إعادة استخدام التردد - Frequency Reuse

تقنية استخدام نطاق محدد من الترددات أكثر من مرة في نفس النظام الراديوي بحيث يتم زيادة السعة الإجمالية للنظام دون زيادة عرض النطاق الترددي المخصص له تتطلب مخططات إعادة استخدام التردد عزلاً كافياً بين الإشارات التي تستخدم نفس الترددات بحيث يتم التحكم في التداخل المتبادل بينها عند مستوى مقبول، وبالنسبة للأقمار الصناعية يمكن إعادة استخدام التردد باستخدام حالات الاستقطاب المتعامدة للإرسال أو باستخدام حزم الهوائي الساتلي التي تخدم مناطق جغرافية منفصلة وغير متداخلة.

ما هو مفهوم إعادة استخدام التردد؟

إعادة استخدام التردد (Frequency Reuse): هو المخطط الذي يتم فيه تخصيص القنوات وإعادة استخدامها في جميع أنحاء منطقة التغطية حيث يتم تخصيص مجموعة من القنوات الراديوية أو نطاقات التردد الفرعية لكل محطة قاعدة خلوية لاستخدامها في منطقة جغرافية صغيرة تُعرف بالخلية.

الميزات الصامتة لاستخدام إعادة استخدام التردد:

• تعمل إعادة استخدام التردد على تحسين الكفاءة الطيفية وجودة الإشارة (QoS).
  
• يوفر المخطط الكلاسيكي لإعادة استخدام التردد المقترح لأنظمة (GSM) حماية من التداخل.
  
• يعتمد عدد المرات التي يمكن فيها إعادة استخدام التردد على قدرة التسامح لقناة الراديو من جهاز الإرسال القريب الذي يستخدم نفس الترددات.
  
• في مخطط إعادة استخدام التردد حيث يتم تقسيم النطاق الترددي الإجمالي إلى نطاقات فرعية مختلفة تستخدمها الخلايا.
  
• يسمح مخطط إعادة استخدام التردد لمشغلي نظام (WiMax) بإعادة استخدام نفس الترددات في مواقع خلوية مختلفة.
  

آلية إعادة استخدام التردد:

إعادة استخدام التردد هي عملية استخدام نفس الترددات الراديوية على مواقع الإرسال الراديوي داخل منطقة جغرافية مفصولة بمسافة كافية لإحداث أدنى تداخل مع بعضها البعض حيث تسمح إعادة استخدام التردد بزيادة كبيرة في عدد العملاء الذين يمكن خدمتهم أي السعة داخل منطقة جغرافية على كمية محدودة من الطيف الراديوي، أي عدد محدود من قنوات الراديو حيث تسمح إعادة استخدام التردد لمشغلي نظام (WiMAX) بإعادة استخدام نفس التردد في مواقع خلوية مختلفة داخل منطقة تشغيل النظام الخاصة بهم.

يتم تحديد عدد المرات التي يمكن إعادة استخدام التردد فيها بمقدار التداخل الذي يمكن لقناة الراديو أن تتحمله من أجهزة الإرسال القريبة التي تعمل على نفس التردد أي نسبة الناقل إلى التداخل ومستوى الموجة الحاملة إلى التداخل (C / I) هو مقدار مستوى التداخل من جميع إشارات التداخل غير المطلوبة مقارنةً بإشارة الموجة الحاملة المطلوبة حيث يتم التعبير عن نسبة (C / I) بشكل شائع بوحدة (dB)، كما يمكن لأنواع مختلفة من الأنظمة أن تتسامح مع مستويات مختلفة من التداخل على نوع التضمين وأنظمة الحماية من الأخطاء.

تتراوح نسبة (C / I) النموذجية لأنظمة الراديو المحمولة ضيقة النطاق من (9 ديسيبل (GSM) إلى 20 ديسيبل خلوي تناظري) حيث يمكن أن تكون أنظمة (WiMAX) أكثر تحملاً لمستويات التداخل ربما أقل من (3 dB) عند استخدام أنظمة (OFDM) والهوائي التكيفي.

قد تُعيد أنظمة (WiMAX) أيضاً استخدام الترددات من خلال استخدام تقسيم الخلايا، والتقسيم هو عملية تقسيم منطقة جغرافية، مثل منطقة التغطية الراديوية حيث يتم تقسيم المنطقة الجغرافية الأولية أي منطقة تغطية موقع الخلية إلى مناطق تغطية أصغر أي قطاعات باستخدام معدات التركيز، مثل الهوائيات الاتجاهية حيث تتناقص قوة إشارة قناة الراديو بشكل كبير مع المسافة.

نتيجة لذلك، يمكن لأجهزة الراديو المحمولة التي تكون متباعدة بدرجة كافية أن تستخدم نفس تردد قناة الراديو بأقل قدر من التداخل، وبدون تشكيل الحزمة يكون النوع (3x3x3) المعاد استخدامه فقط له قيمة مقبولة لاحتمال انقطاع التيار، أمّا أثناء استخدام تشكيل الحزم وبينما تُظهر بقية أنماط إعادة الاستخدام نتائج مقبولة فإنّ نوع الشبكة لإعادة الاستخدام مع الأنظمة المحملة باستخدام جميع القنوات الفرعية المتاحة سيؤدي إلى انقطاع كبير في النظام.

ومع ذلك، أدت طريقة الاستخدام الجزئي للقنوات الفرعية إلى تقليل الانقطاع إلى مستوى مقبول مع الحفاظ على متوسط ​​الإنتاجية عند أعلى مستوى وباستخدام (80%) من إجمالي القنوات الفرعية، فإنّ إعادة استخدام النوع (1x3x1) سيعطي نتائج جيدة لكل من جودة الراديو ومعلومات النواتج، وبالنسبة للأنظمة المحملة باستخدام تكوين الحزمة، فقد تم التوصل إلى أنّ إعادة استخدام (3x3x1) تأتي بأفضل أداء حيث يعمل (OFDM) بشكل جيد في القنوات.

في عمليات النشر متعددة الخلايا ومن أجل تجنب التداخل بين الخلايا، يتطلب (OFDM) الأساسي هوائيات اتجاهية أو مخططات إعادة استخدام ترددات عالية نسبياً وتخطيط دقيق للترددات الراديوية (RF) حيث يعمل (OFDMA) بمخططاته المختلفة لتخصيص الموجات الحاملة الفرعية (FUSC وPUSC) على تحسين الأداء في عمليات النشر متعددة الخلايا عن طريق حساب متوسط ​​التداخل عبر خلايا متعددة، كما يصبح التداخل وظيفة تحميل الخلية ويمكن تقليله بشكل كبير عن طريق الجدولة الفعّالة.

من ناحية أخرى، تتسم أنظمة (OFDMA) بالمرونة الشديدة من حيث تخطيط التردد الراديوي وتدعم مجموعة متنوعة من مخططات إعادة استخدام التردد (FRS)، وقد تكون هذه (FRS) وصفها دلالة (NcxNsxNf) حيث (Nc) هو عدد قنوات التردد المستقلة في شبكة (WiMAX) أمّا (Ns)هو عدد القطاعات لكل خلية، و(Nf) هو عدد المقاطع في قناة التردد المستغلة حيث يستخدم كلا النظامين محطات قاعدية ثلاثية القطاعات ويتطلبان قناة واحدة فقط للترددات الراديوية لجميع القطاعات و(BS) وبالتالي فتح الباب للمشغلين الذين لديهم كمية محدودة من الطيف.

هذه ميزة مهمة خاصة للمناطق الحضرية الثقيلة حيث يصعب تخطيط الترددات اللاسلكية، كما يستخدم (FRS 1x3x3) مجموعات مختلفة أي متعامدة من النغمات تسمى (مقاطع) لكل قطاع من محطة القاعدة وبالتالي تقليل التداخل بين الخلايا وتقليل منطقة الانقطاع حيث يعمل هذا المخطط أيضاً على تبسيط تخطيط التردد اللاسلكي ولا يحتاج المرء إلّا إلى تخصيص مقاطع للقطاعات أثناء استخدام نفس قناة التردد اللاسلكي بين جميع المحطات الأساسية.

نظرًا لأنّ طبقة (OFDMA PHY) يوجد فيها العديد من الخيارات لطرق تخصيص الموجات الحاملة الفرعية حيث يمكن للمناطق المتعددة استخدام طرق مختلفة لتوزيع الموجات الحاملة الفرعية لتقسيم كل رتل فرعي، كما تتمثل إحدى فوائد استخدام تبديل المنطقة في إمكانية نشر مخططات تردد مختلفة ديناميكياً في خلية، ممّا يشكل مخطط إعادة استخدام التردد الجزئي (FFRS).

فمثلاً عند نشر (FFRS) مختلفة في إطار واحد في النصف الأول من كل رتل، يُقسم نطاق التردد بأكمله على ثلاثة ويوزع في كل قطاع، أمّا بالنسبة للنصف الثاني من كل رتل يستخدم نفس نطاق التردد في كل قطاع وفوائد نشر (FFRS) في إطار واحد، وهي: مستخدمون متسلسلين الذين يتلقون تداخلاً في نفس القناة من قطاعات أخرى في خلايا أخرى، قاموا أيضاً بقمع تداخل القناة المشتركة (CCI) ويمتلك المستخدمون حول مركز الخلية نطاق تردد كامل لأنّهم أقل عرضة للتداخل في نفس القناة نسبياً، وإعادة استخدام التردد هو مفهوم استخدام نفس الترددات الراديوية داخل منطقة معينة مفصولة بمسافة كبيرة مع الحد الأدنى من التداخل لإنشاء الاتصال.

مزايا إعادة استخدام التردد:

• يسمح بالاتصالات داخل الخلية على تردد معين.
  
• يحد من هروب الطاقة إلى الخلايا المجاورة.
  
• يسمح بإعادة استخدام الترددات في الخلايا القريبة.
  
• يستخدم نفس التردد لمحادثات متعددة من (10 إلى 50) تردداً لكل خلية.
  

على سبيل المثال، عندما تستخدم الخلايا (N) نفس عدد الترددات ويكون (K) هو العدد الإجمالي للترددات المستخدمة في الأنظمة ثم كل تردد خلية يحسب باستخدام الصيغ (K / N).

مبادئ إعادة استخدام التردد الخلوي:

في المفهوم الخلوي، يتم إعادة استخدام الترددات المخصصة للخدمة في نمط منتظم من المناطق تسمى الخلايا، وكل منها مغطاة بمحطة أساسية واحدة، وفي شبكات الهاتف المحمول تكون هذه الخلايا عادةً سداسية الأضلاع في البث الإذاعي حيث تم تطوير مفهوم مماثل على أساس الخلايا المعينية.

لضمان بقاء التداخل المتبادل بين المستخدمين دون المستوى الضار تستخدم الخلايا المجاورة ترددات مختلفة، أمّا في الواقع تُستخدم مجموعة من ترددات (C) المختلفة {f1 ، …،fC} لكل مجموعة من الخلايا المتجاورة (C) حيث يتم إعادة استخدام أنماط الكتلة والترددات المقابلة في نمط منتظم عبر منطقة الخدمة بأكملها، أمّا إجمالي عرض النطاق الترددي للنظام هو (C) ضعف عرض النطاق الترددي الذي تشغله خلية واحدة.

1. خلايا العالم الحقيقي في الاتصالات:

في ممارسة التخطيط الخلوي، لا تكون الخلايا سداسية كما في الدراسات النظرية حيث يتم استخدام أساليب الكمبيوتر للتخطيط الأمثل لموقع المحطة الأساسية وترددات الخلية و(Pathloss) والميزانيات الارتباط يتم حسابها من التضاريس وهوائي البيانات حيث يحدد هذا تغطية كل محطة قاعدة والتداخل مع الخلايا الأخرى. 
 

2. إعادة استخدام المسافة:

يتم تحديد أقرب مسافة بين مراكز خليتين باستخدام نفس التردد في مجموعات مختلفة عن طريق اختيار حجم الكتلة (C) وتخطيط كتلة الخلية، وهذه المسافة تسمى مسافة إعادة استخدام التردد فإنّه يمكن أن تظهر مسافة إعادة التردد وتطبيع مع حجم كل مسدس هو بالنسبة للخلايا السداسية مع تخطيطات الخلايا المستخدمة بشكل شائع في الراديو المحمول، فإنّ أحجام المجموعات المحتملة هي (C = i ² + ij + j ²).