همه چیز در باره ی شبکه های موبایل و چگونگی کارکرد آنها

در این مقاله، کارکرد و انواع شبکه های ارتباطی بی سیم 0G، 0.5G، 1G، 2G، 2.5G و 2.7G توصیف و شبکه های پرکاربردی چون EDGE، GSM و GPRS واکاوی شده است.

ارتباطات بی سیم، یکی از فناوری های رو به رشد عصر حاضر است که با همه گیر شدن نسل پنجم از شبکه های ارتباطی، بیش از گذشته نمو پیدا می کند. ایده ی اولیه درمورد تکامل سیستم های ارتباطی بی سیم، از اصولی ترین دانش های مورد نیاز برای هر محققی است. بسیاری از کاربران عادی اینترنت و شبکه های بی سیم نیز، هنوز تصور دقیقی از نحوه ی کارکرد این فناوری ها، به ویژه شبکه های تلفن همراه ندارند. در این مقاله، اطلاعات کاملی از انواع شبکه  های موبایل و طرز کار آن ها جمع آوری شده است. البته در ابتدا تاریخچه ی مختصری را از سیر تکاملی سیستم های ارتباطی بی سیم شرح می دهیم.

امواج الکترومغناطیسی (EM) مهم ترین فاکتور برای پیشرفت ارتباطات بی سیم هستند. این نوع امواج، از بسامدهای بسیار پایین، یعنی ۳۰ هرتز، تا نورهای مرئی و درنهایت امواج گاما با بسامد ۳۰۰ اگزاهرتز را شامل می شوند. دانشمند هلندی، کریستیان هویگنس، اولین فردی بود که در سال ۱۶۷۸ میلادی روی بازتاب نور و تئوری بازتاب کار کرد. تئوری هویگنس نور را موج تصوّر می کرد و به خوبی می توانست مسائل مربوط به طول موج رنگ نور را توجیه کند.

بعدها در سال ۱۸۱۹ میلادی، با دانشی که از ماهیت موجی نور وجود داشت، برای اولین بار ارتباطات باسیم تبدیل به ارتباطات بی سیم شد. در سال ۱۸۳۱ میلادی، فارادی معادلات استنتاجی الکترومغناطیس و امواج را که مکسول پایه ریزی کرده بود، اثبات کرد. در سال ۱۸۹۶، هرتز به صورت تجربی بازتاب و اشاعه ی امواج الکترومغناطیسی را به صورت جداگانه در فاصله ی چندمتری اعتبارسنجی کرد و مارکونی ارتباط بی سیمی را از فاصله ی ۳ کیلومتری به وجود آورد. تمامی مواردی که در ادامه آمده است، باعث محبوبیت فناوری ارتباط از راه دور شد. جدول زیر، خلاصه ای از روند پیشرفت سیستم های ارتباطی بی سیم است.

سال          توسعه      جزئیات

۱۸۹۶ میلادی         گولیلمو مارکونی اولین تلگراف بی سیم دیجیتالی، برپایه ی کد مورس را اختراع کرد .       روی طول موج یک مگاهرتز کار می کرد

۱۹۰۶ میلادی         اولین کنفرانس رادیویی جهان  ـ

۱۹۰۷ میلادی         در آمریکا برای اولین بار ارتباطات بی سیم فراتر از اقیانوس اطلس محقق شد.

از ایستگاه های پایه ی عظیم استفاده شد

۱۹۱۵ میلادی         اولین ارتباط بی سیم صوتی در سان فرانسیسکو ابداع شد.    ـ

۱۹۲۰ میلادی         مارکونی امواج کوتاه را کشف کرد.        ـ

۱۹۵۸  میلادی        اولین سیستم موبایل رادیویی برای تلفن ها با نام A-Netz در آلمان اختراع شد. دامنه ی فرکانس این محصول، ۱۶۰ مگاهرتز بود.          اثر تخریبی هندآف کاهش یافت و پوشش شبکه ۸۰ درصد بود

۱۹۸۵  میلادی        سیستم ارتباطات با دسترسی کامل (TACS) در بریتانیا ابداع شد.           ـ

۱۹۸۶ میلادی         C-Netz که اولین نسل از سیستم تلفن همراه آنالوگ بود، در آلمان اختراع شد. دامنه ی فرکانس این محصول، ۴۵۰ مگاهرتز بود.          ـ

۱۹۹۲ میلادی         معرفی سیستم جهانی ارتباطات جهان (GSM یا 2G)            کاملا دیجیتال، دامنه ی فرکانس ۹۰۰ مگاهرتز، ۱۲۴ کاناله، انتقال داده با سرعت ۹٫۶ کیلوبیت برثانیه

۱۹۹۴ میلادی         GSM روی فرکانس ۱۸۰۰ مگاهرتز با نام سرویس دیجیتال سلولی (DCS1800) معرفی شد               سلول های کوچک تر

۱۹۹۷ میلادی         ساخت شبکه ی بی سیم محلی (Wireless LANs)                استاندارد IEEE، دامنه ی فرکانس بین ۲٫۴ تا ۲٫۵ گیگاهرتز، سرعت ۲ مگابیت برثانیه

۱۹۹۸ میلادی         سامانهٔ جهانی مخابرات سیار (UMTS) ابداع شد.  ـ

۱۹۹۹ میلادی         استاندارد  IEEE802.11b برای شبکه های بی سیم محلی منتشر شد.    پهنای باند تا ۱۱ مگابیت برثانیه افزایش یافت

۲۰۰۰ تا ۲۰۲۰ میلادی         اختراع بلوتوث، ساخت و پیاده سازی فناوری 3G، 4G و 5G

سامانهٔ جهانی مخابرات سیار (UMTS)، دسترسی به بسته های پر سرعت (HSPA)، دسترسی به بسته های پر سرعت ماهواره ای (HSDPA)، دسترسی +HSPA، استاندارد تکامل بلندمدت (LTE)، پروژه ی همکاری نسل سوم (3GPP)

دکل های مخابراتی و ایستگاه های پایه

پیش از هرگونه بحثی پیرامون شبکه های تلفن همراه، لازم است تا طرز کار دکل های مخابراتی تشریح شود. برای درک نحوه ی عملکرد دکل های مخابراتی و ایستگاه های پایه، تلفن های خانگی بی سیم را درنظر بگیرید. همانگونه  که از نام این محصول پیدا است، گوشی بی سیمی که کاربران با آن راه می روند و صحبت می کنند، به صورت بی سیم به ایستگاه پایه ی کوچکی متصل و ایستگاه پایه ی یادشده نیز ازطریق سیم به خط تلفن وصل شده است.

در اصل دکل های مخابراتی و ایستگاه های پایه ای که خدمات صوتی و انتقال داده ها را در دستگاه های مختلف امکان پذیر می کنند، کارکرد مشابهی با تلفن های بی سیم خانگی دارند. البته پرواضح است که دکل های یادشده درمقایسه با تلفن های بی سیم خانگی مقاوم دربرابر شرایط بد آب و هوایی هستند، محدوده ی بزرگتری را پوشش می دهند، از صدها هزار دستگاه تلفن همراه پشتیبانی می کنند، در فرکانس های رادیویی متفاوتی کار می کنند و به کاربران اجازه می دهند تا حین جابه جایی از یک ایستگاه پایه به دیگری، حتی هنگام رانندگی در بزرگ راه ها به شبکه متصل بمانند.

دکل ها، سلول ها و ساختارهای شش ضلعی، عناصر کلیدی برای طراحی و بهره برداری از شبکه های ارتباطی بی سیم هستند. در یک دنیای بی سیم، هر سلول ناحیه ی جغرافیایی از یک منطقه است که تحت پوشش یک دکل مخابراتی قرار می گیرد. هر ناحیه به گونه ای انتخاب شده است تا اطمینان حاصل شود هر سلول جداگانه، شبکه ی به هم پیوسته ی محکمی بدون نقطه ی کور در پوشش شبکه یا هم پوشانی غیرضروری ایجاد کند. مهندسان برای پاسخ گویی به تقاضا، از ساختار شش ضلعی برای طراحی شبکه های سلولی و محل دقیق استقرار دکل ها استفاده می کنند.

شبکه ی دسترسی رادیویی (RAN) پایه و اساس تمامی سرویس ها و اپلیکیشن های موبایلی است

کار اصلی دکل مخابراتی، بالا نگه داشتن آنتن هایی است که فرکانس رادیویی (RF) را از گوشی های موبایل و دستگاه هایی از این دست دریافت می کنند. کابل هایی از آنتن های مخابراتی خارج و به سمت تجهیزات ایستگاه های پایه ای هدایت می شوند که معمولا روی سطح زمین و داخل کابینی مهر و موم شده از تجهیزات مخابراتی قرار دارند. اجزای ایستگاه پایه شامل دستگاه فرستنده و گیرنده ، تقویت کننده های سیگنال، کمباینرها و کنترلرهای سیستم است. دستگاه فرستنده و گیرنده ، ازطریق آنتن وظیفه ی ارسال و دریافت سیگنال های رادیویی را برعهده دارد. درواقع، این دستگاه ها سیگنال ها را بین تلفن های همراه و سایر ایستگاه های پایه جابه جا می کنند. در برخی از دکل های مخابراتی، به جای دستگاه های فرستنده و گیرنده، دیش های مخابراتی شبیه به طبل وجود دارند که وظیفه ی اتصال ایستگاه پایه به دیگر ایستگاه ها را برعهده دارند. همچنین تعداد معدودی از این سازه ها از فیبر نوری برای ارتباط با دیگر ایستگاه ها بهره می برند.

برای اطمینان از اینکه آنتن ها برای پوشش کل منطقه ی سلولِ هدف، در ارتفاع کافی قرار دارند، دکل های مخابراتی را با ارتفاع ۱۵ تا ۶۰ متر می سازند. برج های مخابراتی می توانند سازه ای مستقل همچون تیر آهنی یا چهارچوب های مشبک باشند، یا به سازه های دیگری همچون چراغ راهنمایی، پل ها، تونل ها و بیلبوردها ضمیمه شوند. برای تطبیق با مسائل زیبایی شناسی جامعه، استتار این نوع سازه ها رو به افزایش است تا شبیه درختان یا پرچم ها دیده شوند یا درون سازه هایی دیگر همچون ناقوس کلیسا مخفی شوند.

طیف امواج رادیویی، دکل مخابراتی، تجهیزات ایستگاه پایه و دستگاه های موبایل کاربران همه باهم یک شبکه ی دسترسی رادیویی (RAN) را شکل می دهند. RAN، پایه و اساس تمامی سرویس ها و اپلیکیشن های موبایلی است؛ درست مانند شبکه های فیزیکی ساخته شده از فیبر نوری، سیم مسی تلفن های ثابت و داده ها و سرویس های تلوزیونی در خانه ها و سازمان ها. درنهایت می توان گفت، RAN زیرساخت قابل اعتماد و مستحکمی را از شبکه ی ارتباطاتی بی سیم ایجاد می کند.

شبکه های تلفن همراه

هنگامی که اپراتورهای تلفن همراه درباره ی حرف G صحبت می کنند، منظورشان نسل فناوری بی سیم است؛ هر نسلی قادر به پشتیبانی از تعداد بیشتری از کاربران است و قابلیت های انتقال داده ی بهتری را ارائه می دهد. در کل فناوری های بی سیم، در ۵۰ سال گذشته رشد بی سابقه ای را تجربه کرده اند و توانایی بیشتری در انتقال داده دارند.

شبکه موبایلی 0G

فناوری 0G که پیش تر برای سیستم های مخابراتی طراحی شده است، با عنوان سیستم های تلفنی و رادیویی همراه نیز شناخته می شود. تاریخچه ی فناوری یادشده، به پس از جنگ جهانی دوم باز می گردد. در آن دوران که خبری از شبکه های سلولی نبود، اپراتورهای موبایل تماس ها را برقرار می کردند و تنها تعداد معدودی از کانال های ارتباطی دردسترس بود. این دستگاه ها از ویژگی هندآف پشتیبانی نمی کردند و در واقع نمی توانستند فرکانس کانال ها را تغییر دهند. فناوری 0G به دهه ی ۱۹۷۰ باز می گردد؛ زمانی که خبری از فناوری سلولی تلفن های موبایل نبود و فناوری 0G پیش از اختراع تلفن همراه، تنها دستگاه هایی همچون تلفن های رادیویی داخل اتومبیل ها را شامل می شد.

سیستم های تلفنی و رادیویی همراه، پایه ی فناوری سیستم های سلولی هستند. سیستم های یادشده ، پس از آن لقب 0G یا نسل صفرم را دریافت کردند که نسل اول از شبکه ی تلفن بی سیم پدید آمد. فناوری های به کار رفته در 0G شامل PTT (فشار برای صحبت)، MTS (سیستم های تلفن موبایل)، IMTS (سیستم های بهبودیافته ی تلفن موبایل)، AMTS (سیستم های پیشرفته ی تلفن موبایل)، OLT (مخففی از عبارت نروژی Offentlig Landmobil Telefoni به مفهوم تلفن همراه زمینی عمومی) و MTD (عبارتی سوئدی به مفهوم سیستم تلفن همراه) است. برای اولین بار افراد مشهور، کارشناسان ساخت و ساز و تجار از فناوری 0G برای ارتباطات صوتی اولیه استفاده می کردند.

PPT یا Push to Talk

Push to Talk وسیله ی ارتباط فوری است که درحال حاضر در سرویس های شبکه های بی سیم سلولی استفاده می شود. این فناوری از یک دکمه ی دستگاه استفاده می کند تا همانند بی سیم های واکی تاکی ابتدا صوت را منتقل کند و سپس با فشردن دکمه، تبدیل به گیرنده ی امواج شود. PPT، تلفن همراه را از یک حالت کاملا دوسویه که هر دو مخاطب در آن به صورت هم زمان صدای هم را می شنوند، تبدیل به حالتی نیمه دوسویه می کند که در این حالت، تنها یکی از مخاطبان در آن واحد می تواند صدای دیگری را دریافت کند.

تمامی شرکت های بزرگ مخابراتی، نسخه ای از این ویژگی را در شبکه های تلفن همراهشان عرضه می کنند. نسخه های جدید از PPT، که PoC (فشار برای صحبت در شبکه های سلولی) نامیده می شوند، روی شبکه های 2.5G و 3G نیز ارائه می شوند.

MTS یا سیستم های تلفن موبایل

اولین سیستم سلولی جهان را شرکت ژاپنی تلفن و تلگراف نیپون (NTT) در سال ۱۹۷۹ میلادی در توکیو عملیاتی کرد.

MTS سیستمی است که پیش از ابداع شبکه های سلولی، با بهره گیری از امواج رادیویی با فرکانس بسیار بالا (VHF) بین دستگاه موبایل و تلفن های ثابت ارتباط برقرار می کرد. MTS معادلی از ویژگی رادیو تلفن سرویس های تلفن ثابت روی زمین بود.

سرویس MTS، یکی از اولین استانداردهای تلفن همراه در جهان بود. ویژگی یادشده برای برقراری تماس در هر دو جهت از اپراتور کمک می گرفت؛ به این معنی که اگر شخصی از تلفن ثابت با گوشی موبایل تماس می گرفت، این تماس ابتدا به اپراتور موبایل متصل می شد و او تماس را برقرار می کرد. به همین ترتیب، برای برقراری تماس با خارج از کشور کاربر باید ابتدا از اپراتور درخواست می کرد و او پس از گرفتن شماره ی تماس گیرنده و مقصد، اقدام به برقراری تماس می کرد.

IMTS یا سیستم های بهبودیافته ی تلفن موبایل

IMTS سیستمی است که پیش از ابداع شبکه های سلولی و پس از سیستم MTS، با بهره گیری از امواج رادیویی با فرکانس بسیار بالا (VHF) و امواج رادیویی با بالاترین فرکانس (UHF)، بین دستگاه موبایل و تلفن های ثابت ارتباط برقرار می کرد. IMTS معادلی از ویژگی رادیو تلفن سرویس های تلفن ثابت روی زمین بود.

سیستم IMTS در سال ۱۹۶۴ معرفی شد و به عنوان جایگزین سیستم های MTS، امکان برقراری تماس مستقیم را فراهم می کرد و لازم نبود کاربر ازطریق اپراتور تماس را برقرار کند.

AMTS یا سیستم های پیشرفته ی تلفن موبایل

سیستم های پیشرفته ی تلفن موبایل که نباید با سیستم پیشرفته ی گوشی موبایل (AMPS) اشتباه گرفته شود، یک روش ارتباط رادیویی برای شبکه 0G بود که عمدتا در سیستم های رادیویی حمل شدنی ژاپنی مورد استفاده قرار می گرفت. این فناوری همانند نسل پیشین خود، در فرکانس ۹۰۰ مگاهرتز کار می کرد.

Offentlig Landmobil Telefoni یا تلفن همراه زمینی عمومی

OLT، اولین شبکه ی زمینی تلفن همراه در نروژ بود. این سیستم در سال ۱۹۶۶ دایر و بعدها در سال ۱۹۹۰ کنار گذاشته شد. OLT در سال ۱۹۸۱ درحدود ۳۰ هزار کاربر موبایل داشت که باعث شده بود این سیستم، به بزرگ ترین شبکه ی تلفن همراه در جهان تبدیل شود. شبکه ی یادشده در باند VHF و فرکانس ۱۶۰ هرتز کار و برای مدولاسیون فرکانس روی ۱۶۰ تا ۱۶۲ مگاهرتز و برای واحد موبایل از فرکانس ۱۶۸ تا ۱۷۰ مگاهرتز استفاده می کرد. بسیاری از انواع این فناوری، نیمه دو سویه بودند؛ با این حال تعداد معدودی از انواع گران قیمت این سرویس، امکان برقراری تماس دو سویه را میسر می ساختند.

MTD یا سیستم تلفن همراه

MTD یک سیستم تلفن همراه دستی برای باند فرکانس ۴۵۰ مگاهرتز بود. این شبکه در سال ۱۹۷۱ در سوئد معرفی شد و تا سال 1987 استفاده از آن رواج داشت. شبکه ی MTD در اوج خود ۲۰ هزار کاربر داشت و ۷۰۰ نفر به عنوان اپراتور در شرکت حامل آن، برای خدمات دهی به کاربران مشغول به کار بودند. MTD در دانمارک و نروژ نیز پیاده سازی شده بود و امکان رومینگ بین کشورهای حوزه ی اسکاندیناوی وجود داشت.

شبکه ی موبایلی 0.5G

0.5G مجموعه ای از فناوری ها با ویژگی های بهبودیافته نسبت به فناوری های 0G است. این سیستم های تلفن همراه اولیه، از سیستم های رادیو تلفنی که پیش تر ابداع شده بود قابل تمیز است؛ زیرا به جای اینکه بخشی از یک شبکه ی بسته مانند رادیوی پلیس یا سیستم اعزام تاکسی باشد، به عنوان سرویس تجاری دردسترس کاربران قرار می گرفت که قسمتی از شبکه ی تلفن عمومی بود. این تلفن های موبایل معمولا روی خودروها و کامیون ها قرار می گرفتند، ولی تعداد معدودی مدل با ظاهری شبیه به کیف دستی نیز تولید شدند. روی خودروها، معمولا دستگاه فرستنده و گیرنده در صندوق عقب نصب می شد و قسمت «سر» تلفن موبایل که شامل نمایشگر، گوشی و بخش شماره گیر می شد، در کنار صندلی راننده جای می گرفت. نمونه های اولیه از این فناوری عبارت اند از:

اتورادیوپیلین (ARP): در سال ۱۹۷۱ میلادی در کشور فنلاند اختراع شد و عنوان اولین شبکه ی تلفن موبایلی تجاری آن کشور را یدک می کشید.

سیستم B-Netz: در سال ۱۹۷۲ میلادی در کشور آلمان اختراع شد و دومین شبکه ی تلفن موبایلی تجاری آن کشور بود؛ اما اولین شبکه ای بود که برای برقراری تماس، به اپراتور نیازی نداشت.

شبکه ی موبایلی 1G

1G، اولین نسل از فناوری گوشی های بی سیم برپایه ی شبکه ی سلولی است. درواقع، این فناوری درون گوشی های همراه آنالوگ و در سال ۱۹۸۰ ارائه شد. پیش تر در سال ۱۹۷۹، شرکت ژاپنی تلفن و تلگراف نیپون (NTT) اولین سیستم سلولی جهان را در توکیو عملیاتی کرده بود. در اروپا، محبوب ترین سیستم های آنالوگ، تلفن همراه نوردیک (NMT) و سیستم ارتباطات با دسترسی کامل (TACS) بود و انواع دیگر از سیستم های یادشده، در دهه ی ۱۹۸۰ در سراسر این قاره معرفی شدند.

تمامی سیستم ها، قابلیت هندآف و رومینگ را داشتند؛ ولی این شبکه های سلولی، نمی توانستند بین کشورها ارتباط صوتی ایجاد کنند؛ چنین موردی بزرگ ترین نقص شبکه های 1G به شمار می رفت. نسل اول از شبکه های تلفن همراه، ظرفیت پایینی داشت، هندآف قابل اعتمادی نداشت، کمبود لینک های صوتی در آن بیداد می کرد و از آن جایی که تماس های صوتی در دکل های رادیویی پخش می شد، امکان شنود مکالمه وجود داشت و امنیت شبکه بسیار پایین بود.

در ایالات متحده، اولین استانداردی که برای فناوری 1G ارائه شد، سیستم پیشرفته ی گوشی موبایل (AMPS) بود. کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC)، سیستم AMPS را با پهنای باند ۴۰ مگاهرتزی و محدوده ی فرکانس ۸۰۰ تا ۹۰۰ مگاهرتز تعریف کرده بود. در سال ۱۹۸۸ میلادی، ۱۰ مگاهرتز تحت عنوان طیف گسترده (ES) به پهنای باند سیستم یادشده افزوده شد. در ایتالیا فناوری 1G با استاندارد RTIM، در انگلیس تحت سیستم YACS، در فرانسه با فناوری RadioComm 2000 و در آلمان غربی، پرتقال و آفریقای جنوبی با استاندارد ارتباط از راه دور C-450 استفاده می شد.

فناوری 1G جایگزینی برای نسل صفرم از شبکه های ارتباطی بوده و در تلفن های رادیویی همراه استفاده می شد. در این نسل از شبکه های ارتباطی، فناوری هایی همچون PTT، MTS، IMTS و AMTS گنجانده شده بود. آن چه که در زیر آمده است، مشخصات و ویژگی های کلیدی فناوری 1G را نشان می‎دهد:

در دهه ی ۱۹۸۰ میلادی توسعه یافت و در اوایل دهه ی ۱۹۹۰ به تکامل رسید.

فناوری 1G، سیستم آنالوگ قدیمی بود که از تلفن های همراه سلولی نسل اول پشتیبانی و سرعت انتقال داده ی ۲٫۴ کیلوبیت برثانیه را مهیا می کرد.

استاندارد AMPS برای اولین بار در ایالات متحده ارائه شد و نشان دهنده ی تمامی ویژگی های نسل اول شبکه های ارتباطی است.

اجازه ی برقراری تماس با خارج از کشور ارائه دهنده ی سرویس را به کاربران نمی داد.

نوع فناوری 1G      AMPS    TACS      NMT      NTT        RC 2000 C-450

مدولاسیون و نوع دسترسی چندگانه        مدولاسیون فرکانس (FM) و دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس (FDMA)               FM و FDMA         FM و FDMA   FM و FDMA         FM و FDMA         FM و FDMA

سیگنال انتقالی از ایستگاه موبایل (گوشی موبایل)  به ایستگاه پایه (مگاهرتز)      ۸۲۹ تا ۸۴۹           ۸۹۰ تا ۹۱۵           ۴۵۳ تا ۴۵۸           ۹۲۵ تا ۹۴۰    ۴۱۴٫۸ تا ۴۱۸       ۴۵۰ تا ۴۵۵

سیگنال انتقالی از ایستگاه پایه به ایستگاه موبایل (مگاهرتز) ۸۶۹ تا ۸۹۴           ۹۳۵ تا ۹۶۰           ۴۶۳ تا ۴۶۸           ۸۷۰ تا ۸۸۵                ۴۲۴٫۸ تا ۴۲۸       ۴۶۰ تا ۴۶۵

فضای موجود در کانال (کیلوهرتز)        ۳۰           ۲۵           ۲۵/۱۲٫۵                ۲۵           ۱۲٫۵      ۱۰

تعداد کانال               ۸۳۲        ۱۰۰۰     ۱۸۰ تا ۱۹۹۹         ۶۰۰        ۲۵۶        ۵۷۳

نسل دوم از شبکه های ارتباطی بی سیم از 2G تا 2.7G

فناوری 2G دومین نسل از شبکه های ارتباطی موبایل و برپایه ی فناوری های دیجیتال است. این فناوری در اوایل دهه ی ۱۹۹۰ میلادی معرفی شد و درواقع این کشور فنلاند بود که برای اولین بار در سال ۱۹۹۲ میلادی فناوری یادشده را عرضه کرد. فناوری 2G خدماتی مانند پیام متنی (SMS)، پیام های تصویری و پیام های چندرسانه ای (MMS) را ارائه می کند. این سیستم امنیت بیشتری را هم برای فرستنده و هم گیرنده ی تماس و پیام فراهم می کند. در فناوری یادشده، تمامی پیام های متنی به صورت دیجیتالی رمزگذاری می شوند؛ درنتیجه تنها فرد گیرنده قادر به دریافت و خواندن پیام ها است.

سیستم 2G از فناوری های دسترسی همراه دیجیتال (digital mobile access technology)، همچون TDMA و CDMA استفاده می کند. TDMA با تقسیم سیگنال ها به بازه های زمانی کوتاه، امکان استفاده ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می کند و درهمین حال CDMA به هر کاربر کد خاصی را اختصاص می دهد تا کاربران به صورت چند سویه باهم ارتباط برقرار کنند. سیستم TDMA، فناوری های GSM، PDC، iDEN و iS-136 را شامل می شود. سیستم CDMA نیز از فناوری IS-95 استفاده می کند.

نوع فناوری 2G      GSM      IS-136    PDC        IS-95

مدولاسیون و نوع دسترسی چندگانه        TDMA   TDMA   TDMA   CDMA

سیگنال انتقالی از ایستگاه موبایل (گوشی موبایل)  به ایستگاه پایه (مگاهرتز)      ۸۹۰ تا ۹۱۵           ۸۲۵ تا ۸۴۹           ۹۴۰ تا ۹۵۶           ۸۲۴ تا ۸۴۹

سیگنال انتقالی از ایستگاه پایه به ایستگاه موبایل (مگاهرتز) ۹۳۵ تا ۹۶۰           ۸۶۹ تا ۸۹۴           ۸۱۰ تا ۸۲۶           ۸۶۹ تا ۸۹۴

فضای موجود در کانال (کیلوهرتز)        ۲۰۰        ۳۰           ۲۵           ۱۲۵۰

تعداد کانال               ۱۰۰۰     ۸۳۲        ۱۶۰۰     ۲۳۰۰

GSM یا سیستم جهانی ارتباطات

GSM یا سیستم جهانی ارتباطات همراه در اصل از اروپا منشأ گرفته و تحسین برانگیزترین استاندارد در بین تمامی فناوری های ارتباطات همراه است و در بیش از ۲۱۲ کشور جهان استفاده می شود. استاندارد یادشده، رومینگ بین الملل را بین اپراتورهای تلفن همراه بسیار رایج کرده و باعث شده است کاربران در هر بخشی از جهان قادر به استفاده از گوشی های موبایلشان باشند. GSM برای ایجاد ارتباطات چند سویه تا ۸ تماس در هر کانال و در باندهای ۹۰۰ و ۱۸۰۰ مگاهرتز از TDMA استفاده می کند. GSM نه تنها برقراری تماس را محقق، بلکه داده ها را در بیشینه سرعت ۱۴٫۴ کیلوبایت برثانیه منتقل می کند. گفتنی است در ایالات متحده، سازمان FCC طیف موجی جدیدی را در فرکانس ۱۹۰۰ مگاهرتز برای این سیستم اختصاص داده است.

GSM از زمانی که ابداع شده، به طور مداوم بهبود یافته است تا خدمات بهتری را در بازار ارائه کند. فناوری های جدیدتر براساس سیستم اولیه ی GSM توسعه یافته اند تا بعدها تبدیل به سیستم های پیشرفته تری همچون نسل 2.5G از شبکه های تلفن همراه شوند.

برای درک بهتر فناوری GSM لازم است تا مفاهیمی همچون شبکه ی سوئیچینگ مدار (Circuit switching)، سوئیچینگ بسته (Packet switching)، شبکه ی تلفن سوئیچ شده ی عمومی (PSTN) و تبادل کننده ی تلفن توضیح داده شود. تبادل کننده ی تلفن یا سوئیچ تلفن، یک سیستم ارتباطی است که در شبکه ی تلفن سوئیچ شده ی عمومی (PSTN) یا سازمان های بزرگ استفاده می شود (به دلیل درهم تنیدگی مطالب، بعدتر توضیحات لازم در مورد PSTN داده می شود). این فناوری، خطوط تلفن مشترکین یا مدارهای مجازی سیستم های دیجیتال را برای برقراری تماس بین مشترکین به هم وصل می کند. پیش تر وظیفه ی تبادل کننده ی تلفن را اپراتورهای انسانی برعهده داشتند.

درمورد شبکه ی سوئیچ شده ی مداری، بهترین مثال شبکه ی تلفنی اولیه ی آنالوگ است. هنگام برقراری تماس از تلفنی به تلفن دیگر، سوئیچ هایی در سیستم تبادل کننده ی تلفن، مدار سیمی یک پارچه ای را بین دو تلفن و تا پایان مکالمه شکل می دهند؛ این روند، سوئیچینگ مدار نامیده می شود. در این سیستم، تنها اندکی تأخیر در حین برقراری اتصال به وجود می آید. کاربران دیگر هیچ گاه نمی توانند چنین مدارهایی را مختل کنند؛ زیرا مدار تا زمان آزاد شدن و ایجاد اتصال جدید، از هرگونه استفاده ی دیگر تماس گیرنده ها مصون است.

سوئیچینگ بسته، روشی برای گروه بندی داده ها داخل بسته ها هنگام انتقال از یک شبکه ی دیجیتال است. بسته ها از هدِر و پِی لود ساخته شده اند. در مبحث فناوری اطلاعات، هر هدر به داده ی تکمیلی اشاره دارد که در ابتدای بلاک داده ی در حال ذخیره یا انتقال قرار دارد. هنگام انتقال داده، داده ای که پس از هدر منتقل می شود، پی لود نام دارد. سخت افزار شبکه ای، داده ی درون هدر را برای هدایت بسته به مقصدی استفاده می کند که پی لود در آن استخراج (extract) شده و توسط اپلیکیشن استفاده می شود. سوئیچینگ بسته، اساس اصلی ارتباطات داده در شبکه های رایانه ای سراسر جهان است. تفاوت سوئیچینگ مدار و سوئیچینگ بسته در جدول زیر آمده است:

سوئیچینگ مدار      سوئیچینگ بسته

در سوئیچینگ مدار، سه مرحله وجود دارد:

ایجاد اتصال

انتقال داده

قطع اتصال              در سوئیچسنگ بسته، انتقال داده ها به صورت مستقیم انجام می شود.

در سوئیچینگ مدار، هر واحد داده از کل آدرس مسیری که توسط منبع تهیه شده است اطلاع دارد.    در سوئیچسنگ بسته، واحد داده تنها از مختصات نهایی که روترها تعیین می کنند اطلاع دارد.

در سوئیچینگ مدار، داده ها فقط در سیستم منبع پردازش می شوند.     در سوئیچسنگ بسته، داده ها در تمامی گره های میانی از جمله سیستم منبع پردازش می شوند.

در سوئیچینگ مدار، تأخیر بین واحدهای داده یکنواخت است.              در سوئیچسنگ بسته، تأخیر بین واحدهای داده یکنواخت نیست.

مسیر برای انتقال داده ثابت است، پس می توان از هر پهنای باندی استفاده کرد.  پهنای باند بین مشترکین تقسیم شده است.

سوئیچینگ مدار اطمینان بالایی دارد.     سوئیچسنگ بسته قابل اعتماد نیست.

در سوئیچینگ مدار، منابع بیشتر اتلاف می شود.  در سوئیچسنگ بسته، درقیاس با سوئیچینگ مدار منابع کمتری اتلاف می شود.

در این روش، نمی توان داده ها را ذخیره و بعدا ارسال کرد. در این روش، می توان داده ها را ذخیره و بعدا ارسال کرد.

منبع انتقال داده را انجام می دهد.            انتقال داده ها را نه تنها منبع، بلکه روترهای میانه ی مسیر نیز انجام می دهند.

توصیفی که در ابتدا برای سیستم GSM به کار برده می شد، یک شبکه ی دیجیتال سوئیچ شده در مدار با قابلیت مکالمه ی تلفنی کاملا دوسویه بود. این تعریف با گذشت زمان و ابتدا، اضافه شدن ویژگی انتقال داده های سوئیچ شده در مدار و سپس انتقال داده های بسته ای به کمک سرویس عمومی بسته های رادیویی (GPRS) و سرعت داده ی افزایش یافته برای تکامل GSM یا EDGE، ارتباطات داده را نیز شامل شد. GSM دارای چندین بخش گسسته است.ساختار این شبکه، مشتق شده در چندین بخش جداگانه است:

زیرسیستم ایستگاه پایه: ایستگاه های پایه و کنترلرهای آن ها

شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ: بخشی از شبکه ی GSM که به شبکه ی ثابت شباهت دارد و گاهی اوقات تنها با نام شبکه ی اصلی خوانده می شود.

شبکه ی اصلی GPRS: بخشی اختیاری است که امکان اتصال به اینترنت بسته محور را فراهم می کند

سیستم پشتیبانی عملیات: وظیفه ی نگه داری شبکه را برعهده دارد.

زیرسیستم ایستگاه پایه (BSS) بخشی از شبکه ی تلفن سلولی سنتی است که مسئول رسیدگی به ترافیک داده و سیگنال دهی بین گوشی های موبایل و شبکه ی اصلی را برعهده دارد. درواقع، BSS کانال های مکالمه ای را کدگذاری می کند، کانال های رادیویی را به گوشی های موبایل اختصاص می دهد، پیجینگ می کند، دریافت و انتقال سیگنال ازطریق رابط هوایی (آنتن ها) را برعهده دارد و وظایف متعدد دیگری را دررابطه با شبکه ی رادیویی انجام می دهد.

GPRS سیستم توسعه یافته ای از شبکه های 2G موجود، برای ایجاد قابلیت سرویس های بسته محور، هم زمان با افزایش سرعت و نرخ داده های این شبکه ها است.

برای توصیف شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ، ابتدا لازم است تا با مفهوم شبکه ی تلفن سوئیچ شده ی عمومی (PSTN)، رومینگ و mobility management آشنا شوید. PSTN، مجموعه ای از شبکه های تلفنی سوئیچ شده ی مداری است که توسط اپراتورهای ملی، منطقه ای یا محلی اداره می شود و زیرساخت ها و خدمات ارتباطات عمومی را ارائه می دهد. PSTN شامل خطوط تلفن، کابل های فیبر نوری، لینک های انتقال ماکروویو، شبکه ی سلولی، ارتباطات ماهواره ای و کابل های تلفن زیر دریا است. تمامی این موارد، توسط مراکز تبادل کننده ی تلفن که پیش تر نیز اشاره شد به هم متصل هستند و درنتیجه ی این اتصال، می توانند با هم ارتباط برقرار کنند. شبکه ی تلفن سوئیچ شده ی عمومی، در ابتدا تنها تلفن های ثابت را پشتیبانی می کرد؛ ولی حالا کاملا دیجیتالی است و شبکه های موبایل و سایر شبکه ها را شامل می شود.

پیش تر عملکرد دکل های مخابراتی و ایستگاه های پایه توضیح داده شد. هنگامی که تلفن همراه، خارج از شعاع پوشش شبکه ی خانگی باشد، قابلیت رومینگ کمک می کند تا این دستگاه با بهره گیری از ایستگاه پایه ی شبکه ی ارتباطاتی دیگری، همچنان متصل باقی بماند. Mobility management نیز یکی از مهم ترین کارکردهای شبکه ی GSM است. هدف تابع Mobility management، ردیابی کاربران موبایل برای ایجاد امکان تماس، ارسال پیام متنی و سرویس های دیگر تلفن همراه است.

شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ (NSS) یا شبکه ی اصلی GSM، یکی از مولفه های سیستم GSM است که تماس صوتی و توابع Mobility management برای گوشی های موبایلی که روی شبکه ی ایستگاه پایه رومینگ می شوند را ایجاد می کند. این شبکه را اپراتورهای موبایل توسعه داده اند. NSS کمک می کند دستگاه های موبایل و در شبکه ی گسترده ترِ تلفن سوئیچ شده ی عمومی (PSTN)، تلفن ها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

NSS در ابتدا برای شبکه های سوئیچ شده در مدار طراحی شده بود و در خدمات سنتی GSM همانند مکالمه، پیام متنی و داده های سوئیچ شده در مدار به کار می رفت. بخش یادشده بعدها، با معماری دیگری توسعه یافت تا خدمات GPRS را نیز ارائه دهد.

شبکه ی موبایلی 2.5G یا سرویس عمومی بسته های رادیویی (GPRS)

GPRS سیستم توسعه یافته ای از شبکه های 2G موجود، برای ایجاد قابلیت سرویس های بسته محور، هم زمان با افزایش سرعت و نرخ داده های این شبکه ها است. اصطلاح نسل دو و نیم (2.5G) برای توصیف سیستم های 2G به کار می رود که علاوه بر استاندارد ارتباطی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching)، از دامنه ی سوئیچینگ بسته (Packet switching) استفاده می کنند. البته اصلاح 2.5G کاربرد رسمی ندارد. GPRS با استفاده از پایگاه داده ی HLR، VLR و AuC و فناوری های HSCSD، GPRS و EDGE داده ها را با سرعت ۵۶ تا ۳۸۴ کیلوبیت برثانیه منتقل می کند.

فناوری 2.5G خدماتی همچون دسترسی به پروتکل کاربردی بی سیم (WAP) و سرویس MMS را فراهم کرده و برای ارتباطات اینترنتی، سرویس هایی مانند ایمیل و شبکه ی بی سیم جهانی وب (WWW) را در اختیار کاربران قرار می دهد. هزینه ی انتقال داده در سیستم GPRS معمولا به ازای هر مگابایت از ترافیک منتقل شده محاسبه می شود؛ درحالی که قیمت ارتباطات داده به وسیله ی روش سنتی سوئیچینگ مداری، به ازای هر دقیقه از اتصال به شبکه است؛ حال اینکه کاربر از سیستم استفاده کند یا خیر.

HLR، VLR و AuC

HLR یا Home Location Register، یک پایگاه داده ی مرکزی شامل جزئیات هر کاربر موبایلی است که به شبکه ی GSM دسترسی دارد. در هر شبکه ی عمومی تلفن همراه، ممکن است چند HLR به صورت فیزیکی در محل های مختلف شبکه ی PLMN تعبیه شوند. شبکه ی PLMN ترکیبی از تمامی نسل های شبکه های ارتباطی است که هر اپراتور ارائه می دهد؛ PLMN درواقع همان PSTN بدون تلفن های ثابت است. VLR یا Visitor Location Register نیز پایگاه داده ای برای ایستگاه های موبایل (MS) است و اطلاعات را به مراکز تبادل کننده ی تلفن ارسال می کند.

AuC یا مرکز احراز هویت (Authentication Center)، تابعی برای اعتبارسنجی هر سیم کارتی است که معمولا هنگام روشن شدن گوشی، سعی دارد به شبکه ی مرکزی GSM متصل شود. درصورت موفقیت‎آمیز بودن اعتبارسنجی، اطلاعات سیم کارت و کاربر آن در پایگاه داده ی HLR ذخیره می شود. همچنین یک کلید رمزگذاری نیز تولید می شود که متعاقباً برای رمزگذاری کلیه ی ارتباطات بی سیم (مکالمه، پیام متنی و مواردی از این دست) بین تلفن همراه و شبکه ی مرکزی GSM استفاده می شود.

شبکه ی تلفن همراه 2.75G یا EDGE (سرعت داده ی افزایش یافته برای تکامل GSM)

شبکه ی GPRS با معرفی رمزگذاری 8PSK به شبکه های EDGE تکامل یافت. EGPRS و IMT-SC، فناوری های دیجیتال تلفن همراهی بودند که کمک کردند سرعت انتقال داده افزایش یافته و سیستم GSM استاندارد توسعه یابد. فناوری EDGE از آغاز سال ۲۰۰۳ میلادی، در ابتدا توسط اپراتور AT & T در ایالات متحده روی سیستم GSM سوار شد.  شرکت های دخیل در پروژه ی 3GPP بعدها شبکه ی یادشده را به عنوان بخشی از سیستم GSM استانداردسازی کردند و ظرفیت بالقوه ی EDGE را تا سه برابر شبکه های GSM و GPRS افزایش دادند.

همانگونه که پیش تر گفته شد، GSM از فناوری TDMA استفاده می کند که با تقسیم سیگنال ها به بازه های زمانی کوتاه، امکان استفاده ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می کند. حال به لطف روش های پیچیده تر رمزگذاری، یعنی 8PSK، شبکه ی EDGE در بازه های زمانی کوتاه مشابه با GSM، تا ۲۳۶٫۸ کیلوبیت برثانیه سرعت انتقال داده دارد. فناوری EDGE نسخه ای توسعه یافته از GSM است، ولی اجازه می دهد تا انتقال سریع تر و جمع و جورتری از داده ها و اطلاعات به وجود آید. همچنین شبکه ی EDGE، که حامل منفرد یا IMT-SC نیز نامیده می شود، یک فناوری رادیویی است و تاحدودی، بخشی از نسل سوم شبکه های ارتباطی به حساب می آید. فناوری EDGE به دلیل انعطاف پذیری بیشتر برای حمل داده های سوئیچ مدار و سوئیچ بسته، نسبت به GSM خواهان بیشتری دارد.

درمقایسه با GPRS، فناوری EDGE داده ها را در زمان کمتری منتقل می کند. برای مثال، یک فایل متنی ۴۰ کیلوبایتی در شبکه ی EDGE در عرض دو ثانیه منتقل می شود، حال آن که GPRS همان فایل را در ۶ ثانیه انتقال می دهد. بزرگ ترین مزیت فناوری EDGE این است که نیازی به صرف هزینه ی اضافی یا هیچ سخت افزار و نرم افزار دیگری برای استفاده از آن وجود ندارد. درواقع گوشی هایی که از سیستم GSM استفاده می کنند، فناوری EDGE را نیز پشتیبانی خواهند کرد.

تا به این قسمت از مقاله، توضیح داده شد که دکل های مخابراتی چگونه سیگنال های تلفن همراه را ردیابی و دریافت می کنند، چگونه بین شبکه ی PLMN و PSTN و دستگاه های تلفن همراه ارتباط برقرار می کنند و در نهایت چگونه داده ها را جابه جا می کنند. کارکرد و انواع شبکه های ارتباطی بی سیم 0G، 0.5G، 1G، 2G، 2.5G و 2.7G توصیف و شبکه های پرکاربردی چون EDGE، GSM و GPRS واکاوی شد. دقت کنید که حجم انبوه شبکه های موبایلی و انواع فناوری های مختص به هر کشور، سبب شد تا بسیاری از اصطلاحات خلاصه وار توضیح داده شود و از توصیف برخی از فناوری ها و موارد حاشیه ای خودداری شود. در ادامه ی این مقاله، انواع شبکه های ارتباطی بی سیم 4G ،3.75G ،3.5G و 3G و کارکردشان توصیف و شبکه های پرکاربردی چون WCDMA، LTE و وایمکس واکاوی شده اند.

پایه  و اساس شبکه های ارتباطی بی سیم، امواج الکترومغناطیسی و به ویژه امواج رادیویی است. هنگامی که کاربر از گوشی خود پیامی را می فرستد یا به اینترنت متصل می شود یا حتی گوشی خود را روشن می کند، سیگنال های رادیویی به دستگاه فرستنده  و  گیرنده در ایستگاه پایه ارسال و سیگنال هایی دریافت می شود. در سیستم هایی همچون GSM، این داده ها کدگذاری شده و با استفاده از بخش عمده ای از سیستم با نام شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ (NSS)، با دستگاه های دیگر یا شبکه ی اینترنت تبادل می شوند.

در نسل های 0G ،0.5G و 1G تنها امکان مکالمه وجود داشت؛ اما در شبکه های جدیدتر، امکان اتصال به اینترنت، ارسال پیام متنی و پیام چندرسانه ای وجود دارد. شبکه های 2G برای ایجاد ارتباط، از فناوری های دسترسی همراه دیجیتال (digital mobile access technology) همچون TDMA و CDMA بهره می بردند. GSM به عنوان پرکاربردترین استاندارد، برای ایجاد ارتباطات چند سویه تا ۸ تماس در هر کانال و در باندهای ۹۰۰ و ۱۸۰۰ مگاهرتز از TDMA استفاده می کند. GSM نه تنها برقراری تماس را محقق، بلکه داده ها را در بیشینه سرعت ۱۴٫۴ کیلوبایت برثانیه منتقل می کند.

پیش تر تفاوت شبکه ی سوئیچسنگ مداری (Circuit switching) و سوئیچینگ بسته ای (Packet switching) گفته شد. در سیستم GSM، شبکه ی سوئیچسنگ مداری امکان تماس دو سویه و انتقال داده های سوئیچ شده در مدار را ایجاد می کند. حال آن که سرویس عمومی بسته های رادیویی یا شبکه ی GPRS مربوط به شبکه ی 2.5G علاوه بر استاندارد ارتباطی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching)، از دامنه ی سوئیچینگ بسته ای (Packet switching) استفاده می کند تا هم زمان با افزایش سرعت و نرخ داده های این شبکه ها، قابلیت سرویس های بسته محور را هم ایجاد کند.

درنهایت با معرفی رمزگذاری 8PSK، شبکه ی GPRS به شبکه های EDGE تکامل یافت و نسل 2.75G ایجاد شد. همانگونه که پیش تر گفته شد، GSM از فناوری TDMA استفاده می کند که با تقسیم سیگنال ها به بازه های زمانی کوتاه، امکان استفاده ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می کند. حال به لطف روش های پیچیده تر رمزگذاری، یعنی 8PSK، شبکه ی EDGE در بازه های زمانی کوتاه مشابه با GSM، تا ۲۳۶٫۸ کیلوبیت درثانیه سرعت انتقال داده دارد. فناوری EDGE نسخه ای توسعه یافته از GSM است، ولی اجازه می دهد تا انتقال سریع تر و جمع و جورتری از داده ها و اطلاعات به وجود آید.

شبکه ی ارتباطی 3G

3G، سومین نسل از استاندارد گوشی های موبایل و جلوتر از فناوری 2G و پشت سر نسل چهارم از شبکه های ارتباطی قرار گرفته است. در ابتدا اتحادیه ی بین المللی ارتباطات از راه دور (ITU)، فناوری 3G را به عنوان طرحی برای پیاده سازی باند فرکانس جهانی در ۲۰۰۰ مگاهرتز تنظیم کرد. این طرح، استاندارد ارتباطی واحدی برای تمامی کشورها در سراسر جهان ایجاد می کرد و استاندارد تلفن همراه بین الملل (IMT-2000) نام داشت. تکامل فناوری 3G در سیستم های CDMA، منجر به استاندارد CDMA 2000 شد.

همچنین، تکامل سومین نسل از سیستم GSM منجر به پیدایش شبکه های IS-136 و PDC و پیشرفت این شبکه ها، باعث ایجاد CDMA با پهنای باند بالا یا WCDMA شد. درواقع WCDMA مبتنی بر GSM است. درنهایت می توان گفت، فناوری های اصلی نسل سوم از شبکه ی ارتباطات، CDMA 2000 و WCDMA هستند. فناوری 3G به اپراتورها امکان می دهد علاوه بر دستیابی به ظرفیت بیشتر شبکه با افزایش نرخ داده های منتقل شده در پهنای باند، طیف گسترده تری از خدمات پیشرفته تر را برای کاربران مهیا کنند؛ خدماتی همچون تلفن مکالمه ای بی سیم در مناطق گسترده، تماس صوتی، داده های بی سیم در پهنای باند وسیع، تلویزیون موبایلی، GPS و امکان کنفرانس ویدئویی. در زیر پیشرفت های نسل سوم ارتباطات بی سیم درقیاس با فناوری 2.5G آورده شده است:

جریان صوتی و ویدئویی پیشرفته

چندین برابر سرعت داده ی بیشتر

پشتیبانی از ویدئو کنفرانس

وب گردی با سرعت بیشتر

تلویزیون اینترنتی

مجموعه استانداردهای CDMA 2000

پیش تر گفته شد که در نسل دوم ارتباطات، سیستم CDMA فناوری IS-95 را شامل می شد. حال با بررسی جنبه های مختلف این فناوری، می  توان درک درستی از شبکه ی CDMA 2000 داشت. IS-95 اولین فناوری سلولی دیجیتالی، برپایه ی CDMA بود که کوالکام آن را توسعه داد. پیش از این، گفته شد که CDMA به هر کاربر کد خاصی را اختصاص می دهد تا کاربران به صورت چند سویه باهم ارتباط برقرار کنند. اگر دقیق تر باشیم، CDMA یا دسترسی چندگانه ی تقسیم کد (code division multiple access)، سیستم رادیویی دیجیتالی است که جریان های بیت ها را انتقال می دهد. این سیستم به چندین گیرنده ی رادیویی امکان می دهد تا فرکانس های یکسانی را به اشتراک بگذارند.

برخلاف سیستم رقیب، TDMA که در GSM استفاده می شود، در CDMA تمام دستگاه های رادیویی در تمامی مدت می توانند فعال باشند، زیرا ظرفیت شبکه دقیقا محدود به تعداد دستگاه های رادیویی نیست. از آن جایی که در CDMA، تعداد پایینی از سایت های سلولی از تعداد بیشتری تلفن همراه پشتیبانی می کنند، استانداردهای برپایه ی این سیستم نسبت به استانداردهای TDMA مقرون به صرفه هستند. استانداردهای IS-95، یک رابط هوایی را توصیف می کند که مجموعه ای از پروتکل ها برای استفاده بین شبکه و واحدهای موبایل است. IS-95 ساختاری سه لایه ای دارد؛ لایه ی اول فیزیکی، لایه ی دوم مربوط به کنترل دسترسی محیط (MAC) و کنترل دسترسی لینک ها (LAC) و لایه ی سوم، ماشین پردازش تماس ها است.

MAC، LAC و QoS

کنترل دسترسی محیط (MAC)، لایه ای برای کنترل سخت افزاری است که مسئولیت انتقال داده درون سیم ها، فیبر نوری و شبکه های بی سیم را برعهده دارد. درواقع، MAC دسترسی چندگانه در محیط ارسال و دریافت داده ها را کنترل می کند. هدف از زیرلایه ی LAC نیز، سیگنال دهی به لایه ی سوم باتوجه به مشخصات رادیویی کانال فیزیکی است. در شبکه های ارتباطی سوییچ شده ی بسته ای، کیفیت خدمات (QoS) به اولویت بندی ترافیک و مکانیسم های کنترل ذخیره منابع اشاره دارد.

در بحث مربوط به شبکه های نسل سوم، CDMA2000 با فناوری UMTS مقایسه می شود؛ مجموعه ای رقیب از استانداردهای شبکه ی 3G که در اروپا، ژاپن و چین استفاده می شود. نام CDMA2000، مجموعه ای از استانداردها است که مراحل تکامل این فناوری را نمایش می دهند. این استانداردها عبارت اند از:

تماس صوتی: CDMA2000 1xRTT و 1X Advanced

انتقال داده: CDMA2000 1xEV-DO که خود شامل Release 0 ،Revision A ،Revision و UMB است.

1X

CDMA2000 1xRTT استاندارد رابط هوایی بی سیم CDMA2000 است. عنوان «1X» به مفهوم فناوری انتقال سیگنال رادیویی یک به یک در پهنای باند امواج رادیویی مشابه IS-95 است؛ کانال های رادیویی ۱٫۲۵ مگاهرتزی دو سویه. 1xRTT با افزودن تعامدی ۶۴ کانال ترافیک اضافی علاوه بر ۶۴ کانال موجود در IS-95 به سیگنال های ارسالی از شبکه به گوشی های موبایل، ظرفیت شبکه را دوبرابر می کند. تعامدی، یعنی اینکه ۶۴ سیگنال جدیدتر بر سیگنال های پیشین عمود هستند.

استاندارد 1X از بسته ی داده هایی با سرعت ۱۵۳ کیلوبیت برثانیه پشتیبانی می کند؛ ولی در دنیای واقعی و اکثر کاربری های تجاری، تنها ۸۰ تا ۱۰۰ کیلوبیت برثانیه سرعت دارد. این استاندارد درمقایسه با IS-95، برای استفاده ی بهتر از سرویس های داده در لایه ی دوم تغییراتی را در بخش های MAC و LAC و QoS داشته است؛ لایه ی دوم IS-95، تنها متمرکز روی انتقال بهتر داده و مکالمه در کانال سوئیچ شده ی مدار بود.

1xEV-DO

1xEV-DO که اغلب به عناوین EV-DO یا EV مخفف می شود، یک استاندارد ارتباط از راه دور برای انتقال بی سیم داده ها ازطریق سیگنال های رادیویی، معمولاً برای دسترسی به اینترنت با پهنای باند بالا است. این استاندارد از تکنیک های دسترسی چندگانه همچون CMDA و TMDA، برای افزایش بهره وری فردی هر کاربر و کل سیستم استفاده می کند. بسیاری از ارائه دهندگان خدمات موبایل در سراسر جهان، به ویژه اپراتورهایی که پیش تر از شبکه های CDMA استفاده کرده اند، استاندارد 1xEV-DO را به کار می برند.

1X Advanced

1X Advanced تکامل یافته ی 1X، با چهاربرابر ظرفیت بیشتر و ۷۰ درصد پوشش بهتر در شبکه است.

مجموعه استاندارد UMTS

UMTS یا سیستم جهانی ارتباطات همراه، یکی از فناوری های نسل سوم از شبکه های موبایلی است. W-CDMA فناوری پشت استاندارد UMTS است که نوع پهنای باند بالا از شبکه ی گسترده ی ارتباطات 3G بوده و از دسترسی چندگانه ی CDMA بهره می برد. UTMS با استفاده از چیدمان ترکیبی از سلول ها شامل ماکروسل ها (سلول های تحت پوشش دکل مخابراتی) و پیکوسل ها (سلول های تحت پوشش ایستگاه های پایه ی کوچک همچون ساختمان)، طیف گسترده ای از ترافیک را کنترل می کند. اندازه ی سلول ها نیز در سیستم UTMS بسیار مهم است. برای پیاده سازی UMTS، برخلاف فناوری EDGE نیاز به ایستگاه های پایه ی جدید و اختصاص فرکانس های جدید است.

دسترسی پرسرعت بسته ای (HSPA)، تلفیقی از دو پروتکل موبایلی HSDPA و HSUPA است که با بهره گیری از پروتکل های W-CDMA، عملکرد شبکه های 3G را توسعه داده و بهبود می بخشد

اگرچه UTMS حداکثر سرعت انتقال داده ی ۱۹۲۰ کیلوبیت برثانیه را پشتیبانی می کند، ولی کاربران در شبکه های واقعی سرعت انتقال داده ی ۳۸۴ کیلوبایت را تجربه خواهند کرد. با این حال چنین سرعتی بسیار بالاتر از ۹٫۶ کیلوبیت برثانیه برای شبکه های سوئیچ شده ی مدار و ۱۴٫۴ کیلوبیت برثانیه سرعت انتقال داده در سیستم GSM است. برای بررسی نحوه ی کارکرد شبکه های UTMS، لازم است تا حداقل چندین مبحث کلیدی واکاوی شود؛ بخش کاربردی همراه GSM یا MAP، شبکه ی اصلی GPRS و مدل مرجع ارتباط سامانه های باز (OSI).

مدل مرجع ارتباط سامانه های باز (OSI)

OSI یک مدل مفهومی است که عملکردهای ارتباطی یک سیستم ارتباطی یا محاسباتی را بدون درنظرگرفتن ساختار داخلی و فناوری اصلی آن، توصیف و استانداردسازی می کند. هدف مدل مذکور، ایجاد قابلیت تعامل پذیری سیستم های ارتباطی متنوع با پروتکل های ارتباطی استاندارد است. OSI یک سیستم ارتباطی را به لایه های انتزاعی مختلف تقسیم می کند. نسخه ی اصلی از مدل یادشده هفت لایه دارد. هر لایه توسط لایه ی بالایی خود مورد استفاده قرار می گیرد و از لایه ی پیشین خود استفاده می کند.

شبکه ی اصلی GPRS

پیشتر گفته شد که بسته های داده ها از هدِر و پِی لود ساخته شده اند و هر هدر به داده ی تکمیلی اشاره دارد که در ابتدای بلاک داده ی در حال ذخیره یا انتقال قرار دارد. درواقع آن چه در هدر قرار دارد، آدرس آی پی است. پروتکل اینترنت یا آی پی که پروتکل اصلی ارتباطات در مجموعه پروتکل اینترنت برای انتقال داده ها در مرزهای شبکه است، وظیفه دارد بسته ها را از هاست مبدأ به هاست مقصد صرفاً براساس آدرس های IP موجود در هدرهای بسته تحویل دهد.

شبکه ی اصلی GPRS، بخش اصلی سیستم GPRS است که به شبکه های موبایلی 2G، 3G و WCDMA اجازه می دهد بسته های IP را به شبکه های خارجی مانند اینترنت انتقال دهند. سیستم GPRS بخشی از شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ GSM است. شبکه ی اصلی GPRS، روند Mobility management (و انتقال را برای خدمات بسته ی آی پی در سیستم های GSM و WCDMA فراهم می کند.

بخش کاربردی همراه GSM یا به اختصار MAP

MAP یک پروتکل است که لایه ی هفتم مدل مفهومی OSI یعنی لایه ی کاربرد (Application) را برای گره های مختلف (دستگاه های الکترونیکی متصل به شبکه همچون گوشی موبایل) در شبکه های اصلی تلفن همراه GSM و UMTS و شبکه های اصلی GPRS برای ارتباط با یکدیگر به منظور ارائه خدمات به کاربران فراهم می کند.

رابط های هوایی

UTMS سه نوع دسترسی چندگانه (رابط هوایی)، MAP و خانواده ی GSM از رمزگذاری گفتاری را ترکیب می کند. رابط های هوایی که UTRA (دسترسی رادیویی زمینی UTMS) نیز نامیده می شوند، بخشی از استانداردهای IMT-2000 هستند. انواع این رابط ها W-CDMA و TD-CDMA و TD-SCDMA هستند. درحال حاضر، محبوب ترین رابط هوایی W-CDMA است و در این مطلب به دلیل کمبود فرصت، تنها این نوع توضیح داده می شود.

W-CDMA

W-CDMA، یک استاندارد مخابراتی است که در شبکه های ارتباطی موبایل 3G یافت می شود. این سرویس از خدمات معمولی صوتی، متنی و MMS تلفن های همراه پشتیبانی می کند، اما همچنین می تواند داده ها را با سرعت بالا حمل کند. W-CDMA به اپراتورهای تلفن همراه امکان می دهد کاربری های با پهنای باند بالاتری از جمله دسترسی به اینترنت با پهنای باند بالا را ارائه دهند. W-CDMA از تکنیک مدولاسیون با نام DS-CDMA استفاده می کند که کانال های عریض ۵ مگاهرتزی را در اختیار اپراتورها قرار می دهد. فرایند گنجاندن سیگنال حاوی اطلاعات در سیگنالی دیگر را مدولاسیون می نامند.

DS-CDMA تکنیک مدولاسیونی است که در آن، توانِ سیگنال ارسالی، عمداً در یک بازهٔ فرکانسیِ بزرگ (معمولاً چندین مگاهرتز) پخش می شود. تکنیک یادشده در درجه ی اول برای کاهش تداخل سیگنال ها استفاده می شود.

در مبحث ارتباطات از راه دور، LTE استانداردی برای ارتباطات بی سیم با پهنای باند بالا برای دستگاه های موبایلی و ترمینال های داده، مبتنی بر سیستم های GSM/EDGE و UMTS/HSPA است

درمقابل، همان گونه که پیش تر گفته شد، استاندارد رقیب CDMA2000 از کانال های رادیویی ۱٫۲۵ مگاهرتزی دو سویه استفاده می کند. سیستم های W-CDMA به دلیل استفاده از طیف گسترده ی امواج رادیویی، بسیار مورد انتقاد بوده اند. فرکانس هایی که در ابتدا برای سیستم های یادشده تعریف شده بود، ۱۸۸۵ تا ۲۰۲۵ مگاهرتز از گوشی موبایل به ایستگاه پایه و ۲۱۱۰ تا ۲۲۰۰ مگاهرتز از ایستگاه پایه به موبایل بود. در ایالات متحده، همان گونه که پیش تر از فرکانس ۱۹۰۰ مگاهرتز استفاده می شد، حالا نیز از فرکانس های ۱۷۱۰ تا ۱۷۵۵ و ۲۱۱۰ تا ۲۱۵۵ مگاهرتز استفاده می شود. درهمین حال، کشورهای دیگر به صورت گسترده ای از فرکانس های دیگر استفاده می‎کنند.

با اینکه W-CDMA همانند CDMA2000 از تکنیک DS-CDMA استفاده می کند، اما شبکه ی یادشده تنها نسخه ای با پهنای باند عریض تر از CDMA2000 نیست. درواقع، W-CDMA با طراحی جدید خود، از بسیاری جهات متمایز از CDMA2000 است. از دیدگاه مهندسی، W-CDMA توازن متفاوتی از هزینه ها، ظرفیت، بازدهی و تراکم ایجاد می کند. همچنین نوید کاهش هزینه ها در گوشی های هوشمندی را می دهد که ویدئوهای آنلاین را نمایش می دهند. به علاوه، فناوری یادشده ممکن است برای استقرار در شهرهای متراکم اروپا و آسیا مناسب باشد.

W-CDMA با مجموعه ی کامل ویژگی هایی که دارد، پروتکل مفصلی از چگونگی ارتباط تلفن همراه با ایستگاه پایه، نحوه ی تعدیل سیگنال ها و چگونگی ساخت دیتاگرام ها را ارائه می دهد.

HSPA

دسترسی پرسرعت بسته (HSPA)، تلفیقی از دو پروتکل موبایلی دسترسی پرسرعت به بسته ی Downlink به اختصار HSDPA و دسترسی پرسرعت به بسته ی Uplink یا به اختصار HSUPA است که با بهره گیری از پروتکل های W-CDMA، عملکرد شبکه های 3G را توسعه داده و بهبود می بخشد.

اولین شبکه ی HSPA، در بهترین حالت ۱۴ مگابیت برثانیه سرعت بارگیری و ۵٫۷۸ مگابیت برثانیه سرعت بارگذاری داشت. همچنین، تأخیر را کاهش داده بود و درقیاس با WCDMA، ظرفیت را در سیگنال هایی که از ایستگاه های پایه به دستگاه های موبایل می روند ۵ برابر و در سیگنال هایی که از دستگاه های موبایل به ایستگاه های پایه ارسال می شوند ۲ برابر افزایش داده بود.

شبکه ی ارتباط بی سیم 3.5G یا HSDPA

دسترسی پرسرعت به بسته ی Downlink (سیگنال هایی که از ایستگاه های پایه به دستگاه های موبایل می روند) یا به اختصار HSDPA، یک پروتکل تلفن همراه است که با ایجاد امکان انتقال پرسرعت تر داده ها، باعث تکامل شبکه های 3G مبتنی بر UMTS شد. HSDPA یک سرویس داده ی بسته محور در مسیر Downlink سیستم W CDMA با سرعت انتقال داده ی ۸ تا ۱۰ مگابیت (۲۰ مگابیت برای سیستم های MIMO) در پهنای باند ۵ مگاهرتزی است.

پیاده سازی های HSDPA شامل کدگذاری و مدولاسیون تطبیقی (ACM)، سیستم های MIMO (عبارت اختصاری چند ورودی – چند خروجی)، تکنیک درخواست خودکار ترکیبی (HARQ)، روش جستجوی سریع سلول و به کارگیری طرح پیشرفته ی دریافت کننده است.

کدگذاری و مدولاسیون تطبیقی (ACM)

ACM اصطلاحی است که در ارتباطات بی سیم مورد استفاده قرار می گیرد تا تطبیق مدولاسیون، کدگذاری و سایر پارامترهای سیگنال و پروتکل را با شرایط موجود در لینک رادیویی مشخص کند (به عنوان مثال پاتلوکس، تداخل ناشی از سیگنال های دریافت شده از فرستنده های دیگر، حساسیت گیرنده و غیره).

MIMO

یک فناوری انتشار امواج در سیستم های مخابراتی بی سیم است، بدین صورت که از چند آنتن در فرستنده و گیرنده استفاده می شود. سیگنال های دریافت شده ی آنتن ها در گیرنده با هم ترکیب می شوند تا خطا به حداقل رسیده و سرعت انتقال اطلاعات افزایش پیدا کند. درواقع، MIMO با برقراری ارتباط بین آنتن ها امکان ارسال و دریافت هم زمان سیگنال ها (بارگیری و بارگذاری) از دستگاه موبایل را فراهم می کند.

HARQ

HARQ ترکیبی از تکنیک مورد استفاده برای کنترل خطاها در انتقال داده روی کانال های دارای نویز و غیرقابل اعتماد (FEC) و تکنیک مشابه ARQ است.

شبکه ی ارتباط بی سیم 3.7G یا HSUPA

شبکه ی ارتباط بی سیم 3.7G به فناوری هایی فراتر از شبکه ی موبایلی 3G اشاره دارد. دسترسی پرسرعت به بسته ی Uplink (سیگنال هایی که از دستگاه های موبایل به ایستگاه های پایه ارسال می شوند) یا به اختصار HSUPA از مسیر Uplink سیستم W CDMA در UMTS استفاده می کند. فناوری ارتباط موبایلی HSUPA مستقیما در ارتباط با HSDPA بوده و هر دو آن ها باهم تعریف می شوند. HSUPA انتقال داده از هر کاربر به کاربری دیگر همچون ایمیل و گیمینگ آنلاین را با سرعت و توازن بیشتری انجام می دهد. HSUPA داده ها را با سرعت ۱٫۴ مگابیت برثانیه و در نسخه های جدیدتر، با سرعت ۵٫۸ مگابیت برثانیه منتقل می کند.

+HSPA یا دسترسی پرسرعت به بسته ی تکامل یافته

+HSPA یا HSPA تکامل یافته، استاندارد بی سیمی از سیستم WCDMA برای ارتباطات پهن باند است. در شبکه ی +HSPA، افزونه هایی به شبکه ی HSPA موجود اضافه شده است. HSPA تکامل یافته، برای بارگیری و بارگذاری، داده ها را به ترتیب با سرعت های ۴۲٫۲ و ۵۶ مگابیت برثانیه منتقل می کند. شبکه ی یادشده از فناوری هایی همچون MIMO استفاده می کند.

نسل چهارم از شبکه های ارتباطی بی سیم یا 4G

چهارمین نسل از سرویس های بی سیم، سیستمی توسعه یافته از شبکه ی 3G و درحال حاضر، گسترده ترین و پرسرعت ترین سرویس بی سیم جهان است. یک سیستم 4G باید قابلیت های تعریف شده ی اتحادیه ی بین المللی ارتباطات از راه دور در استاندارد IMT Advanced را فراهم کند. این الزامات درحال حاضر شامل دسترسی به اینترنت وب موبایل اصلاح شده، تلفن IP (براساس پروتکل اینترنت)، سرویس های گیمینگ، تلویزیون موبایلی با رزولوشن بالا، ویدئوکنفرانس و تلویزیون سه بعدی است. استانداردهای تعریف شده برای اینترنت موبایلی نسل چهارم، LTE و  WiMAX را شامل می شوند.

استاندارد LTE (تکامل بلندمدت) برای اولین بار در شهر اسلو، پایتخت نروژ و شهر استکهلم سوئد مستقر شد و از آن زمان در اکثر نقاط جهان استقرار یافته است. با این حال، بحث این است که آیا نسخه های اولیه ی فناوری یادشده از نسل 4G بودند یا خیر؟  اتحادیه ی بین المللی ارتباطات از راه دور در استاندارد IMT Advanced، الزامات زیر را برای شبکه های 4G لازم الاجرا می داند:

مبتنی بر یک شبکه ی سوئیچ شده ی بسته ی آی پی محور باشد.

سرعت انتقال داده در این سیستم، تقریبا ۱۰۰ مگابیت برثانیه یا ۱۲٫۵ مگابایت برثانیه برای دستگاه های موبایل و درصورت ثابت بودن گیرنده و سرور تا ۱ گیگابیت برثانیه باشد.

قادر به استفاده و اشتراک پویای منابع شبکه، برای پشتیبانی هم زمان از تمامی کاربران در هر سلول باشد.

از پهنای باند مقیاس پذیر کانال ۵ تا ۲۰ مگاهرتز استفاده کند. به صورت دلخواه می توان پهنای باند را تا ۴۰ مگاهرتز نیز بالا برد.

بیشترین راندمان طیف فرکانسی هر لینک در سیگنال های downlink، حداقل ۱۵ بیت برثانیه بر هرتز و در سیگنال های Uplink، حداقل ۶٫۷۵ بیت برثانیه بر هرتز است (این میزان بیت خالص (نرخ اطلاعات مفید به استثنای کدهای تصحیح خطا) یا حداکثر توان تقسیم شده توسط پهنای باند در هر یک هرتزِ یک کانال ارتباطی یا یک لینک داده است)).

استاندارد LTE (تکامل بلندمدت)

در مبحث ارتباطات از راه دور، LTE استانداردی برای ارتباطات بی سیم با پهنای باند بالا برای دستگاه های موبایلی و ترمینال های داده، مبتنی بر سیستم های GSM/EDGE و UMTS/HSPA است. استاندارد یادشده، سرعت و ظرفیت انتقال داده را با استفاده ی هم زمان از رابط رادیویی متفاوت و همچنین توسعه هسته ی شبکه، افزایش داده  است. LTE مسیر پیشرفتی برای اپراتورهایی است که هم از شبکه های GSM/UMTS و هم CDMA2000 استفاده می کردند. به دلیل کثرت فرکانس های مورد استفاده برای شبکه ی LTE در کشورهای مختلف، تنها گوشی های با قابلیت پشتیبانی از تمامی باندها، توانایی استفاده از شبکه ی یادشده در تمامی کشورها را دارند.

هدف LTE افزایش ظرفیت و سرعت شبکه های داده ی بی سیم، با استفاده از تکنیک ها و مدولاسیون های پردازش دیجیتال سیگنالی بود که در اوایل این هزاره توسعه یافتند. هدف دیگر LTE، طراحی مجدد و ساده سازی معماری شبکه برپایه ی سیستم پروتکل اینترنت (IP) با کاهش چشم گیر تأخیر در انتقال داده درقیاس با فناوری 3G بود. رابط بی سیم این نسل از فناوری های ارتباطی، بسیار متفاوت از شبکه های 2G و 3G است؛ از این رو باید روی طیف رادیویی جداگانه ای اجرا می شد. این شبکه جایگزینی برای فناوری های GSM، UMTS و CDMA2000 است که نسبت به سیستم HSPA، چهاربرابر ظرفیت داده و مکالمه ی بیشتری دارد.

بخش اعظم استاندارد LTE به روزرسانی از 3G UMTS به آن چیزی است که درنهایت فناوری ارتباطات موبایلی 4G نام گرفته است. بخش بزرگی از این به روزرسانی برای ساده سازی سیستم انجام شده است؛ زیرا تمامی ارتباطات بی سیمی که پیش تر در شبکه ی ترکیبی سوییچینگ مداری و بسته  ای UMTS انجام می گرفت، حالا روی معماری سیستمی تماما مبنتی بر آی پی صورت می پذیرد. رابط هوایی شبکه ی LTE، ای UTRA نام دارد و ویژگی های اصلی آن در زیر آمده است:

بسته به نوع تجهیزات مورد استفاده توسط کاربران، بیشترین نرخ بارگیری تا ۲۹۹٫۶ مگابیت برثانیه و نرخ بارگذاری حداکثر ۷۵٫۴ مگابیت برثانیه است. ۵ کلاس ترمینال مختلف برای این سیستم تعریف شده است؛ از یک کلاس صدامحور تا کلاس سطح بالایی که از بالاترین نرخ انتقال داده پشتیبانی می کند. همه ی ترمینال ها می توانند پهنای باند 20 مگاهرتزی را پردازش کنند.

تاخیرهای پایین در انتقال داده (کمتر از ۵ میلی ثانیه برای بسته های آی پی کوچک در شرایط بهینه)، تأخیر کم برای هندآف و زمان تنظیم اتصال درقیاس با فناوری های دسترسی پیشین.

پشتیبانی بهتر از دستگاه های موبایل. برای مثال بسته به باند فرکانس، از دستگاه هایی که با سرعت ۳۵۰ کیلومتر بر ساعت یا ۵۰۰ کیلومتر بر ساعت پشتیبانی می کند.

FDMA هشت گانه برای داده هایی که بارگیری (Downlink) می شوند، دسترسی چندگانه ی FDMA یک گانه برای داده هایی که بارگذاری (Uplink) می شوند برای صرفه جویی در توان مصرفی.

پشتیبانی از تمامی فرکانس هایی که درحال حاضر سازمان ITU در سیستم های 3G تعریف کرده است.

انعطاف پذیری طیف فرکانس ها: پهنای باند در کانال های هر سلول به صورت ۱٫۴ مگاهرتز، ۳ مگاهرتز، ۵ مگاهرتز، ۱۰ مگاهرتز، ۱۵ مگاهرتز و ۲۰ مگاهرتز استانداردسازی شده است. WCDMA تنها از پهنای باند ۵ مگاهرتزی استفاده می کند که سبب بروز مشکلاتی در کشورهایی می شود که به صورت رایج از محدوده ی فرکانس یادشده در استانداردهایی مانند GSM و CDMA استفاده می کنند.

پشتیبانی از سلول هایی با شعاع پوشش دهی ده ها متر (پیکوسل ها) تا ۱۰۰ کیلومتر (ماکروسل ها). در باندهایی با فرکانس پایین که در مناطق روستایی مورد استفاده قرار می گیرند، شعاع پوشش دهی بهینه ۵ کیلومتر، شعاع پوشش دهی با عملکرد معقول ۳۰ کیلومتر، شعاع پوشش دهی با عملکرد قابل قبول ۱۰۰ کیلومتر است. در مناطق شهری، باندهایی با فرکانس بالا مانند ۲٫۶ گیگاهرتز برای پهنای باند ارتباطات همراه پرسرعت استفاده می شود و پوشش دهی سلول ها یک کیلومتر و کمتر است.

در هر سلول با پهنای باند ۵ مگاهرتزی، حداقل از ۲۰۰ کاربر پشتیبانی می کند.

معماری شبکه ساده سازی شده

پشتیبانی از کارکرد هم زمان با استانداردهای پیشین همانند GSM / GPRS یا UMTS که مبتنی بر WCDMA است. کاربران می توانند با استفاده از استاندارد LTE تماس یا انتقال داده را در یک منطقه شروع کنند و در صورت فقدان پوشش دهی شبکه، عملیات را بدون هیچ گونه اقدامی با استفاده از GSM / GPRS یا UMTS مبتنی بر W-CDMA یا حتی شبکه های CDMA یا CDMA2000 ادامه دهند.

رابط رادیویی سوییچ شده ی بسته

وایمکس طراحی شده است تا با پوشش دهی فراتر از فناوری های پیشین همچون وای فای، دسترسی به اینترنت پرسرعت را برای لپ تاپ ها و دستگاه های حمل شدنی فراهم کند

استاندارد LTE با شبکه ی تماما مبتنی بر آی پی تنها از سوییچینگ بسته پشتیبانی می کند. تماس های صوتی در سیستم GSM، UMTS و CDMA2000 سوییچ شده ی مدار هستند، بنابراین برای تطبیق با LTE اپراتورها باید شبکه ی تماس صوتی شان را بازمهندسی کنند. سه روش برای حل چنین مشکلی وجود دارد. اولی اینکه در شبکه ی LTE سرویس های داده به خوبی کار کنند و هنگام تماس، دامنه ی سوئیچ شده ی مدار فعال شود. روش دوم نیز مانند روش اول است؛ اما گوشی شبکه ها را عوض می کند. در روش سوم، تنها هنگام استفاده از اپلیکیشن هایی مانند گوگل تاک و اسکایپ حالت LTE فعال می شود. باند های فرکانس LTE در سراسر جهان از ۴۵۰ تا ۳۷۰۰ مگاهرتز را شامل می شوند.

LTE Advanced

LTE Advanced استاندارد ارتباطات موبایلی و به روزرسانی از سیستم استاندارد LTE (تکامل بلندمدت) است. باتوجه به اینکه استاندارد اولیه ی LTE توانایی پاسخگویی به الزامات استاندارد IMT-Advanced را نداشت، LTE Advanced برای ارائه ی خدماتی در سطح استاندارد یادشده توسعه یافت. برای مثال، LTE اولیه توانایی دستیابی به سرعت انتقال داده ی یک گیگابیت برثانیه در گیرنده های ثابت را نداشت. درواقع، در ابتدا کارگروه 3GPP فناوری LTE را در لیست شبکه های 4G قرار نداد. بعدها IMT خواستار موارد زیر در نسل جدید LTE شد:

بهبود مستمر فناوری و معماری رادیویی LTE

الزامات عملکردی و موارد پیش بینی شده برای کار با فناوری های رادیویی قدیمی تر.

پشتیبانی از نسل پیشین (LTE بتواند در شبکه ی LTE Advanced کار کند یا بالعکس). هر استثنایی را 3GPP مشخص می کند.

درنظر گرفتن تصمیمات کنفرانس WRC-07 مبنی بر اطمینان از اینکه LTE Advanced با طیف جغرافیایی موجود، برای کانال های بالاتر از ۲۰ مگاهرتز وفق پیدا می کند.

تفاوت LTE و LTE Advanced در جدول زیر آمده است:

فناوری     LTE         LTE Advanced

سرعت انتقال داده هنگام بارگیری          ۳۰۰ مگابیت برثانیه               ۱۰۰۰ مگابیت برثانیه

سرعت انتقال داده هنگام بارگذاری         ۷۵ مگابیت برثانیه  ۵۰۰ مگابیت برثانیه

پهنای باند بارگیری ۲۰ مگاهرتز            ۱۰۰ مگاهرتز

پهنای باند بارگذاری                ۲۰ مگاهرتز            ۴۰ مگاهرتز

قابلیت حمل و جابه جایی گیرنده             بهینه  برای سرعت های پایین تر از ۱۵ کیلومتر برساعت

سرعت های مناسب داده تا سرعت ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت

تا سرعت ۳۵۰ کیلومتر بر ساعت هم چنان متصل به شبکه می ماند    مشابه LTE

پوشش      عملکرد کامل تا ۵ کیلومتر      مشابه LTE

ظرفیت    تا ۲۰۰ نفر در پهنای باند ۵ مگاهرتز    سه برابر بیشتر از LTE

ظرفیت در مناطق هموار        حداقل ۲۰۰ کاربر در هر سلول در پهنای باند ۵ مگاهرتز    حداقل ۳۰۰ کاربر در هر سلول در پهنای باند ۵ مگاهرتز

فناوری MIMO      ۳۲۶ مگابیت برثانیه با چهار خروجی و چهار ورودی و ۱۷۲ مگابیت برثانیه با دو خروجی و دو ورودی         ۴۰ برابر سریع تر از فناوری 3G

WiMAX یا تعامل جهانی برای دسترسی مایکروویو

IEEE 802.16 مجموعه ای از استانداردهای حاکم بر شبکه ی استاندارد محور کلان شهری (MAN) است. برای فراهم آوردن هم نوایی و قابلیت همکاری جهت اجرای این استاندارد، گروه تعامل جهانی برای دسترسی مایکروویو یا به اختصار وایمکس (WiMax) شکل گرفت. امروزه به تمامی استانداردهای این حوزه، وایمکس گفته می شود. گروه استاندارد یادشده، برای ایجاد سرویس های بی سیم پهن باند برای کسب کارها و مشتریان در مقیاس کلان شهرها شناخته می شود. وایمکس یک فناوری استاندارد محور متکی بر راه حل های اختصاصی است. محدوده ی پوشش دهی وایمکس ۷۰ کیلومتر و سرعت انتقال داده در آن، ۱۰۰ مگابیت برثانیه است.

وایمکس طراحی شده است تا با پوشش دهی فراتر از فناوری های پیشین همچون وای فای، دسترسی به اینترنت پرسرعت را برای لپ تاپ ها و دستگاه های حمل شدنی فراهم کند. وایمکس مبتنی بر استاندارد IEEE 802.16e سال ۲۰۰۵ و مصوب ماه دسامبر همین سال و بهبودیافته از استاندارد 802.16 سال ۲۰۰۴ است. بنابراین جزئیات این دو استاندارد باید با هم درنظر گرفته شود. آن چه در زیر آمده است، بخشی از بهبود های صورت گرفته در استاندارد جدیدتر است:

پشتیبانی از هندآف نرم و سخت بین ایستگاه های پایه، بدین معنی که در این استاندارد می توان فرکانس کانال را تغییر داد یا فرکانس تمامی ایستگاه های پایه را یکی کرد. قابلیت مذکور، یکی از مهم ترین جنبه های استاندارد IEEE 802.16e سال ۲۰۰۵ و اساس کار وایمکس موبایلی است.

پشتیبانی از تکنیک درخواست خودکار ترکیبی (HARQ) و طرح های متنوع از آنتن های پیشرفته

فناوری MIMO و سیستم های آنتن تطبیق پذیر

زیرکانال سازی متراکم تر و درنتیجه، نفوذ بهتر سیگنال ها در داخل ساختمان ها

فرمت استاندارد IEEE 802.16e-۲۰۰۵ که به صورت متداول و غیرصحیحی وایمکس موبایل نامیده می شود، سیستم بی سیم پهن باندی است که همگرایی شبکه های پهن باند تلفن همراه و ثابت را از طریق یک فناوری دسترسی رادیویی پهن باند با محیط غالبا گسترده و معماری شبکه ی انعطاف پذیر، امکان پذیر می سازد. وایمکس موبایل از برنامه های هندآف بهینه ای پشتیبانی می کند که با تاخیری کمتر از ۵۰ میلی ثانیه، کاربردهای بلادرنگی همچون اجرای مکالمه ها با بهره گیری از پروتکل اینترنت (VoIP) را بدون هیچ کاهشی در کیفیت سرویس میسر می کند.

از دیدگاه تئوری، وایمکس مشابه با فناوری وای فای است؛ اما با سرعت های انتقال داده ی بالاتری در مسافت های طولانی تر، کاربران بیشتری را پوشش می دهد. شبکه ی وایمکس به صورت بالقوه ای می تواند مناطق روستایی و حومه ی شهرها که هنوز اینترنت پهن باند ندارند را پوشش دهد. سیستم وایمکس از دو بخش تشکیل شده است:

دکل وایمکس: کارکردی مشابه با دکل مخابراتی دارد و منطقه ای به وسعت ۸ کیلومتر مربع را پوشش می دهد.

گیرنده ی وایمکس: گیرنده و آنتن وایمکس می تواند یک جعبه ی کوچک، کارت حافظه ی کامپیوتر شخصی یا سیستم دسترسی وای فایی باشد که این روزها داخل لپ تاپ ها تعبیه می شود.

دکل وایمکس می تواند ازطریق کابل و اتصال مستقیم با پهنای باند بالا به اینترنت متصل باشد. همچنین، این سازه می تواند به صورت مستقیم (line-of-sight) و ازطریق لینک مایکروویو، به دکل های وایمکس دیگر متصل شود. اتصال به دکل های دیگر و نیز خود پوشش ۸ کیلومتر مربعی هر دکل، اجازه می دهد تا مناطق دور افتاده ی روستایی نیز تحت پوشش شبکه ی یادشده باشند.

نوعی سرویس وای فای با عنوان non-line-of-sight نیز وجود دارد که در آن، آنتن کوچک درون کامپیوتر به دکل وایمکس متصل می شود. در این حالت، وایمکس از دایره ی فرکانس های پایین تر ۲ تا ۱۱ گیگاهرتز استفاده می کند. انتقال داده ها در طول موج های پایین تر، به راحتی با اجسام مسدود نمی شود و امواج قادر به دور زدن موانع هستند. همچنین سرویس مستقیمی وجود دارد که یک آنتن دیش ثابت روی پشت بام قرار گرفته و به دکل وایمکس متصل می شود. اتصال مستقیم قدرتمندتر و پایدارتر است؛ درنتیجه قادر به ارسال داده های بیشتری با خطاهای کمتر است. در این روش از فرکانس های بالاتری تا ۶۶ گیگاهرتز استفاده می شود که تداخل کمتر و پهنای باند بیشتری دارند.

وایمکس از OFDM به عنوان لایه ای فیزیکی استفاده می کند. در بحث ارتباطات، سیستم دسترسی چندگانه ی ثابت متعامد یا OFDM نوعی مدولاسیون دیجیتال و روشی برای رمزگذاری داده های دیجیتال در فرکانس های چندگانه ی حامل ها است. OFDM اجازه می دهد تا مقادیر بزرگی از داده های دیجیتال روی بخشی از طیف امواج رادیویی با راندمان بهتری از فناوری های بی سیم موجود منتقل شوند. OFDM با تقسیم سیگنال های رادیویی به چندین سیگنال کوچک، داده ها را به صورت هم زمان در سیگنال های مختلف به گیرنده منتقل می کند.

یک سیستم برپایه ی OFDM، قادر است در شرایط ایده آل ۷۲ مگابیت برثانیه داده را به صورت فشرده از کانالی با گستره ی ۲۰ مگاهرتز منتقل کند. نکته ی اصلی در فناوری OFDM، فرکانس های مختلف است که می توانند داده ها را به صورت کاملا جدا از یکدیگر ارسال و دریافت کنند. مدولاسیون OFDM که نوع تغییریافته ی FDM است، سیگنال ها را به صورت تعامدی ارسال می کند. به طور معمول، در سیستم های بی سیم امواج رادیویی از فرستنده به گیرنده به شیوه ای مشابه با پرتوهای نوری ارسال می شوند. ممکن است برخی از پرتوها مستقیما به گیرنده برسند و برخی دیگر، از لابه لای درختان، درون ساختمان ها و خودرو ها عبور کنند. درهر حال موانع باعث تداخل ساختاری یا تضعیف قدرت سیگنال ها می شوند.

اگر هم زمان با وجود موانع، سرعت انتقال داده ها در کانال پایین باشد، ممکن است سیگنال تا ۱۰۰۰ برابر ( ۳۰ دسی بل) تضعبف شود. در همین حال اگر یک کانال داده ها را با سرعت بسیار بیشتری از بین موانع منتقل کند، تنها برخی از فرکانس ها تضعیف می شوند و نوسان کانال تغییر می یابد. در این موارد تنظیم کننده های پیچیده ای با اندازه گیری میزان تغییرات، آن ها را بی درنگ تصحیح می کنند. مزیت ویژه ی OFDM این است که طیف فرکانس را به کانال های زیادی تقسیم می کند که هم پوشانی دارند و سرعت انتقال داده آن قدر کم می شود که دیگر نیازی به تنظیم کننده نیست.

وایمکس ثابت با به اشتراک گذاری تمامی کانال ها به صورت هم زمان (TDMA)، پاسخگوی تعداد کثیر کاربران است. همچنین وایمکس ثابت از فرکانس های متفاوتی برای بارگیری و بارگذاری داده استفاده می کند؛ به گونه ای که هر یک از این فرآیندها به طور مستقلی انجام پذیر هستند. قابلیت مذکور، تقسیم فرکانس دو سویه یا FDD نام دارد. فناوری دیگری که در سیستم وایمکس گنجانده شده، آنتن های هوشمند است. OFDM برای تکنیک های آنتن های هوشمند، بسیار مناسب تر از شبکه‎های 3G حال حاضر است. آنتن های هوشمند می توانند پوشش، دامنه یا توان یک ایستگاه پایه را افزایش دهند.

سه باند فرکانس ۲٫۵، ۳٫۵ و ۵ گیگاهرتزی برای این استاندارد تعریف شده است.

در ادامه ی این مقاله، انواع شبکه ی ارتباطی 5G و کارکرد آن ها توصیف و نسل های مختلف از شبکه های موبایلی با هم مقایسه شدند.

پایه و اساس شبکه های ارتباطی بی سیم، امواج الکترومغناطیسی و به ویژه امواج رادیویی است. هنگامی که کاربر از گوشی خود پیامی را می فرستد یا به اینترنت متصل می شود یا حتی گوشی خود را روشن می کند، سیگنال های رادیویی به دستگاه فرستنده و گیرنده در ایستگاه پایه ارسال و سیگنال هایی دریافت می شود.

در نسل های 0G، 0.5G و 1G، تنها امکان مکالمه وجود داشت؛ اما در شبکه های جدیدتر، امکان اتصال به اینترنت، ارسال پیام متنی و پیام چندرسانه ای وجود دارد. شبکه های 2G برای ایجاد ارتباط، از فناوری های دسترسی همراه دیجیتال (digital mobile access technology) همچون TDMA و CDMA بهره می بردند. GSM به عنوان پرکاربردترین استاندارد، برای ایجاد ارتباطات چند سویه تا ۸ تماس در هر کانال و در باندهای ۹۰۰ و ۱۸۰۰ مگاهرتز از TDMA استفاده می کند. GSM نه تنها برقراری تماس را محقق، بلکه داده ها را در بیشینه سرعت ۱۴٫۴ کیلوبایت برثانیه منتقل می کند.

اتحادیه ی بین المللی ارتباطات از راه دور (ITU)، فناوری 3G را به عنوان طرحی برای پیاده سازی باند فرکانس جهانی در ۲۰۰۰ مگاهرتز تنظیم کرد. فناوری 3G به اپراتورها امکان می دهد علاوه بر دستیابی به ظرفیت بیشتر شبکه با افزایش نرخ داده های منتقل شده در پهنای باند، طیف گسترده تری از خدمات پیشرفته تر را برای کاربران مهیا کنند. فناوری های اصلی نسل سوم از شبکه ی ارتباطات، CDMA 2000 و WCDMA هستند.

پیش تر تفاوت شبکه ی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching) و سوئیچینگ بسته (Packet switching) گفته شد. در سیستم GSM، شبکه ی سوئیچسنگ مدار امکان تماس دو سویه و انتقال داده های سوئیچ شده در مدار را ایجاد می کند. حال آن که سرویس عمومی بسته های رادیویی یا شبکه ی GPRS) مربوط به شبکه ی 2.5G، علاوه بر استاندارد ارتباطی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching)، از دامنه ی سوئیچینگ بسته (Packet switching) استفاده می کند تا هم زمان با افزایش سرعت و نرخ داده های این شبکه ها، قابلیت سرویس های بسته محور را هم ایجاد کند.

با معرفی رمزگذاری 8PSK، شبکه ی GPRS به شبکه های EDGE تکامل یافت و نسل 2.75G ایجاد شد. همانگونه که پیش تر گفته شد، GSM از فناوری TDMA استفاده می کند که با تقسیم سیگنال ها به بازه های زمانی کوتاه، امکان استفاده ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می کند. حال به لطف روش های پیچیده تر رمزگذاری، یعنی 8PSK، شبکه ی EDGE در بازه های زمانی کوتاه مشابه با GSM، تا ۲۳۶٫۸ کیلوبیت درثانیه سرعت انتقال داده دارد. فناوری EDGE نسخه ای توسعه یافته از GSM است، ولی اجازه می دهد تا انتقال سریع تر و جمع و جورتری از داده ها و اطلاعات به وجود آید.

در ابتدای  مقاله، گفته شد که CDMA به هر کاربر کد خاصی را اختصاص می دهد تا کاربران به صورت چند سویه باهم ارتباط برقرار کنند. بر اساس اطلاعات درج شده در ادامه ی مقاله، نام CDMA2000، مجموعه ای از استانداردها است که مراحل تکامل این فناوری را نمایش می دهند. این استانداردها عبارت اند از: CDMA2000 1xRTT، 1X Advanced و CDMA2000 1xEV-DO. استاندارد W-CDMA در شبکه های 3G نیز، به اپراتورهای تلفن همراه امکان می دهد کاربری های با پهنای باند بالاتری از جمله دسترسی به اینترنت با پهنای باند بالا را ارائه دهند.

با اینکه W-CDMA همانند CDMA2000 از تکنیک DS-CDMA استفاده می کند، اما شبکه ی یادشده تنها نسخه ای با پهنای باند عریض تر از CDMA2000 نیست. درواقع، W-CDMA با طراحی جدید خود، از بسیاری جهات متمایز از CDMA2000 است. W-CDMA با مجموعه ی کامل ویژگی هایی که دارد، پروتکل مفصلی از چگونگی ارتباط تلفن همراه با ایستگاه پایه، نحوه ی تعدیل سیگنال ها و چگونگی ساخت دیتا گرام ها را ارائه می دهد. سرعت انتقال داده هنگام بارگیری در WCDMA و CDMA2000، به صورت تئوری ۱۹۲۰ کیلوبیت برثانیه و عملی ۳۸۴ کیلوبیت برثانیه است.

دسترسی پرسرعت بسته (HSPA)، تلفیقی از دو پروتکل موبایلی دسترسی پرسرعت به بسته ی Downlink به اختصار HSDPA و دسترسی پرسرعت به بسته ی Uplink یا به اختصار HSUPA است که با بهره گیری از پروتکل های W-CDMA، عملکرد شبکه های 3G را توسعه داده و بهبود می بخشد. HSDPA، نسل 3.5G از ارتباطات بی سیم و HSUPA، نسل 3.7G از ارتباطات بی سیم هستند. +HSPA یا HSPA تکامل یافته نیز، استاندارد بی سیمی از سیستم WCDMA برای ارتباطات پهن باند است.

همان گونه که در ادامه ی مقاله گفته شد، سرعت انتقال داده هنگام بارگیری در HSPA، HSDPA و HSUPA، از ۱۴ مگابیت برثانیه در سیستم های قدیمی تر تا ۲۰ مگابیت برثانیه در سیستم های نوین است. سرعت انتقال داده هنگام بارگذاری نیز، ۵٫۸ مگابیت برثانیه است. همچنین، در +HSPA، سرعت انتقال داده هنگام بارگیری ۴۲ مگابیت برثانیه و برای داده هایی که بارگذاری می شوند، ۱۱٫۵ مگابیت برثانیه است.

پیش تر گفته شد که LTE، استانداردی برای ارتباطات بی سیم با پهنای باند بالا برای دستگاه های موبایلی و ترمینال های داده، مبتنی بر سیستم های GSM/EDGE و UMTS/HSPA است. هدف LTE افزایش ظرفیت و سرعت شبکه های داده ی بی سیم، با استفاده از تکنیک ها و مدولاسیون های پردازش دیجیتال سیگنالی بود که در اوایل این هزاره توسعه یافتند. هدف دیگر LTE، طراحی مجدد و ساده سازی معماری شبکه برپایه ی سیستم پروتکل اینترنت (IP) با کاهش چشم گیر تأخیر در انتقال داده درقیاس با فناوری 3G بود. رابط بی سیم این نسل از فناوری های ارتباطی، بسیار متفاوت از شبکه های 2G و 3G است

بخش اعظم استاندارد LTE به روزرسانی از 3G UMTS به آن چیزی است که درنهایت فناوری ارتباطات موبایلی 4G نام گرفته است. در این سیستم، بسته به نوع تجهیزات مورد استفاده توسط کاربران، بیشترین نرخ بارگیری تا ۲۹۹٫۶ مگابیت برثانیه و نرخ بارگذاری حداکثر ۷۵٫۴ مگابیت برثانیه است.نوع دیگر شبکه ی LTE با نام LTE Advanced، برای ارائه ی خدماتی در سطح استاندارد یادشده توسعه یافت. در شبکه ی یادشده، سرعت انتقال داده هنگام بارگیری ۱۰۰۰ مگابایت و هنگام بارگذاری، ۵۰۰ مگابایت است.

نوع دوم از شبکه های 4G وایمکس است. وایمکس یک فناوری استاندارد محور متکی بر راه حل های اختصاصی است. محدوده ی پوشش دهی وایمکس ۷۰ کیلومتر و سرعت انتقال داده در آن، ۱۰۰ مگابیت برثانیه است. از دیدگاه تئوری، وایمکس مشابه با فناوری وای فای است؛ اما با سرعت های انتقال داده ی بالاتری در مسافت های طولانی تر، کاربران بیشتری را پوشش می دهد.

فناوری 5G

با بیشتر شدن تقاضا برای افزایش نرخ انتقال داده در ارتباطات موبایلی، شبکه ای با نام 5G، یعنی نسل پنجم ارتباطات بی سیم توسعه یافت. انتظار می رود این فناوری، نرخ انتقال داده ی بیشتر و گنجایش حجم بیشتری از ترافیک را داشته باشد، تحرک پذیری دستگاه های متصل را بالاتر ببرد، تأخیر کمتری در انتقال بسته های داده ایجاد کند و اتصال دستگاه های به مراتب بیشتری را میسر سازد. از این رو فناوری 5G، توجه جامعه علمی و عموم مردم را به خود جلب کرده است.

به عبارتی دیگر، شبکه های 5G، شبکه  ی سلولی هستند که در آن، ناحیه ای که ارائه دهندگان خدمات موبایلی پوشش می دهند، به مناطق جغرافیایی کوچک تر تقسیم شده است. در این شبکه، صداها و تصاویر آنالوگ با مبدل آنالوگ به دیجیتال دیجیتالیزه شده  و به جریان هایی از بیت ها تبدیل می شوند. تمامی دستگاه های بی سیم رادیویی در یک سلول، به وسیله ی مجموعه ای از آنتن های محلی و با امواج رادیویی و دستگاه کم قدرت خودکار فرستنده و گیرنده، روی کانال های فرکانسی که دستگاه یادشده از بین طیف عظیمی از فرکانس ها اختصاص داده است ارتباط برقرار می کنند.

آنتن های محلی با استفاده از پهنای باند فیبر نوری یا اتصال بی سیم، به شبکه ی PSTN و اینترنت متصل هستند. همچون شبکه های دیگر سلولی، ویژگی هندآف در شبکه ی 5G نیز پشتیبانی می شود.

طیف فرکانس در شبکه ی 5G، به موج های میلی متری، باند میانی و باند پایین تقسیم می شود. باند پایین، از فرکانس های مشابهی با نسل پیشین، یعنی 4G استفاده می کند. فناوری 5G موج میلی متری با نرخ انتقال داده ی واقعی بین یک تا دو گیگابیت برثانیه، سریع تر از نوع باند پایین است. فرکانس ها در نوع موج میلی متری بالاتر از ۲۴ گیگاهرتز و تا ۱۰۰ گیگاهرتز هستند که بیشتر از حد پایین باند فرکانس بسیار بالا است. پوشش دهی در این نوع پایین بوده و به سلول های بیشتری در ناحیه ای یکسان نیاز است فرکانس های موج میلی متری به سختی از دیوارها و پنجره ها عبور می کنند؛ درنتیجه، پوشش شبکه در مکان های پوشیده محدود است. همچنین آنتن های این نوع از فناوری 5G از آنتن های دیگر شبکه های سلولی کوچک تر هستند و تنها چند ده سانتی متر طول دارند.

نوع باند میانی در بیش از ۳۰ شبکه ی تلفن همراه در جهان، بیشترین توسعه را داشته است. سرعت انتقال داده در باند میانی ۱۰۰ مگاهرتزی، معمولا بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ مگابیت برثانیه است. در آزمایشگاه و گهگاه در میدان عمل، سرعت می تواند تا بیش از یک گیگابیت برثانیه باشد. فرکانس های این باند، بین ۲٫۴ تا ۴٫۲ گیگاهرتز است و هر کشور و شرکتی در باند خاص خودش این فناوری را استفاده می‎کند. باندهای میانی، پوشش دهی بالاتری دارند و درنتیجه، هزینه ی راه اندازیشان نزدیک به شبکه ی 4G است.

اپراتورهایی مانند ورایزن، AT&T و بیشتر ارائه دهندگان خدمات 5G در سال ۲۰۱۹ میلادی، تاخیرهایی بین ۲۵ تا ۳۵ میلی ثانیه را در شبکه هایشان تجربه کرده اند. تأخیر هوایی ( تأخیر بین گوشی و دکل مخابراتی) شبکه های 5G نیز در همین سال،  ۸ تا ۱۲ میلی ثانیه بود. فناوری های به کار رفته در شبکه ی 5G شامل استراتژی دسترسی چندگانه ی نوین، شبکه ی بسیار متراکم (ultra-dense networking)، سیستم حجیم MIMO (نوع معمولی MIMO در بخش دوم مقاله توضیح داده شد)، شبکه ی کامل و انعطا ف پذیر دو سویه و مواردی این چنینی است.

سیستم حجیم MIMO، برای اولین بار در اوایل سال ۲۰۱۶ میلادی برای شبکه ی 4G توسعه یافت. سیستم یادشده از ۳۲ تا ۱۲۸ آنتن کوچک در هر سلول استفاده می کند. در فرکانس ها و پیکربندی قابل قبول، این نوع MIMO کارایی را ۴ تا ۱۰ برابر بیشتر می کند. سیستم مذکور، چندین دنباله از داده ها برمبنای بایت را به صورت هم زمان منتقل می کند. در تکنیکی با نام beamforming، کامپیوتر ایستگاه پایه به صورت مداومی بهترین مسیر برای امواج رادیویی برای رسیدن به دستگاه های بی سیم را محاسبه می کند و آنتن های متعدد را برای کار با یکدیگر به عنوان یک رادار آرایه ی فازی جهت ایجاد پرتوهای موج های میلی متری که به دستگاه ها ارسال می شوند مدیریت می کند.

به عنوان یکی از فناوری های به کار رفته در شبکه ی 5G، سیستم حجیم MIMO نسبت به سیستم های معمولی MIMO، وضوح مکانی بیشتری را پدید می آورد. همچنین، کاربران بیشتری منابع زمانی و فرکانسی مشابهی را با بهره گیری از منابع مکانی بیشتر به دست می آورند که این نیز به خودیِ خود باعث بهره وری بیشتر در طیف فرکانس ها می شود. فناوری 5G توانایی پشتیبانی از یک میلیون دستگاه را در هر کیلومتر مربع دارا است؛ درهمین حال، شبکه ی 4G تنها از ۱۰۰ هزار کاربر در مساحتی مشابه پشتیبانی می کند.

5G NR

5G NR، نوعی فناوری دسترسی رادیویی جدید است که شرکت های 3GPP، آن را برای نسل پنجم از شبکه های موبایلی توسعه داده اند. فناوری یادشده به این جهت طراحی شده است که استانداردی جهانی برای رابط هوایی شبکه های 5G باشد. 5G NR از دو نوع شعاع فرکانسی باند زیر ۶ گیگاهرتز و موج میلی متری استفاده می کند. سیستم مذکور به دو صورت پیاده سازی می شود؛ حالت غیرمستقل (NSA) و حالت مستقل (SA). حالت NSA، وابسته به سطح کنترلی شبکه های حال حاضر LTE است و درهمین حال، نوع SA از سلول های 5G برای سیگنال دهی و انتقال اطلاعات استفاده می کند. تفاوت شبکه ی 5G NR با شبکه ی معمولی 5G، سرعت انتقال داده ی کمتر در 5G NR (نزدیک به LTE Advanced)، تعداد آنتن های کمتر و پهنای باند اختصاصی کمتر درقیاس با 5G است.

سرعت انتقال داده در فناوری 5G

سرعت انتقال داده در شبکه های نسل پنجم ارتباطات در مراحل ابتدایی توسعه، از ۵۰ مگابیت تا ۲ گیگابیت برثانیه است. سریع ترین نوع 5G که نوع موج میلی متری است، ۲ گیگابیت برثانیه یا فراتر از این میزان سرعت دارد

باند زیر ۶ گیگاهرتز یا همان باند میانی که رایج ترین نوع شبکه ی 5G تا بدین لحظه است، بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ مگابیت برثانیه سرعت انتقال داده دارد؛ ولی میزان پوشش دهی آن مخصوصا در فضای باز، به مراتب بیشتر از نوع موج میلی متری است. پوشش دهی طیف باند پایین 5G دورترین مناطق را شامل می شود؛ اما سرعت انتقال داده در آن، کمتر از سایر انواع 5G است.

تأخیر هوایی در نسل پنجم از شبکه ی ارتباطات بین ۸ تا ۱۲ میلی ثانیه است. تأخیر تا سرور نیز باید به تأخیر هوایی افزوده شود تا درک درستی از تأخیر کلی ارتباطات در 5G داشت. اپراتور ورایزن هنگام راه اندازی شبکه ی 5G ، تاخیری برابر با ۳۰ میلی ثانیه را گزارش کرده بود. به کارگیری سرورهای اج (Edge Servers) در نزدیکی دکل های مخابراتی، تأخیر در شبکه را کاهش داده و به میزان ۱۰ تا ۲۰ میلی ثانیه می رساند. رسیدن به حداقل تأخیر ۱ تا ۴ میلی ثانیه در شرایط خارج از آزمایشگاه، برای سال ها ممکن نخواهد بود.

برای توصیف سرورهای اج، نیاز به تجسم شبکه ها به شکل دایره یا کره است. در شبکه ها، گره ها یا سلول ها به هم متصل هستند. همچنین، برخی از این سلول ها به گره هایی از سایر شبکه ها متصل هستند. سرورهای اج، دستگاه هایی هستند که در حاشیه ی شبکه ی دیگر قرار دارند؛ ولی متعلق به شبکه های اول هستند. این نوع سرورها، ارتباط بین شبکه ها را تسهیل می کنند و تأخیر در انتقال داده را کاهش می دهند.

سرعت فناوری 5G NR در باندهای زیر ۶ گیگاهرتز، می تواند اندکی بالاتر از شبکه ی 4G باشد؛ با این حال در برخی موارد، سرعت انتقال داده در شبکه های پیشرفته ی 4G بیشتر از نوع باند میانی 5G NR است. برای مثال، سرعت انتقال داده در شبکه ی LTE/LAA اپراتور T-Mobile در بخش شهری منهتن نیویورک و شهر شیکاگو واقع در ایالات متحده، بیش از ۵۰۰ مگابیت برثانیه است.

پشته ی پروتکل و معماری شبکه ی 5G

معماری شبکه ی 5G شامل RAN، جمع کننده ، شبکه ی آی پی، نانو هسته (Nanocore)، رایانش ابری و مواردی مشابه است. در معماری شبکه ی 5G، شبکه های دسترسی رادیویی (RAN) از نانو هسته ی مشابهی برای ارتباطات آی پی مسطح استفاده می کنند. معماری آی پی مسطح (Flat IP) راهی برای شناسایی دستگاه های کاربران با نام های نمادین، متضاد با معماری «سلسله مراتب» است که برای مثال در آدرس های آی پی شماره ای استفاده می شود. Flat IP منجربه کاهش تعداد عناصر شبکه در مسیر تبادل داده و درنهایت، باعث کم شدن هزینه ها و تأخیر انتقال می شود. در معماری 5G، شبکه ی دسترسی رادیویی از سیستم های GSM، GPRS/EDGE، UMTS، LTE، LTE-advanced، وای مکس و وای فای پشتیبانی می کند.

جمع کننده، تمامی مسیرها و ترافیک RAN را جمع کرده و به سمت نوعی دروازه هدایت می کند. این بخش در داخل کنترلر شبکه ی رادیویی (RNC) یا کنترلر ایستگاه پایه (BSC) قرار دارد. Nanocore نیز شامل رایانش ابری، فناوری نانو و معماری مبتنی بر آی پی است. رایانش ابری از سرورهای مرکزی ازراه دور و محیط وب برای نگه داری اطلاعات و اپلیکیشن های کاربر استفاده می کند. این فناوری به کاربر نهایی اجازه می دهد بدون هیچ گونه نصبی، از اپلیکیشن استفاده کند و با استفاده از اینترنت، از هرگوشه ی جهان با هر کامپیوتری به فایل ها دسترسی داشته باشد.

برای توصیف پشته ی پروتکل شبکه ی 5G لازم است تا مدل OSI بیشتر بررسی شود. پیش تر گفته شد که OSI یک مدل مفهومی است که عملکردهای ارتباطی یک سیستم ارتباطی یا محاسباتی را بدون درنظرگرفتن ساختار داخلی و فناوری اصلی آن، توصیف و استانداردسازی می کند. نسخه ی اصلی از مدل یادشده هفت لایه دارد. این لایه ها عبارت اند از:

• ۷- لایه ی اپلیکیشن: این لایه در مدل OSI، نزدیک ترین لایه به کاربر نهایی است. درواقع، کاربران شبکه تعامل مستقیمی با اپلیکیشن هایی دارند که در این لایه کار می کنند. مرورگرها یا اپلیکیشن هایی مانند اسکایپ یا آفیس، نمونه هایی از برنامه هایی هستند که به لایه ی هفتم اتکا دارند. با این حال چنین اپلیکیشن هایی جزو لایه ی هفتم نیستند. درحقیقت، لایه ی اپلیکیشن مسئول پروتکل ها و مرتب کردن داده هایی است که نرم افزارهای کامپیوتر برای ارائه ی داده های معنی دار به کاربر به آن متکی هستند. پروتکل های یادشده HTTP و SMTP هستند.
• ۶- لایه ی ارائه: این لایه در درجه ی اول، وظیفه ی تهیه ی داده هایی را دارد که در لایه ی اپلیکیشن استفاده می شوند. به عبارت دیگر، لایه ی ارائه داده ها را برای استفاده در برنامه هایی نظیر مرورگر دردسترس قرار می دهد. همچنین، لایه ی ششم وظیفه ی ترجمه، رمزگذاری و فشرده سازی داده ها را برعهده دارد.
• ۵- لایه ی جلسه: این لایه ی مسئول ایجاد و قطع ارتباطات بین دو دستگاه است.زمان بین باز و بسته بودن ارتباطات با عنوان جلسه شناخته می شود. لایه پنجم، برای اطمینان از این نکته است که جلسه آن قدر باز باشد تا تمامی داده ها تبادل شوند و پس از تبادل داده ها، جلسه بلافاصله بسته شود تا از هدر رفتن منابع جلوگیری شود.
• ۴- لایه ی انتقال: لایه ی چهارم، وظیفه ی انتقال داده بین دو دستگاه را برعهده دارد. به عبارتی لایه ی انتقال، داده ها را از لایه ی جلسه می گیرد و آن را پیش از ارسال به لایه ی سوم، به بخش های کوچک تری تقسیم می کند. لایه ی انتقال در دستگاه گیرنده، مسئول سرهم کردن داده های تکه تکه شده برای استفاده در لایه ی جلسه است. همچنین، لایه مذکور خطاها و جریان اطلاعات را نیز کنترل می کند.
• ۳- لایه ی شبکه: لایه ی شبکه، مسئول تسهیل انتقال داده بین دو شبکه ی مختلف است. اگر دو دستگاهی که باهم داده تبادل می کنند روی شبکه ی یکسانی باشند، لایه ی شبکه بلااستفاده خواهد بود. لایه ی سوم در دستگاه فرستنده، اطلاعات بخش بندی شده در لایه ی چهارم را به واحدهای کوچک تری با نام بسته تقسیم می کند و در دستگاه گیرنده، بسته های داده را سرهم می کند. همچنین لایه ی شبکه، بهترین مسیر فیزیکی برای داده ها جهت رسیدن به مقصد را پیدا می کند؛ این فرایند، روتینگ نام دارد.
• ۲- لایه ی لینک داده: لایه ی لینک داده، بسیار شبیه به لایه ی شبکه است؛ جز اینکه این لایه، انتقال اطلاعات بین دو شبکه ی یکسان را تسهیل می کند. لایه ی لینک داده، بسته ها را از لایه ی شبکه می گیرد و آن ها را به بخش هایی کوچک تر با نام فریم تقسیم می کند. مانند لایه ی انتقال، لایه ی لینک داده نیز خطاها و جریان اطلاعات را در ارتباطات درون شبکه ای کنترل می کند.
• ۱- لایه ی فیزیکی: این لایه مسئول تجهیزات فیزیکی درگیر در انتقال داده ها مانند کابل ها و سوئیچ ها است. همچنین، داده ها در لایه ی فیزیکی تبدیل به جریان بیت ها می شود که رشته ای از صفر و یک ها است.

پشته ی پروتکل شبکه ی 5G از چهار لایه تشکیل شده است.

لایه ی OWA: لایه ی معماری بی سیم باز در پروتکل 5G، مشابه با لایه ی فیزیکی و لایه ی لینک داده ی مدل OSI است. OWA برنامه ریزی شده، به این جهت توسعه یافته است که برای ارائه ی استانداردهای مختلف ارتباط بی سیم فعلی ، ماژول های پردازشی باند پایه ی رابط باز را ارائه دهد.

لایه ی شبکه: این لایه، دو زیر لایه دارد؛ لایه ی شبکه زیرین و لایه ی شبکه ی بالایی. هدف از چنین لایه سازی، هدایت مستقیم داده از دستگاه یا سیستم آی پی منبع به دستگاه ارسال کننده ی امواج است. لایه ی شبکه در 5G همانند مدل OSI، مهم ترین لایه است؛ زیرا همان گونه که پیش تر گفته شد، بخش بندی و سرهم کردن داده ها را به صورت بسته برعهده دارد و از این رو، آدرس شبکه های دیگر را نیز به خوبی می داند. علاوه بر موارد یادشده، لایه ی شبکه با QoS نیز سروکار دارد.

لایه ی OTP: لایه ی OTP در مدل شبکه ی 5G، ترکیبی از لایه های جلسه و انتقال در مدل OSI است. لایه ی انتقال در شبکه ی بی سیم یا شبکه ی سلولی، پیکربندی متفاوتی درقیاس با شبکه های باسیم دارد. در شبکه های بی سیم، به دلیل بیشتر بودن نرخ خطای بیت در مقدار ثابتی از داده های منتقل شده، رابط بی سیم داده ها را از دست می دهد. برای حل چنین مشکلی، پروتکل و نسخه های مختلف TCP برای شبکه های سلولی یا بی سیم ارائه می شود که بسته های آسیب دیده و ازدست رفته ی TCP را دوباره با لینک های بی سیم یا سلولی ارسال می کند. برای ایستگاه های موبایل دارای قابلیت 5G، مناسب این است که لایه ی انتقال قابل بارگیری و نصب باشد. این تلفن های همراه، باید توانایی دانلود و نصب پروتکل های TCP، RTP و RTCP را داشته باشند که در فناوری های بی سیم قدیمی روی ایستگاه های پایه نصب می شد.

لایه ی اپلیکیشن: داده ها را به فرمت های مناسب مورد نیاز تبدیل می کند و برای رمزگذاری و رمزگشایی داده ها استفاده می شود. همچنین، قابلیت انتخاب بهترین شبکه ی بی سیم برای ارائه ی سرویس را دارد. همان گونه که پیش تر گفته شد، لایه ی اپلیکیشن، نزدیک ترین لایه به کاربر نهایی است. لایه ی یادشده، مرحله ی نهایی از انتقال داده است و داده ها در این لایه، با استفاده از رابط کاربری گرافیکی به کاربر نشان داده می شوند. جهت ایجاد سهولت برای کاربر نهایی در شبکه ی 5G، ممکن است تعامل با کاربر نهایی با ایجاد صوت درکنار جلوه های گرافیکی صورت گیرد.

طیف فرکانس های 5G

در چند  سال گذشته، مقادیر زیادی از طیف رادیویی جدید به فناوری 5G اختصاص داده شده است. به عنوان مثال، در ماه ژوئن سال ۲۰۱۶ میلادی کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات متحده (FCC)، امکان بهره گیری از مقادیر زیادی پهنای باند در طیف باند بالا که در کاربری های دیگری مورد استفاده بود را آزاد کرد. در اسنادی که FCC منتشر کرده، طیف فرکانس نوع موج میلی متری بدون مجوز دوبرابر شده و به ۱۴ گیگاهرتز رسیده است و چهاربرابر انعطاف پذیری بیشتری نسبت به طیف استفاده شده ای دارد که FCC تاکنون برای آن مجوز صادر کرده است.

در ماه مارس سال ۲۰۱۸ میلادی نیز، قانون گذاران اتحادیه ی اروپا موافقت کردند تا باند ۳٫۶ و ۲۶ گیگاهرتز را تا سال ۲۰۲۰ به شبکه ی 5G اختصاص دهند. براساس گزارش ها از ماه مارس سال ۲۰۱۹، پنجاه و دو کشور، سرزمین، منطقه ی مورد مناقشه قصد دارند گروه های خاصی از طیف امواج را برای پیاده سازی فناوری 5G معرفی کنند.

تکنیک های دسترسی چندگانه و شکل موج در 5G

همان گونه که در بخش های پیشین مقاله گفته شد، شکل موج مورد استفاده برای پیوند رادیویی در شبکه های دسترسی رادیویی، یکی از عناصر تعیین کننده در هر سیستم ارتباطی همراه است. در مرحله ی توسعه برای فناوری 5G، تکنیک های مختلفی از دسترسی چندگانه و شکل موج برای این شبکه درنظر گرفته شد؛ اما برای 5G NR، سیستم CP-OFDM یا به اصطلاح ODFM پیشوند چرخه ای همراه با سیستم DFT-s-OFDM انتخاب شدند. DFT-s-OFDM، سیستم دسترسی چندگانه ی ثابت متعامد توسعه یافته با تبدیل فوریه ی جداگانه است.

براساس گفته های پیشین، OFDM اجازه می دهد تا مقادیر بزرگی از داده های دیجیتال روی بخشی از طیف امواج رادیویی با راندمان بهتری از فناوری های بی سیم موجود منتقل شوند. OFDM با تقسیم سیگنال های رادیویی به چندین سیگنال کوچک، داده ها را به صورت هم زمان در سیگنال های مختلف به گیرنده منتقل می کند. همچنین نوع OFDMA این سیستم، دسترسی چندگانه را برای شبکه های موبایلی فراهم می کند.

سیستم دسترسی چندگانه ی ثابت متعامد، شکل موج بسیار مناسبی برای نوع LTE از ارتباطات نسل چهارم به شمار می رفت. این ویژگی در شبکه ی یادشده، بازدهی طیف بسیار خوبی را ارائه می کرد، می توان آن را با سطوح پردازشی حال حاضر در گوشی های هوشمند پردازش کرد و با جریان داده های پرسرعت که پهنای باند گسترده ای را اشغال می کنند به خوبی کار می کند. با این حال با پیشرفت های صورت گرفته در پردازش داده تا سال ۲۰۲۰، سیستم های دسترسی که پیش تر ذکر شد، برای شبکه ی 5G استفاده شدند.

در بحث ارتباطات، اصطلاح پیشوند چرخه ای به پیشوندسازی یک نماد با تکرار پایان نماد یادشده اشاره دارد. دستگاه گیرنده به طور معمول پیکربندی شده است تا نمونه های پیشوند چرخه ای را پاک کند، اما این تکنیک اهداف دیگری را دنبال می کند. اول اینکه، با ایجاد فاصله بین نمادها، از تداخل با نماد پیشین جلوگیری می کند. ثانیا با تکرار قسمت پایانی نماد، پیچش خطی کانال چندمسیره ی فرکانس اختصاص یافته را به عنوان پیچش مدور شبیه سازی می کند.

استفاده از شکل موج های جدید، مزایای بسیاری برای شبکه ی 5G به همراه دارد. OFDM به پیشوند چرخه ای نیاز دارد تا فضای بین جریان داده ها بی استفاده نماند. یکی از ملزومات مهم در شبکه ی 5G، دردسترس بودن میزان کافی از قدرت پردازش است. با اینکه قانون مور در فرم اولیه ی خود، درباره ی اندازه ی تراشه ها به محدودیت هایی برخورده است و پیشرفت های بیشتر در زمینه ی کوچک ترسازی ابعاد پس از مدتی بعید به نظر می رسد، تکنیک های دیگری درحال توسعه است که باعث خواهند شد روح قانون مور ادامه یابد و قدرت پردازشی بیشتر شود.

سیستم CP-OFDM یا به اصطلاح ODFM پیشوند چرخه ای

این نسخه ی خاص از ODFM که در سیگنال های ارسال شده از ایستگاه پایه به دستگاه موبایل (Downlink) در شبکه ی 5G استفاده می شود، مشابه با شکل موجی است که شبکه ی LTE برای Downlink استفاده می کند. درون CP OFDM، آخرین بخش از داده های ODFM به اولین بخش ضمیمه شده است و طول پیشوند چرخه ای بیشتر از سرعت افزایش تأخیر کانال اختصاص یافته است.

سیگنال های ارسال شده از دستگاه موبایل به ایستگاه پایه (Uplink) در شبکه های 5G، نوع دیگری از دسترسی چندگانه را درقیاس با LTE استفاده می کند. در فناوری 5G، شکل موج مبتنی بر CP-OFDM و DFT-s-OFDM در سیگنال های Uplink به کار می رود. علاوه بر این، شبکه ی 5G استفاده از کانال های تخصیص داده شده با فضای بیشتری را فراهم می کند. کانال ها در فناوری LTE، معمولا ۱۵ کیلوهرتز فضا دارند؛ ولی در شبکه ی 5G این فضا به ۲۴۰ کیلوهرتز می رسد. استفاده از فضای انعطاف پذیر برای کانال ها، برای پشتیبانی بهتر از باندهای طیف ها و مدل های پیاده سازی است که 5G بدان نیاز دارد.

DFT-s-OFDM یا سیستم دسترسی چندگانه ی ثابت متعامد توسعه یافته با تبدیل فوریه ی جداگانه

تبدیل فوریه، نامیده شده به اسم ریاضیدانِ فرانسوی ژوزف فوریه، یک تبدیل انتگرالی است که هر تابع (ƒ(t  را به یک تابع دیگر (F(w منعکس می کند. در این صورت به (F(w، تبدیل فوریه ی تابع (ƒ(t می گویند. OFDM توسعه یافته با تبدیل فوریه ی جداگانه که به صورت مختصر به آن DFT-s-OFDM گفته می شود، یک طرح شبیه یک انتقال حامل منفرد (فناوری EDGE) است که می تواند با OFDM ترکیب شود تا انعطاف پذیری قابل توجهی را برای یک سیستم ارتباطی موبایل مانند 5G ارائه دهد. این تکنیک بیشتر به عنوان SC-FDMA شناخته می شود.

نوع پردازش سیگنال های انتقالی در SC-FDMA بسیار شبیه به OFDMA است. برای هر کاربر، دنباله ای از بیت ها به صورت برجی پیچیده از نمادها منتقل می شود. درمرحله ی بعد، به هر کاربر ضرایب مختلفی از فوریه اختصاص داده می شود. درست همانند OFDMA، با ایجاد فاصله بین نمادها، از تداخل با نماد پیشین جلوگیری به عمل می آید.

مقایسه ی نسل های مختلف از ارتباطات بی سیم

پوشش دهی

پوشش سلول های شبکه های مختلف، یعنی فاصله ی دستگاه موبایلی که توانایی اتصال به ایستگاه پایه را دارد، مقدار ثابتی نیست و به عوامل و فاکتورهای مختلفی همچون طول آنتن ها، فرکانس های مورد استفاده، نرخ انتقال داده، قدرت دستگاه فرستنده وگیرنده و دیگر موارد بستگی دارد. با این حال می توان شعاع تقریبی پوشش دهی در انواع شبکه ها را شرح داد. سیستم GSM به دلیل محدودیت های فناوری، در بهترین حالت ۷۵ کیلومتر شعاع آنتن دهی دارد. ایستگاه پایه در شبکه های 3G، 4G و باند پایین و میانی فناوری 5G بین ۵۰ تا ۱۵۰ کیلومتر پوشش دهی دارد. حال آن که، پوشش دهی نوع موج میلی متری 5G بین ۲۵۰ تا ۳۰۰ متر است. همچنین زیرساخت های فناوری 5G هنوز توسعه نیافته و در بسیاری از کشورها هنوز در مرحله ی آزمایش است.

نرخ انتقال داده و میزان تأخیر

هر نسل جدید از فناوری های ارتباطی نسبت به نسل پیشین خود سرعت انتقال داده ی بیشتری دارد. البته افزایش سرعت انتقال داده، با بالا بردن طیف فرکانس محقق می شود و استفاده از فرکانس های بالاتر، مستلزم زیرساخت های جدید و تعداد بیشتر آنتن ها در هر سلول است؛ از این رو حتی در نوع باند پایین و باند میانی 5G، سرعت داده با نوع پیشرفته ی فناوری LTE چندان تفاوتی ندارد. بیشترین سرعت انتقال داده، مربوط به نوع موج میلی متری از شبکه ی 5G است که در حالت عملیاتی، بین یک تا دو گیگابیت داده را جابه جا می کند. اما درنهایت هدف نسل پنجم از ارتباطات تلفن همراه، دستیابی به سرعت ۲۰ گیگابیت برثانیه است.

با اینکه میزان تأخیر به عوامل بسیاری وابسته است، تأخیر در انتقال محتوا، رفته رفته در نسل های جدید از فناوری های ارتباطی کمرنگ تر شده است. البته تأخیر نسبتا بالای فناوری 5G، باتوجه به ابتدایی بودن مراحل توسعه ی آن، قابل چشم پوشی است. امید می رود تأخیر در شبکه ی یادشده، طی سال های آینده کمتر شود و به یک میلی ثانیه برسد. پهنای باند زیر با افزایش تقاضا، نسل به نسل افزایش یافته است. با پابه عرصه گذاشتن فناوری 5G، بیشتر افراد به سمت استفاده از شبکه ی مذکور گام خواهند گذاشت؛ ولی باتوجه به زیرساخت های عظیم مورد نیاز برای پیاده سازی این فناوری، هزینه ی استفاده از آن نیز نسبت به دیگر شبکه ها بالا خواهد بود. درنهایت هر شخصی باید با نظر به کاربری خود، شبکه ای که برای ارتباطات استفاده می کند را انتخاب کند و این هزینه ها خواهند بود که به شبکه های تلفن همراه ارجحیت می دهند.

منبع: زومیت.