الاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه داخل النطاق IBFD

تعد تقنية الازدواج الكامل داخل النطاق “IBFD” حلاً واعداً لتعزيز إنتاجية الشبكات اللاسلكية، ولجعل “IBFD” حقيقة واقعة يتعين على المودم إلغاء إشارة التداخل الذاتي “SI”، والتي تتضمن إشارة تسرب “Tx” القوية المباشرة وإشارة “Tx” المنعكسة الأضعف من المناطق المحيطة، كما تم اقتراح مخططات إلغاء النظام التماثلية والرقمية التكيفية.

ما هي الاتصالات اللاسلكية IBFD؟

الاتصالات اللاسلكية “IBFD”: هي عملية ظهرت كحل جذاب لزيادة إنتاجية أنظمة وشبكات الاتصالات اللاسلكية، حيث مع هذه العملية يتم السماح للطرف اللاسلكي بالإرسال والاستقبال في نفس الوقت في نفس نطاق التردد.

• “IBFD” هي اختصار لـ “In-Band Full-Duplex”.

• “Tx” هي اختصار لـ “Transition”.

• “SI” هي اختصار لـ “Serial Interface”.

أساسيات الاتصالات اللاسلكية IBFD:

يصبح من المهم فهم كيف يمكن استغلال “SI” المردد لتمكين وظائف الرادار أثناء إعادة استخدام شكل الموجة والأجهزة الموجودة بالفعل، حيث يتم تقييم الأداء من خلال نموذج أولي لنظام “IBFD” والذي يتكون من وحدات “SI” التماثلية والرقمية، ممّا يتيح عزل أكبر من “85 ديسيبل” لـ “Tx-Rx”، كما تم تعزيز النظام بوظيفة رادار دوبلر وإعادة استخدام أكبر قدر ممكن من الكتل الوظيفية الحالية لـ “IBFD”.

تظهر النتيجة التجريبية دقة النظام المقترح لقياس سرعة الأجسام المتحركة بسرعات مختلفة تتراوح بين “0.2 م / ث” و”1 م / ث”، بينما يتم تقديم الجهاز في نفس الوقت كعقدة لإجراء اتصال ثنائي الاتجاه داخل النطاق، حيث تناسب هذه القدرة النظام المقترح لمجموعة واسعة من تطبيقات الاستشعار عن بعد الانتهازية، مثل اكتشاف إيماءات الجسم واليد.

أحد أكبر العوائق العملية لتشغيل “IBFD” هو وجود التداخل الذاتي أي التداخل الذي يسببه مرسل المودم إلى جهاز الاستقبال الخاص به، كما يتم استعراض مجموعة واسعة من تقنيات تخفيف التداخل الذاتي “IBFD”، حيث تم أيضاً تحديد العديد من التحديات والفرص البحثية الأخرى في تصميم وتحليل الأنظمة اللاسلكية “IBFD”.

يمكن أن تستفيد العديد من الأنظمة اللاسلكية من القدرة على الإرسال والاستقبال على نفس التردد في نفس الوقت وهو ما يُعرف باسم “IBFD”، كما يمكن أن تؤدي هذه التكنولوجيا إلى تحسين الكفاءة الطيفية للشبكات اللاسلكية المستقبلية، مثل الراديو الجديد من الجيل الخامس “5G NR” وما بعده ويمكن أن تمكن القدرات والتطبيقات التي كانت تعتبر في السابق مستحيلة، مثل “IBFD” مع أنظمة الصفيف المرحلي.

كما يناقش خبراء من الصناعة والأكاديمية والمؤسسات البحثية الأساليب المختلفة التي يمكن اتباعها لقمع التداخل الذاتي المتأصل الذي يتم إنشاؤه في أنظمة “IBFD”، حيث يتم تقديم كل من التقنيات الثابتة والتكيفية التي تمتد عبر مجالات الانتشار والتناظرية والرقمية، كما يتم تفصيل التفاصيل والنتائج المقاسة التي تشمل تصميمات الهوائي عالي العزل والترددات الراديوية، والإلغاء الضوئي بالإضافة إلى مناهج معالجة الإشارات، والتي تشمل تشكيل الحزمة والمعادلة الخطية / غير الخطية.

• “Rx” هي اختصار لـ “Receiver”.

• “5G NR” هي اختصار لـ “5G New Radio”.

تطور الاتصالات اللاسلكية IBFD:

تسمح التكنولوجيا اللاسلكية ثنائية الاتجاه داخل النطاق “IBFD” للطرف اللاسلكي بالإرسال والاستقبال في نفس الوقت في نفس نطاق التردد، ممّا يزيد من إنتاجية أنظمة وشبكات الاتصالات اللاسلكية، كما تتناول تقنية الواجهة الهوائية التحديات الرئيسية لشبكات الجيل التالي “5G” المتنقلة مثل الإنتاجية والكفاءة الطيفية والكمون والتوصيل.

أكبر عقبة في تنفيذ تقنية “IBFD” هي التداخل الذاتي أي التداخل الناجم عن إشارة الإرسال إلى الإشارة المستقبلة، حيث تستخدم بعض الشركات التداخل الذاتي لإلغاء الواجهات الأمامية أو أجهزة الطباعة على الوجهين لتجنب التداخل الذاتي، كما يتم التحقق من صحة تقنية الواجهة الهوائية “IBFD” بنجاح من قبل الباحثين لكل من الشبكة والطبقة المادية.

تجمع “MIMO” الموزعة متعددة المدخلات والمخرجات بين كسب صفيف متماسك لتمكين أجهزة الراديو المزدوجة الكاملة في النطاق “IBFD”، وتم اقتراح وحدة الإرسال على الوجهين للتوازن الكهربائي “EBD” لقمع التداخل الذاتي المباشر “SI” في مرحلة التردد اللاسلكي، كما يُفترض عادةً أن يتم إلغاء “SI” المتبقي في المجال الرقمي.

كما أنّ رفض “SI” التماثلي المستند إلى “EBD” يمكن أن يوفر عزلاً مناسباً لـ “Tx-Rx” لاستخراج تردد دوبلر غير الصفري من الانعكاس البيئي لإشارة “SI”، ممّا يوفر معلومات حول سرعة الكائنات في الفضاء حول جهاز اتصال “IBFD”، ونتيجةً لذلك يمكن اعتبار الجهاز بمثابة رادار دوبلر أحادي يتأثر بإشارة الاتصال.

• “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input, Multiple Output”.

• “EBD” هي اختصار لـ “Emotional Behavioral Disorders”.

اتصالات خط طاقة مزدوج الاتجاه داخل النطاق IBFD:

تستغل اتصالات خطوط الطاقة “PLC” البنية التحتية الحالية لشبكة الطاقة لنقل الإشارات في طرق مختلفة من شبكات النقل والتوزيع واسعة النطاق، إلى أطر الأسلاك الكهربائية الصغيرة في المنزل وداخل السيارة، كما يوفر “PLC” إنتاجية ذات نطاق جيجابت ممّا يجعله أيضاً حلاً قابلاً للتطبيق لاتصالات الوسائط المتعددة في شبكات المنطقة المحلية الداخلية.

ومع ذلك فإنّ طبيعة التمرير المنخفض لقنوات خطوط الطاقة ولوائح التوافق الكهرومغناطيسي الصارمة التي تحكم “PLC” تحدد مكاسب معدل البيانات الكافية، والتي يمكن تحقيقها بشكل أكبر بالوسائل التقليدية لزيادة قدرة الإرسال أو عرض النطاق الترددي.

يتمثل أحد الحلول لتحسين معدل البيانات في ظل هذه القيود في استخدام الإرسال المزدوج الكامل داخل النطاق “IBFD”، ممّا يضاعف الكفاءة الطيفية لجودة قناة معينة من خلال تمكين اتصال البيانات ثنائي الاتجاه المتزامن في نفس نطاق التردد، ومع خلفية تطبيق “IBFD” الحالي في أنظمة الاتصالات المختلفة من الهواتف التماثلية إلى المقترحات الأكثر حداثة للاتصالات اللاسلكية، فإنّه يتم البحث في متطلبات نظام “IBFD PLC” ووضع حلولًا لمواجهة التحديات الفريدة التي تواجهها بيئة خطوط الطاقة القاسية.

تظهر نتائج المحاكاة أن التصميم يجب أن يكون منخفض التكلفة ومنخفض التعقيد يحقق زيادة بنسبة تزيد عن “80%” في متوسط ​​معدلات البيانات ثنائية الاتجاه، وفي ظل ظروف شبكات خطوط الطاقة المنزلية النموذجية دون الحاجة إلى أي طاقة إضافية أو متطلبات عرض النطاق الترددي، وبصرف النظر عن تحسين الكفاءة الطيفية يسمح “IBFD” بحل العديد من مشكلات التوافق الكهرومغناطيسي التي لوحظت في عمليات نشر “PLC”.

وباستخدام “IBFD” يمكن لأجهزة الإرسال والاستقبال “PLC” إرسال حزم البيانات في نفس الوقت مع استشعار طيف التشغيل أيضاً، كما يتم استخدام قدرة الإرسال المدرك للطيف لمودمات “PLC” الممكّنة من قبل “IBFD” لاقتراح تقنيات التعايش المعرفي لإزالة، أو تقليل تأثير التداخل الكهرومغناطيسي الناجم عن إشعاع “PLC” غير المقصود على خدمات البث الإذاعي واتصالات خط المشترك الرقمي وأنظمة “PLC” المجاورة بطريقة غير متجانسة بيئة “PLC”.

وإلى جانب الحصول على تحسينات في الطبقة المادية يتم تطبيق أيضاً “IBFD” لتحقيق تحسينات طبقة التحكم في الوصول المتوسط ​​”MAC” لتحسين كفاءتها، والتي من المعروف أنّها تتدهور في ظل ظروف الشبكة المحملة بشكل كبير، كما يتم إجراء حل أولوية “IBFD” وتقنية مشتركة لحل تنازع النطاق الترددي وتقنية كشف تصادم التمهيد، والتي تعمل على تحسين كفاءة “MAC” من خلال تقليل الوقت المستغرق في حل الأولويات والخلافات بنسبة تصل إلى “85%”.

• “PLC” هي اختصار لـ “Power Line Communications”.

• “MAC” هي اختصار لـ “Media Access Control”.