بخشی از مقاله
شبکه های ارتباطی سلولی نسل پنجم (5G)- معماری، تکنولوژی های کلیدی و چالش ها
چکیده
- بهزودی سیستم های ارتباطی بی سیم نسل چهارم یا به اختصار G4 در بسیاری از کشورها گسترش پیدا می کند. با افزایش فراوان خدمات و دستگاههای موبایل بیسیم، برخی چالشها وجود دارد که نمیتوانند حتی با شبکه نسل چهارم اصلاح شوند. یک مثال می تواند بحران طیفی و مصرف انرژی زیاد باشد. طراحان سیستمهای بی سیم با افزایش مداوم تقاضا برای نرخ دادههای بالا و پویایی کاربردهای بی سیم جدید روبرو می شوند. این امر سبب شده است که تحقیق در سیستم های بی سیم نسل پنجم شروع گردد. در این مقاله، ما یک معماری بالقوه سلولی را پیشنهاد می کنیم که طرح داخلی (داخل محیط بسته) و بیرونی (فضای باز) را از هم جدا می کند و در مورد فناوری های نویدبخش مختلف برای سیستمهای ارتباطی بی سیم نسل پنجم، مانند چند ورودی چند خروجی انبوه، ارتباطات با انرژی کار آمد، شبکههای رادیویی شناختی و ارتباطات نور مرئی بحث می کنیم و همچنین چالش های پیش روی آینده این فناوریهای بالقوه نیز مورد بحث قرار میگیرند.
کلیدواژه - شبکه های بی سیم، موج میلیمتری، چند ورودی چند خروجی انبوه، ارتباطات نور مرئی، شبکههای رادیویی شناختی، بهرهوری انرژی
۱- مقدمه
استفاده خلاقانه و مؤثر از اطلاعات فناوری ارتباطات به طور فزایندهای برای بهبود اقتصاد جهان مهم است. شبکههای ارتباطی بی سیم که ممکن است مهمترین عنصر بحرانی در استراتژی ICT جهانی باشد، زیربنای بسیاری از صنایع دیگر را تشکیل میدهد. رصدخانه موبایل اروپا گزارش کرد که بخش ارتباطات موبایل درامد کل معادل ۱۷۴ میلیارد در سال ۲۰۱۰ داشته است، درنتیجه از بخشی های هوافضا و دارویی پیشی گرفته است. توسعه فناوری های بی سیم تا حد زیادی توانایی مردم برای برقراری ارتباطات و پیش برد تجارت و عملکرد اجتماعی را بهبود میبخشد و موفقیت فوق العاده ارتباطات موبایل بی سیم به وسیله شیوه سریع نوآوری در فناوری منعکس می شود. ابتدا از سیستم ارتباط موبایل نسل دوم در سال ۱۹۹۱ شروع شد تا اینکه اولین سیستم نسل سوم در سال ۲۰۰۱ راه اندازی شد. شبکه موبایل بی سیم از یک سیستم مخصوصی تلفن به یک شبکه که می تواند محتویات چند رسانهای غنی را حمل کند تبدیل شدند. سیستم بی سیم نسل چهارم برای تکمیل نیازهای ارتباط از راه دور بین المللی موبایل با استفاده از IP برای تمام خدمات طراحی شد. در سیستمهای نسل چهارم از یک واسط رادیویی پیشرفته به همراه تسهیم کننده تقسیم فرکانس متعامد، یک چند ورودی. چند خروجی و تکنولوژی های تطبیقی لینک استفاده شد. شبکههای بی سیم نسل چهارم می توانند نرخ دادههای بیشتر از ۱ گیگابیت بر ثانیه برای جابجایی کم مثل دسترسی بی سیم محلی و بیشتر از ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه برای جابجایی زیاد مثل دسترسی به موبایل را پشتیبانی کنند. با این حال، هنوز افزایش چشمگیر در تعداد کاربرهایی که هرسال سیستمهای باند پهن موبایل را تأیید میکنند، وجود دارد. افراد بیشتر و بیشتری دسترسی به اینترنت پرسرعت تر در حال حرکت، موبایل ها و به طور کلی ارتباطات فوری با دیگران یا دسترسی به اطلاعات را طلب می کنند. امروزه گوشیهای هوشمند بسیار قوی و لپ تاپها در حال محبوب تر شدن هستند و خواستار ظرفیتهای چندرسانهای پیشرفته هستند و این به زیاد شدن بیش از حدخدمات 9دستگاههای موبایل بے سیم دستی منتجر می شود. رصد خانه موبایل اروپا اشاره می کند که رشد ۹۲ درصدی در پهنانی باند موبایل هرساله از سال ۲۰۰۶ وجود داشته است. توسط انجمن تحقیقات جهانی بی سیم پیش بینی شده که ۷ تریلیون دستگاه بیدسی را هفت میلیارد نفر تا سال ۲۰۱۷ بکار میبرند و این تعداد دستگاههای به دستید؟ مربوط به شبکه ای است که به برابر جمعیت جهان خواهد رسید. همان طور که دستگاه ها بیشتر و بیشتر به سمت بی سیم شدن می روند، بسیاری از چالشی های تحقیقاتی نیاز به توجه بیشتر دارند. یکی از مهمترین چالشی ها، کمیابی طیف اختصاصی داده شده برای ارتباطات سلولی یا به اصطلاح کمبود فیزیکی فرکانس رادیویی است. فرکانس های سلولی از بازههای با فرکانس فوق العاده برای تلفن های سلولی به طور معمول در محدودہ چند صد مگاهرتز تا چندین گیگاهرتز استفاده می کنند. این طیف فرکانس به شدت استفاده می شود و آن l برای اپراتورها برای دسترسی بیشتر مشکل می سازد. چالش دیگر این است که به کار گیری فناوری های بی سیم پیشرفته به هزینه بالا و افزایش مصرف انرژی منجر می شود. افزایش مصرف انرژی در سیستمهای ارتباطی بی سیم باعث افزایشی انتشار دی اکسید کربن به طور مستقیم میشود که در حال حاضر به عنوان یک تهدید عمده برای محیط زیست در نظر گرفته می شود. در واقع ارتباطات با انرژی کارآمد یکی از نیازهای اولیه در سیستمهای بی سیم نسل چهارم نبوده، اما به عنوان یک موضوع در نسل بعدی مطرح می شود. چالشیهای دیگر، برای مثال، میانگین بهرهوری طیفی، نرخ داده بالا و جابجایی زیاد، پوششی بیوقفه، نیازمندیهای متنوع کیفیت خدمات (ناسازگاری های دستگاههای بی سیم مختلف، واسطها و شبکههای ناهمگن) از این دست همه موضوعات بالا فشار بیشتری را به تولید کنندگان برای نرخ های دادههای بالاتر شبکه بزرگتر، بازده انرژی بالاتر و جابجایی بیشتر مورد نیاز توسط کاربران بیسیم جدید روبرو می شوند؛ به عبارت دیگر، شبکههای نسل چهارم فقط در حد تئوری به این چالشی ها پرداخته است و برای تطبیق با چالش های بالا کافی نیستند. در این حالت، ما به فناوری های بی سیم پیشگامانه برای حل مشکلات فوق ناشی از میلیاردها دستگاههای بی سیم نیاز داریم و محققان قبلا یک بررسی فراتر از نسل چهارم یا فناوری های بی سیم نسل پنجم را شروع کردهاند. اروپا و چین همچنین برخی از پروژه های نسل پنجم را آغاز کردند که توسط اتحادیه اروپا و پروژه کلیدی ملی ۸۶۳ در نسل پنجم که توسط وزارت علوم تکنولوژی در چین حمایت می شد پشتیبانی شده است. سامسونگ یک سیستم بی سیم با استفاده از فناوریهای امواج میلی متری با نرخ دادههای سریع تر از ۱ گیگابیت بر ثانیه و برد بیش از ۲ کیلومتر را معرفی کرد. بهر حال، این امر به طور گسترده قابل قبول است که در مقایسه با شبکه نسل چهارم، شبکه نسل پنجم باید ۱۰۰۰ برابر ظرفیت سیستم، ۱۰ برابر کارایی طیفی، بهرهوری انرژی و نرخ دادهها (برای مثال اوج سرعت دادهها از ۱۰ گیگابایت بر ثانیه برای جابجایی کم و به اوج نرخ دادهها از مجموع ۱ گیگابایت بر ثانیه برای جابجایی زیاد) و ۲۵ برابر میانگین توان سلول را به دست آورد. هدف اتصال به تمام جهان و دستیابی به ارتباطات فراگیر و یکپارچه بین هر کسی (فرد با فرد)، بین همه چیزی (فردی با ماشین، ماشینی با ماشین) هر جایی که هست (در هر جایی)، هر وقتی که نیاز باشد (هر زمان) با هر چیز الکترونیکی که خواستار استفاده از آن باشند (شبکه ها / خدمات / دستگاه ها)، می باشد. بلے این معناسبت که شبکههای نسل پنجم باید توانایی پشتیبانی از ارتباطات برای برخی از حالات خاصی که به وسیله شبکههای نسل چهارم برای مثال، برای کاربران قطار با سرعت بالا پشتیبانی نمی شد، پشتیبانی کند. قطار با سرعت بالا به راحتی میتواند از ۳۵۰ به ۵۰۰ کیلومتر ساعت برسد، در حالی که شبکه نسل چهارم نمی توانست از حالات ارتباط تا ۲۵۰ کیلومتر ساعت پشتیبانی کند. در این مقاله یک معماری سلولی بالقوه نسل پنجم را پیشنهاد می کنیم و برخی فناوریهای کلیدی نوید بخش را توصیف می کنیم که می تواند در سیستم نسل پنجم اتخاذ شود.
۲- یک معماری سلولی بی سیم بالقوه نسل پنجم
برای پرداختن به چالش های بالا و آشنایی با نیازهای سیستم نسل پنجم ما به تغییر چشمگیر در طراحی معماری سلولی نیاز داریم. میدانیم که کاربران بی سیم ۸۰ درصد از وقت را در خانه می مانند در حالی که تنها ۲۰ درصد از وقت را در بیرون می گذرانند، معماری سلولی متداول فعلی به طور معمولی از یک ایستگاه پایه در فضای بیرون در حین یک ارتباط سلولی با کاربران موبایل استفاده می کند بدون توجه به اینکه آیا آنها درداخل خانه یا خارج از خانه هستند. برای کاربران داخلی، ارتباط l ایستگاه پایه در فضای بیرور، سیگنالها .2 طریق دیوارهای ساختمان رد می شود این باعث .3 از دست دادن نفوذ بسیار می شود که به صورت قابل توجهی به نرخ دادهها، بازده طیفی و بهرهوری انرژی ارتباط از راه دور بی سیم آسیب می رساند. یکی از ایده های اصلی طراحی معماری سلولی نسل پنجم، جدا کردن طرح های داخل خانه از فضای بیرون است به طوری که از دست دادن نفوذ از طریق دیوارهای ساختمان می تواند به طریقی اجتناب شود. این بی سی اتم توزیع انتن و فناوری چند ورودی چند خروجی انبوه کمک خواهد کرد که از نظر جغرافیایی آرایه های آنتن به ده ها یا صدها عنصر آنتن توزیع شوند. در حالی که اکثر سیستم های چند ورودی چند خروجی فعلی از دو تا ۴ آنتن استفاده می کنند، هدف از سیستمهای چند ورودی چند خروجی بهره برداری از دستاوردهایی با ظرفیت بالا میباشد که در آرایههای بزرگتر از آنتن به وجود خواهند آمد. ایستگاههای پایه در فضای بیرون با مجموعه بزرگی از آنتن ها همراه با برخی از عناصر آنتن که دراطراف سلول توزیع شدهاند مجهز شده و به ایستگاه پایه از طریق فیبرهای نوری متصل شده و از هر دو فناوری سیستم توزیع آنتن و چند ورودی چند خروجی انبوه استفاده می کند. کاربران موبایل در فضای بمباروری معمولاً با تعداد محدودی عناصر آنتن مجهز می شوند، اما آنها می توانند با همدیگر همکاری کنند تا یک آرایه مجازی بزرگ از آنتنها را تشکیل دهند که آرایه های آنتن و ایستگاههای پایه با هم لینک های چند ورودی چند خروجی انبوه مجازی را خواهند ساخت. آرایه های بزرگ آنتن همچنین در بیرون هر ساختمان برای ارتباط با ایستگاههای پایه و یا آنتن توزیع شده در فضای بیرون و احتمالاً با مؤلفه های خط دید نصب خواهند شد. آرایههای بزرگ آنتن دارای کابل هایی هستند که به نقاط دسترسی بی سیم در داخل ساختمان که در ارتباط با کاربران داخلی هستند، متصل شدهاند. این کار هزینه زیر ساخت را در کوتاه مدت افزایش می دهد در حالی که به طور قابل توجهی عملکرد میانگین سلولی، بازده طیفی، بهرهوری انرژی و نرخ دادههای سیستم سلولی در دراز مدت را بهبود می بخشد. با استفاده از چنین معماری سلولی کاربران داخلی تنها نیاز دارند تا با نقاط دسترسی داخلی نه با آرایههای بزرگ آنتن(ایستگاههای پایه) که در خارج از ساختمان نصب شده اند، ارتباط برقرار کنند. برای تحقق این کار بسیاری از تکنولوژی ها که برای ارتباطات کوتاه برد با نرخ دادههای بالا مناسب هستند میتواند مورد استفاده قرار گیرند. برخی مثال ها شامل Wi-Fi، "Femtocell، پهنای باند فوق العاده، ارتباطات موج میلیمتری (۳ الی ۳۰۰ گیگاهرتز) و ارتباطات نور مرئی (400 الی 490 تراهرتز) میباشد :۷). لازم به ذکر است که موج میلیمتری و تکنولوژی های ارتباط نور مرئی از فرکانسی های بالاتر استفاده می کنند که به طور سنتی برای ارتباطات سلولی استفاده نمی شدند. این امواج با فرکانس بالا از مواد جامد به خوبی نفوذ پیدا نمی کند و میتواند به آسانی جذب یا با گازها و باران و شاخ و برگ درختان پراکنده شود؛ بنابراین به سختی می توان این امواج را برای کاربردهای با فاصله دور استفاده کرد. بااینحال، با پهنای باند بزرگ موجود، موج میلیمتری و تکنولوژی های ارتباط نور مرئی میتوانند تا حد زیادی انتقال نرخ دادهها را برای سناریوهای داخلی افزایش دهند. برای حل مشکل کمبود طیف، علاوه بر پیدا کردن طیف جدید نه آن گونه که برای خدمات بی سیم به طور سنتی استفاده شده (برای مثال ارتباطات موج میلیمتری و ارتباط نور مرئی) ما میتوانیم برای بهبود استفاده از طیف موجود در طیفهای رادیو برای مثال از طریق شبکههای رادیویی شناختی این کار را انجام دهیم ؛۵}. معماری سلولی نسل پنجم همچنین باید با سلولهای ماکرو، سلولهای میکرو، سلولهای کوچک و ایستگاهی تقویت کننده، ناهمگن باشد. برای تطبیق کاربران با جابجایی زیاد مثل کاربران در وسایل نقلیه و قطارهای پرسرعت femtocell متحرک " {۷} را معرفی کردهاند. مفهومی که مفاهیم تقویت کننده متحرک و FemtOCell را ترکیب می کند. FemtOCell متحرک در داخل وسایل نقلیه برای ارتباط با کاربران در وسایل نقلیه قرار می گیرند، در حالی که با آرایه های بزرگ آنتن در خارج از وسایل نقلیه برای ارتباط با ایستگاههای پایه در فضای بیرون قرار می گیرند. یک FemiOCell متحرک و کاربران وابسته به ان همگی به عنوان یک واحد توسط ایستگاه پایه مشاهده میشوند. از نقطه نظر کاربر، یک FeIntOCell متحرک به عنوان یک ایستگاه پایه منظم دیده می شود این به ایده فوق در جداسازی داخلی (داخلی وسیله نقلیه) و طرحهای محیط بیرونی بسیار شباهت دارد. این نشان داد که کاربران با به دلیل نداشتن استفاده از FemtOCell متحرک می توانند از خدمات نرخ دادههای بالا با کاهش سربار به طور چشمگیری لذت ببرند. در پایین، معماری سلولی ناهمگن پیشنهاد شده که در شکل ۱ نشان داده شده است.
