معرفی فناوری 4G کی فرا

معرفی فناوری 4G کی فرا

آیا می توان تصوری از تجلی فناوری 4G، حتی به صورت ادغام استانداردهای 4G و 3G داشت؟ بدون شک، فناوری 4G یکی از جانشین های مناسب برای 3G است. با وجود این، در حال حاضر هنوز در این مورد بحث می شود که ماهیت فناوری 4G چیست و شامل چه فناوری هایی می شود؛ اما به طیف فرکانسی مورد نیاز برای توسعة این فناوری هیچ اشارهای نمی شود.

از پیشرفت شبکه های WCDMA و تجهیز روزبه روز شبکه های 3G به فناوری HSDPA می توان نتیجه گرفت که صنعت مخابرات سیار بی وقفه به سمت استفاده از نسل آیندة سیستم های ارتباطات سیار پیش می رود.
قرار است طرح گسترش فناوری 4G- که در ابتدا با عنوان طرح "سیستم*های ماورای IMT-2000" شناخته می شد و در حال حاضر طرح LTE " نامیده می شود- از سال 2015 تا سال 2020 اجرا شود. البته این زمان دیرتر از زمانی است که در ابتدا برنامه ریزی شده بود؛ زیرا سازمان بین المللی مخابرات معرفی این فناوری را تا پنج سال (از سال 2010 به سال 2015). به تأخیر انداخت. در این صورت اپراتورها زمان کافی خواهند داشت که تا قبل از اینکه مجبور شوند با اخذ مجوزهای جدید طیف به گسترش فناوری های جدید بپردازند، از سرمایه گذاری شان در شبکه های 3G بهره برداری کنند.


اختصاص طیف فرکانسی به4G


با وجود محدودیت هایی که در واگذاری طیف در کشور ژاپن وجود دارد، این کشور هنوز هم مطابق با برنامة زمانی اولیه تا 2010 پیش می رود. همکاری دولت ژاپن با دولت های کرة جنوبی و چین در پروژه های مربوط به تحقیق و توسعة فناوری جدید باعث می شود تا منطقة آسیای شمالی در توسعة بخش های کلیدی فناوری 4G پیشگام شود.


مدت ها پیش، یعنی در سال 2001، وزارت ارتباطات و امور داخلی ژاپن (MIC) ، در یک پروژة تحقیقاتی 5میلیارد ینی (42میلیون دلار آمریکا) سرمایه گذاری کرد تا به تحقیق و بررسی در مورد زمینه های مربوط به فناوری 4G بپردازد.
برنامة این وزارتخانه برای توسعة شبکه های سیار 4G تولید تجهیزاتی با قدرت دریافت یا انتقال اطلاعات تا سرعت 100 مگابیت ، یا تجهیزات ایستگاهی، از جمله WLAN، با قدرت انتقال اطلاعات با سرعتی بیش از 100 مگابیت بود.


وزارت ارتباطات و امور داخلی سال 2010 را به عنوان زمان آغاز تجاری کردن سیستم های ارتباطات سیار مرحلة دوم انتخاب کرد. همچنین برنامه ریزی شده بود که تا پایان سال 2005 سیستم های مرحلة اول تجاری شوند؛ سیستم هایی که استفاده از آنها سرعت انتقال اطلاعات به 10 تا 30 مگابیت افزایش داد.
هم اکنون شرکت های NEC و NNT DoCoMo با همکاری هم، در طرحی آزمایشی گونه ای از فناوری OFDM را به کار خواهند گرفت؛ این فناوری به عنوان رکن اساسی در ارائة خدمات مخابرات سیار نسل آینده به شمار می رود و امکان انتقال همزمان اطلاعات بسته ای را با سرعت یک گیگابیت، در اتصال رو به پایین، فراهم می کند.


همچنین در نوامبر سال 2005 مؤسسه ای با نام مؤسسة تحقیقاتی مخابرات و الکترونیک در کرة جنوبی، یک سیستم آزمایشی مبتنی بر فناوری 4G را به نمایش گذاشت. با استفاده از این سیستم سرعت انتقال اطلاعات اینترنتی در حالت سکون به 100 مگابیت افزایش می یابد؛ همچنین امکان دریافت و ارسال اطلاعات پرسرعت بسته ای و اینترنتی را، در حال حرکت با سرعت 120 کیلومتر بر ساعت، فراهم می کند.
کشورهای ژاپن، چین و کرة جنوبی نه تنها در برطرف کردن چالش های فنی با یکدیگر همکاری می کنند، بلکه برنامه هایی دارند تا سیاست های مربوط به واگذاری طیف برای فناوری 4G را با هم هماهنگ کنند. این باعث می شود تا در مذاکراتی که در نشست بعدی "شورای جهانی ارتباطات رادیویی" که در سال 2007 انجام می شود، موقعیت این کشورها تقویت و تثبیت شود.

تصمیم برای به تأخیر انداختن معرفی فناوری 4G ازمحدودة زمانی سال های 2010 تا 2015 به سال های 2015 تا 2020، نه تنها باعث کاهش نگرانی اپراتورها در مورد مسائل مالی شده است، بلکه فرصتی مغتنم را به وجود آورده است تا طیف مورد نیاز برای سیستم های جدید شناسایی شود.

در اجلاس "شورای جهانی ارتباطات رادیویی"، که در سال 2003 برگزار شد، برای اولین بار نیاز به فرصت کافی برای شناسایی طیف جدید مطرح شد و برنامه ریزی شد تا این فرکانس های جدید در اجلاس سال 2006 معرفی شوند. اما در حال حاضر اجلاس سال 2006 به تعویق افتاده است و قرار است که در سال 2007 برگزار شود. در این مدت گروهی از بخش ارتباطات رادیویی در سازمان بین المللی مخابرات (ITU) در مورد روش هایی مطالعه می کنند تا طیفی را که در حال حاضر وجود دارد، دوباره به فناوری 4G تخصیص دهند یا این که فرکانس های جدیدی را شناسایی کنند. به نظر نمی رسد که تا سال 2006 هیچ نتیجة مثبتی از این بررسی ها حاصل شود یا این که نتیجة این بررسی ها تا اجلاس بعدی شورای جهانی ارتباطات رادیویی در سال 2007 آماده شود.

همگی بر اهمیت اجلاس سال 2007 و همچنین نیاز به تأمین طیف بیشتر برای ارتباطات سیار واقف هستند. کری پیکانن ، رییس بخش تحقیقاتی شرکت نوکیا، در گفتگو با ITM گفت: "پیش ینی می شود که در فناوری 4G برای هر اپراتور، متناسب با موقعیت و عملکرد پیش بینی شده، به باندی تا 100 مگاهرتز نیاز است. هنوز مشخص نیست که اگر طیف بیشتری شناسایی شود، آیا به فناوری 4G تخصیص داده می شود."


فناوری های 4G

درحالیکه واگذاری فرکانس های جدید (طیف) در دست اقدام است، هنوز در مورد فناوری هایی که قرار است این طیف به آنها تخصیص داده شود، اطلاعات زیادی وجود ندارد. البته همگی بر این امر واقف هستند که فناوری 4G ترکیبی از چند فناوری موجود است و خدماتی را به صورت هماهنگ و یکدست در شبکه های خصوصی، محلی و گسترده عرضه خواهد کرد.
بخش اصلی این استانداردهای جدید شامل فناوری های رادیویی چندجانبه است که اطلاعات را در اتصالات رو به بالا و رو به پایین به ترتیب با سرعتی بیش از 100 و 50 مگابیت انتقال می دهد. برای مثال، در چشم انداز 3GPP فناوری های جدیدی مثل OFDM و MIMO که در سیستم های باند وسیع سیار مثل Wi-Fi استفاده می شوند، به عنوان عامل اصلی در عرضة اطلاعات اینترنتی با حداکثر سرعت هستند.
درحالیکه با استفاده از فناوری MIMO در تجهیزات WLAN، ظرفیت و قابلیت این تجهیزات تا دو برابر افزایش یافته است، کیفیت سیگنال بدون تغییر باقی مانده است که به نظر می رسد با موفقیت توانسته است تلفیقی از این دو ویژگی را با هم داشته باشد. نکتة قابل توجه این است که فناوری MIMO تمامی ویژگی ها را بدون استفاده از طیف جدید عرضه می کند.

در حال حاضر بسیاری از سازندگان تجهیزات معتقدند که با استفاده از فناوری 4G می توان به سادگی کیفیت سیگنال و دامنة استفاده از فناوری را افزایش داد. در ماه مارس سال 2005، شرکت نورتل نمونه های اولیة فناوری MIMO را که قادر بود اطلاعات را با سرعت 20 مگابیت بر روی کانال 5 مگاهرتز در باند 1900 مگاهرتزی UMTS انتقال دهد، عرضه کرد. از نظر تئوری مشترکان می توانستند یک فایل 128 مگابیتی را در 30 ثانیه ذخیره کنند (download)، که این سرعت 4 تا 10 برابر بیشتر از سرعت معمول در شبکه های 3 G است.



چرا MIMO؟

حال این سؤال پیش می آید که دلیل اصلی استقبال از فناوری MIMO چیست؟ در مدتی که یک سیگنال رادیویی از یک دستگاه فرستنده به یک دستگاه گیرنده برسد، با موانع فیزیکی بسیار برخورد می کند – ساختمان ها، درخت ها، دیوارها – که باعث انعکاس این سیگنال می شوند و مسیرهای جدیدی را تا رسیدن به دستگاه گیرنده ایجاد می کنند؛ این واقعیت علمی با عنوان "چند مسیری" شناخته می شود که در رادیوهای سنتی باعث ضعیف شدن و تداخل در امواج می شود. در سال 1996، یعنی 100 سال پس از اختراع رادیو توسط مارکونی، محققانی با نام گیرگ رالی و وی.کی جوزنز از دانشگاه استنفورد در ایالت کالیفرنیا، منطق سنتی مربوط به ارتباطات سیار را تغییر دادند و اعلام کردند که می توان واقعیت "چندمسیری" را از یک عامل ایجاد تداخل به یک عامل مفید در جهت انتقال سیگنال استفاده کرد.
بعدها رالی این کشف جدید را که با عنوان MIMO شناخته می شد، به صورت "انتقال همزمان چند سیگنال اطلاعاتی در یک کانال رادیویی"تعریف کرد.


رالی، مدیرعامل شرکت ایرگو - شرکت سازندة چیپ MIMO – و مؤسس شبکه های این شرکت، می گوید: "کشف قابل ملاحظه این بود که اگر شما از چند سیگنال متفاوت که به طور همزمان منتقل می شوند، استفاده کنید با استفاده از واقعیت "چند مسیری" می توانید سرعت، قابلیت و ظرفیت سیگنال را تا چند برابر افزایش دهید. به مدت 100 سال این به عنوان یک مشکل به حساب می آمد اما باید به عنوان یک فرصت از آن بهره گرفت."


در فناوری MIMO از عامل "چند مسیری" استفاده می شود تا اطلاعات بیشتری را بدون استفاده از طیف بیشتر، از فرستنده به گیرنده منتقل کرد. این عامل به عنوان یک واسطه عمل می کند؛ به این معنی که اپراتورها می توانند خدمات باند وسیع را در طیفی که هم اکنون در شبکه های سیار وجود دارد، عرضه کنند. این تفاوتی است که بین فناوری True MIMO (نام تجاری آن در شرکت ایرگو) و تکنیک های دیگر آنتن چند جانبه که توسط دیگر سازندگان تجهیزات استفاده می شود، وجود دارد (از این تکنیک ها می توان beam-forming، beam switching و sectorising را نام برد). رالی می گوید: "مطالعات نشان می دهد که با استفاده از شبکه های WLAN، 600 تا 800درصد مناطق تحت پوشش و 800درصد ظرفیت شبکه ها افزایش می یابد و چنین پیشرفتی در مخابرات سلولی هم قابل اجرا است. با وجود این هنوز تا عرضة واقعی خدمات این شبکه ها راهی طولانی در پیش است."


اگرچه، شرکت Qualcomm در استفاده از فناوری CDMA پیشگام بوده است، در مورد قابلیت فناوری آنتن MIMO تردید کرده است. این زمانی رخ داد که مشخص شد فرایند توسعة طرح LTE با تأخیر مواجه شده است و این تأخیر بدین دلیل رخ داده بود که برخی از اعضای 3GPP هنوز در مورد استفاده از فناوری CDMA به جای فناوری MIMO بحث می کردند. پل جاکوب مدیرعامل شرکت Qualcomm در گفتگو با ITM این گونه می گوید: "سود حاصل از استفادة سیستم گستردة مجهز به فناوری MIMO چقدر خواهد بود؟ این نکته ای است که هنوز دقیقاً مورد بررسی و تأیید قرار نگرفته است."
بعد از سال ها تحقیق و بررسی آزمایشگاهی مشخص شده است که با استفاده از فناوری آنتن MIMO بازدهی طیف و ظرفیت سیستم تا حد قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. اما این امکان بالقوه هنوز در عمل مورد آزمایش قرار نگرفته است.



جاکوب معتقد است که فناوری CDMA در کنارة لینک معکوس اساساً همان فناوری MIMO است. او می گوید: "تلفن های مجزا اطلاعات متفاوت را در یک فرکانس اما از بعد مسافتی متفاوت انتقال می دهند. در اصل این فرایند همان فناوری MIMO است. بنابراین از این لحاظ، فناوری MIMO نسبت به CDMA برتری ندارد زیرا فقط میزان مشخصی از اطلاعات را می تواند انتقال دهد."


برای استفاده از فناوری MIMO به تعداد بسیاری آنتن های بزرگ در ترمینال و همچنین قابلیت پردازش بالاتری نیاز است، که به نظر جاکوب هزینه های گزافی را برای سازندگان تجهیزات شبکه ای و گوشی تلفن در پی خواهد داشت. طبق گفتة او صحبت از تجهیز تلفن ها با فناوری MIMO به معنی هزینه های بیشتر است زیرا برای اجرای آن به کانال های گیرنده و فرستندة بیشتری احتیاج است.


پس با این تفاسیر هنوز بحث در مورد استفاده از فناوری MIMO ادامه دارد. به هر حال 3GPP این فناوری به عنوان یک فناوری اصلی در کنار OFDM برای توسعة طرح LTE استفاده می شود و در واقع به عنوان یک "سوپر شارژر" محسوب می شود که می تواند عامل محرک فناوری OFDM باشد تا به سرعت پیش بینی شده برای انتقال اطلاعات، یعنی 100 مگابیت، برسد.


مساًلة دیگری که در این زمینه وجود دارد و مشکل را پیچیده تر می کند و باعث تأخیر فرآیند توسعة طرح LTE می شود این است که برخی بر این امر پافشاری می کنند که فناوری منتخب برای نسخة هشتم (Release 8) به جای OFDM/MIMO، باید ترکیبی از فناوری های CDMA/MIMO باشد. جین جیزویین ، رییس بخش GSM/UMTS در شبکه های نورتل می گوید: "هنوز اختلاف نظرهایی در این زمینه وجود دارد که آیا در کنار فناوری MIMO برای توسعة طرح LTE باید از فناوری OFDM استفاده کرد یا از فناوری CDMA."
اگرچه امکان استفاده از فناوری CDMA در کنار فناوری MIMO وجود دارد، هر دو شرکت "ایرگو" و "نورتل" فناوری OFDM را – که اساس شبکه های WLAN و WiMAX را تشکیل می دهد – ترجیح می دهند. جان هادلی ، معاون رییس شبکه های نورتل می گوید: "با استفاده از فناوری CDMA به نیروی پردازش بسیار بیشتری نیاز داریم، در حالیکه قابلیت طیف هیچ تغییری نمی کند و زمانی که صحبت از استفادة آن در تجهیزات و گوشی های تلفن است، موضوع بسیار حائز اهمیت است."


درسال های 2000 و 2001 شرکت نورتل طی طرحی آزمایشی، نمونة اولیة CDMA-MIMO را مورد آزمایش قرار داد. اما هم اکنون این پروژه به دلیل تحقیقات مربوط به استفاده از OFDM/MIMO در توسعه طرح LTE، متوقف شده است. اگر شرکت نورتل و دیگر حامیان فناوری MIMO در مذاکرات 3GPP و 3GPP2 موفق شوند، چشم انداز شبکه های سلولی MIMO تغییر خواهد کرد.
تحولات اخیر باعث شده است تا سؤالات بسیاری برای اپراتورها پیش آید؛ از جمله آیا میزان تقاضا برای استفاده از باند وسیع سیار به اندازه ای است که موقعیت فناوری MIMO تضمین شود؟ آنها برای استفاده از فناوری MIMO چه کاری باید انجام دهند؟


سؤال دیگری که در این میان پیش می آید این است که آیا فناوری OFDM-MIMO به عنوان یک شبکة کاملاً جدید وارد بازار می شود یا این که فقط به عنوان یک فرایند بهسازی در تاًسیسات زیربنایی شبکه های فعلی به کار می رود؟ به نظر می رسد که امکان وقوع دومین مورد بسیار بیشتر باشد. اما عملاً تلفیق فناوری MIMO با تجهیزات فعلی بسیار سخت و پرزحمت است. رابرت هت، رییس بخش تحقیقاتی MIMO در دانشگاه تگزاس، در این باره می گوید: "برای اجرای این کار، شما مجبور هستید تا از هرگونه BST استفاده کنید و کارت های پردازشگر سیگنال DSB و RF را جایگزین کنید. کابل ها و آنتن های بزرگ و متعددی جایگزین آنتن های فعلی در بالای برج ها می شوند و در این زمینه مشکلات قانونی به وجود می آید. او همچنین در مورد مشکلاتی صحبت می کند که در اثر افزایش مصرف انرژی و در نتیجه کاهش طول عمر باطری در تجهیزات به وجود خواهد آمد و این که چطور فناوری جدید و تجهیزات سنتی تاًثیر متقابلی بر هم خواهند داشت."
رالی با این موضوع موافق است که در آینده گوشی های تلفن به انرژی بیشتری نیاز خواهند داشت، اما این طور استدلال می کند که وقتی میزان انرژی خروجی تجهیزات و سیستم های MIMO متناسب با تجهیزات سنتی است، پس انرژی اضافی در میان آنتن ها به هدر می رود. هادلی هم با این گفته موافق است؛ او می گوید: "گرچه قابلیت طیف در این فناوری بیشتر است، اما میزان مصرف انرژی تغییری نمی کند."
با وجود این، علی رغم نظرات متفاوتی که در این زمینه وجود دارد، اکثر گروه های استاندارد، سازندگان تجهیزات و اپراتورهای بزرگ معتقدند که طرح گسترش بلندمدت فناوری 3G فرصتی مناسب برای تلفیق اقدامات 3GPP و 3GPP2 است که باعث گسترش سیستم های CDMA2000 می شود و در نتیجه برای همیشه به مجادله هایی که در مورد انتخاب فناوری وجود دارد، پایان می دهد.
همچنین مدتی است که سازمان بین المللی مخابرات بر همکاری نزدیک تر بین 3GPP و 3GPP2 پافشاری می کند، زیرا ساختارهای باز و قابل انعطاف که برای سیستم های 4G برنامه ریزی شده است، امکان تلفیق ارکان فناوری های WCDMA و CDMA2000 را آسان تر می سازد.
در واقع، در آگوست سال 2005، نمایندگانی از 9 سازمان استانداردهای منطقه ای و سازمان بین المللی مخابرات اعلام کردند که باید اقدامات 3GPP و 3GPP2 با هم ادغام شوند و نتیجه کار آنها برای توسعة قابلیت های سیستم های فعلی و تولید سیستم هایی مافوق IMT2000 به کار رود.
این طرح در دهمین اجلاس GSC مطرح شد، اما مدت زمان لازم برای ادغام آنها مشخص نشد. همچنین پیشنهاد شد که هر دوی این پروژه ها با همکاری هم سازمانی تأسیس کنند تا طرح گسترش سیستم ها را کنترل کند و مسائلی مثل حقوق انحصاری، پروسة انجام کار و IPR را مورد بررسی قرار دهد و در ضمن پیشنهادهای خود را در اجلاس بعدی GSC ارائه دهد.