شکل‌دهی پرتو (Beamforming) یک روش انتقال سیگنال رادیویی است که اکسس پوینتی (Access Point) که دارای این تکنولوژی باشد، انرژی سیگنال رادیویی را به سمت کاربران فعال در شبکه WI-FI، متمرکز و هدایت می‌کند. این کار علاوه بر افزایش پهنای باند هر کاربر، منجر به افزایش محدوده پوشش اکسس پوینت و گسترش بیش تر شبکه و در نهایت جلوگیری از هدر رفت انرژی در انتقال داده می شود. در گزارش پیش رو ابتدا مختصری بر فناوری نسل پنجم اینترنت و توانایی های آن می پردازیم و سپس از بین تکنولوژی های وابسته به نسل پنجم که سرعت بالای آن را فراهم می کند شکل دهی پرتو را معرفی و تعریف می کنیم. اهمیت پرداختن به این موضوع از آن جهت است که فناوری نسل پنجم امروز در کشور ما به صورت فراگیر در حال پیاده سازی است. بنابراین اپراتورهایی مثل همراه اول که شبکه ای با پوشش گسترده دارند و به سمت پیاده سازی یوزکیس های تجاری رفته اند، خوب است که از فناوری هایی نظیر شکل دهی پرتو جهت بهبود منابع خود بهره مند شوند.

فناوری نسل پنجم و توانمندی های آن

یکی از تکنولوژی های نوینی که زندگی انسان ها را در ۱۰۰ سال اخیر دستخوش تغییر کرده در حوزه مهندسی الکترونیک و ارتباطات است. تکنولوژی بی سیم اجازه داد انسان ها به صورت موبایل و متحرک با هم ارتباط برقرار کنند. تقریبا ً بیشتر وسایل ارتباطی که امروزه با آن ها سر و کار داریم، از تکنولوژی وایرلس یا بی سیم بهره می برند. گوشی های تلفنی که هر سال به روز می شوند و ما برای خرید آن ها صف می کشیم، از این زیرساخت استفاده می کنند. چیزی که به تازگی در دنیای ما در حال مطرح شدن است، تکنولوژی ۵G یا نسل پنجم این سری از فناوری هاست که قرار است دنیای ما را دگرگون کند.

فناوری نسل پنجم قادر است هزار برابر ترافیک بیشتری را نسبت به شبکه های امروزی مدیریت کند و سرعت آن بیش از ۱۰ برابر سرعت ۴G یا LTEاست. برای درک بهتر این سرعت می توان سرعت دانلود فیلم ها را در نظر گفت به طوری که یک فیلم سینمایی ۱ گیگابایتی با کیفیت HD در کمتر از ۱ ثانیه دانلود می شود؛ یعنی حدود ۱ گیگابایت بر ثانیه. این درحالی است که این سرعت مینیموم۵G است و می تواند تا ده ها برابر افزایش یابد. تا جایی که می توان یک فیلم چند ۱۰ گیگابایتی با کیفیت ۸k را در دو تا سه ثانیه دانلود کرد. همچنین در ۵G سرعت واکنش کاهش می یابد. برای درک سرعت واکنش ۵G می توان آن را با سرعت واکنش انسان مقایسه کرد که به صورت میانگین چیزی حدود ۲۵۰ میلی ثانیه است.

یعنی انسان می تواند در کمتر از یک ثانیه واکنش نشان دهد. البته این مقدار در امور مختلف متفاوت است، ولی اساسا انسان بسیار سریع است. سرعت واکنش در۵G ،۱ میلی ثانیه است. این سرعت با کلیک کردن روی لینک ها قابل حس کردن نیست! به همین دلیل است که نسل پنجم تکنولوژی وایرلس فراتر از گوشی های تلفن و مقایسه کردن سرعت دانلود و از این قبیل مسائل است.

این نسل از فناوری، زیرساخت برخی تکنولوژی های دیگر مثل اینترنت اشیاء، هوش مصنوعی و واقعیت مجازی و افزوده است. یعنی کاربرد اصلی این تکنولوژی با این میزان سرعت و سرعت واکنش، در جایی مثل اتومبیل های خودران و بدون سرنشین خواهد بود.

ماشینی که توسط ربات هدایت می شود، در آن واحد در حال محاسبه کردن هزاران شی و جسم است که هر کدام ماهیت متغیری دارند. به همین خاطر است که وقتی یک گربه جلوی ماشینی با سرعت ۶۰ تا ۷۰ کیلومتر بر ساعت می پرد، سرعت واکنش بالای ۵G باعث می شود اتومبیل واکنش نشان دهد. چنین بستر و زیرساختی برای پا گرفتن صنعت خودروهای بی سرنشین لازم است. همچنین این حد از سرعت باعث می شود که ما در دنیای واقعیت مجازی به صورت time Real تعامل داشته باشیم مانند جراحی که می تواند بدون حضور فیزیکی بدن یک موجود زنده را در نقطه دیگری از دنیا جراحی کند.

فناوری های مورد استفاده در فناوری نسل پنجم

ارایه فناوری نسل پنجم ملزوماتی متفاوت از نسل های دیگر دارد که سرعت بالای این فناوری از آن ناشی شده است. اولین تفاوت فناوری نسل پنجم با سایر نسل ها در این است که ۵G در محدوده فرکانس های بالاتر یا به اصطلاح امواج میلی متری قرار دارد. این محدوده توسط موبایل ها یا دیگر وسایل الکترونیک اشغال نشده است و در دسترس قرار گرفتن آن به معنی پهنای باند بیشتر برای همه است. اما با توجه به اینکه فرکانس بالا معادل طول موج کوتاه است، برای انتقال اطلاعات در بردهای بالا آنتن های ۴G به کار نمی آیند و در نتیجه در فناوری های نسل پنجم از آنتن های کوچک یا cell Smallاستفاده می شود.

تکنولوژی بعدی که در نسل پنجم استفاده می شود MIMO Massive است. مایمو که از output multiple input multiple گرفته شده است، به این معنی است که یک سیستم در یک لحظه بتواند هم اطلاعاتی را ارسال کند و هم اطلاعاتی را دریافت کند.

در حال حاضر آنتن های ۴G حدوداً ۱۲ پورت دارند، درحالی که ایستگاه های مسیو مایمو می توانند حدود ۱۰۰ پورت را ساپورت کنند. این مقدار می تواند ظرفیت شبکه های ۵G را تا ۲۲ برابر یا بیشتر، افزایش دهد. اما مسیو مایمو نیز مشکلات خاص خودش را دارد. در حال حاضر آنتن های مخابراتی سیگنال های مخابراتی را در یک لحظه در همه جهات ارسال می کنند.

اگر بخواهیم همین کار را در مسیو مایمو انجام دهیم، ممکن است در سیگنال ها تداخل به وجود آید. برای حل این موضوع به تکنولوژی Beamforming می رسیم.

شکل دهی پرتو منشا سرعت فناوری نسل پنجم

بیم فرمینگ برای سیگنال های مخابراتی مانند چراغ راهنمایی است. به جای اینکه ایستگاه فرستنده، امواج را در همه جهت ها ارسال کند، سیگنال ها را در یک جهت خاص برای کاربری خاص می فرستد. این دقت، تداخل امواج را از بین می برد و کارایی بیشتری نیز دارد؛ کارایی بیشتر به معنی آن است که ایستگاه می تواند سیگنال های ورودی و خروجی بیشتری را در هر لحظه مدیریت کند.

برای درک بهتر نحوه عملکرد بیم فرمینگ فرض کنید در یک ساختمان هستید و می خواهید با فرد دیگری تماس بگیرید. مسیو مایمو همه سیگنال ها را دریافت می کند و زمان رسیدن آن سیگنال ها و جهت آمدن سیگنال را ذخیره می کند؛ سپس از الگوریتم های پردازش سیگنال ها استفاده می کند.

پس از این پردازش ها، محل دقیق گوشی شما، یعنی جایی که از آن سیگنال فرستاده شده است، مشخص می شود. بعد از این مرحله بهترین مسیر برای فرستادن سیگنال ها به گوشی شما مسیریابی می شود. این کار برای تمامی دستگاه های متصل به شبکه نیز اجرا می شود.

ناگفته نماند که کارهای دیگری نیز برای بهبود نتیجه و کاهش تداخل ها انجام می شود. به بیان ساده تر می توان این فرآیند را به تفاوت لامپ و چراغ قوه تشبیه کرد؛ لامپ نور را به همه جهات می تاباند و دور تا دور خود را به گیرنده هدایت می شوند. روشن می کند و چراغ قوه فقط جایی که بخواهیم را روشن می کند. در این تکنولوژی امواج مستقیما به گیرنده هدایت می شوند.

بنابر آنچه گفته شد و با توجه به اینکه فناوری نسل پنجم در کشور در حال گسترش است، انتظار می رود که اپراتورهای مخابراتی و به ویژه اپراتور همراه اول که در ارایه یوزکیس های مبتنی بر نسل پنجم پیشرو بوده است برای صرفه جویی در انرژی از فناوری شکل دهی پرتو استفاده کند.