img

شبکه های دیتای آینده

/
/
/

پیش بینی ها هیچ چیز جز شرط بندی روی آینده نیستند، که در صنعت به سرعت گسترش یابنده فناوری اطلاعات می تواند مضر باشد. دلیلش این است که اگر صحت خود را به اثبات نرسانند، تحولات بزرگ می تواند شرکتهای بزرگ را نیز نابود کند. مشاهده کنید چه اتفاقی برای نوکیا یا موتورولا افتاد. شاخه ای از این صنعت اکنون روی یک تحول بزرگ شرط بندی کرده است و این تحول در حقیقت تمامی تمدن مدرن را تحت تاثیر قرار خواهد داد. بخش بیسیم می خواهد شبکه رادیویی نهایی را از سال ۲۰۲۰ بسازد. تکنولوژی ۵G که فوق العاده سریع و همه جا در دسترس است، درک ما را از شبکه یکسره تغییر خواهد داد. نه تنها هر تلفن هوشمند، بلکه هر خودرو، دستگاه الکترونیکی و سنسور پوشیده شده روی بدن به هم متصل خواهند شد. این طرح نیاز به گسترش عظیم شبکه بیسیم و به روز آوری تکنولوژی فیبر در شبکه زیرساخت دارد، به طوری که بتواند جریان افزایش یابنده دیتا را مدیریت کند. صفحات بعدی به شما نشان می دهد که چگونه صنعت فناوری اطلاعات برای بردن شرط بندی خود، روی آینده ۵G برنامه ریزی کرده است.
میلیاردها تن از افراد و دستگاهها با سرعت گیگابیت در شبکه ۵G آینده ارتباط برقرار خواهند کرد. انتظار می رود این تکنولوژی در سال ۲۰۲۰ قابل دسترس باشد.
بخش بیسیم می خواهد تا سال ۲۰۲۰ این مفهوم را که ۵G نامیده شده است توسعه دهد، که نه تنها تلفنهای هوشمند، بلکه همه دستگاهها را توسط یک چیپ، از طریق شبکه رادیویی متصل خواهد کرد. امروزه ما دیتای موبایل را از طریق LTE منتقل می کنیم. این موضوع ممکن است به نظر ما مدرن جلوه کند، اما شبکه  ۴G در حضور نسل دو (GSM) و نسل سه (UMTS) که شبکه های تلفن و دیتا جدا بودند، فقط گام کوچکی به آینده است. با شروع سال جاری میلادی تبادل دیتا در شبکه ۴G، منجمله مکالمات تلفنی، مبتنی بر بسته های IP می باشد که تکنولوژی آن Voice Over LTE است. LTE فقط از یک شبکه (اینترنت) استفاده می کند. ۵G این مفهوم را به همه دستگاههای متصل به شبکه گسترش می دهد.
رهبران صنعت مانند سیسکو طی پنج سال آینده افزایشی ده برابر را در ترافیک دیتا روی شبکه های موبایل پیش بینی کرده اند. (سمت چپ را ببینید.) این پیش بینی فقط مبتنی بر تعداد روز افزون تلفنهای هوشمند نیست. این رشد عمدتاً معلول این حقیقت است که چیپها و سنسورهای دستگاههای مختلفی از طریق اینترنت با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. این دامنه شامل اتومبیلهای خودران تا چراغهای روشنایی معابر کنترل شده از راه دور تا دستبندهای سلامتی روی مچ می شود. به هر حال متخصصان عقیده یکسانی در مورد اینکه چه تعداد از این دستگاهها در آینده از طریق وب ارتباط برقرار می کنند ندارند. پیش بینی ها برای سال ۲۰۲۰ از ۵۰ میلیارد شروع و تا ۱۵۰ میلیارد بالا می رود. نه فقط افراد، بلکه کل تمدن بشری به تدریج شبکه خواهد شد.

دستورالعمل شبکه ۵G
تا اینجا، دانشگاهها و واحدهای تحقیق سازندگان تجهیزات شبکه مانند اریکسون، نوکیا، سامسونگ و هوآوی هر کدام به طور جداگانه مفاهیم توسعه داده شده ای دارند که می توانند تحت نام ۵G طبقه بندی شوند. با دستورالعمل اتحادیه NGMN (Next Generation Mobile Networks) که ابتدای امسال ارایه شده، این تلاشها اکنون استاندارد شده اند. اتحادیه NGMN شامل تامین کنندگان شبکه بعلاوه تامین کنندگان ارتباطات موبایلی مثل Telekom، Telefónica و Vodafone می شود.  برنامه این گروه توسعه دادن یک استاندارد برای تکنولوژی ۵G تا سال ۲۰۲۰ می باشد. چارچوب قبلاً تنظیم شده است؛ با زمان پاسخهایی که از یک میلی ثانیه شروع می شود، نرخ انتقال باید تا ۱۰ GBit/s برسد. از کاربران پر مصرف که فیلمهای HD را تماشا می کنند تا سنسورهایی که برای صرفه جویی انرژی فقط چند بیت را منتقل می کنند، ۵G باید قادر باشد که صدها هزار مشترک را در هر کیلومتر مربع به شیوه ای انعطاف پذیر متصل کند. علاوه بر این، دستگاهها باید قادر باشند با استفاده از تکنولوژیهای متغیر ارتباط برقرار کنند. بنابراین برای مثال یک تلفن هوشمند باید قادر باشد بدون وقفه مستقیماً از طریق شبکه موبایل از بلوتوث به WLAN تغییر کند.
چشم انداز این است، ولی در واقعیت هنوز چند سوال بی پاسخ وجود دارد، منجمله یک سوال اساسی: رادیوی ۵G در چه فرکانسهایی باید دیتا را انتقال دهد؟ آشفتگی نا امید کننده ای در انتهای پایینی باند فرکانسی وجود دارد. (سمت چپ را ببینید.)
کوالکام، رهبر بازار در چیپهای موبایل، برای استفاده از فرکانسهای حدود ۵GHZ برای LTE تحت اختصار(LTE-U که U نشانگر بدون مجوز است.) برنامه ریزی می کند. این باند به صورت بین المللی تقریباً بی نیاز از مجوز است، یعنی بجز برای کانالهایی که برای مصارف نظامی استفاده شده است کنترل نمی شود. شرکت پیشرو بازار، اریکسون می خواهد اولین سلولهای رادیویی را در سال ۲۰۱۵ تحویل دهد، با یک هشدار که انتقال WLAN نیز در ۵ GHZ صورت می گیرد. این تنها فرکانسی است که در آن استاندارد جدید ۸۰۲٫۱۱ac به پهنای باند کافی برای نرخهای انتقال بالا دست می یابد.
۵G نهایتاً به محدوده های فرکانسی بیش از ۵GHZ انتقال خواهد یافت، چون فقط این محدوده فضای کافی برای رادیوی GBit را فراهم می کند. هر چه فرکانس بیشتر باشد، برای سیگنال رسیدن بدون اختلال به دستگاههای انتهایی مشکلتر است. اگر LTE دیتا را در فرکانس ۸۰۰ MHz انتقال دهد، دکل انتقال می تواند چندین کیلومتر دورتر باشد.
اما برای فرکانسهای بیشتر از ۵GHz ، حداکثر فاصله نباید بیش از چند صد متر باشد. نوکیا نیز آزمایشهایش را در فرکانسهای بیش از ۷۰GHz انجام می دهد. ما قبلاً تکنولوژی WiFi 802.11ad را داشته ایم که از چنین فرکانسهای بالایی استفاده می کند. با این حال، این تکنولوژی در صورتی که کسی بخواهد با سرعت چند گیگا بیت در ثانیه دیتا را انتقال دهد، فقط به ده متر محدود خواهد بود. این بدین خاطر است که استاندارد شبکه محلی ۸۰۲٫۱۱ad دیتا را در فرکانسهایی حدود ۶۰GHz انتقال می دهد و از سقفها و دیوارها عبور نمی کند. معنایش برای ۵G این است که ایستگاههای انتقال دهنده باید کوچکتر و به کاربران نزدیکتر باشند. سلولهای کوچک پیش از این در تکنولوژی متداول انتقال برای مدت زیادی به کار گرفته شده اند و می توانند برای تقویت محلی سیگنال مورد استفاده قرار گیرند. آنها از نظر اندازه و شکل کاملاً شبیه دستگاهی هستند که شرکت اریکسون برای نمایش ۵G در کنگره جهانی موبایل (صفحه قبل را ببینید.) از آن استفاده کرد.

انتقال در فرکانسهای بالا
از نقطه نظر فنی فرکانسهای بالا مزایای خود را دارند، چون با افزایش فرکانس، طول موج سیگنالها کاهش می یابد. این موضوع همچنین اندازه بهینه آنتنهای گیرنده را کاهش می دهد. در نتیجه، بعنوان مثال برای انتقال در ۲۸GHz آنتنی با طول فقط نیم سانتیمتر مورد نیاز است. متاسفانه سیگنال در ۲۸GHz به ندرت بدون اختلال دریافت می شود. این سیگنال به حدی منحرف، منعکس و تضعیف می شود که یک آنتن به سختی برای دریافت بدون نویز کفایت می کند. راه حل این مشکل MIMO (Mutiple Input and Multiple Output) توده ای نامیده می شود. پیش از این از یک MIMO معمولی برای بهینه سازی دریافت WLAN و LTE استفاده شده است؛ اما اغلب دو تا چهار سیگنال در یک زمان ارسال و دریافت شده اند. فرکانسهای بالا این امکان را فراهم می کنند که چندین دوجین آنتن کوچک در دستگاههای موبایل و صدها قطعه از آنها را در یک ایستگاه انتقال برای MIMO توده ای جا داد. اولین نمونه ها از هوآوی و دانشگاه Lund نشان می دهد که صنعت هنوز کار زیادی برای انجام دادن در زمینه مینیاتوری کردن تکنولوژی دارد. سایر مفاهیم فقط بتازگی پیاده سازی شده اند. بعنوان مثال رادیوی جهت دار روی گروهی از آنتنهای ریز که بسته به زاویه برخورد سیگنال، خودشان را تنظیم می کنند.
ترکیب فرکانسهای بالا و سلولهای کوچک به خوبی مناسب نیاز سرویسهای آینده است، که بیشتر وابسته به قابلیت اطمینان و زمانهای پاسخ سریع هستند تا نرخهای بالای دیتا. رانندگی خودکار در شاهراهها نمونه ای از این سرویسها است. در اینجا وسایل نقلیه کنترل شده توسط کامپیوتر از طریق یک سلول کوچک کنار جاده با همدیگر ارتباط برقرار می کنند. این قاعده دستگاه – به – دستگاه در حال حاضر در ویرایش جدیدی از استاندارد LTE پیاده سازی شده است. یک پیاده سازی بلا درنگ از نرخهای دیتای بالا و زمانهای پاسخ سریعتر نیاز به اینترنت تماسی دارد، که تمرکز اصلی آزمایشگاه ۵G در دانشگاه درسدن است. این موضوع با کنترل کردن دستگاهها از راه دور در هم تنیده است. پهنای باند از روبوتهای نجات برای حوادث غیر مترقبه گرفته تا اطاقهای عمل از راه دور پزشک اورژانس، در ترکیب با یک عینک واقعیت افزوده نظیر Oculus Rift گسترش می یابد.
بیسیم ۵G نمی تواند بدون به روز آوری شبکه زیرساخت پیش برود. بنابراین تکنولوژی جدید فیبر نوری کمک می کند که خروجی دیتا افزایش بسیار زیادی بیابد.
ایجاد شبکه های جدید که برنامه ریزی شده است، فقط باعث ایجاد سؤالاتی در باره امکان پذیری فنی شبکه بیسیم آینده نشده، بلکه کارآیی شبکه زیرساخت نیز مهم است. این موضوع هم به کار اتصالات کابلی در فواصل زیاد می آید و هم برای تغذیه محلی شبکه رادیویی ۵G استفاده می شود. سیسکو در باره اینکه چقدر دیتای بیشتر در هر رشته فیبر منتقل خواهد شد، یک پیش بینی انجام داده است- حجم دیتا تا سال ۲۰۱۸ سه برابر خواهد شد، و فقط چهل درصد آن از کامپیوترها و ایستگاههای کاری متصل شده از طریق کابل خواهد بود. مابقی از مشترکین جدید شبکه ۵G یعنی تلفنهای هوشمند، تبلت ها و دستگاههای شبکه شده خواهد آمد. اگر شبکه موجود فیبر گسترش پیدا نکند، رویای ۵G به نتیجه نخواهید رسید. بر خلاف رادیو، پهنای باند کافی برای امواج نور فرکانس بالا وجود دارد. در حال حاضر، کابلهای فیبر نوری تا ۱۰۰GBit/s را در فواصل طولانی در کانالهای فرکانسی که هر کدام ۱۰۰GHz هستند و از طول موجهایی بین ۱۲۶۰ تا ۱۶۷۵ نانومتر استفاده می کنند، منتقل می کنند. از آنجایی که یک کابل می تواند حداکثر ۹۶ کانال را به صورت همزمان از طریق مالتی پلکسینگ تقسیم طول موج (در صفحه بعد در این باره بیشتر بخوانید.) منتقل کند، پهنای باند به حداکثر مقدار خارق العاده ۹٫۶ TeraBit/s (Tb/s) می رسد.

شکستن مرزهای امواج نور
اما این نهایتی است که می توان به آن رسید و گذشتن از این حد با وضعیت فعلی تکنولوژی خیلی ساده نیست. هدف کمیسیون EU به دست آوردن نرخ انتقال ۱۰۰۰TBit/s تا سال ۲۰۲۰ می باشد که قادر باشد نیازهای پهنای باند آینده را برآورده کند. این هدف که کاملاً جاه طلبانه است، بار بیش از حدی بر تکنولوژی جاری می گذارد، مخصوصاً وقتی مجبور است در فاصله چندین کیلومتری عمل کند. فقط فیبرهای تک هسته (سمت چپ را ببینید.) قادر هستند یک سیگنال بدون نویز را در چنین فواصل طولانی منتقل کنند و این فیبرها فقط برای یک سیگنال نور جا دارند، یعنی ۹٫۶Tb/s . این درست است که فیبرهای مالتی مود و چند هسته ای که چند سیگنال نوری موازی را منتشر می کنند، پیش از این هم مورد استفاده قرار گرفته اند، اما آنها فقط در فواصل چند متری کار می کنند؛ در فواصل طولانیتر سیگنالها با هم تداخل می کنند. در حالت استفاده از فیبرهای مالتی مود، امواج نور از زوایای متفاوت وارد می شوند به طوری که به صورتهای متفاوتی روی دیواره های فیبر منعکس شده و هنگامی که توسط گیرنده دریافت شدند می توانند از هم تمیز داده شوند. (سمت چپ را ببینید.) کابلهای مالتی مود ۸۰ تا ۱۰۰ مود مختلف را فراهم می کنند. به همین دلیل، اندازه هسته فیبر که نور را هدایت می کند به ۵۰ تا ۱۰۰ میکرومتر افزایش می یابد. از طرف دیگر، کابلهای چند هسته ای چندین فیبر مجزا دارند که قطر ۸ تا ۱۰ میکرومتر آنها همانند کابلهای تک هسته است. به هر حال ظرفیت چند هسته ای نمی تواند به دلخواه افزایش یابد- ثابت شده است که کابلهای فیبر با قطر بزرگتر از ۲/۰ میلیمتر بیش از حد شکننده هستند. بنابراین قطر کوچک و تداخل سیگنالها، تعداد فیبرها را در یک اتصال چند هسته ای محدود می کند. آزمایشها با ۱۲ یا ۱۹ فیبر در یک کابل انجام شده است، اما عمدتاً این کابلهای چند هسته ای هستند که برای فواصل طولانیتر مناسب هستند. مراکز تحقیقاتی و صنعتی تلاش می کنند که برای فواصل طولانیتر، بهینه سازی بیشتری روی فیبرهای چند هسته ای و مالتی مود انجام دهند، که خروجی دیتا را به یکباره چند برابر خواهد کرد.
در تابستان ۲۰۱۴ گروه بین المللی تحقیقاتی High-Speed Optical Communication Group یک رکورد سرعت جدید ۴۳ Tb/s با نوعی کابل از شرکت مخابراتی ژاپنی NTT ثبت کرد. در این آزمایش یک تک لیزر، سیگنال را به درون یک کابل چند هسته ای با هفت فیبر تزریق می کند. چند ماه بعد، یک تیم بین المللی از محققین هلند و آمریکا یک پرش سرعت به ۲۵۵ Tb/s را اعلام کردند. آنها با کمک ترکیبی از انواع مختلف کابل به این سرعت دست یافتند. آنها نیز از کابلی با هفت فیبر استفاده کردند، اما هر فیبر سه مود برای انتقال دیتا داشت. سوراخهای کوچکی که اطراف این فیبرهای کم – مود حفر شده بود، امواج نور را از یکدیگر محافظت می کرد. ترکیب کابلهای کم – مود و چند هسته ای، ۲۱ سیگنال را به طور همزمان منتقل کرد، که در فاصله یک کیلومتری بدون مشکل دریافت شد.
استفاده از تکنولوژی MIMO در فیبر
انتقال همزمان چندین سیگنال روی فرکانسهای یکسان از طریق کابلهای مالتی مود و چند هسته ای، مالتی پلکسینگ تقسیم فضایی (SDM) نامیده می شود- این روش معادل قاعده MIMO است که در WLAN و برای LTE استفاده شده  است. SDM جایگزین دو روش قدیمی شده است: مالتی پلکسینگ تقسیم زمان و مالتی پلکسینگ تقسیم طول موج (TDM و WDM). TDM این امکان را فراهم می کند که سیگنالهای کند از چندین منبع، یکی پس از دیگری روی یک اتصال فیبر سریع گذاشته شوند و سیگنالها از یک خط سریع به چندین سیگنال کند توزیع شوند. WDM این امکان را فراهم می کند که طیف فرکانسی به چندین کانال (رنگ) تقسیم شود، به طوری که دیتا می تواند در یک زمان در فرکانسهای مختلف انتقال داده شود. برای هر کانال یک لیزر سیگنال مربوطه را تغذیه می کند. انتقال هر کانال در یک طول موج متفاوت انجام می شود و هر لیزر مسئول یک رنگ است. سیگنالها باید فاصله مشخصی را حفظ کنند، به طوریکه با یکدیگر تداخل نکنند. معمولاً قله سیگنالها بین ۱۰۰ تا ۵۰ گیگاهرتز از هم جدا هستند. برای رکورد سرعت ۲۵۵TBit/s، دیتا روی ۵۰ کانال منتقل شد که پیک سیگنال آنها ۵۰GHz از هم جدا بود. یک انتقال موفق فیبر در طول چند صد کیلومتر طی سال گذشته نشان داد که حتی در فواصل طولانی امکان تجمع کانالهای WDM بیشتر روی همان پهنای باند وجود دارد. شرکت تجهیزات شبکه آلکاتل – لوسنت و بریتیش تلکام در طی یک آزمایش میدانی فاصله ها را بین قله های سیگنال از ۵۰ به ۳۵GHz کاهش دادند. این موضوع امکان بالا بردن رکورد را از ۲۵۵ به ۳۶۵TBit/s فراهم می کند.
اگر پروژه ۵G قرار است پیاده شود، این کافی نیست که فقط پهنای باند بیشتر برای شبکه زیرساخت فراهم شود. همچنین لازم است که تحویل دیتا نیز بهینه شود. تا کنون شبکه های پسیو نوری برای این توزیع استفاده شده اند، یک GPON (Gigabit Passive Optical Network) سیگنالهای ورودی را از طریق TDM تقسیم کرده و آنها را به دستگاههای انتهایی مناسب منتقل می کند. از آنجا که فقط TDM استفاده شده است، پورتهای مجزای مشترکین اغلب فقط به حداکثر ۱۰GBit/s دسترسی دارند. این سرعت می تواند با اضافه کردن WDM یعنی انتقال موازی کانالهای چند رنگ به یک پورت به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد. بر حسب دستگاه خروجی، فرد همچنین می تواند محدوده فرکانسی این کانالها را تعریف کند. فرکانسهای بالاتر به معنای نرخهای بالاتر دیتا و فاصله کمتر هستند. در ماه فوریه، هوآوی یک چنین WDM-PON و یکپارچگی آن در شبکه LTE را تست کرد. این WDM-PON 32 کانال ۱۰GBit/s برای ارسال دیتا به دستگاههای انتهایی داشت. ساخت چندین کانال، نرخ دیتا را در یک اقدام ضربتی چند برابر می کند. این نرخ انتقال به مشتری نهایی می رسد. این اقدام نیز ضروری است؛ در غیر اینصورت رادیوی ۵G توسط خود شبکه زیرساخت پس زده خواهد شد.

 

MIMO توده ای با ۱۰۰ آنتن
انتقال ۵G در فرکانسهای بالا انجام می شود. این به معنای یک فاصله کم است. به خاطر طول موجهای کوچک، اندازه بهینه آنتن نیز کوچک است. این موضوع اجازه نصب صدها آنتن در یک دستگاه گیرنده را برای افزایش فاصله می دهد. دانشگاه Lund یک نمونه از این دستگاه توسعه داده است.

ساختار فیزیکی یک کابل فیبر نوری
هسته شیشه ای نور را هدایت می کند. این هسته شاخص انکساری بالاتری از شیشه روکش هسته دارد و بنابراین نور نیز می تواند اغلب بدون تلفات به زاویه ها هدایت شود. تعداد سیگنالها، یعنی امواج نور که می توانند به صورت همزمان فرستاده شوند به نوع کابل بستگی دارد.

بررسی اجمالی گونه های مختلف کابل
کابلهای تک هسته ای سیگنال خوبی را در فواصل طولانی تحویل می دهند. کابلهای مالتی مود و چند هسته ای دیتای بیشتری را منتقل می کنند، ولی فقط برای چند متر. پس از آن، سیگنالها با یکدیگر تداخل می کنند.

رکورد کابل مالتی مود و چند هسته ای
در سال ۲۰۱۴، یک تیم بین المللی از محققین، حداکثر نرخ دیتا را تا ۲۵۵ Tb/s بالا بردند. آنها برای این کار کابلی با هفت فیبر را مورد استفاده قرار دادند. هر فیبر کم مود، سه مود را منتقل می کرد. حفره های ریز هوای اطراف فیبرها سیگنالها را از تداخل محافظت می کنند.

ارسال سیگنالهای نور از طریق مالتی پلکسینگ
در حالت مالتی پلکسینگ زمان، چندین سیگنال کند یکی پس از دیگری روی یک سیگنال سریع گذاشته می شوند. WDM به طرز مؤثرتری باند فرکانسی را به کانالهای رنگ تقسیم کرده و می تواند آنها را همزمان ارسال کند.

استفاده از کانالهای فرکانسی باریکتر
از مدتها قبل کانالهای WDM با عرضی بین ۵۰ و ۱۰۰ GHz استفاده شده اند. در یک آزمایش میدانی توسط بریتیش تلکام در سال ۲۰۱۴، عرض آنها به ۳۵GHz کاهش یافت. این کار نرخ انتقال دیتا را افزایش داد.

سرعت مناسب برای هر پورت
تاکنون شبکه های نوری پسیو (GPON) دیتا را از طریق TDM توزیع کرده اند. در آینده این کار توسط تجهیزات WDM-PON انجام خواهد شد، که برای هر سناریوی خروجی، فرکانسهایی با نرخهای انتقال متفاوت فراهم خواهند کرد.

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

It is main inner container footer text