امواج میلی‌متری چگونه می‌توانند شبکه‌های بی‌سیم را متحول کنند؟

امواج میلی‌متری یا امواج به‌شدت فرکانس بالا (EHF) بخش تقریبا بلااستفاده‌ای از طیف امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می‌دهند: از30 گیگاهرتز تا 300 گیگاهرتز. این بازه گذردهی بیشتری را برای جابه‌جایی اطلاعات نسبت به امواج متداول زیر 6 گیگاهرتز فراهم می‌کند. یادآوری می‌شود، شبکه‌های موبایل LTE و شبکه‌های وای‌فای همگی در بازه زیر 6 گیگاهرتز قرار دارند. شکل زیر طیف امواج الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد که مرتبه فرکانس در زیر هر بازه نوشته‌شده است. طیف امواج میلی‌متری درون کادر آبی‌رنگ قرار می‌گیرد.

از دیرباز امواج میلی‌متری از لحاظ پیاده‌سازی گران‌قیمت و دشوار بوده‌اند و کاربردهای محدودی از جمله در ستاره‌شناسی با امواج رادیویی، حسگری از راه دور و ارتباطات زمینی ثابت داشته‌اند. اما به تازگی توجه به این طیف با توجه به پیشرفت‌هایی که صورت گرفته افزایش‌یافته و انتظار می‌رود کاهش قیمت محصولات مبتنی بر فناوری امواج میلی‌متری ادامه‌دار باشد و درعین‌حال کارایی آن‌ها افزایش یابد. در نتیجه طیف وسیعی از کاربردها پذیرای این فناوری خواهد بود که در بخش‌های بعدی بررسی خواهد شد. 

ارتباط بی‌سیم ثابت

ارتباطات بی‌سیم ثابت در حالت نقطه‌به‌نقطه (P2P) و نقطه به چندنقطه (P2MP) یک گزینه مناسب برای به‌کارگیری امواج میلی‌متری هستند. فناوری‌های مبتنی بر این طیف، پیچیدگی چندان بالاتری نسبت به گزینه‌های فعلی ندارند و بحث مجوز آن نیز معمولا توسط سازنده تجهیزات یا نمایندگی فروش مدیریت می‌شود. امروزه، آنتن‌های سهمی‌وار امواج میلی‌متری را برای ارتباط بین دو ساختمان به‌وفور مشاهده می‌کنید (شکل 2).

برای مثال، شرکتی که دو ساختمان در نزدیکی یکدیگر دارد، از این فناوری برای برقراری ارتباط با سرعت‌بالا بدون نیاز به سیم‌کشی بین دو ساختمان استفاده می‌کند. امواج میلی‌متری معمولا به‌سختی از داخل اشیا عبور می‌کنند، اما در ارتباطات ثابت نظیر همین کاربردی که ذکر شد، به‌ندرت مانعی بر سر راه دو آنتن قرار می‌گیرد، بنابراین، کیفیت ارتباط خدشه‌دار نخواهد شد. 

مطلب پیشنهادی

دسترسی به دو شبکه در یک زمان

چگونه می‌توانیم از ترکیب وای‌فای و اینترنت موبایلی برای افزایش سرعت اینترنت استفاده کنیم؟

شبکه‌های PAN و LAN بی‌سیم

استاندارد IEEE شبکه‌های محدوده شخصی (PAN) به نام 802.15.3c، استاندارد وای‌فای 802.11ad و نسخه جدیدتر آن به نام 802.11ay همگی باند 60 گیگاهرتز را در نظر گرفته‌اند. با توجه به نفوذ کم امواج این طیف در اشیا و جهت‌دار بودن سیگنال‌های آن، استفاده از این طیف به کاربردهای درون اتاق یا اداره‌های بدون اتاق (open-office) محدود است که در آن ارتباط خط دیدمستقیم (LOS) برقرار است. انتظار می‌رود کاربردهای متنوع‌تری در آینده ایجاد شود، زیرا تراشه‌های مرتبط با این فناوری در حال عرضه گسترده به بازار هستند. یکی از کاربردهایی که احتمالا در ارتباط با شبکه‌های PAN و LAN موردتوجه خواهد بود، استفاده از امواج میلی‌متری در اینترنت اشیا (IoT) است. در کاربردهای اینترنت اشیا، معمولا ارتباطات به شکل خوشه‌بندی‌شده (کلاسترشده) و هر چند دستگاه با یک گیت‌وی در ارتباط هستند. بنابراین معمولا خط دیدمستقیم وجود دارد و امواج جهت‌دار میلی‌متری مبتنی بر استانداردهای فوق یک گزینه مناسب به شمار می‌رود. 

مطلب پیشنهادی

استاندارد محبوب 802.11 که وای‌فای را در دسترس ما قرار داده است

از استانداردهای وای‌فای IEEE 802.11 چه می‌دانید؟

بک‌هال شبکه‌های 5G

یکی از فناوری‌هایی که در شبکه‌های نسل پنجم موبایل موسوم به 5G نقش کلیدی در افزایش ظرفیت شبکه ایفا خواهد کرد، فناوری سلول کوچک یا فمتوسل (Femtocell) است. فمتوسل‌ها ایستگاه‌های پایه کوچک با قیمت ارزان و مصرف کم هستند که درون ساختمان‌ها نصب می‌شوند و امکان استفاده مجدد فضای فرکانسی را به میزان بیشتری نسبت به گذشته فراهم می‌سازند. همچنین کاربران داخل ساختمان به دلیل نزدیکی با فمتوسل کیفیت سرویس بهتری دریافت می‌کنند و مصرف باتری تجهیزات موبایل آن‌ها نیز کاهش می‌یابد. فمتوسل‌ها می‌توانند با خطوط ارتباطی سیمی نظیر ADSL یا فیبرنوری به مرکز مخابرات متصل شوند، اما در شرایطی ممکن است استفاده از فناوری بی‌سیم برای این ارتباط (که ارتباط بک‌هال نامیده می‌شود) مفید باشد. به‌طور خاص، فناوری امواج میلی‌متری برای فراهم آوردن ظرفیت بالایی که شبکه 5G نیاز دارد کاربردی است. در یادداشت اسفندماه ماهنامه شبکه به این موضوع اشاره شد که حداکثر ظرفیت برای هر کاربر موبایل در شبکه 5G برابر با 10 گیگابیت‌برثانیه هدف‌گذاری شده است. مشخصا این رقم اگر در تعداد کاربران متصل به یک ایستگاه پایه ضرب شود، ظرفیت بالایی به دست می‌آید که اهمیت یک فناوری ارتباطی سرعت بالا را برای اتصال به هسته شبکه روشن می‌سازد.
البته پیش‌تر نیز اشاره کردیم که سیگنال‌هایی با طول موج در مرتبه میلی‌متر در برابر موانع به‌شدت آسیب‌پذیر هستند، بنابراین استفاده از آن برای ارتباط بین فمتوسل و مرکز مخابرات که در فاصله دوری از یکدیگر قرار دارند باید با دقت فراوان صورت پذیرد. در این راستا فناوری مش که در آن یک نوع همکاری بین گره‌ها برای ارتباط با مرکز انجام می‌شود، موثر است. 

مطلب پیشنهادی

جایی که IOT و 5G به هم می رسند...

نسل پنجم شبکه تلفن همراه و اینترنت اشیاء

دسترسی شبکه‌های 5G

علاوه بر بک‌هال شبکه 5G، در قسمت دسترسی شبکه (ارتباط بین تجهیزات کاربران و ایستگاه پایه) می‌توان به استفاده از امواج میلی‌متری روی آورد. در واقع، از فناوری امواج میلی‌متری به‌عنوان یکی از فناوری‌های کلیدی در دستیابی به اهداف شبکه‌های نسل پنجم موبایل نام می‌برند. به‌خصوص در ارتباط با فمتوسل‌ها، ازآنجا‌که عمدتا درون ساختمان‌ها قرار دارند و در نتیجه خط دید مستقیم بین کاربر و فمتوسل برقرار است، امواج میلی‌متری قابل‌استفاده هستند. همچنین جهت‌دار بودن این امواج تداخل سیگنال‌های مختلف روی یکدیگر را کاهش می‌دهد و این به معنای کیفیت سرویس بالاتر و ظرفیت بیشتر شبکه است. درعین‌حال، بسیاری از کارشناسان در خصوص پیاده‌سازی گسترده فناوری امواج میلی‌متری دچار تردید هستند، زیرا هنوز تجهیزات مبتنی بر این فناوری به بازار عرضه نشده است. بااین‌حال، باید دید که در نهایت مزیت‌های فناوری جدید بر معایب آن چیره خواهد شد یا خیر؟

سایر کاربردها

در صنعت خودروسازی، از رادارهای مبتنی بر امواج میلی‌متری برای فاصله‌سنجی استفاده می‌شود، اما این امواج برای ارتباط بین خودروها نیز می‌توانند به کار گرفته شوند. ارتباط بین خودروها جنبه‌های متنوعی دارد، از اطلاع‌رسانی در خصوص وضعیت ترافیکی به سایرین گرفته تا اشتراک داده (مثلا موسیقی) بین سرنشینان خودروها.
ارتباط ویدیویی فشرده‌نشده HDMI با استفاده از امواج میلی‌متری نیز موردتوجه بوده است. هر چند با ابداع تکنیک‌های کارآمد فشرده‌سازی که نیاز به نرخ بالا را کاهش می‌دهند، از اهمیت آن کاسته شده است.
در نهایت، باید به ارتباط بین تجهیزات یک مراکز داده (ارتباط بین رک و درون رک) اشاره کرد. شکل (3) به روشنی ارتباطات مذکور را نشان می‌دهد، حتی رک‌هایی را که از یکدیگر فاصله دارند، با پهنای باند بالا و تاخیر ناچیز به یکدیگر متصل می‌کند.

چالش‌های فناوری امواج میلی‌متری

به‌طورمعمول، ساخت امواج در محدوده فرکانس‌های بالاتر از 30 گیگاهرتز با توجه به اسیلاتورهای مورد نیاز برای آن دشوار بوده است. اما به تازگی با توجه به پیشرفت‌های صورت گرفته در صنعت تراشه‌سازی چالش خاصی در زمینه ساخت آن وجود ندارد و انتظار می‌رود قیمت ساخت آن به‌مرورزمان کاهش یابد. در ادامه به برخی از چالش‌های این فناوری می‌پردازیم.
- نحوه انتشار: یکی از چالش‌های خاص در زمینه امواج میلی‌متری انتشار جهت‌دار آن است که اگر از فناوری‌های جدید در زمینه مدیریت ارسال سیگنال مانند MIMO و beamforming استفاده شود، این چالش به یک مزیت تبدیل خواهد شد. در واقع، امواج جهت‌دار ازآنجایی‌که در همه جهت پخش نمی‌شوند، تداخل کمتری در محیط ایجاد می‌کنند. از سوی دیگر، این امواج در برابر اشیا آسیب‌پذیر هستند. این‌یک ویژگی ذاتی است و راهی برای غلبه بر آن وجود ندارد. البته با ایجاد ارتباطات چندگامی (که در طول متن نیز چند بار اشاره شد) می‌توان تا حدی این مسئله را تخفیف داد. یک مسئله دیگر نیز تضعیف زیاد امواج در برخی بازه‌های خاص است. برای مثال، در فرکانس 60 گیگاهرتز تضعیف ناشی از مولکول‌های اکسیژن در هوا وجود دارد که آن نیز گریزناپذیر است. در زمینه نحوه انتشار بد نیست به این موضوع اشاره کرد که انتشار جهت‌دار سیگنال یک‌میزان امنیت و حریم شخصی ذاتی فراهم می‌آورد، هر چند که منطق حکم می‌کند در هر شرایطی ارتباطات بی‌سیم رمزگذاری شوند.
- رگولاتوری: در طیف امواج میلی‌متری همانند بازه‌های زیر6 گیگاهرتز، هر دو نوع مجوزدار و بدون مجوز یافت می‌شود. در حال حاضر، باند‌های زیادی نظیر 27 تا 31، 38، 71 تا 76 و 81 تا 86 به‌صورت مجوزدار ثبت شده‌اند و انتظار می‌رود فرآیند حراج برای این بازه‌ها اعمال شود.
- توپولوژی شبکه: کاربردهای جدید امواج میلی‌متری (از جمله مواردی که در این نوشتار ذکر شد) الزاما از نوع ثابت نیستند و ممکن است توپولوژی متغیری داشته باشند. بنابراین نحوه ایجاد ارتباط یک چالش است و پروتکل‌های جدیدی را نیاز دارد.  

مطلب پیشنهادی

حمایت LTE از اینترنت اشیا

سخن آخر

در این نوشتار به کاربردهای جدید امواج با طول‌موج در مرتبه میلی‌متری اشاره شد: از شبکه‌های محلی مثل نسخه‌های جدید وای‌فای گرفته تا شبکه‌های گسترده مثل پنجم شبکه‌های موبایل. در واقع امواج میلی‌متری همانند خط سرعت بزرگراه است که در آن با سرعت بیشتری می‌توان حرکت کرد و زودتر به مقصد رسید، اما هم‌زمان باید مراقب نیز بود. به‌هرحال در ظاهر دیگر بازه‌های فرکانسی معمول برای نسل بشر کافی نیست و باید دید به چه شکل و تا چه اندازه از فرکانس‌های بالاتر بهره خواهد برد