أنظمة الاتصالات محدودة التداخل Interference-Limited Communication

يُعد التداخل بين المستخدمين أحد أهم التحديات في أنظمة الاتصالات الحديثة، حيث يلزم إعادة استخدام كثيف للموارد بسبب ندرة الطيف المتاح، وعلى سبيل المثال يمكن أن يحدث التداخل إذا استخدمت عدة روابط مستقلة وسيطاً مشتركاً أي قناة تداخل، وعلى سبيل المثال في شبكات مزدوجة الإرسال بالكامل أو إذا لم يتم إجراء فك تشفير كامل على المرحل في إرسال بمساعدة المرحل، وعلى سبيل المثال قناة مرحل ذات قناة جزئية أي فك وإعادة توجيه.

أساسيات أنظمة الاتصالات محدودة التداخل Interference-Limited Communication

في جميع هذه الحالات يمكن تحقيق أداء أفضل للنظام إذا تم تنسيق التداخل بين الإرسال المتزامن أو حتى تم تعويضه عن طريق التشفير أو معالجة الإشارة، ومع ذلك لتحقيق هذه الغاية من الضروري بشكل مشترك تحسين استراتيجيات الإرسال الخاصة بوصلات الاتصال المختلفة، وعلى عكس الأنظمة التي لا تحتوي على تداخل غالباً ما يؤدي ذلك إلى مشكلات تحسين غير محدودية، والتي لا يمكن عادةً الحصول على حلولها المثلى عالمياً بطريقة فعالة من الناحية الحسابية.

وبالإضافة إلى ذلك اتضح أنّ النماذج التقليدية حول استراتيجيات الإرسال المثلى ليست صحيحة بالضرورة في الأنظمة التي تحتوي على قدر كبير من التداخل بين المستخدمين، وعلى سبيل المثال قد لا يكون التشفير المنفصل على كل موجة حاملة وكذلك استخدام ما يسمى بإشارات الإدخال “Gaussian” المناسبة هو الأمثل في مثل هذه الأنظمة، على الرغم من أنّها تعمل على تحسين المعدلات التي يمكن تحقيقها في حالة خالية من التداخل.

تكمن الاهتمامات البحثية في فهم القيود الأساسية على أداء أنظمة الاتصالات محدودة التداخل وفي تطوير خوارزميات تحسين مخصصة منخفضة التعقيد؛ لتصميم أجهزة إرسال واستقبال قريبة من الأمثل في مثل هذا النظام، وعلى سبيل المثال تتضمن أحد المشاريع البحثية على أنّ الشبكات الخلوية ثنائية الاتجاه بالكامل، حيث يؤدي الوصلة الصاعدة والهابطة المتزامنة في نفس نطاق التردد إلى حدوث تداخل بين المحطات الأساسية وأجهزة المستخدم.

ويتمثل جزء آخر من البحث في دراسة مكاسب الأداء التي يمكن تحقيقها في أنظمة الاتصال محدودة التداخل من خلال الاستفادة من نماذج إرسال جديدة، مثل إرسال الإشارات أو التشفير غير المناسب عبر الموجات الحاملة.

التداخل في أنظمة الاتصالات اللاسلكية الضوئية متعددة المستخدمين

تمثل اتصالات الضوء المرئي “VLC” بما في ذلك “LiFi” مجموعة فرعية من المجال الأوسع للاتصالات اللاسلكية الضوئية، حيث تكون الحزم الضيقة والنموذجية للاتصالات الضوئية في الفضاء الحر خالية إلى حد كبير من التداخل، كما يشمل “VLC” حالات الاستخدام التي تتضمن الوصول إلى البيانات والإضاءة المشتركين ودعم نموذج نقطة الوصول اللاسلكية “AP”، ويوفر استخدام العديد من الوحدات تحجيم التغطية المكانية لكل من الإضاءة والوصول إلى البيانات.

ومع ذلك فإنّ النسخ المتماثل لـ “AP” على مقربة شديدة يخلق العديد من تحديات التداخل التي تحفز التحقيق المجسد، وعلى وجه الخصوص يتم وضع إطار لتحدي التداخل في سياق الاستراتيجيات الحالية لدفع التحسينات في أداء الارتباط، والنظر في تأثيرات المستخدمين المتعددين والمصادر المتعددة والخلايا المتعددة.

لقد أثبتت الاتصالات اللاسلكية الضوئية “OWC” أنّها تقنية قوية لتمديد الروابط من نقطة إلى نقطة أساساً لتطبيقات، مثل البناء إلى المبنى أي الثابت أو من مركبة إلى مركبة أي متنقلة أو اتصالات نقطة النهاية المختلطة، كما يتم تقديم هذه الحزم عادةً بواسطة حزم ضيقة يمكن عزلها بسهولة أكبر إلى مستقبلات هدف واحد.

ويسمح إدخال المصادر المتباينة بإمكانية خدمة أجهزة استقبال متعددة بإشارة واحدة ولكنّه يشجع أيضاً على التداخل في وجود مصادر متعددة، حيث يؤدي ظهور إضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء “LED” كأساس لـ “OWC” للعديد من المستخدمين إلى تفاقم الحاجة إلى فهم تأثير كل من هذه الأبعاد، من اختلاف المصدر ووجود الجيران.

ويمتد البحث في هذا المجال إلى اتصالات الضوء المرئي “VLC” ودقة الضوء “LiFi” وقد عملت هذه النقطة التي أصبحت فيها أنظمة الوصول المتعددة “OWC” متاحة الآن للنشر التجاري، وباعتبارها تقنية ناشئة لم يستكشف مجتمع البحث بشكل كامل تأثير تركيبات “VLC” واسعة النطاق ولا تأثير زيادة كثافة نقاط الوصول “APs” لدعم العدد المتزايد من الأجهزة التي ترغب في الوصول إلى الشبكة.

تركز الأبحاث المبكرة في “VLC” بشكل أساسي على تطبيقات الطبقة المادية والوصلة الواحدة لضمان الاتصال الناجح من نقطة إلى نقطة وعزل ارتباط المرسل والمستقبل في نظام ثابت، كما يعمل هذا البحث على تحسين أداء الارتباط من خلال معالجة الإشارات وإدخال تقنيات تعديل جديدة، حيث تتعمق الأعمال الأكثر حداثة في مستوى النظام من خلال نشر خلايا اتصالات متعددة النقاط أو متعددة النقاط إلى نقاط متعددة.

وتقدم أنظمة نقاط الوصول المتعددة هذه الخلايا المجاورة التي تؤدي بشكل طبيعي إلى التداخل عند استقبال إشارات من نقاط وصول متعددة في وقت واحد، كما يمكن أن يحدث التداخل أيضاً من عمليات إرسال متعددة للمستخدم، لكن القليل من العمل قد حلل التداخل في سياق الوصلات الصاعدة “OWC” وتأثير الوصلة الصاعدة داخل النطاق على توزيع الإشارات العلوية أي “AP”.

وهذا في المقام الأول لأنّ العديد من الأنظمة تتضمن عدم تناسق باستخدام وسيط بديل للوصلة الصاعدة، ولهذا السبب يركز التطور على تداخل الوصلة الهابطة تاركاً تحليل تداخل الوصلة الصاعدة كفرصة بحث مفتوحة، وتشمل المعلمات التي تؤثر على تحليل التداخل لـ “VLC” أثناء التكثيف عدد أجهزة المستخدم “UDs” وتغطية نقطة الوصول وكثافة نقطة الوصول وتداخل التغطية.

ومن خلال زيادة كثافة “AP” يُعتقد أن السعة الإضافية المتوفرة ستتعامل مع الطلبات الإجمالية لكثافة الجهاز المتزايدة، ومع ذلك فإنّ كثافة “AP” الأعلى تعني أيضاً تغطية نقطة وصول أصغر أو تداخل تغطية متزايد وتداخل، كما ترتبط هذه المعلمات أيضاً بنمط إرسال المرسل بما في ذلك عرض الحزمة ويحدد نمط البث وتوزيع “AP” وكثافة الجهاز ونمط القبول أي مجال رؤية الجهاز “FOV”، ويمكن استخدامه للتحكم في التداخل في نظام “VLC”.

يمكن إضافة السعة اللاسلكية إلى المساحات الداخلية عن طريق زيادة كثافة نقطة الوصول لكنّ القيام بذلك يمكن أن يزيد من التداخل، كما يوفر الضوء بخاصيته الاتجاهية مكاسب في الأداء فيما يتعلق بالتداخل، ممّا ينتج عنه علاقة “VLC” بنماذج التردد اللاسلكي “RF” ولكن بشكل أساسي على تتوفر هناك خصائص فريدة لتخفيف تداخل “VLC”.

• “VLC” هي اختصار لـ “Visible light communication”.

• “LiFi” هي اختصار لـ “Light Fidelity”.

• “AP” هي اختصار لـ “AP”.

• “OWC” هي اختصار لـ “Optical wireless communications”.

• “LED” هي اختصار لـ “Light-Emitting Diode”.

• “UD” هي اختصار لـ “User devices”.

• “FOV” هي اختصار لـ “field of view”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.