرح "سيستم*هاي ماوراي IMT-2000" شناخته مي شد و در حال حاضر طرح LTE " ناميده مي شود- از سال 2015 تا سال 2020 اجرا شود. البته اين زمان ديرتر از زماني است كه در ابتدا برنامه ريزي شده بود؛ زيرا سازمان بين المللي مخابرات معرفي اين فناوري را تا پنج سال (از سال 2010 به سال 2015). به تأخير انداخت. در اين صورت اپراتورها زمان كافي خواهند داشت كه تا قبل از اينكه مجبور شوند با اخذ مجوزهاي جديد طيف به گسترش فناوري هاي جديد بپردازند، از سرمايه گذاري شان در شبكه هاي 3G بهره برداري كنند.


اختصاص طيف فركانسي به4G


با وجود محدوديت هايي كه در واگذاري طيف در كشور ژاپن وجود دارد، اين كشور هنوز هم مطابق با برنامة زماني اوليه تا 2010 پيش مي رود. همكاري دولت ژاپن با دولت هاي كرة جنوبي و چين در پروژه هاي مربوط به تحقيق و توسعة فناوري جديد باعث مي شود تا منطقة آسياي شمالي در توسعة بخش هاي كليدي فناوري 4G پيشگام شود.


مدت ها پيش، يعني در سال 2001، وزارت ارتباطات و امور داخلي ژاپن (MIC) ، در يك پروژة تحقيقاتي 5ميليارد يني (42ميليون دلار آمريكا) سرمايه گذاري كرد تا به تحقيق و بررسي در مورد زمينه هاي مربوط به فناوري 4G بپردازد.
برنامة اين وزارتخانه براي توسعة شبكه هاي سيار 4G توليد تجهيزاتي با قدرت دريافت يا انتقال اطلاعات تا سرعت 100 مگابيت ، يا تجهيزات ايستگاهي، از جمله WLAN، با قدرت انتقال اطلاعات با سرعتي بيش از 100 مگابيت بود.


وزارت ارتباطات و امور داخلي سال 2010 را به عنوان زمان آغاز تجاري كردن سيستم هاي ارتباطات سيار مرحلة دوم انتخاب كرد. همچنين برنامه ريزي شده بود كه تا پايان سال 2005 سيستم هاي مرحلة اول تجاري شوند؛ سيستم هايي كه استفاده از آنها سرعت انتقال اطلاعات به 10 تا 30 مگابيت افزايش داد.
هم اكنون شركت هاي NEC و NNT DoCoMo با همكاري هم، در طرحي آزمايشي گونه اي از فناوري OFDM را به كار خواهند گرفت؛ اين فناوري به عنوان ركن اساسي در ارائة خدمات مخابرات سيار نسل آينده به شمار مي رود و امكان انتقال همزمان اطلاعات بسته اي را با سرعت يك گيگابيت، در اتصال رو به پايين، فراهم مي كند.


همچنين در نوامبر سال 2005 مؤسسه اي با نام مؤسسة تحقيقاتي مخابرات و الكترونيك در كرة جنوبي، يك سيستم آزمايشي مبتني بر فناوري 4G را به نمايش گذاشت. با استفاده از اين سيستم سرعت انتقال اطلاعات اينترنتي در حالت سكون به 100 مگابيت افزايش مي يابد؛ همچنين امكان دريافت و ارسال اطلاعات پرسرعت بسته اي و اينترنتي را، در حال حركت با سرعت 120 كيلومتر بر ساعت، فراهم مي كند.
كشورهاي ژاپن، چين و كرة جنوبي نه تنها در برطرف كردن چالش هاي فني با يكديگر همكاري مي كنند، بلكه برنامه هايي دارند تا سياست هاي مربوط به واگذاري طيف براي فناوري 4G را با هم هماهنگ كنند. اين باعث مي شود تا در مذاكراتي كه در نشست بعدي "شوراي جهاني ارتباطات راديويي" كه در سال 2007 انجام مي شود، موقعيت اين كشورها تقويت و تثبيت شود.

تصميم براي به تأخير انداختن معرفي فناوري 4G ازمحدودة زماني سال هاي 2010 تا 2015 به سال هاي 2015 تا 2020، نه تنها باعث كاهش نگراني اپراتورها در مورد مسائل مالي شده است، بلكه فرصتي مغتنم را به وجود آورده است تا طيف مورد نياز براي سيستم هاي جديد شناسايي شود.

در اجلاس "شوراي جهاني ارتباطات راديويي"، كه در سال 2003 برگزار شد، براي اولين بار نياز به فرصت كافي براي شناسايي طيف جديد مطرح شد و برنامه ريزي شد تا اين فركانس هاي جديد در اجلاس سال 2006 معرفي شوند. اما در حال حاضر اجلاس سال 2006 به تعويق افتاده است و قرار است كه در سال 2007 برگزار شود. در اين مدت گروهي از بخش ارتباطات راديويي در سازمان بين المللي مخابرات (ITU) در مورد روش هايي مطالعه مي كنند تا طيفي را كه در حال حاضر وجود دارد، دوباره به فناوري 4G تخصيص دهند يا اين كه فركانس هاي جديدي را شناسايي كنند. به نظر نمي رسد كه تا سال 2006 هيچ نتيجة مثبتي از اين بررسي ها حاصل شود يا اين كه نتيجة اين بررسي ها تا اجلاس بعدي شوراي جهاني ارتباطات راديويي در سال 2007 آماده شود.

همگي بر اهميت اجلاس سال 2007 و همچنين نياز به تأمين طيف بيشتر براي ارتباطات سيار واقف هستند. كري پيكانن ، رييس بخش تحقيقاتي شركت نوكيا، در گفتگو با ITM گفت: "پيش يني مي شود كه در فناوري 4G براي هر اپراتور، متناسب با موقعيت و عملكرد پيش بيني شده، به باندي تا 100 مگاهرتز نياز است. هنوز مشخص نيست كه اگر طيف بيشتري شناسايي شود، آيا به فناوري 4G تخصيص داده مي شود."


فناوري هاي 4G

درحاليكه واگذاري فركانس هاي جديد (طيف) در دست اقدام است، هنوز در مورد فناوري هايي كه قرار است اين طيف به آنها تخصيص داده شود، اطلاعات زيادي وجود ندارد. البته همگي بر اين امر واقف هستند كه فناوري 4G تركيبي از چند فناوري موجود است و خدماتي را به صورت هماهنگ و يكدست در شبكه هاي خصوصي، محلي و گسترده عرضه خواهد كرد.
بخش اصلي اين استانداردهاي جديد شامل فناوري هاي راديويي چندجانبه است كه اطلاعات را در اتصالات رو به بالا و رو به پايين به ترتيب با سرعتي بيش از 100 و 50 مگابيت انتقال مي دهد. براي مثال، در چشم انداز 3GPP فناوري هاي جديدي مثل OFDM و MIMO كه در سيستم هاي باند وسيع سيار مثل Wi-Fi استفاده مي شوند، به عنوان عامل اصلي در عرضة اطلاعات اينترنتي با حداكثر سرعت هستند.
درحاليكه با استفاده از فناوري MIMO در تجهيزات WLAN، ظرفيت و قابليت اين تجهيزات تا دو برابر افزايش يافته است، كيفيت سيگنال بدون تغيير باقي مانده است كه به نظر مي رسد با موفقيت توانسته است تلفيقي از اين دو ويژگي را با هم داشته باشد. نكتة قابل توجه اين است كه فناوري MIMO تمامي ويژگي ها را بدون استفاده از طيف جديد عرضه مي كند.

در حال حاضر بسياري از سازندگان تجهيزات معتقدند كه با استفاده از فناوري 4G مي توان به سادگي كيفيت سيگنال و دامنة استفاده از فناوري را افزايش داد. در ماه مارس سال 2005، شركت نورتل نمونه هاي اولية فناوري MIMO را كه قادر بود اطلاعات را با سرعت 20 مگابيت بر روي كانال 5 مگاهرتز در باند 1900 مگاهرتزي UMTS انتقال دهد، عرضه كرد. از نظر تئوري مشتركان مي توانستند يك فايل 128 مگابيتي را در 30 ثانيه ذخيره كنند (download)، كه اين سرعت 4 تا 10 برابر بيشتر از سرعت معمول در شبكه هاي 3 G است.



چرا MIMO؟

حال اين سؤال پيش مي آيد كه دليل اصلي استقبال از فناوري MIMO چيست؟ در مدتي كه يك سيگنال راديويي از يك دستگاه فرستنده به يك دستگاه گيرنده برسد، با موانع فيزيكي بسيار برخورد مي كند – ساختمان ها، درخت ها، ديوارها – كه باعث انعكاس اين سيگنال مي شوند و مسيرهاي جديدي را تا رسيدن به دستگاه گيرنده ايجاد مي كنند؛ اين واقعيت علمي با عنوان "چند مسيري" شناخته مي شود كه در راديوهاي سنتي باعث ضعيف شدن و تداخل در امواج مي شود. در سال 1996، يعني 100 سال پس از اختراع راديو توسط ماركوني، محققاني با نام گيرگ رالي و وي.كي جوزنز از دانشگاه استنفورد در ايالت كاليفرنيا، منطق سنتي مربوط به ارتباطات سيار را تغيير دادند و اعلام كردند كه مي توان واقعيت "چندمسيري" را از يك عامل ايجاد تداخل به يك عامل مفيد در جهت انتقال سيگنال استفاده كرد.
بعدها رالي اين كشف جديد را كه با عنوان MIMO شناخته مي شد، به صورت "انتقال همزمان چند سيگنال اطلاعاتي در يك كانال راديويي"تعريف كرد.


رالي، مديرعامل شركت ايرگو - شركت سازندة چيپ MIMO – و مؤسس شبكه هاي اين شركت، مي گويد: "كشف قابل ملاحظه اين بود كه اگر شما از چند سيگنال متفاوت كه به طور همزمان منتقل مي شوند، استفاده كنيد با استفاده از واقعيت "چند مسيري" مي توانيد سرعت، قابليت و ظرفيت سيگنال را تا چند برابر افزايش دهيد. به مدت 100 سال اين به عنوان يك مشكل به حساب مي آمد اما بايد به عنوان يك فرصت از آن بهره گرفت."


در فناوري MIMO از عامل "چند مسيري" استفاده مي شود تا اطلاعات بيشتري را بدون استفاده از طيف بيشتر، از فرستنده به گيرنده منتقل كرد. اين عامل به عنوان يك واسطه عمل مي كند؛ به اين معني كه اپراتورها مي توانند خدمات باند وسيع را در طيفي كه هم اكنون در شبكه هاي سيار وجود دارد، عرضه كنند. اين تفاوتي است كه بين فناوري True MIMO (نام تجاري آن در شركت ايرگو) و تكنيك هاي ديگر آنتن چند جانبه كه توسط ديگر سازندگان تجهيزات استفاده مي شود، وجود دارد (از اين تكنيك ها مي توان beam-forming، beam switching و sectorising را نام برد). رالي مي گويد: "مطالعات نشان مي دهد كه با استفاده از شبكه هاي WLAN، 600 تا 800درصد مناطق تحت پوشش و 800درصد ظرفيت شبكه ها افزايش مي يابد و چنين پيشرفتي در مخابرات سلولي هم قابل اجرا است. با وجود اين هنوز تا عرضة واقعي خدمات اين شبكه ها راهي طولاني در پيش است."


اگرچه، شركت Qualcomm در استفاده از فناوري CDMA پيشگام بوده است، در مورد قابليت فناوري آنتن MIMO ترديد كرده است. اين زماني رخ داد كه مشخص شد فرايند توسعة طرح LTE با تأخير مواجه شده است و اين تأخير بدين دليل رخ داده بود كه برخي از اعضاي 3GPP هنوز در مورد استفاده از فناوري CDMA به جاي فناوري MIMO بحث مي كردند. پل جاكوب مديرعامل شركت Qualcomm در گفتگو با ITM اين گونه مي گويد: "سود حاصل از استفادة سيستم گستردة مجهز به فناوري MIMO چقدر خواهد بود؟ اين نكته اي است كه هنوز دقيقاً مورد بررسي و تأييد قرار نگرفته است."
بعد از سال ها تحقيق و بررسي آزمايشگاهي مشخص شده است كه با استفاده از فناوري آنتن MIMO بازدهي طيف و ظرفيت سيستم تا حد قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد. اما اين امكان بالقوه هنوز در عمل مورد آزمايش قرار نگرفته است.



جاكوب معتقد است كه فناوري CDMA در كنارة لينك معكوس اساساً همان فناوري MIMO است. او مي گويد: "تلفن هاي مجزا اطلاعات متفاوت را در يك فركانس اما از بعد مسافتي متفاوت انتقال مي دهند. در اصل اين فرايند همان فناوري MIMO است. بنابراين از اين لحاظ، فناوري MIMO نسبت به CDMA برتري ندارد زيرا فقط ميزان مشخصي از اطلاعات را مي تواند انتقال دهد."


براي استفاده از فناوري MIMO به تعداد بسياري آنتن هاي بزرگ در ترمينال و همچنين قابليت پردازش بالاتري نياز است، كه به نظر جاكوب هزينه هاي گزافي را براي سازندگان تجهيزات شبكه اي و گوشي تلفن در پي خواهد داشت. طبق گفتة او صحبت از تجهيز تلفن ها با فناوري MIMO به معني هزينه هاي بيشتر است زيرا براي اجراي آن به كانال هاي گيرنده و فرستندة بيشتري احتياج است.


پس با اين تفاسير هنوز بحث در مورد استفاده از فناوري MIMO ادامه دارد. به هر حال 3GPP اين فناوري به عنوان يك فناوري اصلي در كنار OFDM براي توسعة طرح LTE استفاده مي شود و در واقع به عنوان يك "سوپر شارژر" محسوب مي شود كه مي تواند عامل محرك فناوري OFDM باشد تا به سرعت پيش بيني شده براي انتقال اطلاعات، يعني 100 مگابيت، برسد.


مساًلة ديگري كه در اين زمينه وجود دارد و مشكل را پيچيده تر مي كند و باعث تأخير فرآيند توسعة طرح LTE مي شود اين است كه برخي بر اين امر پافشاري مي كنند كه فناوري منتخب براي نسخة هشتم (Release 8) به جاي OFDM/MIMO، بايد تركيبي از فناوري هاي CDMA/MIMO باشد. جين جيزويين ، رييس بخش GSM/UMTS در شبكه هاي نورتل مي گويد: "هنوز اختلاف نظرهايي در اين زمينه وجود دارد كه آيا در كنار فناوري MIMO براي توسعة طرح LTE بايد از فناوري OFDM استفاده كرد يا از فناوري CDMA."
اگرچه امكان استفاده از فناوري CDMA در كنار فناوري MIMO وجود دارد، هر دو شركت "ايرگو" و "نورتل" فناوري OFDM را – كه اساس شبكه هاي WLAN و WiMAX را تشكيل مي دهد – ترجيح مي دهند. جان هادلي ، معاون رييس شبكه هاي نورتل مي گويد: "با استفاده از فناوري CDMA به نيروي پردازش بسيار بيشتري نياز داريم، در حاليكه قابليت طيف هيچ تغييري نمي كند و زماني كه صحبت از استفادة آن در تجهيزات و گوشي هاي تلفن است، موضوع بسيار حائز اهميت است."


درسال هاي 2000 و 2001 شركت نورتل طي طرحي آزمايشي، نمونة اولية CDMA-MIMO را مورد آزمايش قرار داد. اما هم اكنون اين پروژه به دليل تحقيقات مربوط به استفاده از OFDM/MIMO در توسعه طرح LTE، متوقف شده است. اگر شركت نورتل و ديگر حاميان فناوري MIMO در مذاكرات 3GPP و 3GPP2 موفق شوند، چشم انداز شبكه هاي سلولي MIMO تغيير خواهد كرد.
تحولات اخير باعث شده است تا سؤالات بسياري براي اپراتورها پيش آيد؛ از جمله آيا ميزان تقاضا براي استفاده از باند وسيع سيار به اندازه اي است كه موقعيت فناوري MIMO تضمين شود؟ آنها براي استفاده از فناوري MIMO چه كاري بايد انجام دهند؟


سؤال ديگري كه در اين ميان پيش مي آيد اين است كه آيا فناوري OFDM-MIMO به عنوان يك شبكة كاملاً جديد وارد بازار مي شود يا اين كه فقط به عنوان يك فرايند بهسازي در تاًسيسات زيربنايي شبكه هاي فعلي به كار مي رود؟ به نظر مي رسد كه امكان وقوع دومين مورد بسيار بيشتر باشد. اما عملاً تلفيق فناوري MIMO با تجهيزات فعلي بسيار سخت و پرزحمت است. رابرت هت، رييس بخش تحقيقاتي MIMO در دانشگاه تگزاس، در اين باره مي گويد: "براي اجراي اين كار، شما مجبور هستيد تا از هرگونه BST استفاده كنيد و كارت هاي پردازشگر سيگنال DSB و RF را جايگزين كنيد. كابل ها و آنتن هاي بزرگ و متعددي جايگزين آنتن هاي فعلي در بالاي برج ها مي شوند و در اين زمينه مشكلات قانوني به وجود مي آيد. او همچنين در مورد مشكلاتي صحبت مي كند كه در اثر افزايش مصرف انرژي و در نتيجه كاهش طول عمر باطري در تجهيزات به وجود خواهد آمد و اين كه چطور فناوري جديد و تجهيزات سنتي تاًثير متقابلي بر هم خواهند داشت."
رالي با اين موضوع موافق است كه در آينده گوشي هاي تلفن به انرژي بيشتري نياز خواهند داشت، اما اين طور استدلال مي كند كه وقتي ميزان انرژي خروجي تجهيزات و سيستم هاي MIMO متناسب با تجهيزات سنتي است، پس انرژي اضافي در ميان آنتن ها به هدر مي رود. هادلي هم با اين گفته موافق است؛ او مي گويد: "گرچه قابليت طيف در اين فناوري بيشتر است، اما ميزان مصرف انرژي تغييري نمي كند."
با وجود اين، علي رغم نظرات متفاوتي كه در اين زمينه وجود دارد، اكثر گروه هاي استاندارد، سازندگان تجهيزات و اپراتورهاي بزرگ معتقدند كه طرح گسترش بلندمدت فناوري 3G فرصتي مناسب براي تلفيق اقدامات 3GPP و 3GPP2 است كه باعث گسترش سيستم هاي CDMA2000 مي شود و در نتيجه براي هميشه به مجادله هايي كه در مورد انتخاب فناوري وجود دارد، پايان مي دهد.
همچنين مدتي است كه سازمان بين المللي مخابرات بر همكاري نزديك تر بين 3GPP و 3GPP2 پافشاري مي كند، زيرا ساختارهاي باز و قابل انعطاف كه براي سيستم هاي 4G برنامه ريزي شده است، امكان تلفيق اركان فناوري هاي WCDMA و CDMA2000 را آسان تر مي سازد.
در واقع، در آگوست سال 2005، نمايندگاني از 9 سازمان استانداردهاي منطقه اي و سازمان بين المللي مخابرات اعلام كردند كه بايد اقدامات 3GPP و 3GPP2 با هم ادغام شوند و نتيجه كار آنها براي توسعة قابليت هاي سيستم هاي فعلي و توليد سيستم هايي مافوق IMT2000 به كار رود.
اين طرح در دهمين اجلاس GSC مطرح شد، اما مدت زمان لازم براي ادغام آنها مشخص نشد. همچنين پيشنهاد شد كه هر دوي اين پروژه ها با همكاري هم سازماني تأسيس كنند تا طرح گسترش سيستم ها را كنترل كند و مسائلي مثل حقوق انحصاري، پروسة انجام كار و IPR را مورد بررسي قرار دهد و در ضمن پيشنهادهاي خود را در اجلاس بعدي GSC ارائه دهد.