اتصالات راديويه رقميه

Digital-radio communication - Communication radio-digitale

الاتصالات الراديوية الرقمية

محيي الدين وايناخ

مميزات الاتصالات الرقمية

تقنية تعدد المداخل والمخارج Multiple -Input, Multiple -Output (MIMO)

الراديو المعرّف برمجياً Software Defined Radio (SDR)

الراديو الإدراكي (المدرك) Cognitive Radio (CR)

أداء الوصلة الراديوية الرقمية

 تزداد يوماً بعد يوم أهمية الاتصالات الراديوية الرقميةdigital radio communications ، وما تزال في تزايد منذ خمسينيات القرن الماضي، وذلك بسبب تزايد الطلب على إرسال المعلومات الرقمية التي تتميز بالفعالية والمرونة مقارنة بالاتصالات التماثلية analog. تشمل الاتصالات الراديوية الرقمية: الاتصالات في مجال الترددات العالية HF، والترددات العالية جداً VHF، والترددات فوق العالية UHF، إضافة إلى الاتصالات الساتلية satellite والاتصالات النقالة mobile.

السمة الأساسية  في نظم الاتصالات الرقمية هي إرسال شكل موجي waveform من مجموعة منتهية (محدودة) من الأشكال الموجية وذلك خلال فترة زمنية محدودة، أي في كل فاصل زمني يُرسل شكل موجي ينتمي إلى مجموعة منتهية من الأشكال الموجية؛ بخلاف الاتصالات التماثلية حيث يتم إرسال أشكال موجية مستمرة ذات تغيرات لانهائية. هدف المستقبل في نظم الاتصالات الرقمية ليس استرجاع الشكل الموجي المرسل بدقة؛ وإنما تحديد الشكل الموجي المرسل المنتمي إلى مجموعة منتهية من الأشكال الموجية؛ مع الأخذ في الحسبان أن الشكل الموجي المستقبل يتألف من الشكل الموجي المرسل مضافاً إليه الضجيج، وقد يكون مشوهاً بسبب عوائق مختلفة. من أهم المعاملات الأساسية التي تحدد أداء النظام هو احتمال الخطأ P_e.

مميزات الاتصالات الرقمية

من أهم الأسباب التي أدت إلى الانتقال من الاتصالات التماثلية إلى الاتصالات الرقمية إمكان إعادة توليد الإشارة الرقمية مقارنة بالإشارة التماثلية؛ فالدارات الرقمية أقل تعرضاً للتشوه والتداخل لأنها ذات قيم محدودة ومعلومة، وهي أكثر موثوقية من الدارات التماثلية، وأكثر مرونة من الإشارات التماثلية؛ إذ يمكن استخدام المعالجات المختلفة الفائقة السرعة والدارات السريعة. ومن ناحية أخرى تعدّ كمية المعلومات المرسلة في وحدة عرض المجال الترددي في الاتصالات الرقمية أكبر منها في الاتصالات التماثلية بسبب استخدام تقنية ضغط المعطيات. وفي الاتصالات الرقمية يمكن استخدام تشفير (تعمية) فائق الأمان مقارنة بالاتصالات التماثلية؛ إضافة إلى كل ذلك فإن الاتصالات الرقمية ذات موثوقية عالية باستخدام ترميز القناة الكاشف والمصحّح للأخطاء.

النموذج الوظيفي لنظام اتصالات راديوي رقمي

يبين الشكل(1)  النموذج الوظيفي لوصلة اتصالات راديوية رقمية.

الشكل (1) نموذج وظيفي لوصلة اتصالات راديوية رقمية

يمكن أن يكون مصدر المعلومات information source رقمياً (خرج حاسوب) أو تماثلياً (صوت) وكل مصادر المعلومات تكون ذات ذاكرة، فإذا كان المصدر تماثلياً (صوت) فيجب

 تحويله إلى رقمي عن طريق أخذ العينات بحسب نايكوست Nyquist (دور أخذ العينة يساوي مقلوب ضعف أعلى تردد). وإذا كانت الإشارة (إشارة المصدر) ذات توزع منتظم uniform فيمكن استخدام مكمّم quantizer منتظم؛ وإلا يجب تحويل توزع الإشارة إلى توزع منتظم، فمثلاً يمكن تحويل إشارة الصوت ذات تحويل لابلاس Laplace إلى توزع منتظم عن طريق استخدام قانون m أو قانون A، ومن ثم تُحوّل العينة المكمَّمة إلى ترميز ثنائي. الهدف من مرمِّز المصدر source code هو ضغط المعطيات بحيث يصل متوسط طول الكلمة المرمزة l(w) إلى انتروبية المصدر (H)، أي تحقق نظرية شانون

أهم أنواع ترميز المصدر هما: ترميز هوفمن Huffman (طول كلمات الترميز غير متساوٍ)، وترميز لمبل- زيف Lempel-Ziv (طول كلمات الترميز متساوٍ). وظيفة التشفير encryption المثلى هي الحفاظ على سرية الرسالة M (أو النص الواضح plaintext) بحيث لا يمكن الوصول إلى الرسالة (كسر الشيفرة) من النص المشفر C=e(M,K)  -ولو كان جزء من الرسالة معروفاً- إلا عن طريق المفتاح K، وهذا يمكن تحقيقه إذا تحقق

حيث (.)P الاحتمال، ويمكن أن يكون التشفير على مستوى الكتلة block (طول محدَّد من البتات) أو على مستوى دفق المعطيات data stream. إن الهدف الأساسي لترميز القناة هو رفع موثوقية الإرسال؛ أي التقليل قدر الإمكان من احتمال الخطأ p_e، وذلك بإضافة رموز إضافية (عددها n-k) ترتبط برموز المعلومات (التي عددها k) بحسب خوارزمية محددة. أما الهدف النظري فهو تحقيق نظرية شانون Shannon التي تنص على أنه يمكن الوصول إلى  عندما ،  وذلك عندما يكون معدل الإرسال R أقل من سعة القناة Wlog(1+S/N)؛ حيث W عرض المجال الترددي؛ وN/S نسبة الإشارة إلى الضجيج. يفيد تشكيل النبضة pulse shaping في التقليل من تداخل الرموز البيني  Intersymbol Interference (ISI) قدر الإمكان.

تقوم عملية التعديل بتحويل إشارة الحزمة القاعدية baseband إلى إشارة حزمة التمرير bandpassالتيتتوافق وخواص القناة. وتسمح هذه العملية بوضع إشارة الحزمة القاعدية في المكان الطيفي المناسب وبالاستخدام الأمثل للمجال الطيفي. أما المعلومات فيتم تحميلها على معامل أو أكثر من معاملات الإشارة الجيبية (مطال، تردد، طور). تتميز أنواع التعديل المستخدمة بفعالية طيفية (bits/sec/Hz) عالية نسبياً وكذلك بفعالية الاستطاعة (غلاف ثابت)، وهي غير خطية وذات ذاكرة؛ مثل تعديل الطور المستمر CPM.

يُحقَّق نثر الطيف spread spectrum (أو التعديل بنثر الطيف) بما يلي:

1- أن يكون المجال الترددي للإشارة المنثورة أكبر بكثير من المجال الترددي للإشارة الأصلية.

2- نثر الطيف عن طريق إشارة الترميز code signal؛ وهي مستقلة عن إشارة المعلومات.

3- أن يكون استرجاع الإشارة الأصلية من الإشارة المنثورة في المستقبل عن طريق ترابط الإشارة المستقبلة مع نسخة مطابقة ومتزامنة لإشارة الترميز المستخدمة في طرف الإرسال؛ حيث تكون إشارات الترميز كلها متعامدة.

أهم مميزات نظم الطيف المنثور ممانعتها للتداخل وأثر تعدد المسارات multipath التي تسبب خفوت الإشارة، لذلك تُستخدم هذه الأنظمة استخداماً واسعاً في الاتصالات النقالة (الجيل الثاني والثالث).

يتألف الجزء الراديوي T_x في طرف الإرسال من دارة تحويل للتردد الصاعد upconverter ومضخم استطاعة. ينجز تحويل التردد الصاعد باستخدام مازج ومهتز محلي حيث يمكن نقل الإشارة المعدلة إلى ترددات راديوية (حتى 40 GHz).

تؤدي مواصفات القناة دوراً مهماً في اختيار معظم مكونات وصلة الاتصالات وتصميمها. ومن أهم أنواع قنوات الاتصال قناة غاوص وقناة المجال الترددي المحدد وقناة الخفوت. أما القناة العامة فهي قناة غاوص حيث يؤثر فيها ضجيج غاوصي جمعي additive white Gaussian noise )AWGN( والاستجابة الترددية ثابتة ولانهائية، والاستجابة الترددية للطور خطية.

أما القناة ذات المجال المحدد فيكون عرض المجال الترددي للقناة أقل من المجال الترددي للإشارة، وهذا ما  يسبب تداخل الرموز والحاجة إلى مُسَوٍّ equalizer لتحقيق التسطح في الاستجابة الترددية. تحدث ظاهرة الخفوت في القنوات ذات المسارات المتعددة عندما تصل مجموعة إشارات إلى المستقبل بأزمنة مختلفة (أي بأطوار مختلفة)؛ لأن كل إشارة سلكت مساراً مختلفاً بسبب العوائق المختلفة (أبنية، تلال، أشجار …). تعد قناة الخفوت من أعقد القنوات وتعالج معظم مشكلاتها باستخدام تعديل الطيف المنثور أو بتقنية التضميم بالتقسيم الترددي المتعامد orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). في هذه التقنية يُقسم المجال الترددي للقناة إلى عدد من القنوات الجزئية المتراكبة overlap بحيث تكون حوامل كل القنوات الجزئية متعامدة، وتعالج كل قناة جزئية وكأنها قناة منفردة.

يتألف جزء الراديو في طرف الاستقبال R_x من دارة تحويل للتردد الهابط downconverter ومضخم منخفض الضجيج low- noise amplifier (LNA) . لدارة التحويل وظيفة معاكسة لدارة تحويل للتردد الصاعد. أما الغرض من مضخم منخفض الضجيج فهو زيادة استطاعة الإشارات الضعيفة حتى تصل إلى مستوى قابل لمعالجة الإشارة.

يوفر نظام التزامن وظيفة التزامن لكل من التردد والطور والبت والرمز symbol وترميز الإشارة.

يُستخدم في عملية الكشف عادة معيار الأرجحية العظمى maximum likelihood (ML)  أو معيار الاحتمال اللاحق الأعظمي maximum a posteriori probability (MAP)، وفي الحالة العامة يعدّ المعيار الأخير ذا أداء أفضل بقليل من معيار ML، وذلك على حساب التعقيد في الحسابات، ولكن كلا المعيارين متساويان في الأداء إذا كانت الاحتمالات المسبقة prior متساوية.

تقنية تعدد المداخل والمخارج Multiple -Input, Multiple -Output (MIMO)

في نظم الاتصالات التقليدية يكون للقناة عادة دخل واحد وخرج واحد single-input، single-output (SISO)؛ إذ إن  دخل القناة وخرجها يتألفان من إشارات ذات قيم سُلّمية scalar أما في قناة تعدد المداخل والمخارج MIMO فإن الدخل والخرج يتألفان من  إشارات ذات قيم شعاعية vector.

من أجل التغلب على معوِّقات قناة الخفوت وتحسين أدائها، وأداء معظم - إن لم يكن كل - القنوات؛ اقترحت تقنية تعدد المداخل والمخارج التي تتميز بما يلي:

1- تزداد سعة القناة (قناة تعدد المداخل والمخارج) على حساب التعقيد بخلاف تقنيات أخرى، وتكون زيادة السعة على حساب موارد الاتصالات (استطاعة وعرض مجال).

2- تعطي تقنية تعدد المداخل والمخارج ربحاً كبيراً في زيادة سعة القناة مقارنة بنظام دخل وخرج وحيد SISO ، وذلك لقيم محدودة ثابتة لكل من الاستطاعة وعرض المجال.

3- عندما تكون القناة مُعرضة لبعثرة ريلي Rayleigh scattering فإن سعة القناة تكون متناسبة تقريباً مع عدد هوائيات الإرسال وعدد هوائيات الاستقبال.

لتقنية MIMO اتجاهان: الأول يُسمى بنية زمن - فضاء طبقي لمخابر بل «Bell Laboratories Layered Space-Time» والغرض الأساسي هنا هو زيادة سعة القناة باستخدام مجموعة من معدلات القناة ومرمزاتها. ويُسمى الاتجاه الثاني ترميز زمن- فضاء حيث يتم الربط المتكامل بين ترميز القناة وهوائيات الإرسال، وفي هذا الترميز تُستخدم رموز إضافية من أجل الحماية من الخفوت والضجيج والتداخل، ويمكن أيضاً استخدامها لزيادة السعة. لتسهيل المعالجة في طرف الاستقبال يُستخدم مفهوم التعامد في الإرسال (مصفوفة الإرسال). من أشهر التراميز المستعملة هنا ترميز ألاموتي Alamouti.

الراديو المعرّف برمجياً Software Defined Radio (SDR)

الدافع للراديو المعرف برمجياً هو تزايد الخدمات التي تقدمها الاتصالات النقالة وتنوع مزودي الخدمة service providers في المنطقة نفسها أو في مناطق مختلفة، وحتى يستفيد المستخدم من كل الخدمات عليه شراء عدد كبير من الهواتف النقالة (هاتف لكل مزود خدمة وهاتف لكل معيار standard مثلاً:  (..., IS95, GSM). ومن جهة أخرى تسببت الديناميكية العالية في تطوير خدمات جديدة بإقبال المستخدم على شراء هواتف جديدة. ولما كان أي نظام اتصالات راديوي يمكن محاكاته برمجياً فإن الحل المقترح هو هاتف واحد بحيث تُحمّل كل الخدمات وكل المعايير المختلفة على البرمجيات. يُسمى هذا الهاتف: الراديو المعرّف برمجياً. ظهرت هذه الفكرة في بداية التسعينيات، وظهر أول جهاز عملي في عام 1995.

يتألف الراديو المعرف برمجياً من الوحدات التالية:

1- الهوائي: يجب أن يكون ذكياً smart وذا مجال ترددي واسع.

 2- وحدة الترددات الراديوية: يجب أن تغطي طيفاً واسعاً من الترددات. ومعالجة الإشارة هنا تتم بالدارت التماثلية. تستخدم عملياً دارات متكاملة لتطبيقات مُحددة application-specificintegrated circuits (ASIC)، وهذه الدارات غير قابلة لإعادة التشكيل reconfiguration.

3- وحدة المبدل الرقمي إلى تمثيلي D/A ووحدة المبدل التمثيلي إلى رقمي A/D: هذه الوحدات يجب أن تكون ذات مجال ترددي واسع ومجال ديناميكي كبير.

4- وحدة الترددات الوسيطة IF: يمكن تنفيذ هذه الوحدة باستخدام دارات صفيفة البوابات  المبرمجةحقلياً field programmable gate array (FPGA)، وهذه الدارات قابلة لإعادة التشكيل.

5- وحدة الحزمة القاعدية: هذ الوحدة تقوم بعمليات التعديل والترميز وتنفذ عن طريق FPGA أو معالجات إشارة رقمية DSP.  

6- وحدة التحكم بالإرسال: وظيفتها التحكم في النفاذ إلى الوسط، ويمكن أن تنفذ عن طريق معالجات الإشارة الرقمية DSP.

7- وحدة معالجة دخل- خرج لربط طرفيات خارجية.

8- وحدة المعالجة الزمنية من النهاية إلى النهاية: تتحكم هذه الوحدة في التأخير بين المرسل والمستقبل، ويمكن أن تُنفذ باستخدام المعالجات DSP. ترتبط جميع الوحدات السابقة بمعالج عام يتعامل معه المستخدم.

الراديو الإدراكي (المدرك) Cognitive Radio (CR)

يعدّ الراديو المدرِك تقانةً واعدة تهدف إلى استخدام المجال الطيفي على الوجه الأمثل مع زيادة خدمات الشبكات اللاسلكية. وجهاز (مرسل - مستقبل) الراديو المدرك قادر على التكيف مع الوسط الراديوي الديناميكي ومع معاملات الشبكة من أجل الاستثمار الأمثل للموارد الراديوية المحدّدة، إضافة إلى المرونة في النفاذ اللاسلكي. يقوم الراديو المدرك بإدراك الوسط المحيط، مثل الطيف المستخدَم والكثافة الطيفية للاستطاعة وذلك للإشارة المرسلة والمستقبلة، إضافة إلى إدراك التأشير signaling «للبروتوكولات» اللاسلكية. ويقوم كذلك بالتوليف المتكيف لمعاملات النظام مثل الاستطاعة المرسلة وتردد الحامل ونوع التعديل؛ ولمعاملات «البرتوكولات».

الخطوات الأساسية في عمل الراديو المدرك هي:

1- استشعار الطيف؛ أي كشف الفجوات الطيفية، ويفضل أن يكون استشعار الطيف تعاونياً؛ أي تعاون العديد من أجهزة الراديو المدرك بعضها مع بعض، ومن ثم تبادل المعلومات فيما بينها.

2- تحليل الطيف؛ أي وضع نموذج رياضي ديناميكي بحيث يكون تابعاً لكل من التردد والزمن والمكان.

3- اتخاذ القرار بوضع حالة الطيف من أجل النفاذ إلى الفجوة الطيفية. وهذا يمكن أن يكون توافقياً بين جميع أجهزة الراديو الإدراكي، ويمكن أن يكون تنافسياً بحيث يستثمر كل جهاز راديو مدرك الطيف المناسب له.

4- تعرف تقنيات التعديل والترميز والتوليف ومعاملات «البروتوكولات» والتوليف عليها.

أداء الوصلة الراديوية الرقمية

أهم المعاملات في أداء وصلة الراديو الرقمية هو احتمال الخطأ، واحتمال خطأ الرمز  ps، واحتمال خطأ البت. يعدّ احتمال الخطأ عملياً تابعاً لعدد كبير من العوامل مثل: نوع التعديل، ونوع الترميز (ترميز القناة)، والمعيار المستخدم في الكشف ML أو MAP وطريقة الكشف ونوع القناة الراديوية وخواصها، والمسافة بين نقاط الإشارة، ووجود تشوه أو تداخل بين الرموز، ودقة التزامن، وكذلك نوع القرار المتخذ: أهو قرار صلب hard أم قرار مرن soft؟ إذا كانت كل النقاط السابقة مثالية فإن احتمال الخطأ في حال إرسال ثنائي وقناة غاوص هو:

 

 

 

حيث E_i قدرة الإشارة و P₁₂ معامل الترابط بين الإشارتين، وN₀ الكثافة الطيفية للضجيج في قناة غاوص.

المعامل الثاني للأداء هو الفعالية الترددية؛ وتُقاس بوحدة bits/sec/Hz، وهو تابع أساساً لنوع التعديل وطريقة تشكيل النبضة.

مراجع للاستزادة: -B. Sklar, Digital Communications (Prentice Hall, New Jersey 2001). -Ekram Hossian & Vijay Bhargava ,Cognitive Wireless Communication Networks ( Springer 2007). -Hiroshi Harada & Ramjee Prasad ,Simulation And Software Radio, (Artech House, Boston  2002). -John G.proakis , Digital Communications ( Mcgraw Hill, Boston 2001). -John R.barry, Edward A.lee & David G.messerschmitt, Digital Communication (Springer 2004). -Simon Haykin & Michael Moher, Modern Wireless Communications  (Prentice Hall, Upper Saddle 2005).

---

- التصنيف : هندسة الاتصالات - النوع : هندسة الاتصالات - المجلد : المجلد الأول - رقم الصفحة ضمن المجلد : 101 مشاركة :