يعد استخدام نظام التردد المتعامد عنصراً أساسياً لتمكين إشارة “OFDM” من العمل بشكل موثوق، كما يعمل النظام الدوري كمنطقة عازلة أو فاصل حماية لحماية إشارات “OFDM” من التداخل بين الرموز، ويمكن أن يكون هذا مشكلة في بعض الظروف حتى مع انخفاض معدلات البيانات التي يتم إرسالها في إشارة “OFDM” متعددة الموجات.
ما هو نظام التردد المتعامد CP-OFDM؟
المفهوم الأساسي وراء نظام التردد المتعامد أو البادئة الدورية “OFDM” واضح من خلال ما يمكن أن تؤديه البادئة الدورية، وهما وظيفتين رئيسيتين.
- توفر البادئة الدورية فاصل حماية لإزالة التداخل بين الرموز من الرمز السابق.
- إنّه يكرر نهاية الرمز بحيث يمكن نمذجة الالتفاف الخطي لقناة متعددة المسارات انتقائية التردد على شكل التفاف دائري، والذي بدوره قد يتحول إلى مجال التردد عبر تحويل فورييه المنفصل، كما يستوعب هذا النهج معالجة بسيطة لمجال التردد، مثل تقدير القناة ومعادلتها.
يتم إنشاء البادئة الدورية بحيث يسبق كل رمز “OFDM” نسخة من الجزء الأخير من نفس الرمز، كما تتوفر أطوال بادئة دورية “OFDM” مختلفة في أنظمة مختلفة، فعلى سبيل المثال ضمن “LTE” يتوفر طول طبيعي وطول ممتد، وبعد الإصدار “8” يتم أيضاً تضمين طول ممتد ثالث، على الرغم من عدم استخدامه بشكل طبيعي.
- “CP-OFDM” هي اختصار لـ “Cyclic Prefix Orthogonal frequency division multiplexing”.
- “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution”.
مزايا نظام التردد المتعامد OFDM:
- يوفر المتانة، حيث أنّ إضافة البادئة الدورية تضيف متانة لإشارة “OFDM”، كما يمكن استخدام البيانات المعاد إرسالها إذا لزم الأمر.
- يقلل التداخل بين الرموز، حيث يتيح الفاصل الزمني للحماية الذي توفره البادئة الدورية تقليل تأثيرات التداخل بين الرموز.
عيوب البادئة الدورية OFDM:
- يقلل سعة البيانات، وذلك نظراً لأنّ البادئة الدورية تعيد نقل البيانات التي يتم إرسالها بالفعل، فإنّها تشغل سعة النظام وتقلل من معدل البيانات الإجمالي.
- يعد استخدام البادئة الدورية معياراً داخل “OFDM”، وهو يمكّن من الحفاظ على الأداء حتى في ظل الظروف التي تكون فيها مستويات الانعكاسات والانتشار متعدد المسارات عالية.
فوائد استخدام بادئة دورية بين رموز OFDM:
- يعزل “CP” فترات “OFDM” مختلفة عن بعضها البعض عندما تحتوي القناة اللاسلكية على مسارات متعددة، أي أنّها انتقائية للترددات.
- يحول “CP” الالتواء الخطي مع القناة إلى التفاف دائري، وفقط مع التفاف دائري يمكن استخدام معادلة نقرة واحدة تشتهر “OFDM” بها.
طريقة تزامن توقيت الاختلاف تعتمد على بادئة دورية لأنظمة OFDM:
البادئة الدورية هي نسخة من آخر عينات رمز “OFDM”، حيث تتميز خوارزمية تقدير تزامن “OFDM” القائمة على بادئة دورية بتعقيد منخفض ويمكنها توفير مورد عرض النطاق الترددي لأنظمة “OFDM”، لذا فإنّ طريقة التزامن المستخدمة تستند إلى بادئة دورية، ويتم تقديم مقياس توقيت الرمز الجديد في الطريقة المقترحة ولقياس التوقيت هضبة الذروة.
لا تحتاج الطريقة المقترحة إلى البحث عن قيمة الذروة لمقياس التوقيت لتحقيق تقدير التزامن، ويحتاج فقط إلى العثور على حافة هضبة الذروة، وفي الطريقة المستخدمة تحتاج إلى تعيين حد لمقياس توقيت رمز العملية، وبعد ذلك يكون من السهل العثور على حافة هضبة الذروة، وبالتالي فإنّ الطريقة المقترحة منخفضة التعقيد، وتظهر نتائج المحاكاة أنّ الطريقة المقترحة بها متوسط خطأ منخفض و”MSE”.
- “MSE” هي اختصار لـ “Mean Square Error”.
تصميم نظام OFDM القائم على خصائص البادئة الدورية لتقنية WiMAX:
توفر إمكانية التشغيل البيني على مستوى العالم للوصول إلى الميكروويف “WiMAX” الاتصال اللاسلكي باستخدام تعديل تقسيم التردد المتعامد “OFDM”، وهو تقنية لاسلكية بارعة توفر مرافق نقل البيانات عالية السرعة، كما تواجه تقنيات “WiMAX” الحالية مشكلة زيادة التداخل بين الرموز “ISI” ومعدل خطأ البت “BER” عند انخفاض طيف الطاقة الذي يحط من أداء نظام “WiMAX” بسبب ارتفاع معدل نقل البيانات، كما يُعتبر استخدام تقنيات التعديل التكيفية المختلفة حلاً محتملاً لتقليل “ISI” و”BER” لنقل معدل البيانات العالي.
تم تكييف “OFDM” باستخدام تقنية تعديل متقدمة لنظام “WiMAX”، والتقنية استخدام البادئة الدورية “CP” التي تتضمن بتات تكميلية في مرحلة المرسل، كما توفر التقنية المقترحة تقليل “ISI” وتحسين “BER”، كما أنّ أداء نظام “CP” الحالي يعادل البادئة الحلقية المفردة المصممة “SCP” والبادئة الحلقية المزدوجة “DCP” والبادئة غير الدورية “NCP”، كما يتم استخدام معدل الخطأ في البتات “BER” واحتمال الخطأ وكثافة طيف القدرة لتحليل أداء النظام المصمم.
تم توضيح “SCP” و”DCP” و”NCP” المستندة إلى “OFDM” من أجل “WiMAX” لتقنيات التشكيل، مثل “QPSK” و”BPSK” و”QAM“، كما تم تحديد أنّ “BPSK” لديها أصغر معدل “BER” عند مقارنتها بتشكيلات “QPSK” و”16-QAM” و”64-QAM”، كما تم إثبات أنّ “QPSK” تتمتع أيضاً بكفاءة عالية، ومع ذلك فهي تتمتع بمعدل “BER” أعلى مقارنةً بتشكيل “BPSK“، ويلاحظ أنّ “16-QAM” و”64-QAM” أقل كفاءة من حيث “BER” مقارنة بتعديلات “QPSK” و”BPSK”.
يوفر “64-QAM” معدلات بيانات عالية، وبسبب نسبة “SNR” العالية يُختبر النظام المصمم في إطار “AWGN” وقناة خبو، ويظهر تأثير الكثافة الطيفية للقدرة لنسبة الإشارة إلى الضوضاء على “OFDM” لقناة خبو رايلي في “SCP” و”DCP” و”NCP”، كما تم تحديد أنّ مرسل “OFDM” مع “DCP” المقترح للإشارات العشوائية يقلل بشكل فعال من “BER” و”ISI” لنظام” WiMAX”.
- “WiMAX” هي اختصار لـ “Worldwide Interoperability for Microwave Access”.
- “ISI” هي اختصار لـ “Inter symbol interference”.
- “BER” هي اختصار لـ “Bit Error Rate”.
- “DCP” هي اختصار لـ “Device Control Protocol”.
- “SCP” هي اختصار لـ “Service Control Point”.
- “NCP” هي اختصار لـ “NetWare Core Protocol”.
- “QAM” هي اختصار لـ “Quadrature Amplitude Modulation”.
- “BPSK” هي اختصار لـ “Binary phase-shift keying”.
- “QPSK” هي اختصار لـ “Quadrature Phase Shift Keying”.
- “SNR” هي اختصار لـ “Signal-to-noise ratio”.
- “AWGN” هي اختصار لـ “Additive white Gaussian noise”.
تطبيق CP-OFDM في 5G:
تتميز “5G NR” بميزات فريدة مقارنةً بتقنية “LTE”، مثل قابلية التوسع “OFDM” وحالات الاستخدام المتنوعة المتمحورة حول الإنسان والمتمحورة حول الجهاز خارج نطاق خدمات النطاق العريض المتنقل، كما يتم تحقيق قابلية التوسع “5g NR” من خلال أشكال موجات الراديو وتقنيات الوصول المتعددة، كما يُعد “CP-OFDM” الخيار المناسب للنطاق العريض المتنقل المحسّن لشبكات الجيل الخامس “eMBB”، وتستخدم “LTE” شكل موجة مضاعفة بتقسيم التردد المتعامد لعمليات إرسال الوصلة الهابطة و”DFT-Spread OFDM” لعمليات الإرسال على الوصلة الصاعدة.
شهدت الاتصالات المتنقلة مقترحات وفيرة لأشكال الموجة لـ “NR”، وكونها أشكال موجية متعددة الموجات هي إمّا اختلافات في “CP-OFDM”، كان الاتجاه هو تعديل “OFDM” بأي طريقة ممكنة ترشيح الحامل الفرعي أو تشكيل النبضة وتصفية مجموعات من الموجات الحاملة الفرعية، والسماح للرموز المتعاقبة بالتداخل مع الوقت وإسقاط البادئة الدورية واستبدال البادئة الدورية بأصفار أو بـ تسلسل آخر، وأصبحت الأشكال الموجية المختلفة منافسة قوية لـ “5G”.
في “CP OFDM” من أجل تجنب التداخل بين الرموز “ISI” أو التداخل بين النطاقات في “OFDM”، يتم إلحاق الجزء الأخير من بيانات “OFDM” في بداية رتل “OFDM”، ويجب أن يكون طول البادئة الدورية أكبر من تأخير القناة الانتشار، وعلاوة على ذلك يعتمد تمديد تأخير القناة على التردد ويجب أن يكون طول “CP” طويلاً بما يكفي لمراعاة كل من التدخلات، ويمكن أن يكون طول “CP” قابلاً للتكيف.
- “DFT-Spread OFDM” هي اختصار لـ “discrete Fourier transform-spread orthogonal frequency-division multiplexing”.
- “5g NR” هي اختصار لـ “5Generation New Radio”.
- “eMBB” هي اختصار لـ “enhanced mobile broadband”.
