شبکه های موبایلی چگونه کار می کنند؟ (بخش سوم و پایانی)

در این مقاله، انواع شبکه‌ی ارتباطی 5G و کارکرد آن‌ها توصیف و نسل‌های مختلف از شبکه‌های موبایلی با هم مقایسه شدند.

در بخش اول و دوم مقاله‌ی «شبکه‌های موبایلی چگونه کار می‌کنند» توضیح داده شد که دکل‌های مخابراتی چگونه سیگنال‌های تلفن همراه را ردیابی و دریافت می‌کنند. در این مقالات، انواع شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم 0G، 0.5G، 1G، 2G، 2.5G، 2.7G، 4G، 3.75G، 3.5G و 3G و کارکرد آن‌ها توصیف و شبکه‌های پرکاربردی چون EDGE، GSM، GPRS، WCDMA، LTE و وایمکس واکاوی شد. درابتدا لازم است مختصری از بخش اول و دوم مقاله گفته شود، تا بتوان تمامی شبکه‌ها را به‌صورت یک‌جا مقایسه کرد.

پایه‌واساس شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم، امواج الکترومغناطیسی و به‌ویژه امواج رادیویی است. هنگامی‌که کاربر از گوشی خود پیامی را می‌فرستند یا به اینترنت متصل می‌شود یا حتی گوشی خود را روشن می‌کند، سیگنال‌های رادیویی به دستگاه فرستنده‌و‌گیرنده در ایستگاه پایه ارسال و سیگنال‌هایی دریافت می‌شود.

در نسل‌های 0G، 0.5G و 1G، تنها امکان مکالمه وجود داشت؛ اما در شبکه‌های جدیدتر، امکان اتصال به اینترنت، ارسال پیام متنی و پیام چندرسانه‌ای وجود دارد. شبکه‌های 2G برای ایجاد ارتباط، از فناوری‌های دسترسی همراه دیجیتال (digital mobile access technology) همچون TDMA و CDMA بهره می‌بردند. GSM به‌عنوان پرکاربردترین استاندارد، برای ایجاد ارتباطات چندسویه تا ۸ تماس در هر کانال و در باندهای ۹۰۰ و ۱۸۰۰ مگاهرتز از TDMA استفاده می‌کند. GSM نه‌تنها برقراری تماس را محقق، بلکه داده‌ها را در بیشینه سرعت ۱۴٫۴ کیلوبایت‌برثانیه منتقل می‌کند.

اتحادیه‌ی بین‌المللی ارتباطات از راه دور (ITU)، فناوری 3G را به‌عنوان طرحی برای پیاده‌سازی باند فرکانس جهانی در ۲۰۰۰ مگاهرتز تنظیم کرد. فناوری 3G به اپراتورها امکان می‌دهد علاوه‌بر دستیابی به ظرفیت بیشتر شبکه با افزایش نرخ داده‌های منتقل‌شده در پهنای باند، طیف گسترده‌تری از خدمات پیشرفته‌تر را برای کاربران مهیا کنند. فناوری‌های اصلی نسل سوم از شبکه‌ی ارتباطات، CDMA 2000 و WCDMA هستند.

پیش‌تر تفاوت شبکه‌ی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching) و سوئیچینگ بسته (Packet switching) گفته شد. در سیستم GSM، شبکه‌ی سوئیچسنگ مدار امکان تماس دوسویه و انتقال داده‌های سوئیچ‌شده در مدار را ایجاد می‌کند. حال آن‌که سرویس عمومی بسته‌های رادیویی یا شبکه‌ی GPRS) مربوط‌به شبکه‌ی 2.5G، علاوه‌بر استاندارد ارتباطی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching)، از دامنه‌ی سوئیچینگ بسته (Packet switching) استفاده می‌کند تا هم‌زمان با افزایش سرعت و نرخ داده‌های این شبکه‌ها، قابلیت سرویس‌های بسته‌محور را هم ایجاد کند.

با معرفی رمزگذاری 8PSK، شبکه‌ی GPRS به شبکه‌های EDGE تکامل یافت و نسل 2.75G ایجاد شد. هما‌نگونه که پیش‌تر گفته شد، GSM از فناوری TDMA استفاده می‌کند که با تقسیم سیگنال‌ها به بازه‌های زمانی کوتاه، امکان استفاده‌ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می‌کند. حال به‌لطف روش‌های پیچیده‌تر رمزگذاری، یعنی 8PSK، شبکه‌ی EDGE در بازه‌های زمانی کوتاه مشابه‌با GSM، تا ۲۳۶٫۸ کیلوبیت‌درثانیه سرعت انتقال داده دارد. فناوری EDGE نسخه‌ای توسعه‌یافته از GSM است، ولی اجازه می‌دهد تا انتقال سریع‌تر و جمع‌وجورتری از داده‌ها و اطلاعات به‌وجود آید.

در قسمت اول مقاله، گفته شد که CDMA به هر کاربر کد خاصی را اختصاص می‌دهد تا کاربران به‌صورت چندسویه باهم ارتباط برقرار کنند. براساس اطلاعات درج‌شده در بخش دوم مقاله، نام CDMA2000، مجموعه‌ای از استانداردها است که مراحل تکامل این فناوری را نمایش می‌دهند. این استانداردها عبارت‌اند از: CDMA2000 1xRTT، 1X Advanced و CDMA2000 1xEV-DO. استاندارد W-CDMA در شبکه‌های 3G نیز، به اپراتورهای تلفن همراه امکان می‌دهد کاربری‌های 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 می‌کند، اما شبکه‌ی یادشده تنها نسخه‌ای با پهنای باند عریض‌تر از CDMA2000 نیست. درواقع، W-CDMA با طراحی جدید خود، از بسیاری جهات متمایز از CDMA2000 است. W-CDMA با مجموعه‌ی کامل ویژگی‌هایی که دارد، پروتکل مفصلی از چگونگی ارتباط تلفن همراه‌با ایستگاه پایه، نحوه‌ی تعدیل سیگنال‌ها و چگونگی ساخت دیتاگرام‌ها را ارائه می‌دهد. سرعت انتقال داده هنگام بارگیری در WCDMA و CDMA2000، به‌صورت تئوری ۱۹۲۰ کیلوبیت‌برثانیه و عملی ۳۸۴ کیلوبیت‌برثانیه است.

دسترسی پرسرعت بسته (HSPA)، تلفیقی از دو پروتکل موبایلی دسترسی پرسرعت به بسته‌ی Downlink به‌اختصار HSDPA و دسترسی پرسرعت به بسته‌ی Uplink یا به‌اختصار HSUPA است که با بهره‌گیری از پروتکل‌های W-CDMA، عملکرد شبکه‌های 3G را توسعه داده و بهبود می‌بخشد. HSDPA، نسل 3.5G از ارتباطات بی‌سیم و HSUPA، نسل 3.7G از ارتباطات بی‌سیم هستند. +HSPA یا HSPA تکامل‌یافته نیز، استاندارد بی‌سیمی از سیستم WCDMA برای ارتباطات پهن‌باند است.

همان‌گونه که در بخش دوم مقاله گفته شد، سرعت انتقال داده هنگام بارگیری در HSPA، HSDPA و HSUPA، از ۱۴ مگابیت‌برثانیه در سیستم‌های قدیمی‌تر تا ۲۰ مگابیت‌برثانیه در سیستم‌های نوین است. سرعت انتقال داده هنگام بارگذاری نیز، ۵٫۸ مگابیت‌برثانیه است. همچنین، در +HSPA، سرعت انتقال داده هنگام بارگیری ۴۲ مگابیت‌برثانیه و برای داده‌هایی که بارگذاری می‌شوند، ۱۱٫۵ مگابیت‌برثانیه است.

پیش‌تر گفته شد که LTE، استانداردی برای ارتباطات بی‌سیم با پهنای باند بالا برای دستگاه‌های موبایلی و ترمینال‌های داده، مبتنی‌بر سیستم‌های GSM/EDGE و UMTS/HSPA است. هدف LTE افزایش ظرفیت و سرعت شبکه‌های داده‌ی بی‌سیم، با استفاده از تکنیک‌ها و مدولاسیون‌های پردازش دیجیتال سیگنالی بود که در اوایل این هزاره توسعه یافتند. هدف دیگر LTE، طراحی مجدد و ساده‌سازی معماری شبکه برپایه‌ی سیستم پروتکل اینترنت (IP) با کاهش چشم‌گیر تأخیر در انتقال داده درقیاس‌با فناوری 3G بود. رابط بی‌سیم این نسل از فناوری‌های ارتباطی، بسیار متفاوت از شبکه‌های 2G و 3G است

بخش اعظم استاندارد LTE به‌روزرسانی از 3G UMTS به آن‌چیزی است که درنهایت فناوری ارتباطات موبایلی 4G نام گرفته است. در این سیستم، بسته‌به نوع تجهیزات مورد استفاده توسط کاربران، بیشترین نرخ بارگیری تا ۲۹۹٫۶ مگابیت‌برثانیه و نرخ بارگذاری حداکثر ۷۵٫۴ مگابیت‌برثانیه است.نوع دیگر شبکه‌ی LTE با نام LTE Advanced، برای ارائه‌ی خدماتی در سطح استاندارد یادشده توسعه یافت. در شبکه‌ی یادشده، سرعت انتقال داده هنگام بارگیری ۱۰۰۰ مگابایت و هنگام بارگذاری، ۵۰۰ مگابایت است.

نوع دوم از شبکه‌های 4G وایمکس است. وایمکس یک فناوری استاندارد‌محور متکی‌بر راه‌حل‌های اختصاصی است. محدوده‌ی پوشش‌دهی وایمکس ۷۰ کیلومتر و سرعت انتقال داده در آن، ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه است. از دیدگاه تئوری، وایمکس مشابه‌با فناوری وای‌فای است؛ اما با سرعت‌های انتقال داده‌ی بالاتری در مسافت‌های طولانی‌تر، کاربران بیشتری را پوشش می‌دهد.

فناوری 5G

با بیشتر شدن تقاضا برای افزایش نرخ انتقال داده در ارتباطات موبایلی، شبکه‌ای با نام 5G، یعنی نسل پنجم ارتباطات بی‌سیم توسعه یافت. انتظار می‌رود این فناوری، نرخ انتقال داده‌ی بیشتر و گنجایش حجم بیشتری از ترافیک را داشته باشد، تحرک‌پذیری دستگاه‌های متصل را بالاتر ببرد، تأخیر کمتری در انتقال بسته‌های داده ایجاد کند و اتصال دستگاه‌های به‌مراتب بیشتری را میسر سازد. ازاین‌رو فناوری 5G، توجه جامعه علمی و عموم مردم را به‌خود جلب کرده است.

به‌عبارتی دیگر، شبکه‌های 5G، شبکه‌‌ی سلولی هستند که در آن، ناحیه‌ای که ارائه‌دهندگان خدمات موبایلی پوشش می‌دهند، به مناطق جغرافیایی کوچک‌تر تقسیم شده است. در این شبکه، صداها و تصاویر آنالوگ با مبدل آنالوگ به دیجیتال دیجیتالیزه شده‌ و به جریان‌هایی از بیت‌ها تبدیل می‌شوند. تمامی دستگاه‌های بی‌سیم رادیویی در یک سلول، به‌وسیله‌ی مجموعه‌ای از آنتن‌های محلی و با امواج رادیویی و دستگاه کم‌قدرت خودکار فرستنده‌و‌گیرنده، روی کانال‌های فرکانسی که دستگاه یادشده از بین طیف عظیمی از فرکانس‌ها اختصاص داده است ارتباط برقرار می‌کنند. 

آنتن‌های محلی با استفاده از پهنای باند فیبر نوری یا اتصال بی‌سیم، به شبکه‌ی PSTN (در بخش اول مقاله توضیح داده شد) و اینترنت متصل هستند. همچون شبکه‌های دیگر سلولی، ویژگی هندآف در شبکه‌ی 5G نیز پشتیبانی می‌شود.

طیف فرکانس در شبکه‌ی 5G، به موج‌های میلی‌متری، باند میانی و باند پایین تقسیم می‌شود. باند پایین، از فرکانس‌های مشابهی با نسل پیشین، یعنی 4G استفاده می‌کند. فناوری 5G موج میلی‌متری با نرخ انتقال داده‌ی واقعی بین یک تا دو گیگابیت‌برثانیه، سریع‌تر از نوع باند پایین است. فرکانس‌ها در نوع موج میلی‌متری بالاتر از ۲۴ گیگاهرتز و تا ۱۰۰ گیگاهرتز هستند که بیشتر از حد پایین باند فرکانس بسیار بالا است. پوشش‌دهی در این نوع پایین بوده و به سلول‌های بیشتری در ناحیه‌ای یکسان نیاز است (در بخش اول مقاله، مفهوم و کاربرد سلول توضیح داده شد). فرکانس‌های موج‌میلی‌متری به‌سختی از دیوارها و پنجره‌ها عبور می‌کنند؛ درنتیجه، پوشش شبکه در مکان‌های پوشیده محدود است. همچنین آنتن‌های این نوع از فناوری 5G از آنتن‌های دیگر شبکه‌های سلولی کوچک‌تر هستند و تنها چند ده سانتی‌متر طول دارند.

نوع باند میانی در بیش از ۳۰ شبکه‌ی تلفن همراه در جهان، بیشترین توسعه را داشته است. سرعت انتقال داده در باند میانی ۱۰۰ مگاهرتزی، معمولا بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ مگابیت‌برثانیه است. در آزمایشگاه و گهگاه در میدان عمل، سرعت می‌تواند تا بیش از یک گیگابیت‌برثانیه باشد. فرکانس‌های 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، پوشش‌دهی بالاتری دارند و درنتیجه، هزینه‌ی راه‌اندازیشان نزدیک به شبکه‌ی 4G است.

اپراتورهایی مانند ورایزن، AT&T و بیشتر ارائه‌دهندگان خدمات 5G در سال ۲۰۱۹ میلادی، تاخیرهایی بین ۲۵ تا ۳۵ میلی‌ثانیه را در شبکه‌هایشان تجربه کرده‌اند. تأخیر هوایی ( تأخیر بین گوشی و دکل مخابراتی) شبکه‌های 5G نیز در همین سال،‌ ۸ تا ۱۲ میلی‌ثانیه بود. فناوری‌های به‌کاررفته در شبکه‌ی 5G شامل استراتژی دسترسی چندگانه‌ی نوین، شبکه‌ی بسیار متراکم (ultra-dense networking)، سیستم حجیم MIMO (نوع معمولی MIMO در بخش دوم مقاله توضیح داده شد)، شبکه‌ی کامل و انعطا‌ف‌پذیر دوسویه و مواردی این‌چنینی است.

سیستم حجیم MIMO، برای اولین‌بار در اوایل سال ۲۰۱۶ میلادی برای شبکه‌ی 4G توسعه یافت. سیستم یادشده از ۳۲ تا ۱۲۸ آنتن کوچک در هر سلول استفاده می‌کند. در فرکانس‌ها و پیکربندی قابل‌قبول، این نوع MIMO کارایی را ۴ تا ۱۰ برابر بیشتر می‌کند. سیستم مذکور، چندین دنباله از داده‌ها برمبنای بایت را به‌صورت هم‌زمان منتقل می‌کند. در تکنیکی با نام beamforming، کامپیوتر ایستگاه پایه به‌صورت مداومی بهترین مسیر برای امواج رادیویی برای رسیدن به دستگاه‌های بی‌سیم را محاسبه می‌کند و آنتن‌های متعدد را برای کار با یکدیگر به‌عنوان یک رادار آرایه‌ی فازی جهت ایجاد پرتوهای موج‌های میلی‌متری که به دستگاه‌ها ارسال می‌شوند مدیریت می‌کند.

به‌عنوان یکی از فناوری‌های به‌کاررفته در شبکه‌ی 5G، سیستم حجیم MIMO نسبت‌به سیستم‌های معمولی MIMO، وضوح مکانی بیشتری را پدید می‌آورد. همچنین، کاربران بیشتری منابع زمانی و فرکانسی مشابهی را با بهره‌گیری از منابع مکانی بیشتر به‌دست می‌آورند که این نیز به‌خودیِ‌خود باعث بهره‌وری بیشتر در طیف فرکانس‌ها می‌شود. فناوری 5G توانایی پشتیبانی از یک‌میلیون دستگاه را در هر کیلومتر مربع دارا است؛ درهمین‌حال، شبکه‌ی 4G تنها از ۱۰۰ هزار کاربر در مساحتی مشابه پشتیبانی می‌کند.

5G NR

5G NR، نوعی فناوری دسترسی رادیویی جدید است که شرکت‌های 3GPP، آن را برای نسل پنجم از شبکه‌های موبایلی توسعه داده‌اند. فناوری یادشده به این جهت طراحی شده است که استانداردی جهانی برای رابط هوایی شبکه‌های 5G باشد. 5G NR از دو نوع شعاع فرکانسی باند زیر ۶ گیگاهرتز و موج‌میلی‌متری استفاده می‌کند. سیستم مذکور به دو صورت پیاده‌سازی می‌شود؛ حالت غیرمستقل (NSA) و حالت مستقل (SA). حالت NSA، وابسته‌به سطح کنترلی شبکه‌های حال‌حاضر LTE است و درهمین‌حال، نوع SA از سلول‌های 5G برای سیگنال‌دهی و انتقال اطلاعات استفاده می‌کند. تفاوت شبکه‌ی 5G NR با شبکه‌ی معمولی 5G، سرعت انتقال داده‌ی کمتر در 5G NR (نزدیک به LTE Advanced)، تعداد آنتن‌های کمتر و پهنای باند اختصاصی کمتر درقیاس‌با 5G است.

سرعت انتقال داده در فناوری 5G

سرعت انتقال داده در شبکه‌های نسل پنجم ارتباطات در مراحل ابتدایی توسعه، از ۵۰ مگابیت تا ۲ گیگابیت‌برثانیه است. سریع‌ترین نوع 5G که نوع موج‌میلی‌متری است، ۲ گیگابیت‌برثانیه یا فراتر از این میزان سرعت دارد

باند زیر ۶ گیگاهرتز یا همان باند میانی که رایج‌ترین نوع شبکه‌ی 5G تابدین لحظه است، بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ مگابیت‌برثانیه سرعت انتقال داده دارد؛ ولی میزان پوشش‌دهی آن مخصوصا در فضای باز، به‌مراتب بیشتر از نوع موج میلی‌متری است. پوشش‌دهی طیف باند پایین 5G دورترین مناطق را شامل می‌شود؛ اما سرعت انتقال داده در آن، کمتر از سایر انواع 5G است.

تأخیر هوایی در نسل پنجم از شبکه‌ی ارتباطات بین ۸ تا ۱۲ میلی‌ثانیه است. تأخیر تا سرور نیز باید به تأخیر هوایی افزوده شود تا درک درستی از تأخیر کلی ارتباطات در 5G داشت. اپراتور ورایزن هنگام راه‌اندازی شبکه‌ی 5G ، تاخیری برابر با ۳۰ میلی‌ثانیه را گزارش کرده بود. به‌کارگیری سرورهای اج (Edge Servers) در نزدیکی دکل‌های مخابراتی، تأخیر در شبکه را کاهش داده و به‌میزان ۱۰ تا ۲۰ میلی‌ثانیه می‌رساند. رسیدن به حداقل تأخیر ۱ تا ۴ میلی‌ثانیه در شرایط خارج از آزمایشگاه، برای سال‌ها ممکن نخواهد بود.

برای توصیف سرورهای اج، نیاز به تجسم شبکه‌ها به‌شکل دایره یا کره است. در شبکه‌ها، گره‌ها یا سلول‌ها به‌هم متصل هستند. همچنین، برخی از این سلول‌ها به گره‌هایی از سایر شبکه‌ها متصل هستند. سرورهای اج، دستگاه‌هایی هستند که در حاشیه‌ی شبکه‌ی دیگر قرار دارند؛ ولی متعلق‌به شبکه‌های اول هستند. این نوع سرورها، ارتباط بین شبکه‌ها را تسهیل می‌کنند و تأخیر در انتقال داده را کاهش می‌دهند.

سرعت فناوری 5G NR در باندهای زیر ۶ گیگاهرتز، می‌تواند اندکی بالاتر از شبکه‌ی 4G باشد؛ بااین‌حال در برخی موارد، سرعت انتقال داده در شبکه‌های پیشرفته‌ی 4G بیشتر از نوع باند میانی 5G NR است. برای مثال، سرعت انتقال داده در شبکه‌ی LTE/LAA اپراتور T-Mobile در بخش شهری منهتن نیویورک و شهر شیکاگو واقع در ایالات متحده، بیش از ۵۰۰ مگابیت‌برثانیه است.

پشته‌ی پروتکل و معماری شبکه‌ی 5G

معماری شبکه‌ی 5G شامل RAN (دربخش اول مقاله توضیح داده شد)، جمع‌کننده‌، شبکه‌ی آی‌پی، نانوهسته (Nanocore)، رایانش ابری و مواردی مشابه است. در معماری شبکه‌ی 5G، شبکه‌های دسترسی رادیویی (RAN) از نانوهسته‌ی مشابهی برای ارتباطات آی‌پی مسطح استفاده می‌کنند. معماری آی‌پی مسطح (Flat IP) راهی برای شناسایی دستگاه‌های کاربران با نام‌های نمادین، متضاد با معماری «سلسله‌مراتب» است که برای مثال در آدرس‌های آی‌پی شماره‌ای استفاده می‌شود. Flat IP منجربه کاهش تعداد عناصر شبکه در مسیر تبادل داده و درنهایت، باعث کم‌شدن هزینه‌ها و تأخیر انتقال می‌شود. در معماری 5G، شبکه‌ی دسترسی رادیویی از سیستم‌های GSM، GPRS/EDGE، UMTS، LTE، LTE-advanced، وای‌مکس و وای‌فای پشتیبانی می‌کند.

جمع‌کننده، تمامی مسیرها و ترافیک RAN را جمع کرده و به‌سمت نوعی دروازه هدایت می‌کند. این بخش در داخل کنترلر شبکه‌ی رادیویی (RNC) یا کنترلر ایستگاه پایه (BSC) قرار دارد. Nanocore نیز شامل رایانش ابری، فناوری نانو و معماری مبتنی‌بر آی‌پی است. رایانش ابری از سرورهای مرکزی ازراه‌دور و محیط وب برای نگه‌داری اطلاعات و اپلیکیشن‌های کاربر استفاده می‌کند. این فناوری به کاربر نهایی اجازه می‌دهد بدون هیچ‌گونه نصبی، از اپلیکیشن استفاده کند و با استفاده از اینترنت، از هرگوشه‌ی جهان با هر کامپیوتری به فایل‌ها دسترسی داشته باشد.

برای توصیف پشته‌ی پروتکل شبکه‌ی 5G لازم است تا مدل OSI بیشتر بررسی شود. پیش‌تر در بخش دوم از مقاله، 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 می‌کند. نسخه‌ی اصلی از مدل یادشده هفت لایه دارد. این لایه‌ها عبارت‌اند از:

• ۷- لایه‌ی اپلیکیشن: این لایه در مدل OSI، نزدیک‌ترین لایه به کاربر نهایی است. درواقع، کاربران شبکه تعامل مستقیمی با اپلیکیشن‌هایی دارند که در این لایه کار می‌کنند. مرورگرها یا اپلیکیشن‌هایی مانند اسکایپ یا آفیس، نمونه‌هایی از برنامه‌هایی هستند که به لایه‌ی هفتم اتکا دارند. بااین‌حال چنین اپلیکیشن‌هایی جزو لایه‌ی هفتم نیستند. درحقیقت، لایه‌ی اپلیکیشن مسئول پروتکل‌ها و مرتب‌کردن داده‌هایی است که نرم‌افزارهای کامپیوتر برای ارائه‌ی داده‌های معنی‌دار به کاربر به آن متکی هستند. پروتکل‌های یادشده HTTP و SMTP هستند.
• ۶- لایه‌ی ارائه: این لایه در درجه‌ی اول، وظیفه‌ی تهیه‌ی داده‌هایی را دارد که در لایه‌ی اپلیکیشن استفاده می‌شوند. به‌عبارت دیگر، لایه‌ی ارائه داده‌ها را برای استفاده در برنامه‌هایی نظیر مرورگر دردسترس قرار می‌دهد. همچنین، لایه‌ی ششم وظیفه‌ی ترجمه، رمزگذاری و فشرده‌سازی داده‌ها را برعهده دارد.
• ۵- لایه‌ی جلسه: این لایه‌ی مسئول ایجاد و قطع ارتباطات بین دو دستگاه است.زمان بین باز و بسته‌بودن ارتباطات باعنوان جلسه شناخته می‌شود. لایه پنجم، برای اطمینان از این نکته است که جلسه آن‌قدر‌ باز باشد تا تمامی داده‌ها تبادل شوند و پس از تبادل داده‌ها، جلسه بلافاصله بسته شود تا از هدر رفتن منابع جلوگیری شود.
• ۴- لایه‌ی انتقال: لایه‌ی چهارم، وظیفه‌ی انتقال داده بین دو دستگاه را برعهده دارد. به‌عبارتی لایه‌ی انتقال، داده‌ها را از لایه‌ی جلسه می‌گیرد و آن‌را پیش از ارسال به لایه‌ی سوم، به بخش‌های کوچک‌تری تقسیم می‌کند. لایه‌ی انتقال در دستگاه گیرنده، مسئول سرهم‌کردن داده‌های تکه‌تکه‌شده برای استفاده در لایه‌ی جلسه است. همچنین، لایه مذکور خطاها و جریان اطلاعات را نیز کنترل می‌کند.
• ۳- لایه‌ی شبکه: لایه‌ی شبکه، مسئول تسهیل انتقال داده بین دو شبکه‌ی مختلف است. اگر دو دستگاهی که باهم داده تبادل می‌کنند روی شبکه‌ی یکسانی باشند، لایه‌ی شبکه بلااستفاده خواهد بود. لایه‌ی سوم در دستگاه فرستنده، اطلاعات بخش‌بندی‌شده در لایه‌ی چهارم را به واحدهای کوچک‌تری با نام بسته تقسیم می‌کند و در دستگاه گیرنده، بسته‌های داده را سرهم می‌کند. همچنین لایه‌ی شبکه، بهترین مسیر فیزیکی برای داده‌ها جهت رسیدن به مقصد را پیدا می‌کند؛ این فرایند، روتینگ نام دارد.
• ۲- لایه‌ی لینک داده: لایه‌ی لینک داده، بسیار شبیه‌به لایه‌ی شبکه است؛ جز اینکه این لایه، انتقال اطلاعات بین دو شبکه‌ی یکسان را تسهیل می‌کند. لایه‌ی لینک داده، بسته‌ها را از لایه‌ی شبکه می‌گیرد و آن‌ها را به بخش‌هایی کوچک‌تر با نام فریم تقسیم می‌کند. مانند لایه‌ی انتقال، لایه‌ی لینک داده نیز خطاها و جریان اطلاعات را در ارتباطات درون شبکه‌ای کنترل می‌کند.
• ۱- لایه‌ی فیزیکی: این لایه مسئول تجهیزات فیزیکی درگیر در انتقال داده‌ها مانند کابل‌ها و سوئیچ‌ها است. همچنین، داده‌ها در لایه‌ی فیزیکی تبدیل‌به جریان بیت‌ها می‌شود که رشته‌ای از صفرویک‌ها است.

پشته‌ی پروتکل شبکه‌ی 5G از چهار لایه تشکیل شده است. در شکل بالا، مقایسه‌ی این پروتکل با مدل مرجع ارتباط سامانه‌های باز (OSI) و پشته‌ی TCP/IP آمده است. 

لایه‌ی OWA: لایه‌ی معماری بی‌سیم باز در پروتکل 5G، مشابه با لایه‌ی فیزیکی و لایه‌ی لینک داده‌ی مدل OSI است. OWA برنامه‌ریزی‌شده، به این جهت توسعه یافته است که برای ارائه‌ی استانداردهای مختلف ارتباط بی‌سیم فعلی‌، ماژول‌های پردازشی باند پایه‌ی رابط باز را ارائه دهد.

لایه‌ی شبکه: این لایه، دو زیر لایه دارد؛ لایه‌ی شبکه زیرین و لایه‌ی شبکه‌ی بالایی. هدف از چنین لایه‌سازی، هدایت مستقیم داده از دستگاه یا سیستم آی‌پی منبع به دستگاه ارسال‌کننده‌ی امواج است. لایه‌ی شبکه در 5G همانند مدل OSI، مهم‌ترین لایه است؛ زیرا همان‌گونه که پیش‌تر گفته شد، بخش‌بندی و سرهم‌کردن داده‌ها را به‌صورت بسته برعهده دارد و ازاین‌رو، آدرس شبکه‌های دیگر را نیز به‌خوبی می‌داند. علاوه‌بر موارد یادشده، لایه‌ی شبکه با QoS (در بخش دوم مقاله توضیح داده شد) نیز سروکار دارد.

لایه‌ی OTP: لایه‌ی OTP در مدل شبکه‌ی 5G، ترکیبی از لایه‌های جلسه و انتقال در مدل OSI است. لایه‌ی انتقال در شبکه‌ی بی‌سیم یا شبکه‌ی سلولی، پیکربندی متفاوتی درقیاس‌با شبکه‌های باسیم دارد. در شبکه‌های بی‌سیم، به‌دلیل بیشتر بودن نرخ خطای بیت در مقدار ثابتی از داده‌های منتقل‌شده، رابط بی‌سیم داده‌ها را از دست می‌دهد. برای حل چنین مشکلی، پروتکل و نسخه‌های مختلف TCP برای شبکه‌های سلولی یا بی‌سیم ارائه می‌شود که بسته‌های آسیب‌دیده و ازدست‌رفته‌ی TCP را دوباره با لینک‌های بی‌سیم یا سلولی ارسال می‌کند. برای ایستگاه‌های موبایل دارای قابلیت 5G، مناسب این است که لایه‌ی انتقال قابل بارگیری و نصب باشد. این تلفن‌های همراه، باید توانایی دانلود و نصب پروتکل‌های TCP، RTP و RTCP را داشته باشند که در فناوری‌های بی‌سیم قدیمی روی ایستگاه‌های پایه نصب می‌شد.

لایه‌ی اپلیکیشن: داده‌ها را به فرمت‌های مناسب موردنیاز تبدیل می‌کند و برای رمزگذاری و رمزگشایی داده‌ها استفاده می‌شود. همچنین، قابلیت انتخاب بهترین شبکه‌ی بی‌سیم برای ارائه‌ی سرویس را دارد. همان‌گونه که پیش‌تر گفته شد، لایه‌ی اپلیکیشن، نزدیک‌ترین لایه به کاربر نهایی است. لایه‌ی یادشده، مرحله‌ی نهایی از انتقال داده است و داده‌ها در این لایه، با استفاده از رابط کاربری گرافیکی به کاربر نشان داده می‌شوند. جهت ایجاد سهولت برای کاربر نهایی در شبکه‌ی 5G، ممکن است تعامل با کاربر نهایی با ایجاد صوت درکنار جلوه‌های گرافیکی صورت گیرد.

طیف فرکانس‌های 5G

در چند‌ سال گذشته، مقادیر زیادی از طیف رادیویی جدید به فناوری 5G اختصاص داده شده است. به‌عنوان مثال، در ماه ژوئن سال ۲۰۱۶ میلادی کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات متحده (FCC)، امکان بهره‌گیری از مقادیر زیادی پهنای باند در طیف باند بالا که در کاربری‌های دیگری مورد استفاده بود را آزاد کرد. در اسنادی که FCC منتشر کرده، طیف فرکانس نوع موج‌میلی‌متری بدون مجوز دوبرابر شده و به ۱۴ گیگاهرتز رسیده است و چهاربرابر انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت‌به طیف استفاده‌شده‌ای دارد که FCC تاکنون برای آن مجوز صادر کرده است.

در ماه مارس سال ۲۰۱۸ میلادی نیز، قانون‌گذاران اتحادیه‌ی اروپا موافقت کردند تا باند ۳٫۶ و ۲۶ گیگاهرتز را تا سال ۲۰۲۰ به شبکه‌ی 5G اختصاص دهند. براساس گزارش‌ها از ماه مارس سال ۲۰۱۹، پنجاه‌ودو کشور، سرزمین، منطقه‌ی موردمناقشه قصد دارند گروه‌های خاصی از طیف امواج را برای پیاده‌سازی فناوری 5G معرفی کنند.

تکنیک‌های دسترسی چندگانه و شکل موج در 5G

همان‌گونه که در بخش‌های پیشین مقاله گفته شد، شکل موج مورداستفاده برای پیوند رادیویی در شبکه‌های دسترسی رادیویی، یکی  از عناصر تعیین‌کنند در هر سیستم ارتباطی همراه است. در مرحله‌ی توسعه برای فناوری 5G، تکنیک‌های مختلفی از دسترسی چندگانه و شکل موج برای این شبکه درنظر گرفته شد؛ اما برای 5G NR، سیستم CP-OFDM یا به‌اصطلاح ODFM پیشوند چرخه‌ای همراه‌با سیستم DFT-s-OFDM انتخاب شدند. DFT-s-OFDM، سیستم دسترسی چندگانه‌ی ثابت متعامد توسعه‌یافته با تبدیل فوریه‌ی جداگانه است.

براساس گفته‌های پیشین، OFDM اجازه می‌دهد تا مقادیر بزرگی از داده‌های دیجیتال روی بخشی از طیف امواج رادیویی با راندمان بهتری از فناوری‌های بی‌سیم موجود منتقل شوند. OFDM با تقسیم سیگنال‌های رادیویی به چندین سیگنال کوچک، داده‌ها را به‌صورت هم‌زمان در سیگنال‌های مختلف به گیرنده منتقل می‌کند. همچنین نوع OFDMA این سیستم، دسترسی چندگانه را برای شبکه‌های موبایلی فراهم می‌کند.

سیستم دسترسی چندگانه‌ی ثابت متعامد، شکل موج بسیار مناسبی برای نوع LTE از ارتباطات نسل چهارم به‌شمار می‌رفت. این ویژگی در شبکه‌ی یادشده، بازدهی طیف بسیار خوبی را ارائه می‌کرد، می‌توان آن را با سطوح پردازشی حال‌حاضر در گوشی‌های هوشمند پردازش کرد و با جریان داده‌های پرسرعت که پهنای باند گسترده‌ای را اشغال می‌کنند به‌خوبی کار می‌کند. بااین‌حال با پیشرفت‌های صورت‌گرفته در پردازش داده تا سال ۲۰۲۰، سیستم‌های دسترسی که پیش‌تر ذکر شد، برای شبکه‌ی 5G استفاده شدند.

در بحث ارتباطات، اصطلاح پیشوند چرخه‌ای به پیشوندسازی یک نماد با تکرار پایان نماد یادشده اشاره دارد. دستگاه گیرنده به‌طور معمول پیکربندی شده است تا نمونه‌های پیشوند چرخه‌ای را پاک کند، اما این تکنیک اهداف دیگری را دنبال می‌کند. اول اینکه، با ایجاد فاصله بین نمادها، از تداخل با نماد پیشین جلوگیری می‌کند. ثانیا با تکرار قسمت پایانی نماد، پیچش خطی کانال چندمسیره‌ی فرکانس اختصاص‌یافته را به‌عنوان پیچش مدور شبیه‌سازی می‌کند.

استفاده از شکل موج‌های جدید، مزایای بسیاری برای شبکه‌ی 5G به‌همراه دارد. OFDM به پیشوند چرخه‌ای نیاز دارد تا فضای بین جریان داده‌ها بی‌استفاده نماند. یکی‌از ملزومات مهم در شبکه‌ی 5G، دردسترس‌بودن میزان کافی از قدرت پردازش است. با اینکه قانون مور در فرم اولیه‌ی خود، درباره‌ی اندازه‌ی تراشه‌ها به محدودیت‌هایی برخورده است و پیشرفت‌های بیشتر در زمینه‌ی کوچک‌ترسازی ابعاد پس از مدتی بعید به‌نظر می‌رسد، تکنیک‌های دیگری درحال توسعه است که باعث خواهند شد روح قانون مور ادامه یابد و قدرت پردازشی بیشتر شود.

سیستم CP-OFDM یا به‌اصطلاح ODFM پیشوند چرخه‌ای

این نسخه‌ی خاص از ODFM که در سیگنال‌های ارسال‌شده از ایستگاه پایه به دستگاه موبایل (Downlink) در شبکه‌ی 5G استفاده می‌شود، مشابه با شکل موجی است که شبکه‌ی LTE برای Downlink استفاده می‌کند. درون CP OFDM، آخرین بخش از داده‌های ODFM به اولین‌بخش ضمیمه شده است و طول پیشوند چرخه‌ای بیشتر از سرعت افزایش تأخیر کانال اختصاص‌یافته است.

سیگنال‌های ارسال‌شده از دستگاه موبایل به ایستگاه پایه (Uplink) در شبکه‌های 5G، نوع دیگری از دسترسی چندگانه را درقیاس‌با LTE‌ استفاده می‌کند. در فناوری 5G، شکل موج مبتنی‌بر CP-OFDM و DFT-s-OFDM در سیگنال‌های Uplink به کار می‌رود. علاوه‌براین، شبکه‌ی 5G استفاده از کانال‌های تخصیص‌داده‌شده با فضای بیشتری را فراهم می‌کند. کانال‌ها در فناوری LTE، معمولا ۱۵ کیلوهرتز فضا دارند؛ ولی در شبکه‌ی 5G این فضا به ۲۴۰ کیلوهرتز می‌رسد. استفاده از فضای انعطاف‌پذیر برای کانال‌ها، برای پشتیبانی بهتر از باندهای طیف‌ها و مدل‌های پیاده‌سازی است که 5G بدان نیاز دارد.

DFT-s-OFDM یا سیستم دسترسی چندگانه‌ی ثابت متعامد توسعه‌یافته با تبدیل فوریه‌ی جداگانه

تبدیل فوریه، نامیده‌شده به اسم ریاضیدانِ فرانسوی ژوزف فوریه، یک تبدیل انتگرالی است که هر تابع (ƒ(t  را به یک تابع دیگر (F(w منعکس می‌کند. در این صورت به (F(w، تبدیل فوریه‌ی تابع (ƒ(t می‌گویند. OFDM توسعه‌یافته با تبدیل فوریه‌ی جداگانه که به‌صورت مختصر به آن DFT-s-OFDM گفته می‌شود، یک طرح شبیه‌یه انتقال حامل منفرد (فناوری EDGE) است که می‌تواند با OFDM ترکیب شود تا انعطاف‌پذیری قابل‌توجهی را برای یک سیستم ارتباطی موبایل مانند 5G ارائه دهد. این تکنیک بیشتر به‌عنوان SC-FDMA شناخته می‌شود.

نوع پردازش سیگنال‌های انتقالی در SC-FDMA بسیار شبیه‌به OFDMA است. برای هر کاربر، دنباله‌ای از بیت‌ها به‌صورت برجی پیچیده از نمادها منتقل می‌شود. درمرحله‌ی بعد، به هر کاربر ضرایب مختلفی از فوریه اختصاص داده می‌شود. درست همانند OFDMA، با ایجاد فاصله بین نمادها، از تداخل با نماد پیشین جلوگیری به‌عمل می‌آید.

 مقایسه‌ی نسل‌های مختلف از ارتباطات بی‌سیم

پوشش‌دهی

پوشش سلول‌های شبکه‌های مختلف، یعنی فاصله‌ی دستگاه موبایلی که توانایی اتصال به ایستگاه پایه را دارد، مقدار ثابتی نیست و به عوامل و فاکتورهای مختلفی همچون طول آنتن‌ها، فرکانس‌های مورد استفاده، نرخ انتقال داده، قدرت دستگاه فرستنده‌وگیرنده و دیگر موارد بستگی دارد. بااین‌حال می‌توان شعاع تقریبی پوشش‌دهی در انواع شبکه‌ها را شرح داد. سیستم GSM به دلیل محدودیت‌های فناوری، در بهترین حالت ۷۵ کیلومتر شعاع آنتن‌دهی دارد. ایستگاه پایه در شبکه‌های 3G، 4G و باند پایین و میانی فناوری 5G بین ۵۰ تا ۱۵۰ کیلومتر پوشش‌دهی دارد. حال آن‌که، پوشش‌دهی نوع موج میلی‌متری 5G بین ۲۵۰ تا ۳۰۰ متر است. همچنین زیرساخت‌های فناوری 5G هنوز توسعه نیافته و در بسیاری از کشورها هنوز در مرحله‌ی آزمایش است.

نرخ انتقال داده و میزان تأخیر

همان‌گونه که در جدول بالا آمده است، هر نسل جدید از فناوری‌های ارتباطی نسبت به نسل پیشین خود سرعت انتقال داده‌ی بیشتری دارد. البته افزایش سرعت انتقال داده، با بالا بردن طیف فرکانس محقق می‌شود و استفاده از فرکانس‌های بالاتر، مستلزم زیرساخت‌های جدید و تعداد بیشتر آنتن‌ها در هر سلول است؛ ازاین‌رو حتی در نوع باند پایین و باند میانی 5G، سرعت داده با نوع پیشرفته‌ی فناوری LTE چندان تفاوتی ندارد. بیشترین سرعت انتقال داده، مربوط‌به نوع موج‌میلی‌متری از شبکه‌ی 5G است که در حالت عملیاتی، بین یک تا دو گیگابیت داده را جابه‌جا می‌کند. اما درنهایت هدف نسل پنجم از ارتباطات تلفن همراه، دستیابی به سرعت ۲۰ گیگابیت‌برثانیه است.

بااینکه میزان تأخیر به عوامل بسیاری وابسته است، تأخیر در انتقال محتوا، رفته‌رفته در نسل‌های جدید از فناوری‌های ارتباطی کمرنگ‌تر شده است. البته تأخیر نسبتا بالای فناوری 5G، باتوجه‌به ابتدایی‌بودن مراحل توسعه‌ی آن، قابل چشم‌پوشی است. امید می‌رود تأخیر در شبکه‌ی یادشده، طی سال‌های آینده کمتر شود و به یک میلی‌ثانیه برسد. پهنای باند زیر با افزایش تقاضا، نسل‌به‌نسل افزایش یافته است. با پابه‌عرصه گذاشتن فناوری 5G، بیشتر افراد به‌سمت استفاده از شبکه‌ی مذکور گام خواهند گذاشت؛ ولی باتوجه‌به زیرساخت‌های عظیم موردنیاز برای پیاده‌سازی این فناوری، هزینه‌ی استفاده از آن نیز نسبت به دیگر شبکه‌ها بالا خواهد بود. درنهایت هر شخصی باید با نظر به کاربری خود، شبکه‌ای که برای ارتباطات استفاده می‌کند را انتخاب کند و این هزینه‌ها خواهند بود که به شبکه‌های تلفن همراه ارجحیت می‌دهند.