فرسودگی و تغییر کانال‌های مخابرات بی‌سیم نسل بعد
هر سیستم مخابراتی دارای سه جزء متحرک است: سطح هوشمند برنامه‌پذیر که می‌تواند یک ماهواره باشد، ایستگاه پایه که با گردش زمین حرکت می‌کند و برای خدمات زمینی سیار استفاده می‌شود و کاربرها که بی‌تردید متحرک هستند. اگر تغییر محیط مخابرات مانند موانع فیزیکی یا دخالت آب و هوا هم به آن سه مورد اضافه شوند، کانال‌های مخابراتی بی‌وقفه در گذر زمان تغییر می‌کنند. مجموعه این عوامل منجر به پدیده فرسودگی کانال می‌شوند که در اثر آن کانال‌های مخابراتی با دخالت متغیرهایی که مرتبط با کانال هستند تغییر می‌کنند.
کانال‌های مخابرات بی‌سیم نه فقط تغییر می‌کنند بلکه فرسوده نیز می‌شوند. در سیستم‌های کنونی، این اتصالات که بین فرستنده و گیرنده قرار دارند با گذشت زمان، حرکات و جابه‌جایی کاربر و نیز ضعیف شدن برق فرسوده می‌شوند و از بین می‌روند. پی بردن به این که این کانال‌ها در سیستم‌های آینده چگونه فرسوده می‌شوند و این که چگونه می‌توان میزان اضمحلال را کاهش داد در ساخت نسل بعدی مخابرات بی‌سیم گامی اساسی است. تاکنون، فرسودگی و تغییر کانال‌ها در سیستم‌های مخابراتی که مجهز به سطح هوشمند برنامه‌پذیر (RIS) هستند مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.
سطوح هوشمند برنامه‌پذیر آرایه‌هایی متشکل از مدارهایی هستند که می‌توانند به‌طور جداگانه برنامه‌نویسی و کنترل شوند. این مدارها به طرزی پویا سیگنال‌ها را بازتاب می‌دهند و می‌توانند سکوی پرتابی برای رسیدن به مخابرات بی‌سیم ۶Gباشند.
***
سرعت تغییر و تحول در دنیای ارتباطات و مخابرات سالانه بیشتر و بیشتر می‌شود. با گسترش روز افزون فناوری ۵G، نگاه‌ها اکنون به سوی چشم‌اندازی که نسل بعدی آن یعنی ۶Gمی‌تواند به روی ما بگشاید معطوف شده‌اند. اگر چه کاربرهای مخابرات بی‌سیم تصور نمی‌کنند نسل آینده این فناوری به این زودی‌ها در دسترس آنها قرار گیرد اما سازندگان و ابداع‌گران آن از هم‌اکنون شالودۀ آن را برقرار کرده‌اند. ۶Gنماد بارز روند سریع پژوهش و توسعه فناوری‌های مخابرات بی‌سیم است؛ این در حالی است که فناوری‌های ۵G هنوز به طور کامل در برخی از کشورها جا نیافتاده اند.
با وابستگی هر چه بیشتر جوامع و کسب و کارها به انتقال سریع و قابل اطمینان داده، پیشرفت امری است که بیش از پیش ضرورت می‌یابد. در ۱۰ سال آینده باید انتظار ظهور تغییرات بزرگ و فناوری‌های جدیدی را داشته باشیم که به زندگی ما راه می‌یابند و مستلزم برخورداری از اتصال اینترنتی و مخابراتی بیشتر و پرسرعت‌تری هستند؛ چرا که حجم انتقال داده‌ها بیشتر و بیشتر خواهد شد. می‌توانیم سیستم‌های کاملاً خودران را تصور کنیم؛ یا واقعیت چند حسگر گسترده‌ای که پنج حس همیشگی انسان را در کنار دنیای دیجیتال باهم دارد؛ یا برای مثال، جراحی از راه دور در زمان بی‌درنگ؛ یا مراکز خرید کاملاً مجازی.
شاید این‌ها بیشتر برای ما جنبه علمی ـ تخیلی داشته باشند اما بهتر است بدانیم که با۶G فناوری‌های تازه‌ای به واقعیت زندگی ما تبدیل می‌شوند؛ در حالی که دستیابی به آنها با استانداردهای فعلی ۵G امکان‌پذیر نیست.
رسیدن به این سطح ارتباطی و سطحی بالاتر از آن ایجاب می‌کند که نسل دیگری از مخابرات بی‌سیم (وایِرلِس) برقرار شود تا بتواند فناوری جدید، یعنی ۶G را پشتیبانی کند. شاید حتی بتوان آن را بُعد تازه‌ای تلقی کرد که در آن می‌توانیم سه دنیای دیجیتالی، فیزیکی و انسانی را باهم یکپارچه کنیم و از آن ماهیتی خارق‌العاده بسازیم. استاندارهای ۶Gهنوز به‌طور دقیق تعریف نشده‌اند اما هر چه لازم است راجع به آنها بدانیم، در آینده‌ای نه چندان دور برای ما روشن خواهد شد.
۶G چیست؟
۶G نسل ششم فناوری‌های ارتباطی بی‌سیم است که در آن سیگنال‌ها از طریق باند فرکانسی بسیار بالاتر از باندی که اکنون به‌طور وسیع استفاده می‌شود منتقل می‌شوند. استاندارد فعلی ۵Gباندهای فرکانس بین ۴ر۰ گیگاهرتز و ۱۱۴ گیگاهرتز را پوشش می‌دهند و سرعت انتقال داده در آنها تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه است.
با این حال، به دلیل این که ارتباطات جهانی رو به افزایش هستند و ابزار و وسایل بیشتری روی کار می‌آیند که کاربرد آنها با ارسال و دریافت اطلاعات موثق و قابل اطمینان ممکن می‌شود، پهنای باند بزرگ‌تری مورد نیاز خواهد بود.
برای بهتر فهمیدن آن بهتر است مسیر انتقال داده را به لوله آبی تشبیه کنیم که زیرزمین کار شده است. قطر لوله ثابت است که در مخابرات بی‌سیم همان پهنای باند است. بنابراین مقدار معینی آب که همان داده‌ها هستند می‌تواند در یک زمان مشخص از آن عبور کند. بزرگ‌تر کردن قطر لوله مادام که زیر زمین مدفون شده عملاً غیرممکن است. بنابراین بهترین راه‌حل این است که یک لوله جدید بسازیم که از همان ابتدا اندازه قطرش را بزرگ‌تر گرفته‌ایم تا آب بیشتری درونش جریان پیدا کند و نیز سرعت جریان آن بیشتر باشد. این لوله جدید در واقع همان فناوری۶G است.
شکاف تراهرتز
مخابرات۶G در محدوده‌ای به نام «شکاف تراهرتز» جاری خواهند بود؛ در فرکانسی تقریباً بین ۱۰۰ گیگاهرتز و ۱۰ تراهرتز که بسیار بالاتر از سیگنال‌های فناوری ۵Gاست. این محدوده در «شکافی» روی طیف الکترومغناطیسی قرار دارد که بین امواج رادیویی کنونی و نور مادون قرمز است.
بنابراین این شکاف در فضای بسیار خالی طیف قرار دارد که برای فناوری‌های آینده بسیار ایده‌آل است؛ چون فناوری‌های نسل بعد به پهنای باند بالا و سرعت زیاد نیاز دارند.
با وجود ۶G ، اکنون این موقعیت فراهم شده است تا لولۀ آبی (مسیر انتقال) با قطر بسیار بزرگ ساخته شود که در هر لحظه‌ای از زمان آب (داده‌ها) بسیار بیشتری را می‌تواند در خود عبور دهد.
مزایای۶G
بزرگترین و بارزترین مزیت فناوری ۶Gسرعت بالای انتقال داده‌ها محسوب می‌شود و این به دلیل افزایش پهنای باند است. سرعت انتقال داده با ۵Gتا ۱۰ گیگابایت در ثانیه است. پژوهش‌ها نشان می‌دهند که ۶G انتقال داده را با سرعتی حدود ۱۰۲۴ گیگابایت در ثانیه امکان‌پذیر می‌کند که معادل یک ترابایت در ثانیه است. بنابراین سرعتی که فناوری ۶Gدر اختیار ما خواهد گذاشت ۱۰۰ برابر سریع‌تر از سرعت استاندارد فعلی است و عده‌ای معتقدند که حتی از این میزان نیز بیشتر خواهد بود.
پهنای باند بیشتر همچنین به معنای انتقال مقدار بسیار بیشتری داده در هر لحظه است. پس فناوری‌های تازه مثل وسایل نقلیه خودران و جراحی از راه دور به واقعیتی ملموس بدل خواهند شد. مقدار داده‌ای که این قبیل کاربردها نیاز دارند به حدی است که از لحاظ فنی با استاندارهای G5 نمی‌توان آنها را راه‌اندازی کرد.
علاوه بر این‌ها، وسایل بیشتری به حسگرهای مختلف، پردازشگر و نرم‌افزاری مجهز می‌شوند تا آنها را به اینترنت اشیاء متصل کنند و بدین ترتیب این وسایل این قابلیت را خواهند داشت که با وسایل و سیستم‌های دیگر تبادل داده کنند.
فایده دیگر ایجاد سیگنال در دامنه فرکانس تراهرتز به جز مزیتی که مخابرات بی‌سیم از آن بهره‌مند خواهند شد، در حوزه امنیت و تصویربرداری خواهد بود؛ یعنی جایگزینی برای اسکنرهای پرتو ایکس فعلی.
سیگنال‌های تراهرتز می‌توانند از درون سرامیک، منسوجات پلاستیکی و کاغذ عبور کنند و این ویژگی سطح مراقبت و وارسی امنیتی را تا حد زیادی بالا می‌برد؛ به‌ویژه با توجه به این که مواد ارگانیک دیگر از جمله مواد منفجره و برخی داروهای غیرمجاز آستانه جذب بالایی در عبور تابش تراهرتز دارند و رد متفاوتی از خود نشان می‌دهند که تشخیص آنها را دشوار می‌کند.
بنابراین، مأموران بازرسی می‌توانند با اسکنر مجهز به تابش تراهرتز حتی بدون باز کردن پاکت‌ها و بسته‌های مهر و موم‌ شده تشخیص دهند آیا مواد مخدر درون کیف، چمدان، صندوقچه و غیره جاسازی شده است یا خیر. در حال حاضر این کار با اسکنرهای پرتو ایکس ناممکن است. این اسکنرها می‌توانند وجود مواد مختلف را درون بسته شناسایی کنند اما نمی‌توانند تشخیص دهند که برای مثال محتویات داخل بسته شکر است یا کوکائین.
انرژی فوتونی تابش در فرکانس‌های تراهرتز بسیار کم است. به همین دلیل، این نوع تابش جایگزین مناسبی برای پرتو ایکس در تصویربرداری‌های پزشکی است. پرتوی ایکس یون‌ساز است و ممکن است به بافت زنده و دی اِن اِی صدمه بزنند.
چالش‌ها
یکی از چالش‌های مهم که در مورد فناوری۶G در فرکانس‌های بالاتر از ۱۰۰ گیگاهرتز وجود دارد ضعیف شدن سیگنال است. سیگنال‌ها در فرکانس‌های بالا، حین عبور بین دو نقطه درون هوا دچار کاهش انرژی رادیویی می‌شوند. به علاوه، به دلیل وجود مولکول‌های آب و اکسیژن در هوا در فرکانس‌های بالا بیشتر قطع می‌شوند. با این وصف، طیف شکاف تراهرتز برای انواع مخابرات وایرلس حتی از حد ایده‌‌آل نیز فراتر می‌رود.
برای این که فناوری۶G با تضعیف شدن سیگنال‌ها مقابله کند، منبع برق سیگنال‌های آن باید قوی‌تر از منبع انرژی فعلی باشد. عده‌ای از دانشمندان ساخت ابزاری به نام «هدایت‌کننده پرتو» را آغاز کرده‌اند که سیگنال‌ها را با دقت بسیار بالاتری متمرکز کرده و به یک نقطه معین جهت‌دهی می‌کند.
دانشمندان دیگری شبکه‌ای پهپادی را برای تقویت سیگنال‌های۶G پیشنهاد کرده‌اند. این راهکار می‌تواند مشکل تضعیف سیگنال را حل کند؛ به‌طوری که دیگر تردیدی در انتقال بی‌وقفه و فوق‌العاده ایمن داده‌ها باقی نمی‌ماند.
مانع دیگری که در ارتباطات تراهرتز وجود دارد نبود ارتباط شبکه‌ای و درون‌پیوندی (interconnected)است و شامل ارتباط فیزیکی بین دو تراشه یا دو قطعه مختلف درون یک سیستم است. در حال حاضر برای این گونه ارتباطات از سیم‌های فلزی استفاده می‌شود اما این سیم‌ها در فرکانس‌های بالاتر از ۱۰۰ گیگاهرتز انرژی الکتریکی یا الکترومغناطیسی را پراکنده کرده و به هدر می‌دهند و انواع پهنای باندی که فناوری ۶Gنیاز دارد را تأمین نمی‌کنند. پژوهشگران دانشگاه «نیو ساوت ولز» با همکاران خود در «دانشگاه آدلاید» در استرالیا، پژوهشی را به منظور ساخت سیم‌هایی از جنس فیبر پلیمری آغاز کرده‌اند که به طرز قابل‌توجهی از هدر رفتن انرژی جلوگیری می‌کنند.
کاربردهای فناوری مافوق سریع ۶Gدر دنیای واقعی
ورود فناوری ۶Gبا دامنه فرکانس تراهرتز، تقریباً همه صنایع را از انتقال سریع‌تر اطلاعات با کمترین میزان تأخیر(latency) بهره‌منده خواهد کرد. این تأخیر بسیار جزئی و در حد چند میکروثانیه خواهد بود. منظور از تأخیر در حوزه ارتباطات میزان تأخیر زمانی قبل از شروع انتقال داده است.
یکی از کاربردهای کلیدی آن انجام جراحی از راه دور در زمان بی‌درنگ است. در این مورد بسیار حساس که جان انسان‌ها در میان است، کمترین تأخیر یک ضرورت است. روندهای درمانی دیگر مانند پایش بیمار و تحلیل عکس‌هایMRI و سی‌تی‌اسکن نیز با کمترین تأخیر بهتر انجام می‌شوند.
کاربرد دیگر آن در صنعت خودرو است. احتمال استفاده از خودروهای خودران رو به افزایش است، چون ۶Gمدیریت تمامی داده‌هایی که از حسگرها و رادارهای مختلف جمع‌آوری می‌شوند را آسان‌تر می‌کند. انتقال سریع داده در یک وسیله نقلیه خودران موجب افزایش هر چه بیشتر امنیت راننده و سرنشینان آن می‌شود. البته در برخی موارد، تضعیف سیگنال‌های فرکانس بالا فایده نیز دارد.
ارتباطات میدان نزدیک (near-field communication)
که در آنها اطلاعات حساس و خصوصی بین افراد جابه‌جا می‌شوند نیز با متمرکزتر شدن سیگنال‌ها امن‌تر می‌شوند. افرادی که در ارتباطات نظامی در میدان نبرد و موقعیت‌های استراتژیک شرکت دارند نیز مطمئن می‌شوند که اطلاعات آنها مسیرهای طولانی را طی نمی‌کنند و به دست دشمن نمی افتند.
۶Gچه زمانی عرضه می‌شود؟
هنوز زمان لازم است تا استانداردها و فرکانس‌های ۶Gبه خوبی تعیین شوند. «اتحادیه بین‌المللی مخابرات» (ITU)در سال ۲۰۲۳ میزبان کنفرانس مخابرات رادیویی جهانی خواهد شد. در این مجمع، استفاده طولانی‌تر از طیف رادیو ـ فرکانسی مورد بحث قرار خواهد گرفت و تصمیم نهایی در این باره چند سال بعد در سال ۲۰۲۷ گرفته خواهد شد. در این حین، پژوهش و توسعه به سرعت ادامه خواهد یافت و پس از تصویب قوانین رادیویی، کاربردهای ۶Gبه اجرا درخواهند آمد. این بدان معنا است که از حدود سال ۲۰۲۸، یعنی شش سال دیگر، بعد تازه‌ای از مخابرات که ۶Gنوید آن را داده است به واقعیت دنیای ما راه پیدا خواهد کرد.
پیش‌بینی می‌شود فناوری‌های عمده مبتنی بر ۶Gبرای شبکه‌های مخابراتی موبایل در آینده‌ای نزدیک، یعنی سال ۲۰۲۳ در دسترس کاربرها قرار گیرند؛ ضمن این که خود شبکه‌های ۶Gدر سال ۲۰۳۰ فعال خواهند شد.

code