تیمهایی که محصولات اینترنت اشیاء مبتنی بر شبکه سلولار (Cellular IoT) را توسعه میدهند، بهخوبی میدانند که انتخاب استاندارد مناسب ارتباطات سلولار، یکی از مهمترین عوامل موفقیت یک محصول است. با این حال، انبوه اصطلاحات و مخففهایی که مجموعه استانداردهای 5G را تشکیل میدهند، این انتخاب را چندان ساده نمیکند.
استانداردهای 5G در 3GPP چگونه تکامل پیدا کردند؟
فناوری 5G نسبت به 4G یک جهش بزرگ محسوب میشود. در نگاه اول ممکن است تصور شود که 5G تنها یک استاندارد واحد است، اما واقعیت بسیار پیچیدهتر از این است. همانطور که 4G به مرور زمان به مجموعهای از استانداردهای مختلف تبدیل شد، 5G نیز به اکوسیستمی از فناوریها تبدیل شده که هرکدام مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند.
از دید کاربران عادی، 5G صرفاً نسخهای سریعتر از 4G است؛ اما برای توسعهدهندگان محصولات، نسل پنجم ارتباطات به بستری انعطافپذیر تبدیل شده که از کاربردهای بسیار پرسرعت تا تجهیزات فوقکممصرف اینترنت اشیاء را پشتیبانی میکند.
تکامل استانداردهای 5G بهصورت مرحلهای و بر اساس نسخههای منتشرشده توسط 3GPP (پروژه مشارکت نسل سوم) انجام شده است. مرور این نسخهها کمک میکند بهتر درک کنیم که هر قابلیت جدید چه زمانی به 5G اضافه شده است.
نسخههای 15 و 16 (3GPP Release 15 & 16)
این نسخهها پایه و اساس فناوری 5G را شکل دادند و معماری New Radio (NR) را معرفی کردند. تمرکز اصلی آنها بر دو ویژگی بود:
- افزایش چشمگیر سرعت انتقال داده (eMBB)
- کاهش بسیار زیاد تأخیر ارتباط نسبت به 4G از طریق استاندارد URLLC یا ارتباطات فوقمطمئن با تأخیر بسیار کم
نسخه 17 (3GPP Release 17)
در این نسخه دو فناوری مهم دیگر معرفی شدند:
- RedCap که نسخهای سبکتر و کمهزینهتر از 5G است و امکان استفاده از 5G را در طیف وسیعتری از تجهیزات اینترنت اشیاء فراهم میکند.
- NTN (Non-Terrestrial Network) که ارتباط مستقیم تجهیزات 5G با ماهوارهها را امکانپذیر میسازد.
نسخه 18 (3GPP Release 18)
این نسخه را میتوان آغاز نسل 5G Advanced دانست. مهمترین قابلیتهای اضافهشده عبارتاند از:
- ادغام هوش مصنوعی در شبکه
- افزایش بهرهوری انرژی
- فراهم شدن موقعیتیابی بسیار دقیق با استفاده از شبکه 5G
در واقع، از نسخه 15 تا 18 هیچ استانداردی حذف نشده است؛ بلکه هر نسخه، قابلیتهای بیشتری را به مجموعه استانداردهای 5G اضافه کرده و آن را کاملتر ساخته است.
آشنایی با اصطلاحات NR، eMBB و URLLC
NR (New Radio)
NR یا رادیوی جدید، فناوری پایهای 5G است و در نهایت جایگزین کامل LTE خواهد شد.
این استاندارد مشخص میکند دستگاههای مجهز به 5G، از جمله تجهیزات اینترنت اشیاء، چگونه دادهها را روی شبکه سلولار ارسال و دریافت کنند.
به بیان ساده، NR ستون فقرات فناوری 5G محسوب میشود.
eMBB (Enhanced Mobile Broadband)
یکی از مهمترین اهداف 5G افزایش پهنای باند است.
استاندارد eMBB این امکان را فراهم میکند که کاربردهایی مانند:
- پخش ویدئوهای 4K و 8K
- واقعیت مجازی (VR)
- واقعیت افزوده (AR)
- محیطهای شهری پرتراکم با تعداد زیاد کاربران
بدون مشکل از پهنای باند بسیار بالای شبکه استفاده کنند.
URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications)
شاید جذابترین بخش 5G برای بسیاری از کاربردهای صنعتی و اینترنت اشیاء، استاندارد URLLC باشد.
هدف این استاندارد عبارت است از:
- تأخیر حدود 1 میلیثانیه
- قابلیت دسترسپذیری 99.999 درصد
این ویژگیها امکان استفاده از 5G را در کاربردهای بسیار حساس فراهم میکنند؛ مانند:
- خودروهای خودران
- جراحی از راه دور
- سیستمهای پایش حیاتی
- اتوماسیون صنعتی
اگرچه URLLC در نسخه 15 معرفی شد، اما در نسخه 16 قابلیتهای آن برای کاربردهای حیاتی توسعه بیشتری پیدا کرد.
تمام تجهیزات سازگار با 5G بهصورت پیشفرض از NR پشتیبانی میکنند؛ اما eMBB و URLLC مشخص میکنند که شبکه و دستگاه برای چه نوع کاربردی بهینه شدهاند.
RedCap؛ راهکاری برای رفع محدودیتهای اینترنت اشیاء
اگرچه استانداردهای اولیه 5G امکانات بسیار زیادی فراهم کردند، اما همچنان اجرای کامل آنها نیازمند سختافزار نسبتاً قدرتمندی بود؛ موضوعی که برای بسیاری از تجهیزات کوچک اینترنت اشیاء مناسب نیست.
در پاسخ به این نیاز، نسخه 17 استاندارد RedCap یا Reduced Capability معرفی شد.
پیش از آن، فناوریهای NB-IoT و LTE-M برای تجهیزات سبک مانند حسگرها استفاده میشدند، اما این فناوریها برای کاربردهایی مانند ارسال ویدئوی HD مناسب نبودند.
RedCap که پیشتر با نام NR-Light شناخته میشد، دقیقاً برای پر کردن این فاصله طراحی شده است.
RedCap چه تغییراتی ایجاد میکند؟
در استاندارد معمولی 5G، یک دستگاه باید حداقل از چهار آنتن استفاده کند تا الزامات NR را برآورده سازد.
RedCap این تعداد را به یک یا دو آنتن کاهش میدهد که مزایای زیر را به همراه دارد:
- طراحی دستگاههای کوچکتر
- کاهش مصرف انرژی
- کاهش هزینه تولید
- حفظ بخش عمده مزایای 5G
علاوه بر این، RedCap نیاز پردازشی مودم را نیز کاهش میدهد.
در حالی که 5G معمولی از کانال 100 مگاهرتزی استفاده میکند، RedCap با 20 مگاهرتز نیز قابل اجراست.
در نتیجه، تجهیزات اینترنت اشیاء میتوانند با سختافزار سادهتر و هزینه کمتر تولید شوند؛ موضوعی که در پروژههای بزرگ مبتنی بر eSIM اهمیت زیادی دارد.
امروزه نیز بهتدریج ماژولهای RedCap در حال جایگزینی تجهیزات LTE Cat-1 و LTE Cat-4 هستند.
گام بعدی؛ 5G Advanced
با بلوغ فناوری 5G، نسخههای جدید 3GPP همچنان قابلیتهای تازهای به آن اضافه میکنند.
نسخههای 18، 19 و 20 تحت عنوان 5G Advanced شناخته میشوند.
هدف اصلی این نسل، سریعتر، هوشمندتر و بهینهتر کردن شبکه 5G است.
هوش مصنوعی در قلب شبکه
5G Advanced از هوش مصنوعی برای بهینهسازی بخشهای مختلف شبکه استفاده میکند، از جمله:
- مدیریت Beam
- تخمین کانال
- موقعیتیابی کاربران
این قابلیتها بهویژه در محیطهای شلوغ یا دارای شرایط متغیر رادیویی باعث مدیریت بهتر منابع شبکه میشوند و نیاز به تنظیمات دستی را کاهش میدهند.
افزایش سرعت ارسال داده (Uplink)
نسخههای اولیه 5G بیشتر روی سرعت دانلود تمرکز داشتند، زیرا بیشتر کاربردهای رایج به دانلود وابسته هستند.
اما بسیاری از تجهیزات اینترنت اشیاء مانند:
- دوربینهای نظارتی
- تجهیزات تصویربرداری صنعتی
بیشتر داده را به سمت شبکه ارسال میکنند.
5G Advanced با بهینهسازی تخصیص اسلاتهای زمانی، سرعت آپلود را به شکل محسوسی افزایش میدهد.
موقعیتیابی دقیقتر
نسخه 18 تلاش میکند وابستگی تجهیزات به سامانههای موقعیتیابی ماهوارهای (GNSS) را کاهش دهد.
در محیطهای داخلی یا مناطق شهری متراکم، شبکه 5G میتواند موقعیت دستگاه را در کمتر از 100 میلیثانیه تعیین کند.
5G Advanced قابلیت eDRX (Extended Discontinuous Reception) را بهبود داده است.
به کمک این فناوری، تجهیزاتی که نیازی به اتصال دائمی به شبکه ندارند، میتوانند مدت بیشتری در حالت کممصرف باقی بمانند و عمر باتری آنها افزایش یابد.
مصرف انرژی کمتر
5G Advanced قابلیت eDRX (Extended Discontinuous Reception) را بهبود داده است.
به کمک این فناوری، تجهیزاتی که نیازی به اتصال دائمی به شبکه ندارند، میتوانند مدت بیشتری در حالت کممصرف باقی بمانند و عمر باتری آنها افزایش یابد.
معرفی eRedCap
نسخه 5G Advanced همچنین استاندارد eRedCap را معرفی میکند.
اگر RedCap جانشین LTE Cat-4 باشد، eRedCap را میتوان جایگزین LTE Cat-1 دانست.
ویژگیهای اصلی eRedCap عبارتاند از:
- کاهش سرعت اوج انتقال داده به حدود 10 مگابیت بر ثانیه
- کاهش پهنای باند موردنیاز به تنها 5 مگاهرتز
هدف از این فناوری، فراهم کردن بستری اقتصادی برای گسترش گسترده اینترنت اشیاء سلولار است.
آیا NB-IoT و LTE-M جزو استانداردهای 5G هستند؟
پاسخ کوتاه خیر است.
اگرچه این دو فناوری بسیاری از نیازهای اینترنت اشیاء را پوشش میدهند، اما از نظر فنی همچنان بخشی از استاندارد 4G LTE محسوب میشوند.
NB-IoT
این فناوری در نسخه 13 استاندارد 3GPP معرفی شد.
مهمترین ویژگی آن، پوشش بسیار گسترده است.
NB-IoT میتواند در مکانهایی ارتباط برقرار کند که سایر فناوریهای سلولار عملکرد مناسبی ندارند؛ مانند:
- زیرزمینها
- تونلها
- زیرساختهای مدفون
- مناطق دورافتاده
LTE-M
LTE-M نسبت به NB-IoT پهنای باند و سرعت بیشتری ارائه میدهد.
همچنین از قابلیتهایی مانند:
- تماس صوتی VoLTE
- جابهجایی بین سلولهای مخابراتی
پشتیبانی میکند و برای تجهیزاتی مانند:
- خودروهای متصل
- ردیابها
- تجهیزات پزشکی پوشیدنی
گزینه مناسبی است.
البته یک نکته وجود دارد.
اتحادیه بینالمللی مخابرات ITU هر دو فناوری NB-IoT و LTE-M را در چارچوب IMT-2020 بهعنوان فناوریهای اینترنت اشیاء نسل پنجم طبقهبندی کرده است.
بنابراین، از نظر طبقهبندی بینالمللی میتوان آنها را بخشی از اکوسیستم 5G دانست، اما از نظر معماری رادیویی همچنان بر پایه فناوری 4G توسعه یافتهاند.
حرکت به سوی 6G
دنیای فناوری هیچگاه متوقف نمیشود و نسل بعدی ارتباطات سلولار، یعنی 6G، نیز در حال شکلگیری است.
اگرچه هنوز به مرحله بهرهبرداری تجاری نرسیده، اما روند استانداردسازی آن با سرعت ادامه دارد.
اتحادیه بینالمللی مخابرات (ITU) در سال 2023 سند IMT-2030 را بهعنوان نقشه راه رسمی 6G تصویب کرد.
چشمانداز این فناوری شامل موارد زیر است:
- سرعتهایی در حد ترابیت بر ثانیه
- تأخیر کمتر از 100 میکروثانیه
- ادغام کامل ارتباطات، هوش مصنوعی، حسگرها و شبکه در یک بستر یکپارچه
انتظار میرود نسخه 3GPP Release 21 در حدود سال 2028 منتشر شود و استفاده تجاری از 6G نیز احتمالاً از 2030 به بعد آغاز خواهد شد.
بنابراین، اگر در حال توسعه یک محصول اینترنت اشیاء مبتنی بر شبکه سلولار هستید، بهتر است روند پیشرفت 6G را دنبال کنید تا با قابلیتهای آینده آشنا باشید؛ اما در حال حاضر این فناوری هنوز به مرحلهای نرسیده که بتوان آن را در پروژههای عملی به کار گرفت.
جمعبندی
هنگام طراحی یک پروژه Cellular IoT باید به این نکته توجه داشت که استانداردهای 5G یک مسیر خطی نیستند که همیشه نسخه جدیدتر، بهترین انتخاب باشد.
برای مثال، RedCap نشان میدهد که گاهی کاهش قابلیتهای یک استاندارد، دقیقاً همان چیزی است که یک کاربرد اینترنت اشیاء به آن نیاز دارد.
در انتخاب استاندارد مناسب، بهتر است به این پرسشها پاسخ دهید:
- چه نوع دادهای ارسال میشود و با چه حجمی؟
برای مثال، دوربینی که ویدئوی 4K ارسال میکند به پهنای باند بسیار بیشتری نسبت به یک کنتور هوشمند نیاز دارد که هر چند ثانیه تنها چند ده یا چند صد بایت داده ارسال میکند. در چنین کاربردهایی، eRedCap میتواند انتخابی بهینهتر باشد. - دستگاه ثابت است یا متحرک و در چه محیطی کار میکند؟
تجهیزاتی که در محیطهای سرپوشیده، زیرزمین یا مناطق دورافتاده نصب میشوند، معمولاً با NB-IoT عملکرد بهتری خواهند داشت. در مقابل، برای محیطهای صنعتی، شهرهای پرتراکم یا کاربردهایی که به سرعت بیشتری نیاز دارند، 5G RedCap گزینه مناسبتری است.
استفاده از استانداردی فراتر از نیاز واقعی پروژه، تنها باعث افزایش پیچیدگی سختافزار، هزینه تولید و کاهش رقابتپذیری محصول خواهد شد.
در نهایت، شناخت روند تکامل نسخههای مختلف 3GPP و درک ارتباط میان استانداردهای مختلف 5G، به شما کمک میکند هنگام طراحی محصولات اینترنت اشیاء، تصمیمهایی آگاهانهتر و آیندهنگرانهتر بگیرید؛ تصمیمهایی که میتوانند تا سالهای آینده نیز پاسخگوی نیازهای پروژه باشند.
بدون دیدگاه