کالبدشکافی اینترنت ۵G و بیم‌فورمینگ: چرا امواج میلی‌متری از یک درخت رد نمی‌شوند؟

خلاصه ماجرا این است: اینترنت ۵G واقعی (موسوم به امواج میلی‌متری یا mmWave) سرعت فوق‌العاده‌ای دارد، اما برد آن به قدری کوتاه است که نمی‌تواند از دیوار، شیشه یا حتی دست شما عبور کند. برای حل این مشکل، مهندسان مجبور شدند نحوه ارسال امواج رادیویی را به طور کامل تغییر دهند. به جای پخش کردن سیگنال در همه جهات، دکل‌های ۵G از تکنیکی به نام «بیم‌فورمینگ» (Beamforming) استفاده می‌کنند تا امواج را دقیقاً به سمت دستگاه شما متمرکز کنند.[1][3][4]

وقتی شرکت‌های مخابراتی برای اولین بار ۵G را تبلیغ کردند، وعده دانلود یک فیلم سینمایی در چند ثانیه و جراحی از راه دور را می‌دادند. آن‌ها در حال بازاریابی برای فرکانس‌های ۲۴ تا ۱۰۰ گیگاهرتز (FR2) بودند که پهنای باند عظیمی دارند. اما چیزی که در تبلیغات گفته نشد، قوانین بی‌رحم فیزیک بود: هرچه فرکانس یک موج بالاتر برود، طول موج آن کوتاه‌تر می‌شود و در نتیجه، توانایی آن برای عبور از موانع فیزیکی به شدت کاهش می‌یابد.[1][2]

در شبکه‌های 4G، دکل‌های مخابراتی مانند یک لامپ حبابی عمل می‌کنند؛ آن‌ها سیگنال را به صورت ۳۶۰ درجه در محیط پخش می‌کنند. این روش برای فرکانس‌های پایین عالی است، زیرا امواج می‌توانند کیلومترها سفر کنند و از ساختمان‌ها بگذرند. اما اگر همین روش را برای امواج میلی‌متری ۵G به کار ببریم، سیگنال در فاصله چند ده متری در هوا پخش شده و از بین می‌رود. مولکول‌های اکسیژن و بخار آب در هوا به تنهایی برای جذب و تضعیف این امواج کافی هستند.[1]

اینجاست که فناوری بیم‌فورمینگ وارد عمل می‌شود. بیم‌فورمینگ دکل مخابراتی را از یک «لامپ حبابی» به یک «لیزر نقطه‌ای» تبدیل می‌کند. به جای یک آنتن بزرگ، ایستگاه‌های پایه ۵G از شبکه‌ای متشکل از ده‌ها یا صدها آنتن مینیاتوری (به نام آرایه فازی یا Phased Array) استفاده می‌کنند. این آنتن‌ها به صورت شبکه‌ای در کنار هم قرار گرفته‌اند و همگی یک سیگنال واحد را ارسال می‌کنند.[3][4]

جادوی واقعی در زمان‌بندی دقیق رخ می‌دهد. تراشه‌های کنترل‌کننده، سیگنال را با اختلاف زمانی در حد کسری از نانوثانیه به هر یک از این آنتن‌های کوچک می‌فرستند. این تاخیرهای عمدی (تغییر فاز) باعث می‌شود که امواج ساطع شده از آنتن‌ها در هوا با یکدیگر برخورد کنند. در برخی جهات، امواج یکدیگر را خنثی می‌کنند (تداخل ویرانگر) و در یک جهت خاص، با هم جمع شده و یک پرتو قدرتمند و متمرکز می‌سازند (تداخل سازنده).[3][4]

اما دکل مخابراتی چگونه می‌داند گوشی شما کجاست تا پرتو را به سمت آن شلیک کند؟ از طریق فرآیندی به نام «جاروب پرتو» (Beam Sweeping). دکل ۵G در هر ثانیه هزاران بار پرتوهای باریکی را در جهات مختلف اسکن می‌کند. گوشی شما به محض دریافت یکی از این پرتوها، به دکل پاسخ می‌دهد. از آن لحظه به بعد، دکل موقعیت شما را قفل کرده و حتی زمانی که در حال راه رفتن هستید، پرتو را به صورت الکترونیکی به دنبال شما حرکت می‌دهد.[4]

با وجود این مهندسی خیره‌کننده، امواج میلی‌متری همچنان به «دید مستقیم» (Line of Sight) نیاز دارند. اگر یک کامیون از بین شما و دکل عبور کند، یا حتی اگر دست خود را روی آنتن گوشی بگذارید، ارتباط قطع می‌شود. به همین دلیل است که پوشش واقعی mmWave تنها به استادیوم‌ها، فرودگاه‌ها و تقاطع‌های شلوغ شهری محدود شده است.[1][5]

در نهایت، آنچه اکثر کاربران امروزه به عنوان ۵G روی صفحه گوشی خود می‌بینند، اصلاً امواج میلی‌متری نیست. این سیگنال‌ها در واقع شبکه‌های زیر ۶ گیگاهرتز (Sub-6GHz یا FR1) هستند که رفتاری شبیه به 4G دارند؛ سرعت آن‌ها کمی بیشتر است اما برد خوبی دارند. فناوری بیم‌فورمینگ و امواج میلی‌متری یک دستاورد شگرف مهندسی است، اما به جای تبدیل شدن به اینترنت همه‌جا حاضر، به یک راهکار نقطه‌ای برای مکان‌های بسیار شلوغ تبدیل شده است.[2][5]