تعدد حوامل اتصالات (تقنيات)

Carrier techniques-Multi for communications -

 

 تعدد الحوامل للاتصالات

 

تعدد الحوامل للاتصالات (تقنيات -)

وسام التبان

تقنية صف المرشحات

تطور تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد

ميزات الإرسال المتعدد الحوامل ومساوئه

ازداد الطلب على خدمات الاتصالات اللاسلكية ازدياداً كبيراً في العقدين الأخيرين من القرن العشرين، وسوف تستمر الزيادة كما هو متوقع في المستقبل القريب. ويتطلب العبء الكبير على خدمات الصوت والصورة في هذا النوع من الاتصالات تطوير منظومات اتصالات رقمية متقدمة قادرة على نقل المعطيات بسرعة وبتكلفة منخفضة وبشكل موثوق، بعرض مجال كبير لعدد كبير ومتغير من المشتركين. كذلك تقدم الاتصالات الحالية خدمات كثيرة ومتنوعة كنقل الموسيقى والفيديو وألعاب الإنترنت (الشابكة) في حال الثبات وفي أثناء التنقل، وتتيح للناس تصفح رسائلهم الإلكترونية على أجهزة الاتصال الخلوية. وقد اعتمدت منظومات الاتصالات الحالية تقنيات الاتصالات المتعددة الحوامل multi-carrier techniques for communications ولاسيما تقنية التضميم (التجميع) المتعامد باقتسام التردد Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)، وهو مثال على المنظومات متعددة الحوامل والتي يستخدم فيها المرسل الواحد حوامل متعددة متعامدة، كل منها مسؤول عن جزء من معدل المعطيات الإجمالي.

تعد المنظومات المعتمدة على تقنية استخدام صف المرشحات filter bank من التقنيات المهيأة للاتصالات المتعددة الحوامل. وقد لاقت هذه التقنية اهتماماً من مجتمع الاتصالات ومعالجة الإشارة في السبعينيات من القرن الماضي، حين قدم سالتزبرغ Saltzberg في عام 1976 منظومة تعتمد هذه التقنية مع التعديل المطالي الترابعي (التعامدي) Quadrature Amplitude Modulation (QAM).

تقنية صف المرشحات

تعود الأعمال الأولى لهذه التقنية إلى السبعينيات من القرن الماضي؛ عندما أظهر سالتزبرغ أنه لدى استخدام منظومة متعددة القنوات وتعديل مطالي ترابعي QAM، وبترك مسافة زمنية بين الرمزين -المتوافق بالصفحة والمتعامد عليها- تساوي نصف زمن الرمز يمكن تحقيق مسافة ترددية بين القنوات المتجاورة تحول دون تداخل الرموز البيني (ISI) Inter-Symbol Interference أو الحوامل البيني Inter Carrier Interference (ICI)، مما يؤدي إلى زيادة فعالية الطيف الترددي. بعد ذلك جرى تطوير المرسل والمستقبل لإدخال تحويل فورييه بشكل فاعل مما أوصل إلى تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM.

إن تحسين تقنية الخط الرقمي لمشترك Digital Subscriber Line (DSL) في بداية التسعينيات من القرن العشرين حركت الاتجاه نحو تحسين الاتصال بتقنية صف المرشحات لتطوير تقنية تعدد النغمات المويجي المتقطع (DWMT) Discrete Wavelet Multitone، واقتُرح في عام 2003 استخدام مرشحات متعددة النغمات معدّلة تجيبياً Cosine-Modulated Multitone (CMT)، وسميت التقنية فيما بعد بهذا الاسم. كذلك قدم سالتزبرغ تحسينات أخرى يمكن أن تلخص بما يلي:

- في تقنية تعدد النغمات المعدلة تجيباً CMT ترسل إشارة كل مشترك رمزاً بتعديل نبضي مطالي Pulse-Amplitude Modulation (PAM)، وتستخدم تعديل المجال الجانبي المتبقي Vestigial Sideband Modulation (VSM).

- يقود شكل الإشارة الخاص جداً في تقنية تعدد النغمات المعدلة تجيباً CMT إلى خوارزمية كشف خاصة بهذا النوع من التعديل.

اقترح شيروبيني Cherubini تقنية تعدد النغمات المرشحة Filtered Multitone (FMT) من أجل تطبيق خط رقمي لمشترك DSL خاصة، مما أتاح تداخل القنوات المتجاورة وقلل من فعالية الطيف الترددي، على النقيض من تقنية تعدد النغمات المعدلة تجيبياً CMT وتقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM.

تطور تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد

تعود بدايات تطوير الاتصالات المتعددة الحوامل إلى أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات في القرن العشرين في القطاعات العسكرية. سميت هذه المنظومات بالمنظومات المتعددة الحوامل التقليدية حيث تُرسل المعطيات على حوامل متعددة ومتعامدة وغير متراكبة. واستخدمت هذه المنظومات مهتزات ومرشِّحات تماثلية ذات استجابة عريضة وتردد قطع حاد. غير أن تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM لم تحظ َفي ذلك الوقت بكثير من الاهتمام بسبب صعوبة الحصول على المرشحات التماثلية التي تضمن عدم التداخل بين الحوامل.

وفي التسعينيات من القرن العشرين عاد الباحثون إلى العناية بدراسة أداء تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM في بيئات مختلفة ومعاملات متعددة، وتطبق هذه التقنية حالياً في العديد من الخدمات مثل النقل الرقمي المرئي والسمعي في أوربا، وفي الولايات المتحدة الأمريكية طبقت هذه التقنية في خدمة خط رقمي لمشترك DSL، كما استخدمت في الشبكات اللاسلكية النقالة المحلية مثل المعيار IEEE802.11a.

1- مبدأ عمل تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد:

يعتمد المبدأ الأساسي لهذه التقنية على تقسيم دفق المعطيات العالي السرعة إلى عدد من الدفقات الأقل سرعة، وإرسالها متزامنة بعد تعديلها بحوامل متعامدة. سوف يزداد زمن الرمز بسبب الإرسال المتزامن مما يقلل من زمن التشتت الذي تسببه القنوات المتعددة المسارات. ويمكن أن ينظر إلى هذه التقنية على أنها من تقنيات التعديل، أو من تقنيات التضميم المتعدد.

يبين الشكل (1) مبدأ التضميم المتعامد باقتسام التردد. يتضح في هذا الشكل أن هذه التقنية تزيد من فاعلية القناة عندما ترسل بشكل متعامد. وللتوضيح فإنه عند إرسال المعطيات على قناة ترددية معينة باستخدام تقنية التضميم باقتسام التردد Frequency Division Multiplexing (FDM) يجب ترك مسافات تباعد بين القنوات لتمنع التداخل فيما بينها مما يقلل من فاعلية القناة. أما في حال التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM فإن رسائل المعلومات تأتي من المحطات كافة، ثم تجمع في دفقة معلومات واحدة. ترسل هذه المعلومات عبر عدد كبير من الحوامل، ويمكن أن تكون هذه الحوامل متعامدة من دون أن تحتاج إلى فارق بين المجالات الترددية لكل حامل مما يزيد من فاعلية القناة (الشكل 2).

الشكل (1) مبدأ التضميم المتعامد باقتسام التردد.

تحوي هذه المنظومة تحويل فورييه وعكسه في جزأي الاستقبال والإرسال على الترتيب. ففي المرسل تحول الإشارة من رقمية إلى تماثلية باستخدام مبدل رقمي تماثلي قبل أن تمزج مع المهتز المحلي الأولي والثانوي، ثم ترفع استطاعتها عند هوائي الإرسال. أما في المستقبِل فيجري تكبير الإشارة المستقبلة -باستخدام مكبر منخفض الضجيج- قبل أن تمزج مع مهتز أولي، ثم ترشح وتمزج مع مهتز ثانوي وتحول إلى إشارة رقمية باستخدام مبدل رقمي تماثلي، ثم تستعاد باستخدام تحويل فورييه.

الشكل (2) مخطط صندوقي عام لمنظومة مرسل/مستقبل تضميم متعامد باقتسام التردد OFDM.

2- مبدأ التعامد:

يقال عن تابعين –بالتعريف- إنهما متعامدان إذا كانا مستقلين تماماً أحدهما عن الآخر. تسمح خاصية التعامد بإرسال المعلومات المختلفة كاملة على قناة مشتركة. الكثير من طرائق التضميم المعروفة متعامدة أصلاً، مثل التضميم الزمني الذي يخصص حصة زمنية لكل مشترك ويمنع أي مشترك آخر من استخدام الحصة نفسها.

تعرف التوابع الأسية العقدية ، التي تعبر عن إشارات الحوامل المختلفة في تعديل التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM على المجال وعند الترددات ، ومن ثًم يصبح شرط التعامد موضحاً بالمعادلة (1):

تظهر خاصية التعامد في طيف إشارة التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM في الشكل (3) حيث يبين طيف الحوامل الجزئية الخمسة، ويعطى تابع الاستجابة الترددي لكل حامل منها بالعلاقة (2):

الشكل (3) الاستجابة الترددية لإشارة تضميم متعامد باقتسام التردد OFDM بخمسة حوامل جزئية.

اختيرت خمسة حوامل جزئية للمحاكاة ليكون واضحاً في الشكل أن قمة كل تابع تكون في لحظة انعدام التابع المجاور، مما يحقق شرط التعامد، ويسمح بالنتيجة بتجاور القنوات من دون حدوث تداخل فيما بينها.

3- تطبيقات منظومات التضميم المتعامد باقتسام التردد:

اعتمدت تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM في العقد الأخير من القرن العشرين في الكثير من معايير الاتصالات اللاسلكية، مثل البث السمعي الرقمي Digital Audio Broadcasting (DAB)، والبث الفيديوي الرقمي (Digital Video Broadcasting (DVB. كما اعتُمد من عدة مجموعات عمل في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات Institute of Electrical Electronic Engineers (IEEE) مثل المعايير: IEEE 802.11a/g/n, IEEE802.15.3a, IEEE 802.16d/e.

كما تشمل هذه التقنية تطبيقات الشبكات الشخصية اللاسلكية wireless personal area networks، والشبكات المحلية اللاسلكية wireless local area networks، والشبكات اللاسلكية المدنية wireless metropolitan area networks.

وفيما يأتي مواصفات بعض هذه التطبيقات من حيث عدد المشتركين ونوع التعديل، وطول الرمز، والتباعد بين الرموز، ونوع تصحيح الخطأ المستخدم، ومعدل الإرسال، وعرض المجال.

أ- البث السمعي الرقمي DAB :

وضع معهد معايير الاتصالات الأوربي European Telecommunications Standards Institute (ETSI) معايير هذا التطبيق بوصفه أول معيار يستخدم هذه التقنية في عام 1997. يتضمن هذا التطبيق ثلاثة أنماط مختلفة (الجدول1). تجمع المعلومات المرسلة والمقطعة بتردد أخذ عينات 48KHz، ثم تُضغط وتقسم إلى أطر بطول 24 ميلي ثانية.

الجدول (1) معاملات معيار البث السمعي الرقمي DAB

النمط 1 النمط 2 النمط 3 الموسطات parameters 1546 768 384 عدد الحوامل الجزئية number of sub-carriers التبديل الرقمي الترابعي بإزاحة الطور التفاضلي DQPSK التعديل modulation 1 ميلي ثانية 250 مكرو ثانية 125 مكرو ثانية الطول المفيد للرمز useful symbol length 3968 كيلو هرتز 1984 كيلو هرتز 0.992 كيلو هرتز طول الحوامل الجزئية sub-carrier separation 250 مكرو ثانية 62.5 مكروثانية 31.25 مكروثانية طول مدة الحماية length of guard interval   ترميز تلافيفي Convolution al Coding رمز تصحيح الخطأ الأمامي forward error correction code 2.4 ميغا بت/ثا معدل إرسال المعلومات information transmission rate 1.536 ميغاهرتز عرض المجال bandwidth

ب- البث الفيديوي الرقمي DVB :

طُوِّر عدد من المواصفات بهدف توصيل التلفاز الرقمي بوساطة السواتل وخطوط الكبلات الأرضية بوساطة محطات البث الأرضية. ووضِعت معايير هذا النوع من الاتصالات في عام 1997. يستخدم البث الرقمي الأرضي نمطين من العمل، يستخدم الأول منهما 1705 حوامل ترددية، ويستخدم النمط الثاني 6817 حاملاً ترددياً. أما المعاملات الأخرى لهذين النمطين فموصفة في الجدول (2).

الجدول (2) معاملات معيار البث الفيديوي الرقمي DVB

النمط 1 النمط 2 الموسطات 1705 6817 عدد الحوامل الجزئية number of sub-carriers التعديل الرقمي الترابعي بإزاحة الطور QPSK التعديل الترابعي المطالي 16 and 64 QAM التعديل modulation 224 مكروثانية 896 مكروثانية الطول المفيد للرمز useful symbol length 4464 كيلوهرتز 1116 كيلوهرتز طول الحوامل الجزئية sub-carrier separation 56-28-14-7 مكروثانية 224-112-56-28  مكروثانية طول مدة الحماية length of guard interval الترميز الداخلي Inner- الترميز التلافيفي convolutional الترميز الخارجي Outer - ترميز ريد- سولومن Reed- Solomon رمز تصحيح الخطأ الأمامي forward error correction code 4.98 – 31.67 ميغا بت/ثا معدل إرسال المعلومات information transmission rate 7.61 ميغا هرتز عرض المجال bandwidth

ج- المعيار IEEE 802.11:

اختارت مجموعة المعايرة IEEE 802.11 تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM لتحقيق اتصالات على المجال الترددي 5GHz بمعدلات نقل معلومات تتفاوت بين 6 ميغا بت/ثا و54 ميغا بت/ثا. استخدم هذا المعيار ولأول مرة تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM لنقل المعلومات في الاتصالات القائمة على الرزم packet based communications. يبين الجدول (3) بعض مواصفات هذا المعيار.

الجدول (3) مواصفات المعيار IEEE 802.11

المواصفات الموسطات 52 عدد الحوامل الجزئية number of sub-carriers BPSK,QPSK,16PSK,64PSK التعديل modulation 4 مكروثانية الطول المفيد للرمز useful symbol length 312.5 كيلوهرتز طول الحوامل الجزئية sub-carrier separation 800 نانوثانية طول مدة الحماية length of guard interval ترميز تلافيفي رمز تصحيح الخطأ الأمامي forward error correction code 54,48,36,24,18,12,9,6 ميغا بت/ثا معدل إرسال المعلومات information transmission rate 20 ميغا هرتز عرض المجال bandwidth

د- المعيار IEEE 802.16 وتطبيقاته في منظومات الاتصالات اللاسلكية الثابتة والنقالة:

شكَلت منظمة IEEE في عام 1999 مجموعة عمل لتطوير معيار خاص بالشبكات المدنية العريضة المجال Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN). صدرت أول ورقة عمل لهذه المجموعة في 2001 بمعيار 802.16، كما صدر عنها نسخة أحدث 802.16-2004 في عام 2004 جرى بموجبها تحرير جميع النسخ الأقدم من هذا المعيار بما فيها النسخ التي تحمل اللاحقتين a وc. جرى بموجب هذا التعديل تبديل مواصفات الشبكات اللاسلكية العريضة المجال Broadband Wireless Access (BWA) بالواجهة اللاسلكية للشبكات المدنية الأرضية الرقمية. اعتمدت في هذا المعيار تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM وتقنية النفاذ المتعدد المتعامد باقتسام التردد orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) بالمعاملات الموضحة في الجدول (4).

الجدول (4) مواصفات المعيار IEEE 802.16

المواصفات الموسطات BPSK,QPSK,16QAM,64QAM التعديل modulation 32 40 64 128 الطول المفيد للرمز (مكروثانية) useful symbol length (tµ) 31.3 25 16.6 7.81 المسافات بين الحوامل الجزئية (كيلو هرتز) (sub-carrier separation (kHz tu/32 , tu/16 , tu/8 , tu/4 طول مدة الحماية length of guard interval 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 معدل الترميز coding rate 7 5.5 3.5 1.75 عرض المجال bandwidth

هـ- المنظومات ذات المجال العريض جداً  Ultra Wide Band (UWB)، ومنظومات التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM المتعدد المجالات multiband (MB)

تعد تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد المتعدد المجالات MB-OFDM نتيجة مزج تقنيتين: تقنية التعديل الترددي المتعامد، وتقنية القفز الترددي. يجري من خلال هذا التطبيق تقسيم الطيف الترددي إلى عدة مجالات جزئية، ويحدث التنقل بينهما بالقفز الترددي، وترسل المعطيات في كل واحدة منها بتقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM. ويراوح معدل نقل المعطيات بهذه التقنية بين 55 ميغابت/ثا و480 ميغابت/ثا إلى مسافات قد تصل إلى عشرة أمتار. قُسِّم المجال المتاح لهذا التطبيق وهو من 3.1-10.6 غيغا هرتز إلى 14 مجال جزئي كل منها بعرض 528MHz. المواصفـات الأخرى لهذا التطبيق موضحة في الجدول (5).

الجدول (5) مواصفات المعيار MB-OFDM UWB

المواصفات الموسطات 50, 80, 110, 160, 200, 320, 480 بت/ثانية معدل المعطيات data rate 128 حجم تحويل فورييه السريع FFT size 312.5 نانوثانية مدة الرمز symbol duration 60.6 نانوثانية طول length of CP 9.5 نانوثانية طول مدة الحماية length of guard interval  3.2 ميغاهرتز تباعد الحوامل الجزئية sub- carrier spacing    528 ميغاهرتز عرض المجال bandwidth

ميزات الإرسال المتعدد الحوامل ومساوئه

اختيرت تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM لمزاياها الآتية التي جعلتها أفضل من خيار الإرسال بحامل وحيد:

أ- أقل تعقيداً في التحقيق: في حالة قناة خفوت منثورة متعددة المسارات محددة يكون تحقيق هذه التقنية أقل تعقيداً من تقنية الحامل الواحد من حيث وجود المساوي equalizer. ففي حالة التضميمم المتعامد باقتسام التردد OFDM يلزم مساوٍ واحد فقط single- tap equalizer من الدرجة الأولى.

ب - ممانعة ضد التداخل الضيق المجال: يمكن أن يجري في حالة الاتصال الوحيد الحامل خسارة الوصلة كاملة لوجود مُداخل واحد فقط. أما في حالة الاتصالات المتعددة الحوامل فإن نسبة صغيرة من الحوامل يمكن أن تتأثر بهذا المُداخل.

جـ - ممانعة ضد الخفوت الترددي الانتقائي: بسبب الإرسال المتوازي على الحوامل المتعددة يعدّ هذا النوع من الوصلات ممانعاً للخفوت الانتقائي؛ لأنه يحول قناة الخفوت ذات الانتقائية العالية إلى عدة قنوات خفوت مسطَّح متجاورة.

د - فعالية طيفية عالية بتقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM: سوف تؤدي الحوامل المتعامدة فيما بينها والكثيرة العدد إلى استثمار الطيف الترددي استثماراً أكثر فاعلية.

أما أهم مساوئ هذه التقنية التي تعدّ من المشاكل التي لا يستهان بها:

أ. الانزياح الزمني للرمز symbol timing offset: تعدّ تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM عالية الحساسية لهذا الانزياح. بسبب استخدام تحويل فورييه السريع Fast Fourier Transform (FFT) وتحويل فورييه السريع العكسي IFFT، ومن أجل التعديل وكشف التعديل فإن التزامن في المستقبل مطلوب لكي لا تتداخل نافذة تحويل فورييه للرمز الحالي مع الرمز المجاور مما يؤدي إلى إنقاص أدا المنظومة.

ب. الانزياح الترددي للحامل carrier frequency offset: تعد تقنية التضميم المتعامد باقتسام التردد OFDM عالية الحساسية لهذا الانزياح بسبب خاصية التعامد التي تضفي عليها كل الميزات السابقة الذكر، ومن ثَم فإن أي انزياح في قيم الحوامل سوف يؤدي إلى تداخل الحوامل البيني وإنقاص نسبة الإشارة إلى الضجيج Signal-to-Noise Ratio (SNR)؛ مما يؤدي إلى إنقاص الأداء من حيث معدل خطأ البث Bit Error Rate (BER).

مراجع للاستزادة: - A. Kliks, et al. Advanced Multicarrier Technologies for Future Radio Communication: 5G and Beyond, Wiley, 2017. - F. L. Luo, C. J. Zhang, Signal Processing for 5G: Algorithms and Implementations, ‎ Wiley, 2016. - A. F. Molisch, Wireless Communications 3rd Edition: From Fundamentals to Beyond 5G, Wiley, 2022.

---

- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد التاسع مشاركة :