+4G یا 4.5G چیست - هرآنچه باید از این فناوری بدانید

احتمالاً بارها مشاهده کرده‌اید که گاهی به‌جای علامت 4G در بالای گوشی، علامت‌های 4.5G یا +4G ظاهر می‌شود. در این وضعیت ممکن است متوجه افزایش محسوس سرعت و کیفیت اتصال به‌شبکه شده باشید، برای همین اولین سوالی که در ذهن به‌ وجود می‌آید این است که آیا 4.5G فناوری متفاوت و پیشرفته‌تری از 4G محسوب می‌شود؟ این سؤال و سؤال‌های دیگری پیرامون این موضوع وجود دارد که در این مقاله قصد داریم به آن‌ها پاسخ دهیم.

پیش‌ از اینکه در مورد 4.5G و تفاوت آن با 4G صحبت کنیم لازم است ابتدا به‌صورت مختصر اشاره‌ای در مورد نحوه کارکرد نسل چهارم شبکه تلفن همراه و تفاوت آن با نسل‌های قبلی داشته باشیم و همچنین با شبکه‌های LTE آشنا شویم.

4G نام کوتاه نسل چهارم شبکه‌های سلولی بی‌سیم است. الزامات و استانداردهای 4G در سال ۲۰۰۸ توسط اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU) تعریف شده که ویژگی‌های کلیدی هر استاندارد ارتباطی از جمله فناوری انتقال و سرعت داده را مشخص می‌کند. هر نسل جدید از فناوری ارتباط سلولی بی‌سیم، پیشرفت چشمگیری را در سرعت پهنای باند و ظرفیت شبکه تجربه می‌کند؛ برای مثال استانداردهای مبتنی‌بر 3G نهایت سرعت ۱۴ مگابیت‌برثانیه را ارائه می‌دادند درحالی‌که استانداردهای مبتنی‌بر 4G امکان اتصال به اینترنت با سرعت تا ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه را فراهم می‌کند.

اصلی‌ترین عاملی که شبکه‌های مبتنی‌بر 4G را از شبکه‌های 3G متمایز می‌کند، تغییر از فناوری رادیویی طیف گسترده به انتقال چند حامل OFDMA است. این تغییر، سرعت آپلود و دانلود بسیار بالاتر و دسترسی و استفاده از طیف وسیع‌تری از محتوا مانند بازی، ویدئو و رسانه‌ های اجتماعی را آسان‌تر کرد.

شبکه‌های مبتنی‌بر 4G همانند شبکه‌های دیگر از طریق آنتنی کار می‌کند که داده‌ را در بستر فرکانس‌های رادیویی ارسال می‌کند و تلفن‌های همراه را قادر می‌سازد تا به این شبکه متصل شوند اما برای دستیابی به سرعت و پهنای باند بالا، فناوری‌های به‌کاررفته برای انتقال و دریافت داده در شبکه‌هایی که الزامات نسل چهارم را برآورده می‌کنند، با شبکه‌های دیگر تفاوت دارد. درحالی‌که در شبکه‌های مبتنی‌بر 3G از فناوری‌های TDMA (دسترسی چندگانه تقسیم زمانی) و CDMA (دسترسی چندگانه تقسیم کد) بهره می‌برند، قابلیت‌های مخابراتی شبکه‌های 4G از فناوری‌های MIMO (چندین ورودی - چندین خروجی) و OFDM (مدولاسیون تقسیم فرکانس متعامد) تشکیل می‌شود.

ارسال و دریافت با استفاده از فناوری‌های MIMO و OFDM ظرفیت و پهنای باند بیشتری را در مقایسه با 3G فراهم می‌کند. OFDM همچنین دستیابی به سرعت‌های بالاتر را ممکن می‌کند و ازدحام شبکه را در مقایسه با شبکه‌های 3G کاهش می‌دهد. 4G همچنین یک استاندارد جدید برای انتقال صدا و داده بر بستر IP محسوب می‌شود. نسل قبلی از IP تنها برای انتقال داده استفاده می‌کند و صدا (تماس) از روش سوئیچینگ مداری منتقل می‌شود.

برای اینکه شما را با تفاوت 4G و 4.5G آشنا کنیم، لازم است در مورد شبکه LTE نیز اطلاعاتی را کسب کنید. چراکه می‌بینیم این اصطلاح را در برخی جاها کنار نماد نسل چهارم به‌شکل 4G LTE به‌کار می‌برند یا آن‌را به‌عنوان یکی از استانداردهای نسل چهارم می‌شناسند، درحالی‌که این‌طور نیست و در آینده استانداردهای جدیدتری تحت عنوان LTE Advanced معرفی شدند که سرانجام به‌عنوان استاندارد موردپذیرش نسل چهارم شناخته شدند و در بعدها نسخه‌های بهبودیافته LTE-A (Cat6 و بالاتر) که معادل فعلی 4.5G هستند، دستیابی به نهایت سرعت نسل چهارم شبکه تلفن‌های همراه را ممکن کردند.

LTE یا Long-Term Evolution یک فناوری جدید و بهبودیافته پس‌سازگار با استانداردهای GSM/UMTS برای شبکه‌های نسل سوم محسوب می‌شود که توسط سازمان 3GPP تعریف شده است. این استاندارد که با نماد 3.95G نیز شناخته می‌شود، به عنوان گام بعدی در پیشرفت ارتباطات سیار توصیف شد. در زمانی که اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU) استانداردهای نسل چهارم که نرخ انتقال داده یک گیگابیت‌برثانیه را به کاربر ثابت و ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه را به کاربر در حال حرکت ارائه می‌دهد را تعریف کرده بود، این شبکه قادر به برآورده کردن الزامات این اتحادیه نبود اما درواقع زیربنای توسعه شبکه‌های مبتنی‌بر نسل چهار مانند LTE Advanced محسوب می‌شود که از آن به‌عنوان 4G واقعی یا True 4G یاد می‌شود.

LTE را می‌توان به پلی میان 3G و 4G تشبیه کرد. همانطور که گفتیم،‌ 4G برای اولین بار توسط ITU در سال ۲۰۰۸ تعریف شد، اما سرعت و مشخصات فنی آن برای شبکه‌های تلفن همراه و گوشی‌ها قابل دستیابی نبود. نسخه‌های اولیه LTE به‌عنوان راهکاری موقتی و تا زمانی که شبکه‌های LTE پیشرفت کنند، پهنای باند بیشتری نسبت به 3G فراهم کرد، بدون اینکه به حداقل سرعت شبکه با پهنای باند کامل ۱۰۰ مگابیت در ثانیه که 4G وعده داده است، دست یابد. با این‌حال پشتیبانی از قابلیت‌های فنی جدیدی به آن اضافه شده بود که چارچوبی را برای رشد LTE در طول زمان فراهم می‌کرد. اولین کتگوری‌های شبکه LTE مبتنی‌بر نسخه 3GPP ۸ بودند و سرانجام در نسخه 3GPP ۱۰ شکاف بین استانداردهای جدید دست‌نیافتنی ITU-R و فناوری‌های ارتباطی موجود با ورود کتگوری‌های بالاتر LTE Advanced و LTE Advanced Pro از بین رفت.

گاهی اوقات LTE به عنوان 4G LTE نامیده می‌شود، که باعث می‌شود کاربران فکر کنند که از شبکه‌های 4G استفاده می‌کنند، اما در واقعیت همان LTE است. نسخه‌های اولیه شبکه LTE به‌دلیل پیشرفت قابل‌توجه نسبت به 3G و دگرگونی تجربه کاربران باعث شد تا بسیاری از اپراتورها، این شبکه‌را به‌عنوان 4G تبلیغ کنند. بنابراین اصطلاح 4G LTE اغلب جنبه‌ی بازاریابی داشته و بر سرعت خاصی دلالت نمی‌کند. در نسخه‌های اولیه فناوری LTE بسته به اپراتور، سرعت از ۲۰ تا ۱۰۰ مگابیت برثانیه متغیر است. با این‌حال LTE-A یا LTE-Advanced، به‌طور خاص برای شبکه‌هایی با پهنای باند بالای ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه که همان استانداردهای 4G هستند، به‌ کار برده می‌شود.

از آن‌جایی که فناوری LTE، اساس کار شبکه‌های مبتنی‌بر 4G را تشکیل می‌دهد، لازم است اندکی در مورد کارکرد این شبکه نیز توضیح دهیم و در ادامه به این موضوع پی ببریم که 4.5G به کدام دسته از شبکه‌های LTE اطلاق می‌شود.

یک شبکه LTE همانند 4G از نوع چندکاربره طرح مدولاسیون تقسیم فرکانس متعامد (OFDM) که دسترسی چندگانه با تقسیم فرکانس متعامد (OFDMA) نامیده می‌شود، برای سیگنال داون‌لینک خود استفاده می‌کند. OFDMA شبکه LTE را قادر می‌سازد تا داده‌ها را از یک ایستگاه پایه به چندین کاربر با سرعت داده بالاتر از 3G با بهره‌وری طیفی بهبودیافته انتقال دهد. FDMA تک‌حامل برای سیگنال آپلینک استفاده می‌شود که توان انتقال موردنیاز داده از موبایل را کاهش می‌دهد.

شبکه LTE از پهنای باند انعطاف‌پذیر پشتیبانی می‌کند که به اپراتورهای تلفن همراه اجازه می‌دهد از کانال‌های فرکانسی پایین یا بالا که به عنوان حامل نیز شناخته می‌شوند و طیفی از اعداد ۱٫۴ ، ۳ ، ۵ ، ۱۰ ، ۱۵ و ۲۰ مگاهرتز را دربرمی‌گیرد، استفاده کنند. حامل‌های بزرگتر ظرفیت بیشتری دارند که می‌تواند دستیابی به نرخ تبادل بالاتر را ممکن کند.

شبکه‌های LTE افزون‌بر فناوری‌های مذکور از فناوری آنتن چند ورودی، چند خروجی (MIMO) مشابه آنچه در استاندارد شبکه محلی بی‌سیم IEEE 802.11n استفاده می‌شود، استفاده می‌کنند. MIMO و OFDM نسبت سیگنال به نویز بالاتری را در گیرنده فعال می‌کنند و پوشش شبکه بی‌سیم و توان عملیاتی را به‌ویژه در مناطق شهری متراکم فراهم می‌کنند.

پیش‌تر با LTE آشنا شدیم و پی بردیم که شبکه‌های 4G مبتنی بر آن هستند. LTE-A یا LTE Advanced به‌زبان ساده، نسخه بهبودیافته شبکه LTE است. آخرین کتگوری شبکه LTE عادی یعنی Cat5 طبق نسخه 3GPP ۸، حداکثر سرعت داده تا ۳۰۰ گیگابیت در ثانیه را ارائه می‌دهد، درحالی‌که LTE Advanced، مطابق با نسخه 3GPP ۱۰، حداکثر نرخ داده را تا یک گیگابیت برثانیه امکان‌پذیر می‌کند.

اولین تفاوت کلیدی بین LTE و LTE Advanced در فناوری‌ای به نام تجمیع فرکانس یا Carrier Aggregation است، تکنیکی که به شبکه‌های LTE-A اجازه می‌دهد تا کل پهنای باند حامل را با ترکیب چندین حامل (کانال) افزایش دهند. LTE Advanced از تجمیع حداکثر پنج حامل پشتیبانی می‌کند. به این‌ترتیب با ترکیب پنج حامل ۲۰ مگاهرتزی می‌توان به حداکثر پهنای باند ۱۰۰ مگاهرتز (۲۰×۵=۱۰۰) دست پیدا کرد. می‌توان چندین تشبیه برای توضیح این مفهوم داشت، اما ساده‌ترین آنها این است که شبکه را به‌عنوان یک بزرگراه در نظر بگیریم. هرچقدر خطوط عبوری این بزرگراه بیشتر باشند، حرکت خودروها روان‌تر و سریع‌تر خواهد بود. این فناوری همچنین به اپراتورها کمک می‌کند تا طیف‌های مختلف فرکانسی خود را ترکیب کنند.

دومین تفاوت بین LTE و LTE Advanced استفاده از تعداد بیشتر عناصر آنتن است. همانطور که می‌دانیم، برای بهبود نرخ داده و کیفیت سیگنال از فناوری MIMO در شبکه LTE استفاده می‌شود و در آن به‌جای یک آنتن، از دو یا چند آنتن برای تبادل داده بین فرستنده و گیرنده استفاده می‌شود. هر دو شبکه LTE و LTE Advanced از فناوری MIMO استفاده می‌کنند ولی تفاوت در اینجا است که در LTE-A از MIMO ۸×۸ در داون‌لینک به‌جای MIMO ۴×۴ استفاده می‌شود. این بدان معنا است که شبکه‌های LTE-A می‌توانند در دریافت اطلاعات، هشت لایه ارتباطی از ایستگاه پایه تا تلفن‌همراه داشته باشند. در فرایند ارسال داده از تلفن به ایستگاه پایه، شبکه‌های LTE-A از پیکربندی MIMO ۴×۴ استفاده می‌کنند که بالاتر از ۲×۲ MIMO شبکه LTE عادی است.

در نهایت، فناوری LTE پایه از QPSQ (کلیدزنی فاز چهارگانه) و مدولاسیون ۱۶ و ۶۴ QAM و LTE-A از مدولاسیونی با مرتبه بالاتر یعنی ۲۵۶ QAM استفاده می‌کند. این یعنی تولید بیت‌ریت بسیار بالاتر در هر سمبل.

یکی دیگر از مزایای LTE-Advanced نسبت به شبکه‌های قبلی این است که آن‌ها قابلیت‌هایی دارند که استقرار شبکه‌های ناهمگن (HetNet) را آسان‌تر می‌کند و پوشش شبکه و ظرفیت را برای کاربر نهایی بهبود می‌بخشد. با شبکه‌های ناهمگن، طیفی از انواع مختلف سایت‌های سلولی مانند سایت سلول اصلی (ماکروسل)، میکروسل‌ها و پیکوسل‌ها می‌توانند با هم کار کنند تا پوشش و ظرفیت شبکه مورد نیاز را ایجاد کنند. قابلیت فنی کلیدی که باعث تحقق آن می شود، فناوری رله در قالب گره های رله است.

گره‌های رله، ایستگاه‌های پایه کوچکی هستند که تفاوت چندانی با سایت‌های سلولی کوچک ندارند، گره‌های رله می‌توانند منجر به بهبود، هم در پوشش و هم در ظرفیت شبکه سلولی شوند. آنها مشابه سایت‌های سلولی کوچک و تکرارگر (ریپیتر) کار می‌کنند، اما استفاده از گره‌های رله مزایایی دارد. گره‌های رله از نظر پوشش بهتر از تکرارگرها هستند، چراکه تکرارگرها همه‌چیز از جمله نویز را در سیگنال تقویت می‌کنند.

اکنون با توضیحات داده‌شده، هر شبکه‌ی مبتنی‌بر 4G که با استفاده از روش تجمیع فرکانس و مدولاسیون‌های ۲۵۶ QAM و MIMO درجه بالاتر (۸×۸ آپ‌لینک و ۴×۴ داون‌لینک) حداکثر سرعت داده را تا یک گیگابیت برثانیه و بالاتر ارتقا دهد می‌توان 4.5G نامید. به‌عبارتی دیگر اگر در محدوده پوشش شبکه‌های 4G قرار داشته باشید و گوشی شما کتگوری‌هایی از شبکه LTE که استانداردهای نسخه 3GPP ۱۰ را داشته باشد، پشتیبانی کند، با تجمیع فرکانس به 4.5G یا +4G تبدیل می‌شود.

هر حامل تجمیع‌شده از تعدادی حامل جزئی (CC) با پهنای باند ۱٫۴، ۳، ۵، ۱۰، ۱۵ و ۲۰ مگاهرتز تشکیل می‌شود و حداکثر ۵ حامل جزئی را می‌توان تجمیع کرد، بنابراین حداکثر پهنای باند تجمیع شده ۱۰۰ مگاهرتز است. در FDD تعداد حامل‌های تجمیع‌شده می‌تواند در دریافت و ارسال داده متفاوت باشد. با این‌حال، تعداد حامل‌های مولفه (UL) همیشه برابر یا کمتر از تعداد حامل‌های مؤلفه (DL) است. برای TDD تعداد حامل‌های جزئی و همچنین پهنای باند هر حامل معمولاً برای DL و UL یکسان خواهد بود.

در نهایت، یک تکنیک مدولاسیون دیجیتال با مرتبه بالاتر به شبکه‌های 4.5G اجازه می‌دهد بیت‌های بالاتری را در هر سمبل ارائه دهد. شبکه‌های LTE از مدولاسیون دامنه چهارگانه (QAM) استفاده می‌کنند که برای شبکه‌های مبتنی بر OFDM بسیار کارآمد است. در 4.5G، ترتیب مدولاسیون از ۶۴ QAM به ۲۵۶ QAM افزایش می‌یابد و بازده طیفی و نرخ داده را بهبود می‌بخشد.