5G ટેક્નોલોજી: મોબાઇલ કોમ્યુનિકેશનની નવી ક્રાંતિ અને તેનું આર્કિટેક્ચર
મિલિમીટર વેવ્સ, પોલર કોડ્સ અને સર્વિસ-બેઝ્ડ આર્કિટેક્ચર દ્વારા 5G કેવી રીતે ઇન્ટરનેટની દુનિયા બદલી રહ્યું છે તેની સંપૂર્ણ ટેકનિકલ સમીક્ષા.
આજના આધુનિક ડિજિટલ યુગમાં વાયરલેસ કોમ્યુનિકેશન ક્ષેત્રે 5G એ એક મોટો ટેકનોલોજિકલ ક્રાંતિકારી બદલાવ છે. 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ના Release 15 માં પ્રથમ વખત નિર્ધારિત કરવામાં આવેલ 5G નેટવર્ક એ 4G LTE નું અનુગામી છે. ઇન્ટરનેશનલ ટેલિકોમ્યુનિકેશન યુનિયન (ITU) ના IMT-2020 ફ્રેમવર્ક હેઠળ તૈયાર કરાયેલ આ ટેક્નોલોજી માત્ર સ્માર્ટફોન પૂરતી સીમિત નથી, પરંતુ તે ઇન્ડસ્ટ્રિયલ ઓટોમેશન, સ્માર્ટ સિટી અને ઇન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ (IoT) માટે એક મહત્વનો પાયો છે.
4G ની સરખામણીમાં 5G નેટવર્ક વધુ ડેટા રેટ, ઓછી લેટન્સી (latency): સિગ્નલ પહોંચવામાં થતો સમયનો વિલંબ અને વિશાળ નેટવર્ક ક્ષમતા પ્રદાન કરવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે. ITU ના નિયમો અનુસાર, આદર્શ પરિસ્થિતિઓમાં 5G ની મહત્તમ ડાઉનલિંક સ્પીડ ૨૦ Gbit/s અને અપલિંક સ્પીડ ૧૦ Gbit/s સુધી પહોંચી શકે છે. જોકે, વ્યવહારિક ઉપયોગમાં વાસ્તવિક ગ્રાહક સ્પીડ સ્પેક્ટ્રમ બેન્ડ, નેટવર્ક લોડ અને ટાવરથી અંતર જેવા પરિબળો પર આધાર રાખે છે.
ઇતિહાસ અને ઉત્ક્રાંતિ: ૨૦૦૮ થી કોમર્શિયલ રોલઆઉટ સુધી
5G ની સફર વર્ષ ૨૦૦૮ માં શરૂ થઈ હતી જ્યારે NASA અને M2Mi કોર્પોરેશને નેનોસેટેલાઇટ કમ્યુનિકેશન પર સંશોધન શરૂ કર્યું હતું. ત્યારબાદ ૨૦૧૨ માં ન્યુ યોર્ક યુનિવર્સિટી દ્વારા 'NYU Wireless' કેન્દ્રની સ્થાપના કરવામાં આવી, જેણે મિલિમીટર-વેવ કોમ્યુનિકેશન પર ઊંડું સંશોધન કર્યું. તે જ વર્ષે યુકેની યુનિવર્સિટી ઓફ સર્રે ખાતે £૩૫ મિલિયનના ભંડોળ સાથે 5G ઇનોવેશન સેન્ટર સ્થપાયું, જેમાં Huawei અને Samsung જેવી દિગ્ગજ કંપનીઓ ભાગીદાર બની. યુરોપિયન યુનિયને પણ METIS પ્રોજેક્ટ દ્વારા વૈશ્વિક ધોરણો નક્કી કરવામાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવી હતી.
વર્ષ ૨૦૧૩ માં ITU-R ના વર્કિંગ પાર્ટી 5D એ IMT-2020 ના અભ્યાસો શરૂ કર્યા. આ સમયગાળા દરમિયાન Samsung કંપનીએ ૮ × ૮ MIMO એન્ટેના સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને ૨ કિલોમીટરના અંતરે ૧ Gbit/s થી વધુ સ્પીડનું સફળ પરીક્ષણ કર્યું હતું. તે જ સમયે Huawei એ આ ટેક્નોલોજીના વિકાસ માટે $૬૦૦ મિલિયનના વિશાળ રોકાણની જાહેરાત કરી હતી.
૩ એપ્રિલ ૨૦૧૯ ના રોજ દક્ષિણ કોરિયાએ વિશ્વનું પ્રથમ પૂર્ણ રાષ્ટ્રીય 5G નેટવર્ક લોન્ચ કરીને ઇતિહાસ રચ્યો. દક્ષિણ કોરિયાના આ રોલઆઉટમાં Samsung, Ericsson અને Nokia ના ઉપકરણોનો ઉપયોગ થયો હતો, જ્યારે LG U Plus એ Huawei ના હાર્ડવેર તૈનાત કર્યા હતા. દક્ષિણ કોરિયામાં ૩.૫ GHz બેન્ડ પર કામ કરતા ૮૬,૦૦૦ થી વધુ ટાવરો સ્થાપવામાં આવ્યા હતા, જ્યાં સરેરાશ ડાઉનલોડ સ્પીડ ૨૦૦ થી ૪૦૦ Mbit/s નોંધાઈ હતી અને ૨૦૧૯ ના અંત સુધીમાં ગ્રાહકોની સંખ્યા ૨.૬ લાખથી વધીને ૪૭ લાખ સુધી પહોંચી ગઈ હતી.
| વિગત | FR1 (Sub-6 GHz) | FR2 (mmWave) |
|---|---|---|
| ફ્રિક્વન્સી ગાળો | ૪૧૦ MHz થી ૭,૧૨૫ MHz | ૨૪,૨૫૦ MHz થી ૭૧,૦૦૦ MHz |
| મહત્તમ કેરિયર બેન્ડવિડ્થ | ૧૦૦ MHz સુધી | ૪૦૦ MHz સુધી |
| સિગ્નલ અંતર/કવરેજ | મોટો વિસ્તાર (કિલોમીટરમાં) | ટૂંકું અંતર (સો મીટરમાં) |
| સામાન્ય ડાઉનલોડ સ્પીડ | ૫ થી ૯૦૦ Mbit/s | મલ્ટિ-ગીગાબિટ (૧ Gbit/s થી વધુ) |
| અવરોધક અસર (દીવાલ/ઝાડ) | ઓછી અસર | સરળતાથી રોકાઈ જાય છે |
નેટવર્ક મોડ્સ: NSA અને SA આર્કિટેક્ચર વચ્ચેનો તફાવત
5G નેટવર્ક મુખ્યત્વે બે પ્રકારે તૈનાત કરવામાં આવે છે: નોન-સ્ટેન્ડઅલોન (Non-Standalone - NSA) અને સ્ટેન્ડઅલોન (Standalone - SA). શરૂઆતના તબક્કામાં મોટાભાગના ઓપરેટરોએ NSA મોડ પસંદ કર્યો હતો, જેમાં અસ્તિત્વમાં રહેલા 4G કોર નેટવર્ક (EPC) નો ઉપયોગ કંટ્રોલ પ્લેન તરીકે થાય છે અને ડેટા ટ્રાન્સફર માટે નવા 5G રેડિયો એક્સેસ નેટવર્કનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
બીજી તરફ, સ્ટેન્ડઅલોન (SA) મોડ સંપૂર્ણપણે સ્વતંત્ર 5G કોર (5GC) પર કામ કરે છે. તે જૂના 4G ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર પર આધાર રાખતું નથી, જેના કારણે નેટવર્કની કાર્યક્ષમતા વધે છે અને કાર્યકારી ખર્ચ ઘટે છે. T-Mobile US એ ૨૦૨૦ માં વિશ્વનું પ્રથમ રાષ્ટ્રીય SA નેટવર્ક લોન્ચ કર્યું હતું. SA મોડ નેટવર્ક સ્લાઇસિંગ અને અલ્ટ્રા-રિલાયબલ કમ્યુનિકેશન જેવા અદ્યતન ફીચર્સ સક્ષમ કરે છે.
સ્પેટ્રમના કાર્યક્ષમ ઉપયોગ માટે ડાયનેમિક સ્પેક્ટ્રમ શ્રિંકિંગ અથવા ડાયનેમિક સ્પેક્ટ્રમ શેરિંગ (Dynamic Spectrum Sharing - DSS) ટેકનીકનો ઉપયોગ થાય છે. DSS ટેકનોલોજી 4G LTE અને 5G NR ને એક જ રેડિયો ફ્રિક્વન્સી કેરિયર પર એકસાથે રિયલ-ટાઇમમાં કામ કરવાની મંજૂરી આપે છે, જે વપરાશકર્તાની જરૂરિયાત મુજબ સમયના આધારે સ્પેક્ટ્રમનું વિભાજન કરે છે.
સ્પેક્ટ્રમ અને ફ્રિક્વન્સી રેન્જ: FR1 અને FR2
3GPP સ્પેસિફિકેશન અનુસાર 5G New Radio (NR) ને મુખ્ય બે ફ્રિક્વન્સી રેન્જમાં વહેંચવામાં આવ્યું છે: FR1 (Frequency Range 1) અને FR2 (Frequency Range 2). FR1 ને સામાન્ય રીતે Sub-6 GHz તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જે ૪૧૦ MHz થી ૭,૧૨૫ MHz ની ફ્રિક્વન્સી આવરી લે છે. આમાં ચેલન બેન્ડવિડ્થ (bandwidth) ૧૦૦ MHz સુધીની હોય છે અને તેની ડાઉનલોડ સ્પીડ સામાન્ય રીતે ૫ થી ૯૦૦ Mbit/s હોય છે.
FR2 રેન્જને મિલિમીટર વેવ (mmWave) કહેવામાં આવે છે, જે ૨૪,૨૫૦ MHz થી ૭૧,૦૦૦ MHz (૨૪.૨૫–૭૧ GHz) વચ્ચે કામ કરે છે. આ બેન્ડમાં કેરિયર દીઠ ૪૦૦ MHz સુધીની વિશાળ બેન્ડવિડ્થ મળે છે, જે મલ્ટિ-ગીગાબિટ સ્પીડ આપવા માટે સક્ષમ છે. પરંતુ mmWave સિગ્નલો ખૂબ ટૂંકું અંતર કાપે છે અને દીવાલો, કાચ અથવા ઝાડના પાંદડા દ્વારા સરળતાથી રોકાઈ જાય છે. આથી તેનો ઉપયોગ સ્ટેડિયમ કે ગીચ શહેરી વિસ્તારો પૂરતો મર્યાદિત રહે છે.
યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં સ્પેક્ટ્રમની ફાળવણી માટે FCC દ્વારા આયોજિત Auction 107 (C-band auction) એ $૮૧ બિલિયનથી વધુની બોલી મેળવી હતી, જેમાં Verizon એ $૪૫.૫ બિલિયન (૫૬ ટકા) અને AT&T એ $૨૩.૪ બિલિયન ખર્ચ્યા હતા. વધુમાં, અપર C-બેન્ડ (૩.૯૮ થી ૪.૨ GHz) માટે ૪ જુલાઈ ૨૦૨૫ ના રોજ હસ્તાક્ષર કરાયેલ 'One Big Beautiful Bill Act' કાયદા હેઠળ ૪ જુલાઈ ૨૦૨૭ સુધીમાં વધારાના ૧૦૦ થી ૧૮૦ MHz સ્પેક્ટ્રમની હરાજી કરવાની જોગવાઈ કરવામાં આવી છે.
- ૧. રેડિયો સિગ્નલ કનેક્શનયુઝર ઇક્વિપમેન્ટ (સ્માર્ટફોન) નજીકના gNodeB (5G બેઝ સ્ટેશન) સાથે વાયરલેસ RF સિગ્નલ દ્વારા કનેક્ટ થાય છે.
- ૨. બીમફોર્મિંગ અને ફ્રિક્વન્સી એલોકેશનgNodeB મેસિવ માઇમો અને બીમફોર્મિંગ દ્વારા યુઝર તરફ સિગ્નલ કેન્દ્રિત કરે છે અને યોગ્ય subcarrier spacing નક્કી કરે છે.
- ૩. સર્વિસ-બેઝ્ડ કોર રિક્વેસ્ટgNodeB બેકહોલ કનેક્શન દ્વારા 5G Core (5GC) ના કંટ્રોલ પ્લેન નેટવર્ક ફંક્શન્સ (જેમ કે AMF, SMF) ને વિનંતી મોકલે છે.
- ૪. યુઝર પ્લેન ડેટા ટ્રાન્સફરઓથેન્ટિકેશન પૂર્ણ થયા બાદ User Plane Function (UPF) દ્વારા યુઝરનો ડેટા સીધો ઇન્ટરનેટ અથવા પ્રાઇવેટ નેટવર્ક સાથે જોડાય છે.
5G ની પાયાની તકનીકો: Massive MIMO, બીમફોર્મિંગ અને પોલર કોડ્સ
5G ની ઉચ્ચ ક્ષમતા પાછળ કેટલીક મહત્વપૂર્ણ એન્જિનિયરિંગ તકનીકો રહેલી છે. તેમાંથી પહેલી છે સ્મોલ સેલ્સ (Small Cells), જે નીચા પાવર ધરાવતા રેડિયો નોડ્સ છે. ગીચ વિસ્તારોમાં mmWave સિગ્નલની કવરેજ જાળવી રાખવા માટે થોડાક સો મીટરના અંતરે સ્મોલ સેલ્સ સ્થાપવામાં આવે છે.
બીજી મુખ્ય ટેકનોલોજી મેસિવ માઇમો (Massive MIMO) છે. સામાન્ય સિસ્ટમ કરતા અલગ, મેસિવ માઇમો ટાવર પર વિશાળ એન્ટેના એરેનો ઉપયોગ કરે છે. આ તકનીક એકસાથે અનેક યુઝર્સને ડેટા મોકલી શકે છે અને સ્પેક્ટ્રલ કાર્યક્ષમતામાં ધરખમ વધારો કરે છે.
એન્ટેનામાંથી નીકળતી રેડિયો ઉર્જાને ચારેય તરફ ફેલાવવાને બદલે ચોક્કસ વપરાશકર્તા તરફ કેન્દ્રિત કરવાની પ્રક્રિયાને બીમફોર્મિંગ (Beamforming) કહે છે. એનાલોગ બીમફોર્મિંગ સિગ્નલની શક્તિ વધારે છે, જ્યારે ડિજિટલ બીમફોર્મિંગ મલ્ટિ-લેયર ડેટા સ્ટ્રીમ્સ ટ્રાન્સમિટ કરીને સિગ્નલની ગુણવત્તામાં સુધારો કરે છે. આ ઉપરાંત, 5G માં નોન-ઓર્થોગોનલ મલ્ટિપલ એક્સેસ (NOMA) નો ઉપયોગ કરીને એક જ ફ્રિક્વન્સી પર જુદા જુદા પાવર લેવલ દ્વારા વધુ યુઝર્સને કનેક્ટ કરી શકાય છે.
ડેટા ટ્રાન્સમિશનની ભૂલો સુધારવા માટે 5G NR માં નવી ચેનલ કોડિંગ પદ્ધતિ અપનાવવામાં આવી છે. 4G માં વપરાતા ટર્બો કોડ્સના સ્થાને 5G માં કંટ્રોલ ચેનલો માટે પોલર કોડ્સ (Polar Codes) અને ડેટા ચેનલો માટે લો-ડેન્સિટી પેરિટી-ચેક (LDPC) કોડ્સનો ઉપયોગ થાય છે. Sub-carrier spacing (SCS) માં ૧૫ kHz થી ૨૪૦ kHz સુધીના સાત વિકલ્પો છે, જ્યાં સાયક્લિક પ્રિફિક્સનું અંતર ૪.૭ μs થી ઘટીને ૦.૨૯ μs જેટલું સૂક્ષ્મ થઈ જાય છે.
5G કોર આર્કિટેક્ચર: સર્વિસ-બેઝ્ડ ડિઝાઇન (SBA)
5G નું કોર નેટવર્ક (5GC) સંપૂર્ણપણે સોફ્ટવેર-ડિફાઇન્ડ અને સર્વિસ-ઓરિએન્ટેડ આર્કિટેક્ચર પર આધારિત છે. તે 4G ના Evolved Packet Core ને બદલે મોડ્યુલર, સોફ્ટવેર-બેઝ્ડ સર્વિસ-બેઝ્ડ આર્કિટેક્ચર (SBA) નો ઉપયોગ કરે છે. આ સિસ્ટમમાં સોફ્ટવેર-ડિફાઇન્ડ નેટવર્કિંગ (SDN) અને નેટવર્ક ફંક્શન વર્ચ્યુઅલાઇઝેશન (NFV) નો સમાવેશ થાય છે.
SBA માં પ્રત્યેક નેટવર્ક ફંક્શન સ્વતંત્ર રીતે RESTful APIs દ્વારા એકબીજા સાથે સંચાર કરે છે. દરેક ફંક્શન નેટવર્ક રિપોઝિટરી ફંક્શન (NRF) માં રજિસ્ટર થાય છે, જેથી સમગ્ર નેટવર્કને જરૂરિયાત મુજબ સરળતાથી સ્કેલ કરી શકાય છે. સેન્ટ્રલ ડેટા પ્રોસેસિંગ માટે Control Plane અને User Plane ને સંપૂર્ણપણે અલગ (CUPS) કરવામાં આવ્યા છે.
બિન-3GPP નેટવર્ક્સ (જેમ કે હોમ વાઇ-ફાઇ) ને 5G કોર સાથે સુરક્ષિત રીતે જોડવા માટે Non-3GPP Interworking Function (N3IWF), Security Edge Protection Proxy (SEPP), અને Trusted WLAN Interworking Function (TWIF) જેવા સપોર્ટિંગ ઘટકો કાર્ય કરે છે.
3GPP રિલીઝ અને ભવિષ્ય: 5.5G અને NR-Advanced
5G ના સતત વિકાસ માટે 3GPP દ્વારા તબક્કાવાર રિલીઝ બહાર પાડવામાં આવે છે. Release 15 એ 5G નો પાયો નાખ્યો, જ્યારે Release 16 (જૂન ૨૦૨૦) અને Release 17 (જૂન ૨૦૨૨) માં સેટેલાઇટ નેટવર્ક અને એનઆર-અનલાઇસન્સડ (NR-U) જેવા સુધારા ઉમેરાયા. હાલમાં 3GPP દ્વારા Release 18 પર કામ ચાલી રહ્યું છે, જેને 'NR Advanced' અથવા 5.5G તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
NR Advanced માં એક્સ્ટેન્ડેડ રિયાલિટી (XR), આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સ (AI/ML) ના સંકલન અને લેયર-૩ ને બદલે લોઅર-લેયર ટ્રિગર્ડ મોબિલિટી પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યું છે. 5G ના વૈશ્વિક માર્કેટમાં Huawei, Ericsson, Nokia, Qualcomm, Samsung અને ZTE મુખ્ય સપ્લાયર્સ છે. ૨૦૨૩ ના અહેવાલો મુજબ, વિશ્વભરના 5G બેઝ સ્ટેશનોમાં Huawei આશરે ૭૦ ટકા હિસ્સો ધરાવતું હતું.
એરિક્સનના અંદાજ મુજબ ૨૦૨૦ ના દાયકાના મધ્ય સુધીમાં 5G નેટવર્ક વિશ્વની લગભગ ૬૫ ટકા વસ્તી સુધી પહોંચી જશે. 4G અને 5G નેટવર્ક આગામી ઘણા વર્ષો સુધી સાથે અસ્તિત્વમાં રહેશે, પરંતુ સ્વતંત્ર 5G કોર અને મિલિમીટર વેવ્સનો વધતો ઉપયોગ ભવિષ્યની ડિજિટલ ક્રાંતિનો મુખ્ય આધારસ્તંભ બનશે.
