رصد و آینده پژوهی

زیرساخت ارتباطات

پیش درآمد

درآمد

پیشرفت علم و فناوری موجب تغییرات شتابان و سریع در جامعه امروزی شده است و اتکای صرف به برنامه‌ریزی سنتی و خطی که بر اصول مبتنی بر پیش‌بینی استوار است، پاسخگوی نیاز مدیران برای دستیابی به موفقیت آینده نیست؛ از این‌رو، رویکرد نوین آینده‌پژوهی برای ساخت آینده به‌جای پیش‌بینی آینده به عرصه‌های مدیریت و برنامه‌ریزی وارد شده است. تلاش برای معماری آینده تنها رویکردی است که احتمال کسب موفقیت‌های بیشتری دارد. درست است که این تلاش با خطرپذیری فراوان همراه است، اما پذیرش این مخاطره بسیار عاقلانه‌تر از صرفاً نظاره‌گر بودن تحولات آینده است [2].

در جهان کنونی، اصلی‌ترین عامل تولید ثروت، فناوری است که ارتقای دانش، سرمایه فکری، بهره‌برداری مؤثر از منابع، حفاظت از منابع طبیعی و دیگر عوامل مؤثر بر ارتقای استانداردها و کیفیت زندگی را در بر دارد. توان واکنش در قبال تغییرات فناوری، شاخصی اساسی برای سازمان‌های امروزی است؛ بنابراین، درک همه‌جانبه این امر ضروری است [3].

با رشد انفجاری اخیر در بازار دستگاه‌های جدید فناوری ارتباطات، به‌ویژه گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها، و تبدیل تلویزیون از یک «گیرنده» به یک «مرکز رسانه دیجیتال و سرگرمی»، اکنون این دستگاه‌های مصرف‌کننده «دیجیتال» بر فروش جهانی لوازم الکترونیکی مصرفی تسلط دارند. «پارادایم اینترنتِ همه چیز » به این معنی که اکثر دستگاه‌های الکترونیکی متصل خواهند شد، نیز در حال وقوع است [4].

سال 2030 چندان دور به نظر نمی‌رسد، اما اتفاقات زیادی می‌تواند در کمتر از یک دهه وقوع یابد؛ به‌خصوص در محیط زیرساخت ارتباطات که به‌سرعت در حال حرکت است. چشم‌انداز این حوزه در طول سه دهه گذشته کاملاً تغییر کرده است. اگر زمان را به سال 1990 برگردانید، اینترنت هنوز عملیاتی نشده بود و ریزرایانه‌ها در حال پرکردن اتاق‌های رایانه مرکزی قدیمی بودند که قرار بود به مراکز داده معروف شوند. حتی مرور ده سال گذشته نیز برای برجسته‌سازی این نکته کافی است. با این اوصاف ثابت می‌شود که دهه 2010 دورانی همراه با تغییرات تحول‌آفرین مشخص بوده است. دورانی که با تبدیل شبکه‌های 3G به شبکه‌های 4G، فناوری جدید شبکه ظرفیت و توان عملیاتی بالاتری را به ارمغان آورد. طی چند سال گذشته، شاهد ظهور آخرین نسل فناوری شبکه (5G) نیز بوده‌ایم که به طور مؤثری به پشتیبانی از گسترش مداوم اینترنت اشیا کمک می‌کند [5].

تصمیم‌گیرندگان فناوری اطلاعات، به‌ویژه مدیران شبکه و زیرساخت در بسیاری از شرکت‌ها، مسائل و چالش‌های بسیاری دارند؛ همچون: همگامی با تکامل سریع فناوری؛ اطمینان از اینکه ظرفیت همیشه در دسترس است؛ حفظ شرایط عملیاتی بهینه و درعین‌حال کاهش میزان کربن؛ رعایت سخت‌ترین‌ها اقدامات امنیتی و اطمینان از زمان کار بی‌وقفه در خدمات. در کل، نیاز به اطمینان از امنیت و انطباق شبکه و سیستم‌ها، مهاجرت مداوم به فضای ابری و تلاش مداوم برای کاهش اثرات نامطلوب زیست‌محیطی زیرساخت ارتباطات، از چالش‌های مهم هستند [6].

مراکز داده و دنیای مرتبط با مدیریت شبکه نیز در آستانه دگرگونی هستند؛ زیرا 5G باعث اتصال بیش از حد، انتقال پردازش داده به لبه و گسترش شبکه‌های سازمانی می‌شود. طبق گزارش گارتنر، اطلاعات و عملیات (I&O) باید محاسبات لبه‌ای داشته باشند و بنابراین «رهبران I&O باید آمادگی مواجهه با این روند را داشته باشند و پذیرش کارآمد شرکت از طیف روبه‌رشد استفاده از محاسبات لبه را برای رقابتی شدن شرکت تسریع کنند» [6].

با توجه به آنچه گذشت، شناسایی روندهای آینده حوزه زیرساخت ارتباطات با توجه به ضرورت و اهمیت این حوزه، اولویت دارد؛ از این‌رو، در ادامه به بررسی روند‌های آینده حوزه زیرساخت ارتباطات در هشت بخش پرداخته می‌شود .

حرکت از 5G به 6G

اگرچه ممکن است تا ساخت اولین دستگاه‌های مصرف‌کننده 6G سال‌ها فاصله باشد، اما کار بر روی 6G در دست انجام است. محققان دانشگاهی و صنعتی در حال حاضر در حال آزمایش و توسعه فناوری‌های کلیدی به‌عنوان ورودی‌های اصلی و امور مربوط به استانداردسازی هستند؛ چرا که هنگام توسعه 6G، صنعت باید ملاحظات فنی، تجاری و اجتماعی را به تعادل برساند [7]. از آنجا که تحقیق، توسعه و استقرار یک شبکه سلولی جدید گران است، از همان ابتدا صنعت باید وارد کار شود. برای تضمین سرمایه‌گذاری‌ها، شرکت‌های فناوری در سرتاسر جهان در حال بررسی موارد جدید و دارای توجیه اقتصادی هستند. به عبارتی، در عین حال که عرضه 5G ادامه دارد و محصولات و خدمات جدید در آن ساخته می‌شوند و ما را به چشم‌انداز «همه چیز متصل» نزدیک می‌کند، می‌توان نقشی جدید برای 6G با قابلیت‌های جدید تعریف کرد.

یکی از موضوعات مهم موردبحث برای 6G، پایداری و مسئولیت اجتماعی است. همان‌طور که عملکرد شبکه‌ها در طول زمان رشد کرده است، مصرف انرژی نیز افزایش‌یافته است. باتوجه‌به اهداف افزایش عملکرد شبکه و فراگیر بودن، 6G باید با چالش دستیابی به این عملکرد بالاتر و درعین‌حال بهبود بهره‌وری انرژی، و در نتیجه کاهش هزینه‌های عملیاتی و بهبود شاخص «کاهش ردپای کربن »، مواجه شود. ارائه شبکه امن و فراگیر، به منظور ایجاد دسترسی برای همه مردم در دوردست‌ترین مناطق روستایی از شاخص‌های مهم فناوری در عصر کنونی است. علاوه بر مفاهیم کلیدی فناوری چون «واقعیت گسترده» و شاخص‌های کلیدی عملکرد چون «نرخ داده 1 ترابایت بر ثانیه»، هم‌اکنون مباحث 6G شامل اهداف اجتماعی و پایداری نیز می‌شود [7].

تعداد دستگاه‌های متصل در شبکه‌های 6G با سرعت و تراکم ده میلیون دستگاه در واحد یک کیلومترمربع افزایش می‌یابد. این دستگاه‌ها از قابلیت هوش مصنوعی بهره‌مند می‌شوند و در حوزه‌های متنوعی مانند بانکداری، صنعت، مراقبت‌های بهداشتی، دولت، حمل‌ونقل و بسیاری موارد دیگر گسترش می‌یابند. به دلیل وابستگی به حوزه‌های کاربردی خاص (عمودی ) فراوان، شبکه‌های 6G باید امنیت سطح بالاتری را در هر مرحله از شبکه خود اعمال کنند تا از انواع حملات امنیتی جلوگیری شود.

با توجه به سیر تاریخی ارائه شده در نگاره 3، میل به استفاده پیشرفته‌تر که در آن دنیای فیزیکی و دیجیتالی همگرا می‌شوند را می‌توان در 5G مشاهده کرد و در توسعه 6G حتی بیشتر مشهود خواهد بود. برای مثال، اینترنت حس‌ها[1] (IoS) حواس را فراتر از مرزهای بدن تقویت می‌کند. این شبکه راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه و قابل اعتمادی را برای این موارد استفاده ارائه می‌دهد [9].

شواهد نشان می‌دهد اتکای فزاینده به فناوری‌های ابری ضروری است. بسیاری از اپراتورهای شبکه قبلاً شروع به گنجاندن فناوری‌های بومی ابری در شبکه‌های خود کرده‌اند. نمونه‌هایی از این دست شامل استفاده از هسته‌های مستقل و RAN[2]های ابری با معماری لایه باز است. توسعه آینده در این زمینه در گرو زیرساخت دیجیتال کارا است که قابلیت همکاری، ‌اعتماد و امنیت را تضمین می‌کند. فراتر از ارائه خدمات ارتباطی سنتی، این شبکه ویژگی‌های جدیدی مانند بازنمایی‌های دیجیتال چند حسی[3] همچون آگاهی از محتوا و قابلیت مشاهده را برای پشتیبانی از کاربران با بینش و استدلال ارائه خواهد کرد. توابع توزیع‌شده شبکه ارتباطی، مانند اتصال همه‌جانبه تعبیه‌شده با محاسبات هوشمند و بی‌درنگ، در هم‌افزایی با نقاط پایانی توزیع‌شده و زیرساخت‌های ابری کار می‌کنند و قابلیت‌های آینده زیرساخت دیجیتال را شکل می‌دهند [9].

اصل اساسی برای تکامل زیرساخت دیجیتال، تضمین بازارهای همگانی توسط رابط‌های فنی و تجاری است. این گشودگی برای نوآوری مستقل هم در داخل و هم در بالای زیرساخت دیجیتال مفید خواهد بود و سکوی تجاری آینده را توانمند می‌سازد. زیست‌بوم با سرمایه‌گذاری‌های مبتنی بر کسب‌وکار، مشارکت‌های قوی و بازبودن در زیرساخت‌های دیجیتال تکامل خواهد یافت [9].

مردم سرعت و قابلیت اطمینان بیشتری از شبکه‌ها می‌خواهند. هنگامی که ماشین‌ها از این شبکه‌ها برای وظایف حیاتی یا ایمنی استفاده کنند، الزامات سرعت، تأخیر، قابلیت اطمینان و چگالی افزایش می‌یابد. این ماشین‌ها باید محیط خود را نیز حس و درک کنند و شبکه را به‌صورت هوشمند مدیریت کنند تا به اهداف خود دست یابند.

به‌طور کلی شبکه آینده باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد [10]:

کاهش مداوم هزینه‌های محاسباتی و افزایش قابلیت‌ها که امکان مجازی‌سازی بیشتر اجزا را فراهم می‌کند.
ارتقای بیشتر پارادایم‌های توسعه نرم‌افزار که توسعه نرم‌افزار را 10 برابر سریع‌تر می‌کند.
افزایش شدید قابلیت‌های رادیویی دسترسی و بک‌هال[4] که به ایجاد مجموعه بزرگ‌تری از گزینه‌ها می‌انجامد.
استقرار در مقیاس بزرگ شبکه‌های ماهواره‌ای مدار پایین، تغییر دیدگاه شبکه‌های جهانی با دردسترس‌بودن همه‌جایی.

نگاره 3. مقایسه میزان توسعه 5G و 6G

براساس مطالعه اسکرودر[5] (2021)، چهار فناوری در شکل‌گیری آینده 6G بسیار اثرگذار هستند که عبارتند از [7]:

حس و ارتباطات یکپارچه[6]
باندهای زیرتراهرتز[7]
چند ورودی و چند خروجی[8] (MIMO)
هوش مصنوعی (AI) / یادگیری ماشینی (ML)

در ادامه، فناوری‌های چهارگانه و روندهای مهم در 6G بررسی می‌شود.

1. حسگری و ارتباطات یکپارچه

برای فعال‌کردن 5G و 6G، دستگاه‌ها به درک بیشتری از دنیای طبیعی نیاز دارند که توسط حسگری پیشرفته[9] فعال می‌شود. فناوری‌های حسگری پیشرفته حسگرهای لرزه‌ای را برای کاربردهای اطلاعاتی نظامی، نظارتی و شناسایی فراهم می‌کنند که کاربردهای دیگری همچون راه‌حل‌های حسگری برای یکپارچگی سازه، پایش زلزله، نظارت بر عدم گسترش هسته‌ای و اکتشاف نفت و گاز است. حسگری و ارتباطات یکپارچه، چگونگی استفاده از سیگنال‌های رادیویی که دستگاه‌های سلولی برای رادار ساطع می‌کنند را بررسی می‌کند. برای مثال، وسایل نقلیه خودران دارای سیستم‌های حسگری پیشرفته هستند که داده‌های انواع دوربین‌ها، حسگرهای لیدار[10] و رادار را با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین ترکیب می‌کنند. در این مورد استفاده، حسگر و ارتباطات یکپارچه به وسایل نقلیه این امکان را می‌دهد تا با اشتراک‌گذاری طیف رادار و ارتباطات، از طیف فرکانس‌های رادیویی به طور مؤثرتری استفاده کنند [7].

پژوهشگران حوزه حسگرها به دنبال فناوری‌های ارتباطی برای بهبود کاهش تداخل هستند. در مقابل، پژوهشگران حوزه ارتباطات فرصت‌هایی را برای پهنای باند داده بیشتر در بخش‌های وسیعی از طیف تخصیص‌یافته توسط رادار پیگیری می‌کنند. علاوه بر عوامل نظارتی و فنی دخیل در ترکیب این دو فناوری، متخصصین علم ارتباطات و رادار باید در مجموعه‌ای از اهداف مشترک همکاری کنند. پیشرفت در این زمینه به آن همکاری بستگی دارد [7].

نگاره 5 نمایی کلی از حسگری و ارتباطات یکپارچه ارائه می‌کند.