דור חמישי בחמש פסקאות

הקושי במתן מענה לדרישות הגדלות והולכות לרוחב פס מצד צרכני התקשורת האלחוטית יוצר בעקבותיו השקעות חסרות תקדים, הן של הציבור והן של משקיעים פרטיים. החוקרים מחפשים פתרונות חדשים וטופולוגיות רשתות חדשות שיוכלו לענות על דרישות הקיבולת של הרשתות ויעניקו להן תכונות וביצועים שלא נחשבו לאפשריים עד כה. חברת NI מספקת כלים וטכנולוגיות לצורך בניית אבי טיפוס והגדרת החזית החדשה של טכנולוגיות התקשורת.

1. לא אם, אלא מתי

יש הבנה גורפת בין המומחים כי הדרישה לנתונים תעלה על יכולות התשתיות הקיימות ואף על קיבול הרשתות המתוכננות. השאלה היא לא האם זה יקרה, אלא מתי זה יקרה. ספקי השירותים האלחוטיים מתכננים באופן נמרץ לשדרג את הרשתות לדור רביעי – 4G LTE, ל-LTE-A והלאה, תוך אימוץ חידושים כגון MIMO, וצבירת נושאים (carrier aggregation) יחד עם מפת הדרכים 3GPP. בכל אופן ברור כי קצב הגידול של קיבול הרשתות שבו צועדת הטכנולוגיה הנוכחית נמוך מקצב הגידול שמתוות התחזיות. לכן נבדקות טכנולוגיות wireless חדישות שיהוו חלק מרשתות 5G. החוקרים עוסקים לא רק בשאלות הקשורות לקיבול, אלא גם לשאלות הקשורות לשיפור יכולות הכיסוי והאמינות בגבולות התא, שיפור יעילות אנרגטית ושיפור השירות, והקטנת זמני השהיה – גורמים אשר יכולים לשפר את ההיענות הכללית של הרשת. בשלב זה החוקרים מתמקדים בארבע טכנולוגיות בעלות פוטנציאל למימוש הדור החמישי.

2. Massive MIMO

טכנולוגיית Massive MIMO מבטיחה הגדלה משמעותית בקצב הנתונים ואמינות הקישוריות בעזרת שימוש במספר אנטנות גדול, (מעל 64 אנטנות) בתחנות הבסיס או בצמתי eNodeB. גישה זו שונה באופן רדיקלי מארכיטקטורת eNodeB שנמצאת בשימוש כיום, שמבוססת על 6 או 8 אנטנות בטופולוגיה אזורית. טכנולוגיית Massive MIMO נעזרת במאות אלמנטים של אנטנות לצורך הפחתת הספק הערוץ על ידי מיקוד אנרגיית השידור כלפי משתמשים ניידים שהוגדרו כמטרת השידור, וזאת בעזרת טכניקות של קידוד מקדים (precoding). הפניית האנרגיה אל משתמשים ספציפיים מאפשרת הקטנת ההספק בערוץ, ומקטינה את ההפרעות למשתמשים אחרים. אם הבטחות הצפונות בטכנולוגית Massive MIMO אכן ימומשו, הרשתות העתידיות של דור 5G יהיו מהירות ויוכלו להכיל יותר משתמשים תוך שמירה על אמינות טובה יותר, וזאת תוך הקטנה האנרגיה הנצרכת פי 100 בהשוואה לרשתות הקיימות כיום.

3.  הגדלת צפיפות הרשתות

היות וספקטרום התדרים העומד לרשות המשתמשים הניידים מוגבל, החוקרים מחפשים דרכים להגדיל את קצבי הנתונים על ידי הגדלת ה-eNodeB בשטח גיאוגרפי נתון. במקום להיעזר ב-eNodeB יחיד כנקודת גישה בשטח של כ-3 קמ”ר, יהיה צורך להגדיל בצורה משמעותית את משפר הצמתים. הגדלת צפיפות הרשתות מדור 5 מתבססת על שילוב תאים קטנים (pico cells ו-femto cell), רשתות הטרוגניות (“het-net”) וממסרים. השיטות הללו יאפשרו את הגדלת מספר נקודות הגישה (access points) ובכך את הגדלת הצפיפות באזור השירות. למרות שהעיקרון הוא יחסית פשוט – חלוקה גיאוגרפית של האזור במקום חלוקת ספקטרום תדרים – היישום מהווה אתגר. המפעיל שיישם את גישת ריבוי נקודות הגישה יהיה חייב לאמץ אסטרטגיה שתמנע הפרעות בין ההתקנים. בנוסף הוא יהיה חייב לקחת בחשבון את מיקום ההתקנים, את ההספק של כל התקן, ולהיות מסוגל לבקר את המערכת בתיאום עם נקודות גישה אחרות באזור.

4. צורות גלים חדשות

רשתות תקשורת מדור רביעי ו- 4G+ משתמשות בטכנולוגיית OFDM כאלמנט בסיסי בשכבה הפיסית. למעשה כמעט כל רשתות התקשורת המודרנית מבוססות על טכנולוגיה זו בשל קצב הנתונים שלה ואמינותה, בהשוואה לרשתות תקשורת אחרות שבהן קיימת תופעה של ריבוי נתיבים. אולם לאור הגדלת הדרישות ממערכות תקשורת עתידיות נגיע למגבלה של טכנולוגיית OFDM. טכנולוגיה זו סובלת מהופעת תדרים מחוץ לפס תדרי העבודה, דבר שבא לידי ביטוי בהופעת אונות צד המגבילות את היעילות הספקטרלית. במלים אחרות, מפעיל הרשת אינו יכול לנצל ביעילות מירבית את הספקטרום העומד לרשותו בגלל ששני משתמשים בערוצים סמוכים יגרמו הפרעות אחד לשני. מגרעת נוספת של טכנולוגיית OFDM היא יחס גבוה בין הספק שיא להספק ממוצע במגברי ההספק, דבר שבא לידי ביטוי באורך חיי סוללה קצרים בהתקנים הניידים. על מנת למצוא מענה למגרעות הטכנולוגיה הזו החוקרים מחפשים גישות חלופיות כגון:

 generalized frequency division

   multiplexing

filter bank multi-carrier

universal filter multi-carrier

החוקרים משערים כי שימוש באחת מהטכנולוגיות הנ”ל במערכות OFDM יוכל להגדיל את קיבול הרשת ב-30% או יותר ובנוסף להאריך את חיי הסוללה של ההתקנים הניידים.

5. תקשורת בגלים מילימטריים – mmWave

זמינות הספקטרום הנה בעיה מרכזית. לפי התיאוריה של שאנון קיבול הערוץ הוא פונקציה של רוחב הפס ושל יחס האות לרעש. טכנולוגיית עיבוד האותות כבר מתקרבת לגבול שהציב שאנון ליחס אות לרעש ולכן יש צורך בהגדלת רוחב הפס על מנת להגדיל את קיבול הרשת. עד לאחרונה החוקרים התמקדו בעיקר בספקטרום הזמין בפסי התדרים שמתחת ל-6GHz, וזאת לאור ההנחה שלא ניתן ליישם מערכות תקשורת בתדרים גבוהים יותר. אולם מחקרים שנעשו לאחרונה מראים שתקשורת בתחום הגלים המילימטריים  mmWave – במיוחד ב28, 30, 60 ו-72 ג’יגהרץ היא אפשרית ומכילה הבטחה לפריסה מסחרית. למרות ששידור בתדרים הללו יכול לסבול מהפסדי ערוץ גדולים יותר, ניתן יהיה לפצות על כך על ידי הגדלת השבח, שימוש באנטנות מסוג phased array בתחנות הבסיס ושימוש בטכנולוגיות מתקדמות לעיבוד אות. הפוטנציאל של תקשורת בגלים מילימטריים הוא מרגש, וזמינות התדרים היא משמעותית. בכמה תדירויות ספק השירות יוכל לממש ספקטרום רציף של עד 2GHz בהשוואה לרצף תדרים של 20MHz שניתן להשיג כיום. ההנחה היא שיש היתכנות ממשית להגדיל באופן מעשי את קיבול הרשת פי 1000 באמצעות הגדלת הספקטרום.

ג’יימס קימרי,
מנהל RF ותקשורת,
National Instruments