5G तकनीक: मोबाइल कम्युनिकेशन की नई क्रांति और उसका आर्किटेक्चर

आज के आधुनिक डिजिटल युग में वायरलेस कम्यूनिकेशन के क्षेत्र में 5G एक बड़ा टेक्नोलॉजिकल क्रांतिकारी बदलाव है। 3rd Generation Partnership Project (3GPP) के Release 15 में पहली बार निर्धारित किया गया 5G नेटवर्क 4G LTE का उत्तराधिकारी है। इंटरनेशनल टेलीकम्युनिकेशन यूनियन (ITU) के IMT-2020 फ्रेमवर्क के तहत तैयार की गई यह तकनीक केवल स्मार्टफोन तक सीमित नहीं है, बल्कि यह इंडस्ट्रियल ऑटोमेशन, स्मार्ट सिटी और इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) के लिए एक महत्वपूर्ण आधार है।

4G की तुलना में 5G नेटवर्क अधिक डेटा रेट, कम लेटेंसी (latency): सिग्नल पहुँचने में होने वाले समय का विलंब और विशाल नेटवर्क क्षमता प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। ITU के नियमों के अनुसार, आदर्श परिस्थितियों में 5G की अधिकतम डाउनलोडलिंक स्पीड 20 Gbit/s और अपलिंक स्पीड 10 Gbit/s तक पहुँच सकती है। हालांकि, व्यावहारिक उपयोग में वास्तविक ग्राहक स्पीड स्पेक्ट्रम बैंड, नेटवर्क लोड और टावर से दूरी जैसे कारकों पर निर्भर करती है।

इतिहास और उत्क्रांति: 2008 से कमर्शियल रोलआउट तक

5G का सफर वर्ष 2008 में शुरू हुआ था जब NASA और M2Mi कॉर्पोरेशन ने नैनोसैटेलाइट कम्यूनिकेशन पर अनुसंधान शुरू किया था। इसके बाद 2012 में न्यू यॉर्क यूनिवर्सिटी द्वारा 'NYU Wireless' केंद्र की स्थापना की गई, जिसने मिलिमीटर-वेव कम्यूनिकेशन पर गहरा अनुसंधान किया। उसी वर्ष यूके की यूनिवर्सिटी ऑफ सरे में £35 मिलियन के फंड के साथ 5G इनोवेशन सेंटर स्थापित हुआ, जिसमें Huawei और Samsung जैसी दिग्गज कंपनियां भागीदार बनीं। यूरोपीय यूनियन ने भी METIS प्रोजेक्ट के जरिए वैश्विक मानक तय करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई थी।

वर्ष 2013 में ITU-R की वर्किंग पार्टी 5D ने IMT-2020 के अध्ययन शुरू किए। इस अवधि के दौरान Samsung कंपनी ने 8 × 8 MIMO एंटेना सिस्टम का उपयोग करके 2 किलोमीटर की दूरी पर 1 Gbit/s से अधिक स्पीड का सफल परीक्षण किया था। उसी समय Huawei ने इस तकनीक के विकास के लिए $600 मिलियन के विशाल निवेश की घोषणा की थी।

3 अप्रैल 2019 के दिन दक्षिण कोरिया ने दुनिया का पहला पूर्ण राष्ट्रीय 5G नेटवर्क लॉन्च करके इतिहास रच दिया। दक्षिण कोरिया के इस रोलआउट में Samsung, Ericsson और Nokia के उपकरणों का उपयोग हुआ था, जबकि LG U Plus ने Huawei के हार्डवेयर तैनात किए थे। दक्षिण कोरिया में 3.5 GHz बैंड पर काम करने वाले 86,000 से अधिक टावर स्थापित किए गए थे, जहां औसत डाउनलोड स्पीड 200 से 400 Mbit/s दर्ज की गई थी और 2019 के अंत तक ग्राहकों की संख्या 2.6 लाख से बढ़कर 47 लाख तक पहुँच गई थी।

नेटवर्क मोड्स: NSA और SA आर्किटेक्चर के बीच का अंतर

5G नेटवर्क मुख्य रूप से दो प्रकार से तैनात किए जाते हैं: नॉन-स्टैंडअलोन (Non-Standalone - NSA) और स्टैंडअलोन (Standalone - SA)। शुरुआती चरण में अधिकांश ऑपरेटरों ने NSA मोड चुना था, जिसमें मौजूदा 4G कोर नेटवर्क (EPC) का उपयोग कंट्रोल प्लेन के रूप में होता है और डेटा ट्रांसफर के लिए नए 5G रेडियो एक्सेस नेटवर्क का उपयोग किया जाता है।

दूसरी ओर, स्टैंडअलोन (SA) मोड पूरी तरह से स्वतंत्र 5G कोर (5GC) पर काम करता है। यह पुराने 4G बुनियादी ढांचे पर निर्भर नहीं रहता है, जिससे नेटवर्क की कार्यकुशलता बढ़ती है और परिचालन लागत घटती है। T-Mobile US ने २०२० में दुनिया का पहला राष्ट्रीय SA नेटवर्क लॉन्च किया था। SA मोड नेटवर्क स्लाइसिंग और अल्ट्रा-रिलायबल कम्युनिकेटिंग जैसे उन्नत फीचर्स सक्षम करता है।

स्पेक्ट्रम के कुशल उपयोग के लिए डायनेमिक स्पेक्ट्रम श्रिंकिंग या डायनेमिक स्पेक्ट्रम शेयरिंग (Dynamic Spectrum Sharing - DSS) तकनीक का उपयोग किया जाता है। DSS तकनीक 4G LTE और 5G NR को एक ही रेडियो फ्रिक्वेंसी कैरियर पर एक साथ रियल-टाइम में काम करने की अनुमति देती है, जो उपयोगकर्ता की आवश्यकता के अनुसार समय के आधार पर स्पेक्ट्रम का विभाजन करती है।

स्पेक्ट्रम और फ्रिक्वेंसी रेंज: FR1 और FR2

3GPP स्पेसिफिकेशन के अनुसार 5G New Radio (NR) को मुख्य दो फ्रिक्वेंसी रेंज में बांटा गया है: FR1 (Frequency Range 1) और FR2 (Frequency Range 2)। FR1 को आमतौर पर Sub-6 GHz के रूप में जाना जाता है, जो ४१० MHz से ७,१२५ MHz की फ्रिक्वेंसी कवर करती है। इसमें चैनल बैंडविड्थ (bandwidth) १०० MHz तक की होती है और इसकी डाउनलोड स्पीड आमतौर पर ५ से ९०० Mbit/s होती है।

FR2 रेंज को मिलिमीटर वेव (mmWave) कहा जाता है, जो २४,२५० MHz से ७१,००० MHz (२४.२५–७१ GHz) के बीच काम करती है। इस बैंड में कैरियर प्रति 400 MHz तक की विशाल बैंडविड्थ मिलती है, जो मल्टी-गीगाबिट स्पीड देने में सक्षम है। लेकिन mmWave सिग्नल बहुत छोटी दूरी तय करते हैं और दीवारों, कांच या पेड़ों की पत्तियों द्वारा आसानी से रोक दिए जाते हैं। इसलिए इसका उपयोग स्टेडियम या घने शहरी क्षेत्रों तक सीमित रहता है।

संयुक्त राज्य अमेरिका में स्पेक्ट्रम के आवंटन के लिए FCC द्वारा आयोजित Auction 107 (C-band auction) को $८१ बिलियन से अधिक की बोली मिली थी, जिसमें Verizon ने $४५.५ बिलियन (५६ प्रतिशत) और AT&T ने $२३.४ बिलियन खर्च किए थे। इसके अलावा, अपर C-बैंड (३.९८ से ४.२ GHz) के लिए 4 जुलाई २०२५ को हस्ताक्षरित 'One Big Beautiful Bill Act' कानून के तहत 4 जुलाई २०२७ तक अतिरिक्त १०० से १८० MHz स्पेक्ट्रम की नीलामी करने का प्रावधान किया गया है।

5G की बुनियादी तकनीकें: Massive MIMO, बीमफॉर्मिंग और पोलर कोड्स

5G की उच्च क्षमता के पीछे कुछ महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग तकनीकें निहित हैं। उनमें से पहली है स्मॉल सेल्स (Small Cells), जो कम पावर वाले रेडियो नोड्स हैं। घने इलाकों में mmWave सिग्नल का कवरेज बनाए रखने के लिए कुछ सौ मीटर की दूरी पर स्मॉल सेल्स स्थापित किए जाते हैं।

दूसरी मुख्य तकनीक मैसिव माइमो (Massive MIMO) है। सामान्य सिस्टम से अलग, मैसिव माइमो टॉवर पर विशाल एंटीना एरे का उपयोग करता है। यह तकनीक एक साथ कई यूज़र्स को डेटा भेज सकती है और स्पेक्ट्रल कार्यक्षमता में भारी वृद्धि करती है।

एंटीने से निकलने वाली रेडियो ऊर्जा को चारों तरफ फैलाने के बजाय विशिष्ट उपयोगकर्ता की ओर केंद्रित करने की प्रक्रिया को बीमफॉर्मिंग (Beamforming) कहते हैं। एनालॉग बीमफॉर्मिंग सिग्नल की शक्ति को बढ़ाता है, जबकि डिजिटल बीमफॉर्मिंग मल्टी-लेयर डेटा स्ट्रीम्स ट्रांसमिट करके सिग्नल की गुणवत्ता में सुधार करता है। इसके अलावा, 5G में नॉन-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (NOMA) का उपयोग करके एक ही फ्रीक्वेंसी पर अलग-अलग पावर लेवल द्वारा अधिक यूज़र्स को कनेक्ट किया जा सकता है।

डेटा ट्रांसमिशन की त्रुटियों को सुधारने के लिए 5G NR में नई चैनल कोडिंग पद्धति अपनाई गई है। 4G में उपयोग होने वाले टर्बो कोड्स के स्थान पर 5G में कंट्रोल चैनलों के लिए पोलर कोड्स (Polar Codes) और डेटा चैनलों के लिए लो-डेंसिटी पेरिटी-चेक (LDPC) कोड्स का उपयोग होता है। Sub-carrier spacing (SCS) में १५ kHz से २४० kHz तक के सात विकल्प हैं, जहाँ साइक्लिक प्रिफिक्स की दूरी ४.७ μs से घटकर ०.२९ μs जितनी सूक्ष्म हो जाती है।

5G कोर आर्किटेक्चर: सर्विस-बेस्ड डिज़ाइन (SBA)

5G का कोर नेटवर्क (5GC) पूरी तरह से सॉफ्टवेयर-डिफाइंड और सर्विस-ओरिएंटेड आर्किटेक्चर पर आधारित है। यह 4G के Evolved Packet Core के बजाय मॉड्यूलर, सॉफ्टवेयर-बेस्ड सर्विस-बेस्ड आर्किटेक्चर (SBA) का उपयोग करता है। इस सिस्टम में सॉफ्टवेयर-डिफाइंड नेटवर्किंग (SDN) और नेटवर्क फंक्शन वर्चुअलाइजेशन (NFV) शामिल हैं।

SBA में प्रत्येक नेटवर्क फंक्शन स्वतंत्र रूप से RESTful APIs द्वारा एक-दूसरे के साथ संचार करता है। प्रत्येक फंक्शन नेटवर्क रिपॉजिटरी फंक्शन (NRF) में रजिस्टर होता है, ताकि पूरे नेटवर्क को आवश्यकतानुसार आसानी से स्केल किया जा सके। सेंट्रल डेटा प्रोसेसिंग के लिए Control Plane और User Plane को पूरी तरह से अलग (CUPS) किया गया है।

गैर-3GPP नेटवर्क्स (जैसे होम वाई-फाई) को 5G कोर से सुरक्षित रूप से जोड़ने के लिए Non-3GPP Interworking Function (N3IWF), Security Edge Protection Proxy (SEPP), और Trusted WLAN Interworking Function (TWIF) जैसे सपोर्टिंग घटक कार्य करते हैं।

3GPP रिलीज और भविष्य: 5.5G और NR-Advanced

5G के निरंतर विकास के लिए 3GPP द्वारा चरणबद्ध रिलीज़ जारी किए जाते हैं। Release 15 ने 5G की नींव रखी, जबकि Release 16 (जून 2020) और Release 17 (जून 2022) में सैटेलाइट नेटवर्क और एनआर-अनलाइसेंसड (NR-U) जैसे सुधार जोड़े गए। वर्तमान में 3GPP द्वारा Release 18 पर काम चल रहा है, जिसे 'NR Advanced' या 5.5G के रूप में जाना जाता है।

NR Advanced में एक्सटेंडेड रियलिटी (XR), आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (AI/ML) के संकलन और लेयर-3 के बजाय लोअर-लेयर ट्रिगर्ड मोबिलिटी पर ध्यान केंद्रित किया गया है। 5G के वैश्विक मार्केट में Huawei, Ericsson, Nokia, Qualcomm, Samsung और ZTE मुख्य सप्लायर्स हैं। 2023 की रिपोर्टों के अनुसार, दुनियाभर के 5G बेस स्टेशनों में Huawei लगभग 70 प्रतिशत हिस्सा रखती थी।

एरिक्सन के अनुमान के मुताबिक 2020 के दशक के मध्य तक 5G नेटवर्क दुनिया की लगभग 65 प्रतिशत आबादी तक पहुँच जाएगा। 4G और 5G नेटवर्क आगामी कई वर्षों तक साथ अस्तित्व में रहेंगे, लेकिन स्वतंत्र 5G कोर और मिलीलीटर वेव्स का बढ़ता उपयोग भविष्य की डिजिटल क्रांति का मुख्य आधारस्तंभ बनेगा।