חקר הטכנולוגיות החדשות להגדלת הנפח ברשתות האלחוטיות החל, למרות שאנו עדיין מגדירים את מהדורות ה-12 וה-13 של ההתקן לתקשורת אלחוטית של 3. הבה נכנה את המחקר הזה “דור חמישי” () ונבחן את הצרכים והדרישות של העבודה המתמשכת הזאת וכמה מאתגרי העיצוב והבדיקות הנלווים לה.
חוקרים הבוחנים את הרשתות של הדור הבא, טוענים כי הדרישה המרכזית תהיה לקישוריות רציפה בעבור אוכלוסיית משתמשים ומכשירים גדולה הרבה יותר. לפי המחקרים, אנו צפויים להגיע ל-30 עד 50 מיליארד מכשירים ניידים בחמש השנים הקרובות. גישה זמינה 24/7 לשירותי פס רחב דורשת מהתעשייה לשמור על קצב הצמיחה הנוכחי שלה, דבר שיביא לחיינו שינוי גדול יותר מכניסתו לשימוש של האינטרנט. התוצאה תהיה רשת התומכת ב”הכול מחובר בכל מקום ובכל זמן”.
השיפורים החדשים ברשתות הסלולאריות אפשרו שירותים חדשים ויצרו מערך ציפיות חדש של משתמשי הקצה. הזרם המתגבר של אפליקציות מורכבות ורעבות למידע המיועדות לסמארטפונים וטאבלטים מעיד על כך. כיום, כמה אפליקציות תומכות ב”חיבור רציף”, היכולת להעביר את האפליקציה בין מכשירים שונים, מהטאבלט לסמארטפון ולמערכת הביתית, למשל, ללא הפרעה לחיבור. היכולת הזאת דורשת גישה לחיבור של כמה רשתות כדוגמת נקודת התחברות אלחוטית, סלולארית ופס ביתי רחב, ושליטה בהן. צריכת המידע הסלולארית צפויה להכפיל את עצמה מדי שנה בחמש השנים הבאות ומפעילי הרשתות טוענים כי הם ישתדלו לעמוד בדרישה ארוכת הטווח ללא הרחבת הספקטרום.
המחקרים מתארים את תכונות המפתח שיידרשו לרשת כדי לתמוך בגידול העצום במספר המכשירים ודרישות התפעול: רשת משולבת קווית/ אלחוטית, בה החלק האלחוטי הוא רשת דחוסה של תאים קטנים, כאשר הגודל של 10GB מתאפשר בזכות השימוש בריבוב מרחבי (MIMO). השהייה של אלפית שנייה (1ms) תאפשר לשלוח וידאו בצפייה ישירה ברזולוציה גבוהה הנדרשת לאפליקציות מציאות מדומה מוטמעת. כיום מניחים שהמכשירים יתמכו בשימוש במקביל של ממשקים מרובים, שיכללו לא רק הרחבות של תדרי RF של ימינו, אלא גם יתפקדו בתדרי מיקרוגל או גל מילימטרי. בזכות התכונות האלה, הרשת המשולבת תתמוך בכול, ממכשירי M2M פשוטים ועד לטלפונים, טאבלטים ומחשבים ביתיים מהדור הבא, כשהיא מפקחת ושולטת על מיליארדי חיישנים וריבוי שירותי סטרימינג בו-זמניים ותתמוך באיסוף המידע העצום וצרכי החלוקה של “האינטרנט של הדברים”.
החזון “הכול מחובר בכל מקום ובכל זמן” לשנת 2020 כפי שהוא מוצג במחקרי רשתות הדור החמישי, מניח כמה פרדיגמות חדשות: מכשירים מסוגלים לפעול בתדרים הנעים מכמה מאות מגהרץ ועד ליותר מ-100GHz, תאי שטח פנימיים שיכולים להיות קטנים כמו חדר ורשת דחוסה של תאים זעירים בגודל פיקו ופמטו תמקסם את מספר המשתמשים שניתן לתמוך בהם. מטרת רשת הדור החמישי לספק רשת בעלת קיבולת גדולה, המסוגלת להגיע לשיא של 10Gbps, ותמיד תספק קצב של 1Gbps לכל כמות של משתמשים שידרשו זאת. במילים אחרות, לספק רוחב פס לא מוגבל לכל משתמש, את כל רוחב הפס שיצטרכו, בכל מקום וזמן, כולל באזורים הומי אדם כמו אירועי ספורט וכינוסים. אף אחד מהמחקרים לא מציין פרטים מדויקים על ליבת הרשת שמשלבת את הכול, אבל הם מניחים שהקישוריות הרציפה שהוזכרה קודם היא נתון הכרחי.
השגת הקיבולת בעולם הסלולארי נובעת משלושה משתנים: ספקטרום רחב יותר, יעילות גדולה יותר ושימוש חוזר יעיל יותר בתדר באמצעות שימוש בתאים סלולאריים הולכים וקטנים. כל התחומים האלה נחקרים. החוקרים בוחנים טווח תדרים נרחב, מהתדרים הסלולאריים הנוכחיים ועד 28GHz, 38-40GHz, 57-64GHz, 70-75GHz, 81-89GHz, ואפילו 140GHz. הם בוחנים רוחב פס מ-3GHz ועד 5GHz. הם בודקים אנטנות עם תצורה מרובת אנטנות כדי להגדיל את הקיבולת ולמקד את ביצועי התא בביצועי מכשיר מסוים. נמשכת העבודה על תאים קטנים ורשתות הטרוגניות. טכנולוגיות חדשות לרשתות מתארגנות מעצמן, משדרים מוגדרי תכנה במתכונת ממשקים אוויריים מרובים ורשתות מוגדרות תכנה מבוססות מחשוב ענן, כבר מוצעות למתכונת הבאה של הדור הרביעי וטכנולוגיות אלה יורחבו בדור החמישי. החוקרים בוחנים גם שכבות פיזיות כמו GFDM, FBMC, UFMC, BFDM ו-NOMA.
הוועידה העולמית לתקשורת רדיו שמכנס האיגוד העולמי לטלקומוניקציה, נערכת מדי 3-4 שנים. בסמכותה להגיע להסכמים בשאלות של תדרי רדיו בינלאומיים, כולל תדרים המוקצים לרשתות ניידות. הוועידה הבאה מתוכננת להיערך בז’נבה בשנת 2015 (ITU-R WRC-15) ושם יתקיימו הדיונים הראשוניים על .
אתגרי עיצוב ובדיקה
בהשוואה לדורות הקודמים של רשתות סלולאריות, רשת הדור החמישי מציגה כמה עיצובים חדשים ואתגרי בדיקה. עיצוב הרכיבים, המערכת, בדיקות בתדרי מיקרוגל וגל מילימטרי מתקיימים כבר שנים רבות, אבל היישום שלהם במכשירים זולים בתפוצה נרחבת בשוק הצרכני די חדש. כבר קיים תדר לא מורשה הנמצא בשימוש ב-60GHz לתקן LAN אלחוטי 802.11ad, והוא מאפשר 2GHz רוחב פס של ערוץ. שימוש דומה יכול להיעשות בספקטרום המורשה של 28GHz, בו “סמסונג” ואחרים כבר דיווחו על תוצאות בניסויים, ובטווחים אחרים בהם מתקיימים מחקרים בכמה אוניברסיטאות. מתבצעת עבודה על דגמים של ערוץ שנועדה לאפיין כיצד מתנהגים האותות בתדרי גל מילימטרי. במכשירים של משתמש “אמתי”, סביר שהתדרים האלה ישתמשו ברכיבי אנטנה הקשורים ישירות לשבבי השידור והקליטה, דבר שיקשה על החיבור לציוד בדיקה. לתצורה הזאת יש בעיות מובנות ביצירת כיול אמין שניתן לחזור עליו. תחנות תשדורת מאופיינות, לרוב, במטריצות אנטנה לניווט האלומה (כיוון של תכונות גלי רדיו לעבר מכשיר מסוים), ו/או ריבוי משדרים/ קולטנים (MIMO) לשיפור הקיבולת. בדיקת מכשירי המשתמש תהווה עדות לחיקוי תנאי הרשתות בעולם האמתי והספקים של ציוד הבדיקה יצטרכו לספק אמצעים למדידת ערוצים חדשים ומודלים להדמיה לפיתוח ראשוני, כמו גם בייסבנד (baseband) מורכב ומקורות מיקרוגל לאימות ביצועים. איור מספר 1 מראה מערכת המעוצבת לבדיקת רכיבי 802.11ad ב-60GHz, ומעניק מושג מה ייתכן שיהיה נחוץ לעיצוב ופיתוח של גל מילימטרי בדור החמישי.
עדיין יש להחליט על כל טכנולוגיה אפשרית חדשה לתכונות של שכבה פיזית (PHY), אבל סביר שמכשירי הדור החמישי יצטרכו לתפקד במגוון של רשתות תקשורת נתונים על גבי רדיו (RANs). השכבה הפיזית החדשה תכלול אפנון חדש ותרשימי קידוד יעילים יותר בשיעורי ביט והיי סימבול גדולים יותר (למשל, השימוש בסדרות גוליי ב-802.11ad). האתגרים כאן רבים וכוללים מצריכת הסוללה (בהתאם לציפיות המשתמש) ועד לתמיכה במקלטים שמסוגלים לבטל אפנון ולפענח מידע ממובילים מרובים תוך שימוש במאפיינים שונים של השכבה הפיזית במקביל ואז, שילוב ומיזוג המידע לרצף אחיד ושימושי.
כיום מתקיימים מחקרים של הדור הבא באוניברסיטאות כמחקר עצמאי, או כחלק מקונסורציום או פורומים בתמיכה והכוונה של שותפים מסחריים, או במעבדות מחקר ופיתוח של יצרניות ציוד לרשתות, יצרניות שבבים ומכשירים ומפעילות רשתות. תהליך התקינה של הדור הבא עשוי להתחיל רק בשנת 2015, אבל מצפים שכמה מהמחקרים המתבצעים כיום יכללו במערכות התקשורת של הדור הבא ויתחילו להיחשף לקראת שנת 2020.
המחקרים פתוחים לגמרי לכל הכיוונים והחוקרים זקוקים למגוון רחב של פתרונות בעלי גמישות רבה כדי לכסות את כל טווח התדרים ואת כל צרכי האנליזה. כיום, חברת Keysight מספקת את מלוא הטווח של כלי מדידה והדמיה גמישים שמאפשרים תובנה במחקר. מנתחי וקטור רשת מאשרים תכנון מעמיק ובחינות של רכיבי גל מילימטרי עד ל-110GHz, כמו אלמנטים של מערך אנטנות הנחוצים לניווט האלומה ו-MIMO. המכשירים החזויים צפויים לכלול מחיישנים פשוטים שלא אמורים לטפל בהם במשך שנים ועד לסמארטפונים וטאבלטים מהדור הבא, בהם חיי הסוללה יהיו המפתח לעמידה בציפיות המשתמש. מערכת בדיקת התרוקנות הסוללה של Keysight מציעה למתכננים פתרון טיפולי חזק לבחינת המכשירים שלהם בתנאי מתח רגיל, גבוה ונמוך. בשכבה הפיזית, שם עיבוד אות דיגיטלי מתקדם פוגש גלי רדיו, “SystemVue” היא סביבת אוטומציה ברמת המערכת שמאיצה את העיצוב ואת אימות מערכות התקשורת. היא משתלבת עם מוצרי המדידה של Keysight וביחד הם יוצרים סביבה ניתנת להרחבה ליצירת מודלים, יישום, הטמעה ואימות מערכות תקשורת מהדור הבא. היא מאפשרת לאמת מערכת וירטואלית מהיום הראשון של הפרויקט, משלב ההדמיה במודלים ובהדרגה, לשלב יותר מדידות מהעולם האמתי, כאשר העיצוב מועבר לחומרה פעילה. ניתן לצרפה למקורות האות של Keysight כדי ליצור צורות גל שרירותיות מורכבות שיאמתו מודלים תיאורטיים של ערוץ ברגע שהעיצוב מיושם ומוטמע. ניתן להשתמש ב-“SystemVue” גם בשילוב תוכנת ה- 89600 VSA, מערך מקיף של כלים לביטול אפנון וניתוח וקטור של אות. VSA פועלת בשילוב עם מגוון כלי מדידה: מנתחי אות מודולאריים, אוסילוסקופים דיגיטאליים ודיגיטייזר לפס רחב, כדי להתאים לתדר ולרוחב הפס של האות שיש לנתח. המדידות, הדמיות וכלי יצירת האות וניתוחו, כשהם משולבים זה בזה, מאפשרים את החקר של כל פן של הרכיבים והאותות שיהפכו לחלק מהעיצוב המתקדם הדרוש למערכות התקשורת של הדור הבא.
איור 1.
מערכת בדיקת
גירוי/תגובה עם
תוכנה.
