در شکل 1 نمایی کلی از نسل های پنجگانه شبکه های بیسیم نشان داده شده است و در ادامه به تشریح هر یک پرداخته می شود.

شکل 1: نقاط عطف اصلی برای چهار نسل قدیمی سیستم های ارتباط سلولی (Alsharif & Nordin, 2017)

نسل اول (1G)

نسل اول شبکه های تلفن همراه (1G) در دهه 1980 راه اندازی شد که مبتنی بر انتقال آنالوگ با سرعت داده محدود تا 2.4 کیلوبیت بر ثانیه (kbps) بود و از این رو می توانست تنها خدمات صوتی با کیفیت پایین و ظرفیت پایین ارائه دهد. سیستم های تلفن همراه پیشرفته (North Advanced mobile phone Systems (AMPS)) در آمریکای شمالی و سیستم های ارتباطی دسترسی کامل (Total access communication systems (TACS)) در بریتانیا از جمله سیستم های تلفن همراه 1G بودند (Young, 1979). سیستم ارتباطات دسترسی کامل ژاپن (Total Access Communications System (JTACS)) در ژاپن و تلفن همراه شمال اروپا (nordic mobile telephone (NMT)) در اسکاندیناوی دیگر مشترکین 1G بودند (Alsharif & Nordin, 2017). این نسل از سیگنال ‌های آنالوگ استفاده می‌ کرد و عیب اصلی آن ‌ها این بود که به دلیل ضعف سیگنالی قادر به پوشش مسافت طولانی نبودند (Bhalla et al., 2010).

نسل دوم (2G)

استاندارد موقت آمریکای شمالی 95 (North American Interim Standard 95 (IS-95)) و سیستم جهانی اروپا برای ارتباطات سیار (European global system for mobile communication (GSM)) نسل دوم سیستم های تلفن همراه (2G) بودند که در اوایل دهه 1990 راه اندازی شدند (Mouly & Pautet, 1992; Viterbi et al., 1991). 2G امکان تماس صوتی (Voice calls)، پیام کوتاه متنی (Short text messages) و ایمیل (email) را از طریق فناوری دیجیتال فراهم می کرد. به عبارتی دیگر، سیستم‌ های 2G می ‌توانستند سرعت داده ای معادل با 384 کیلوبیت بر ثانیه ارائه دهند و از خدمات نرخ داده پایین همراه با خدمات صوتی پشتیبانی کنند. با توجه به ماهیت انتقال دیجیتال، ظرفیت و کیفیت سیستم به طور قابل توجهی در مقایسه با 1G بهبود یافت که منجر به رشد سریع بازار شد (Israr et al., 2021). سامانه جهانی ارتباطات سیار (Global systems for mobile communications (GSM)) اولین سامانه نسل دوم بود و در اوایل دهه 1990 معرفی شد. GSM یک سیستم سلولی دیجیتال پایه ای بود که برای ارتباطات صوتی با سرعت داده تا 9.6 کیلوبیت بر ثانیه طراحی شده بود. با این حال، GSM از نرخ داده پایین رنج می برد، که همین موضوع سبب توسعه سرویس عمومی بسته‌های رادیویی (general packet radio services (GPRS)) شد. GPRS  به عنوان نسل 2.5 (2.5G) در نظر گرفته می شود و سرعت انتقالی برابر با 50 کیلوبیت بر ثانیه داشت. اساسا، GPRS یک گام تکاملی به سوی سرعت داده افزایش یافته برای تحول جی اس ام (Enhanced data GSM environment (EDGE)) تلقی می شود. EDGE یک فناوری رادیویی قبل از 3G در نظر گرفته می‌شود و برای ارائه داده‌ها تا سرعت 200 کیلوبیت بر ثانیه طراحی شده است (Abrol & Jha, 2016; Gupta & Jha, 2015; Rappaport et al., 2013).

نسل سوم (3G)

سیستم‌ های نسل سوم (3G) بر مبنای سیستم جهانی مخابرات سیار (universal mobile telecommunications system (UMTS)) و فناوری‌های دسترسی چندگانه تقسیم کد (code-division multiple access (CDMA)) در سال 2001 تکامل یافتند که توانایی انتقال داده تا 2 مگابیت بر ثانیه (2Mbps) را داشتند (Samukic, 1998). افزایش ظرفیت، سرعت بالاتر انتقال داده و پشتیبانی از خدمات چندرسانه ای از ویژگی های کلیدی فناوری 3G است (Israr et al., 2021). به عبارتی دیگر، 3G نه تنها امکان تماس و پیام های متنی را فراهم می کند، بلکه دسترسی به اینترنت پرسرعت از 200 کیلوبیت در ثانیه تا چند مگابیت در ثانیه را نیز فراهم می کند (Nadeem et al., 2021). هنگامی که اولین استانداردهای فناوری 3G در سال 1999 مورد توافق قرار گرفت، حداکثر نرخ بیت قابل تحقق در شبکه تلفن همراه 3G برابر با 2 مگابیت بر ثانیه بود و در عمل اکثر کاربران سرعت هایی در محدوده 64 تا384 کیلوبیت بر ثانیه را تجربه می کردند (Jahankhani & Yousef, 2014). قابل توجه ترین سیستم جهانی مخابرات سیار (Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)) است که ذاتا خود دارای دسترسی چندگانه تقسیم کد باند پهن است (Salameh & El Tarhuni, 2022).

نسل چهارم (4G)

در سال 2009، استانداردهای نسل چهارم موبایل (4G) برای غلبه بر محدودیت های 3G وضع شد (Ghosh et al., 2010). شبکه های 4G می توانند سرعت داده بسیار بالاتری تا 100 مگابیت بر ثانیه ارائه دهند (Israr et al., 2021). تا سال 2020، سهم هر یک از 2G، 3G و 4G به ترتیب تقریباً 35.5، 37.5 و 25 درصد بود و پیشبینی می‌ شد تا سال 2024 بیشتر نقاط جهان از 5G پشتیبانی کرده و تقریباً 60 درصد از فضای شبکه را پوشش داده باشند (Ghosh et al., 2019). خدمات تلفن همراه 4G در مقایسه با خدمات 3G از قابلیت انتقال بالاتر، دسترسی سریع ‌تر به وب از طریق تلفن همراه، پخش ویدیو با کیفیت بالا (HD)، خدمات بازی و غیره برخوردار است (Jha & Saha, 2020).

نسل پنجم (5G)

افزایش محبوبیت ارتباطات 5G تقاضاهای زیادی را برای اپراتورهای شبکه تلفن همراه برای ارائه خدمات 5G به کاربران ایجاد می کند (Agiwal et al., 2021). در واقع، 5G نسل پنجم شبکه پهن باند (Broadband network) بیسیم آینده است که سرعت و پوشش بهتری نسبت به 4G فعلی ارائه می دهد. 5G با سیگنال 5 گیگاهرتز کار می کند و می تواند سرعتی معادل 1 گیگابیت بر ثانیه (Gbps) برای ده ها اتصال یا ده ها مگابیت بر ثانیه (Mb/s) برای ده ها هزار اتصال ارائه دهد. علاوه بر این، 5G از یک رابط رادیویی جدید به همراه سایر فناوری ‌های جدید استفاده می‌ کند که از فرکانس ‌های رادیویی بسیار بالاتر (28 گیگاهرتز در مقایسه با 2.5 گیگاهرتز برای 4G) برای انتقال داده‌ های بیشتر استفاده می کند که سرعت بالاتر و تاخیر  و ازدحام (Congestion) کمتر در فرایند انتقال داده را به ارمغان می آورد. این رابط جدید، که از طیف موج میلی متری استفاده می کند، امکان استفاده از دستگاه های بیشتری را در همان منطقه جغرافیایی فراهم می کند. 4G می تواند حدود 4000 دستگاه در هر کیلومتر مربع را پشتیبانی کند، در حالی که 5G حدودا از یک میلیون دستگاه در مساحت مشابه، پشتیبانی می کند (Hajlaoui et al., 2020).

منابع

Abrol, A., & Jha, R. K. (2016). Power Optimization in 5G Networks: A Step Towards GrEEn Communication. IEEE Access, 4, 1355–1374. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2016.2549641

Agiwal, M., Kwon, H., Park, S., & Jin, H. (2021). A Survey on 4G-5G Dual Connectivity: Road to 5G Implementation. IEEE Access, 9, 16193–16210. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3052462

Alsharif, M. H., & Nordin, R. (2017). Evolution towards fifth generation (5G) wireless networks: Current trends and challenges in the deployment of millimetre wave, massive MIMO, and small cells. Telecommunication Systems, 64(4), 617–637. https://doi.org/10.1007/s11235-016-0195-x

Bhalla, M. R., Bhalla, A. V., & others. (2010). Generations of mobile wireless technology: A survey. International Journal of Computer Applications, 5(4), 26–32.

Ghosh, A., Maeder, A., Baker, M., & Chandramouli, D. (2019). 5G Evolution: A View on 5G Cellular Technology Beyond 3GPP Release 15. IEEE Access, 7, 127639–127651. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2939938

Ghosh, A., Ratasuk, R., Mondal, B., Mangalvedhe, N., & Thomas, T. (2010). LTE-advanced: next-generation wireless broadband technology [Invited Paper]. IEEE Wireless Communications, 17(3), 10–22. https://doi.org/10.1109/MWC.2010.5490974

Gupta, A., & Jha, R. K. (2015). A Survey of 5G Network: Architecture and Emerging Technologies. IEEE Access, 3, 1206–1232. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2015.2461602

Hajlaoui, E., Zaier, A., Khlifi, A., Ghodhbane, J., Hamed, M. B., & Sbita, L. (2020). 4G and 5G technologies: A Comparative Study. 2020 5th International Conference on Advanced Technologies for Signal and Image Processing (ATSIP), 1–6. https://doi.org/10.1109/ATSIP49331.2020.9231605

Israr, A., Yang, Q., Li, W., & Zomaya, A. Y. (2021). Renewable energy powered sustainable 5G network infrastructure: Opportunities, challenges and perspectives. Journal of Network and Computer Applications, 175, 102910. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jnca.2020.102910

Jahankhani, H., & Yousef, S. (2014). Chapter 18 – Evolution of TETRA through the integration with a number of communication platforms to support public protection and disaster relief (PPDR) (B. Akhgar, A. Staniforth, & F. B. T.-C. C. and C. T. I. H. Bosco (reds); bll 259–273). Syngress. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800743-3.00019-0

Jha, A., & Saha, D. (2020). “Forecasting and analysing the characteristics of 3G and 4G mobile broadband diffusion in India: A comparative evaluation of Bass, Norton-Bass, Gompertz, and logistic growth models”. Technological Forecasting and Social Change, 152, 119885. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.techfore.2019.119885

Mouly, M., & Pautet, M.-B. (1992). The GSM system for mobile communications. Telecom publishing.

Nadeem, L., Azam, M. A., Amin, Y., Al-Ghamdi, M. A., Chai, K. K., Khan, M. F. N., & Khan, M. A. (2021). Integration of D2D, Network Slicing, and MEC in 5G Cellular Networks: Survey and Challenges. IEEE Access, 9, 37590–37612. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3063104

Rappaport, T. S., Sun, S., Mayzus, R., Zhao, H., Azar, Y., Wang, K., Wong, G. N., Schulz, J. K., Samimi, M., & Gutierrez, F. (2013). Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work! IEEE Access, 1, 335–349. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2013.2260813

Salameh, A. I., & El Tarhuni, M. (2022). From 5G to 6G—Challenges, Technologies, and Applications. In Future Internet (Vol 14, Number 4). https://doi.org/10.3390/fi14040117

Samukic, A. (1998). UMTS universal mobile telecommunications system: development of standards for the third generation. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 47(4), 1099–1104. https://doi.org/10.1109/25.728480

Viterbi, A. J., Weaver Jr, L. A., & Whcatley III, C. E. (1991). On the capacity of a cellular CDMA system. IEEE Trans. Veh. Technol, 40(3), 303–311.

Young, W. R. (1979). Advanced Mobile Phone Service: Introduction, Background, and Objectives. Bell System Technical Journal, 58(1), 1–14. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1979.tb02208.x