امواج میلی‌ متری (mmWave) چیست؟ آشنایی با طیف‌های رادیویی باند بالا ۵G

توسعه فناوری ۵G در سراسر جهان بسیار پیچیده‌تر از استانداردهای موبایل قبلی بوده است. چون در ۵G با سطح بی‌سابقه‌ای از کارایی و سرعت مواجه هستیم؛ اپراتورها باید با چالش‌های بزرگ فرکانس‌های رادیویی دست و پنجه نرم کنند تا مطمئن شود که بهترین سرعت و پوشش شبکه ممکن را ارائه می‌دهند.

فناوری‌های قدیمی‌تری مانند GSM و ۳G و ۴G/LTE در باندهای نسبتا باریکی از فرکانس‌ها کار می‌کردند و اپراتورها با انتخاب‌های محدودتری در راه‌اندازی شبکه‌ها روبرو بودند. اما در ۵G، با پوشش‌دهی کل طیف فرکانسی مواجه می‌شوند و از باند پایین ۶۰۰ مگاهرتز تا فرکانس‌های بسیار بالای ۴۷ گیگاهرتز درگیر هستند.

در نتیجه، شبکه‌های ۵G گزینه‌های زیادی را در اختیار اپراتورها قرار می‌دهد تا بتوانند شبکه‌های ۵G خود را به بهترین نحو راه‌اندازی کنند و دنبال ایجاد یک تعادل میان پوشش‌دهی و کارایی شبکه باشند. در حالت ایده‌آل، ۵G می‌تواند بهترین شبکه را برای همه افراد ایجاد کند ولی در دنیای واقعی، همه‌چیز به طور قابل توجهی پیچیده‌تر است.

امواج میلی متری چیست؟

در بالای طیف فرکانسی رادیویی شبکه‌های موبایل ۵G فرکانس‌های میلی‌متری (mmWave یا millimeter wave) از ۲۴ گیگاهرتز تا ۴۷ گیگاهرتز زندگی می‌کنند.

از نظر فنی، موج‌های میلی‌متری به عنوان طیف‌های فرکانسی محدوده بالا (EHF) از ۳۰ گیگاهرتز تا ۳۰۰ گیگاهرتز تعریف می‌شوند؛ چون این فرکانس‌ها دارای طول موجی به اندازه یک میلی‌متر هستند.

https://shabakehchi.com/education/17294/5ghz-vs-5g-differences

با این حال، کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC)، انتهای پایین محدوده mmWave را در ایالات متحده دوباره بازتعریف کرده است که یک نمونه آن طیف باند C است. این طیف فرکانسی بازتعریف شده از ۲۴ گیگاهرتز شروع شده و تا ۴۷ گیگاهرتز در ۵G می‌رود. به همین دلیل، در فایوجی وقتی صحبت از امواج میلی‌متری می‌شود؛ طیف‌های فرکانسی سطح بالای ۲۴ تا ۴۷ گیگاهرتز مدنظر است.

البته، FCC به دنبال مجوزدهی به طیف‌های فرکانسی بالاتر هم هست و در حال بررسی طیف‌های فرکانسی ۵۷ تا ۶۴ گیگاهرتز است که اکنون بدون مجوز هستند. فرکانس‌های ۷۱ گیگاهرتز، ۸۱ گیگاهرتز و ۹۲ گیگاهرتز هم مطرح هستند که اکنون بسیار کم مورد استفاده قرار می‌گیرند. چندین سال زمان می‌برد تا اپراتورها بتوانند امواج میلی‌متری فعلی را به طور کامل استفاده کرده و نیاز به رفتن سراغ طیف‌های فرکانسی بالای جدیدتر پیدا کنند.

برد امواج در برابر سرعت

افرادی که با شبکه‌های وای‌فای کار کرده باشند؛ می‌دانند که فرکانس‌های بالاتر، پهنای‌باند بیشتری برای سرعت‌های سریع‌تر فراهم می‌کنند اما هزینه آن، برد پایین‌تر و کاهش پوشش‌دهی امواج رادیویی است.

احتمالا فرکانس ۲.۴ گیگاهرتز وای‌فای بتواند کل خانه شما را پوشش بدهد اما سرعت‌های پایینی دارد؛ در حالی‌که فرکانس‌های ۵ گیگاهرتز در سرعت و بازی آنلاین و استریم ویدئو، کارایی فوق‌العاده‌ای دارند اما ممکن است به زیرزمین یا طبقه دوم خانه یا اتاق انتهای سالن نرسند.

وقتی صبحت از امواج میلی‌متری در ۵G می‌شود؛ قوانین فیزیک دقیقا این‌گونه عمل می‌کنند. فرکانس‌های بالاتر، سریع‌تر هستند اما به اندازه فرکانس‌های پایین‌تر، برد طولانی و موثری ندارند و در کندتر می‌شوند.

• تست سرعت اینترنت ۵G همراه اول در نمایشگاه تلکام با گوشی و مودم ۵G یوتل

اپراتورهای تلفن همراه با ارائه سیگنال‌های قوی و سریع به مشتریان، با همان چالش‌هایی روبرو می‌شوند که شما در وای‌فای برای یافتن مکانی ایده‌آل از نظر آنتن‌دهی روبرو هستید.

استفاده از فرکانس‌های بالاتر به اپراتورها اجازه می‌دهد تا سرعت‌های سریع‌تری ارائه کنند اما نقطه مقابل این است که آن‌ها باید دکل‌های موبایل بیشتری بسازند و آن‌ها را نزدیک‌تر به یکدیگر قرار دهند تا پوشش شبکه‌ای مشابه سیگنال‌های پایین‌تر فراهم کنند.

فرکانس‌های رادیویی زیر ۶ گیگاهرتز که امروزه در ۵G مرسوم‌تر و همه‌گیرتر هستند؛ برد بیشتر اما سرعت پایین‌تر دارند. فرکانس‌های رادیویی میلی‌متری ۵G دارای سرعت‌های بسیار بیشتر و چند برابر فرکانس‌های زیر ۶ گیگاهرتز بوده ولی برد بسیار کوتاهی دارند. اما سرعت اینترنت ۵G واقعی چقدر است؟ آیا در عمل سریع‌تر از اینترنت ۴G است؟

سرعت‌های کهکشانی؛ محدوده برد کم

یک زمانی، بسیاری از کارشناسان اعتقاد داشتند طیف‌های فرکانسی mmWave 5G آینده شبکه‌های موبایل و فناوری فایوجی خواهند بود. چون، می‌تواند سرعت‌های فوق‌العاده و کهکشانی ارائه کند که بسیار فراتر از سرعت‌هایی هستند که شبکه‌های کابلی و اینترنت فیبرنوری قادر به ارائه آن‌ها هستند.

در شرایط ایده‌آل، سرعت ۵G روی فرکانس‌های میلی متری می‌تواند به ۴ گیگابیت بر ثانیه برسد. اگرچه، یافتن دستگاه‌هایی در منطقه که سرعت‌های ۵۰۰ مگابیت تا ۱ گیگابیت بر ثانیه دارند؛ معقول‌تر است. با این حال، پایین‌ترین سرعت امواج میلی‌متری می‌تواند ۳ یا ۴ برابر بیشتر از میانگین شبکه‌های ۵G مبتنی بر فرکانس‌های پایین زیر ۶ گیگاهرتز باشد.

ولی برخی از کریرها به سرعت کشف کردند مشکل بزرگ این امواج میلی‌متری فرکانس بالا، برد خیلی کوتاه آن‌ها است. یک فرستنده گیرنده امواج میلی متری، به احتمال زیاد پوشش‌دهی کاملی بیشتر از یک بلوک شهری را ایجاد نمی‌کند.

وقتی در نظر می‌گیرید که سیگنال‌های میلی متری از ۲۴ گیگاهرتز شروع می‌شوند؛ چنین چیزی تعجب‌آور نیست. چون این فرکانس‌ها حتی از فرکانس‌های رادیویی وای‌فای بالاتر هستند. ما گفتیم که فرکانس رادیویی ۵ گیگاهرتز بردی کمتر از فرکانس رادیویی ۲.۴ گیگاهرتز دارند و حالا شما تصور کنید فرکانس رادیویی ۲۴ گیگاهرتز چقدر قدرت پوشش‌دهی و برد موثر دارد.

معمولا، طیف EHF برای هواشناسی، ماهواره‌ها، رادارهای تسلیحاتی و نظامی، رادارهای سرعت پلیس و سیستم‌های امنیتی مورد استفاده قرار گرفتند؛ چون هیچ چیزی نمی‌تواند روی آن‌ها تداخل ایجاد کند و از این بابت، یک مزیت بزرگ دارند. مثلا، وقتی امواج میلی‌متری در شهرها مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ هیچ یک از عوامل تداخلی شهرها روی آن‌ها تاثیرگذار نیست.

چشم‌انداز mmWave

با در نظر گرفتن تمام این موارد، جای تعجب نیست که بسیاری از اپراتورها در سراسر دنیا، کار خاصی روی فناوری mmWave انجام ندادند.

در میان اپراتورهای موبایل ایالات متحده، فقط ورایزون روی توسعه mmWave سرمایه‌گذاری کرده است. اپراتور AT&T تازه می‌خواهد روی آن کار کند و اپراتور T-Mobile عملا این طیف فرکانسی را رها کرده است.

ریسک ورایزون روی امواج میلی‌متری باعث شد در همان اوایل توسعه شبکه‌های ۵G بتواند به سرعت‌های خیره‌کننده‌ای برسد. گزارش سال ۲۰۲۰ موسسه اوپن‌سیگنال نشان می‌دهد ورایزون در زمینه سرعت فایوجی پیشتاز جهانی است و میانگین سرعت دانلودی بیش از دو برابر سریع‌ترین ۵G دنیا یعنی اپراتور + LG U کره جنوبی داشت.

ترفند این سرعت‌های بالای ورایزون روی ۵G به خاطر استفاده از امواج mmWave بود. این اپراتور هیچ شبکه میان باند یا کم باندی نداشت که باعث کاهش سرعت شود. ورایزون از ابتدا، شبکه فایوجی خود را به نام Ultra Wideband Network روی امواج میلی متری راه‌اندازی کرد که در طیف فرکانسی ۲۸ گیگاهرتز کار می‌کردند.

باید اشاره کنیم که سرعت ۵۰۶ مگابیت بر ثانیه ورایزون برای ۹۹ درصد مشتریان این اپراتور در دسترس نبود. چون برد کوتاه امواج میلی متری باعث شده بود که ورایزون دکل‌های آن را فقط در چند نقطه مرکزی شهر نصب کند و در سایر نقاط شهر، اصلا مشتریان به امواج میلی متری دسترسی نداشته باشند.

موسسه OpenSignal اشاره می‌کند که مشتریان ورایزون فقط در ۰.۴ درصد مواقع به mmWave 5G دسترسی داشتند. این آمار تا سال ۲۰۲۱ حدود دو برابر شد و به ۰.۸ درصد رسید. یعنی همچنان به این معنی است که ۹۹ درصد مشتریان ورایزون مشغول استفاده از شبکه و اینترنت ۴G/LTE هستند.

اپراتور AT&T استفاده استراتژیک‌تری از امواج میلی‌متری را انتخاب کرد. این اپراتور، ابتدا ۵G خود را روی فرکانس ۲۴ گیگاهرتز برای استفاده‌های تجاری در چندین شهر راه‌اندازی کرد ولی در ادامه به فرکانس ۳۹ گیگاهرتز رفت که ارزان‌تر بود تا سرویس‌های فعال‌تری به مشتریان خود بدهد. این سرویس اینترنت فایوجی شرکت ای تی اند تی به نام +۵G معروف شد.

از نظر فنی، اپراتور T-Mobile نیز در چندین شهر سرویس فایوجی میلی متری راه‌اندازی کرده است ولی زیاد درباره آن صحبت نمی‌کند. T-Mobile دارای چندین طیف میانی خوب بود که پیش از اینکه رقبا بخواهند روی باند C دست بگذارند؛ او از این طیف‌ها به خوبی بهره برد و دیگر mmWave برای او زیاد مهم نبود.

هواوی هم اخیرا از اینترنت ۵.۵G صحبت کرده است که همان استراتژی شرکت ای تی اند تی در تلفیق باندهای رادیویی میلی متری با باندهای زیر ۶ گیگاهرتز است.

مزایای امواج میلی متری

AT&T به جای اینکه مانند ورایزون، کل شبکه ۵G خود را روی امواج میلی‌متری قرار دهد؛ از دکل‌های mmWave برای تقویت ۵G فرکانس پایین در مناطق شلوغ مانند استادیوم‌ها و فرودگاه‌ها تمرکز کرده است.

این یکی از مهم‌ترین مزایای امواج میلی متری است. فرکانس‌های رادیویی بسیار بالا، فقط پهنای‌باند بالاتری برای کاربران ارائه نمی‌کنند؛ بلکه این پهنای‌باند زیاد می‌تواند به ارائه دادن سرویس همزمان به کاربران زیادی در یک نقطه متمرکز اختصاص پیدا کند که باعث می‌شود ازدحام جمعیت به طور موثرتری مدیریت شود.

با ریاضیات به طور ساده‌ای می‌توان این قضیه را توضیح داد. اگر یک پهنای‌باند فرکانس بالا سرعتی ۴ گیگابیتی می‌دهد؛ می‌توانید ۴۰ دستگاه با سرعت ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه را به صورت کاملا پایدار و با کیفیتی و بدون کاهش سرعت به اینترنت وصل کنید.

برد کوتاه‌تر mmWave به این معنی است که اپراتورها باید دکل‌های مخابراتی و برج‌های سلولی بیشتری نصب کنند. هنگامی که شرکت AT&T بتواند برج‌های سلولی کافی برای گیرندگی کامل و پوشش‌دهی تمام یک استادیوم نصب کند؛ می‌تواند یک اینترنت ۵G با سرعت و کارایی بالا به هزاران نفر در یک بازی یا رویداد بزرگ ارائه دهد.

به طور مشابهی، استفاده از mmWave در فرودگاه‌ها ایده‌آل است. نه تنها به دلیل تعداد بالای مسافرانی که از آن‌جا عبور می‌کنند؛ بلکه به این دلیل که هیچ‌گونه تداخلی با فرکانس‌های رادیویی هوایی ایجاد نمی‌کنند.

فرکانس‌های کلیدی mmWave

بخش‌های مختلفی از فرکانس‌های mmWave توسط اپراتورها مجوزدهی شده است و روی آن کار می‌شود ولی احتمالا فعلا شاهد تجاری‌سازی آن‌ها نخواهیم بود.

به عنوان مثال، اپراتورهای T-Mobile و Dish دارای مجوزهایی برای استفاده ۹۹ درصدی از طیف فرکانسی ۴۷ گیگاهرتز هستند ولی مشخص نیست این اپراتورها می‌خواهند با این طیف فرکانسی چه کار کنند؛ چون پوشش بدتری را نسبت به فرکانس‌های ۲۸ گیگاهرتز ورایزون و ۳۹ گیگاهرتز AT&T دارد.

مهم‌تر اینکه فعلا هیچ گوشی هوشمندی نمی‌تواند به فرکانس ۴۷ گیگاهرتز دسترسی پیدا کند. سری آیفون‌های ۱۳ اپل و گوشی‌های گلکسی اس ۲۲ سامسونگ تنها از تعداد معدودی از باندهای امواج میلی‌متری پشتیبانی می‌کنند که عبارتند از n257 (28GHz) و n258 (26GHz) و n260 (39GHz) و n261 (28GHz).

• ارزان ترین گوشی های ۵G در بازار ایران

از این تعداد باند هم فقط باندهای n260 و n261 در ایالات متحده استفاده می‌شوند. بقیه باندها با شبکه‌های فایوجی کشورهای دیگر جهان سازگاری دارند.

آینده باند C

در اولین روزهای توسعه ۵G همه تصور می‌کردند آینده این نسل از شبکه‌های موبایل در امواج میلی‌متری است ولی اکنون تقریبا همه متوجه شدند که این باور اشتباه است و mmWave آینده ۵G نیست.

ورایزون این درس را سخت‌تر از دیگران یاد گرفت. چون شبکه ۵G اولیه‌ای که راه‌اندازی کرد؛ خارج از دسترس ۹۹ درصد مشتریانش بود. ورایزون برای جبران، شبکه ۵G خود را روی شبکه‌ای از فرکانس‌های پایین‌تر قرار داد که اشتراک‌هایی با فرکانس‌های رادیویی ۴G/LTE دارد. این شبکه با علامت ۵G روی گوشی موبایل مشتریان ظاهر می‌شد ولی به طور کلی سرعتی که ارائه می‌داد؛ بهتر از شبکه ۴G نبود.

اما هنگامی که ورایزون توانست طیف باند C خود را گسترش دهد؛ آن‌گاه بازگشت سرمایه او از ۵G آغاز شد و توانست مشتریان فایوجی را راضی کند و بسیاری از کاربران شروع به استفاده واقعی از ۵G کردند. باند C باعث یک جهش بزرگ در ورایزون شد که بخشی از سرویس Ultra Wideband 5G این شرکت محسوب می‌شد.

AT&T نیز در حال ارائه بخشی از سرویس‌های ۵G خود روی باند C است. مشتریان این شرکت در برخی از شهرها به باند C دسترسی پیدا کردند و شاهد افزایش چشم‌گیر سرعت خود روی ۵G بودند.

تی موبایل یک شبکه ۵G قدرتمند روی فرکانس ۲.۵ گیگاهرتز دارد و قصد دارد از طیف باند C برای فرکانس‌های بالاتر استفاده کند تا مشتریانی که در برخی مناطق به ظرفیت‌های بالاتری نیاز دارند؛ تقویت شوند.

در پایان، باید بگوییم که نقش mmWave در ۵G تقویت شبکه است نه جایگزین شدن با فرکانس‌های زیر ۶ گیگاهرتز یا طیف پایین.

ظرفیت بزرگی که امواج رادیویی میلی متری ارائه می‌کنند؛ بهترین ابزار برای ارائه سرویس به مناطق شلوغ و پر تراکم جمعیتی در برد کوتاه است. mmWave هرگز نمی‌تواند به تنهایی یک سرویس ۵G به مشتریان ارائه کند ولی به عنوان تقویت‌کننده ۵G کارایی خوبی نشان داده است.