التداخل في الاتصالات Interleaving in Communication

إنّ التداخل في الاتصالات يُمكّن المرء بسهولة في الحصول على تنوع زمني عندما يتم أخذ نظام اتصال البيانات الرقمية في الاعتبار، كما أنّ كود تصحيح الخطأ هو عنصر مهم في عملية التداخل.

ما هو التداخل في الاتصالات Interleaving in Communication؟

التداخل في الاتصالات “Interleaving in Communication”: هو عملية يتم من خلالها تغيير تسلسل ترتيب البتات المشفرة، بحيث يتم توزيع اندفاع الأخطاء عبر كلمات مشفرة مختلفة موجودة في البيانات بدلاً من الارتباط بكلمة تشفير واحدة، وهي تقنية تستخدم لتحويل قناة إرسال ذات ذاكرة إلى قناة بلا ذاكرة.

يتم تحسين أداء أنظمة تصحيح الخطأ الأمامي “FEC” التي تعمل في وجود دفعات من البيانات من خلال تمرير الإشارة المشفرة عبر عملية التداخل، وأنظمة “FEC” الفرعية التجارية مثل أجهزة فك التشفير “Viterbi” و”Reed-Solomon”، ولكن التداخل رغم أنّه لا غنى عنه لا يزال نادراً جداً، كما تُعتبر عملية التداخل جانباً حاسماً في اتصال البيانات.

وبعبارة أخرى، يمكن اعتبار التداخل أنّه تغيير ترتيب البيانات المرسلة بحيث يمكن توزيع بايتات البيانات المتتالية على تتابع كبير، وبالتالي تقليل فرص أخطاء الدفعات داخل البيانات، كما يوفر “Interleaving” فك تشفير دفعة من الأخطاء كأخطاء عشوائية عن طريق توزيعها في الوقت المناسب.

• “FEC” هي اختصار لـ “Forward Error Correction”.

أسباب استخدام التداخل في الاتصالات:

أثناء الاتصال عبر قناة فضائية وبسبب أعطال القناة مثل الخبو وتعدد المسيرات، سيكون هناك اعتماد إحصائي بين الإرسال المتتالي للرموز الذي ينتج عنه أخطاء في الدفعات، كما يُنظر إلى الخبو عموماً على أنّه تغير بطيء في الوقت في قدرة الإشارة المستقبلة عندما يتغير وسط الإرسال أو المسار، وبينما تعدد المسيرات هو عبارة عن التشوه في الإشارة المستقبلة بسبب الاختلاف في الطور الذي ينتج عن الإشارات الواردة في المستقبل من مسارات متعددة ذات أطوال غير متطابقة.

كما لا تسمح كتل البيانات أو أكواد الالتفاف بحدوث أخطاء عشوائية مستقلة بداخلها، لكن الخبو وتعدد المسارات يؤديان إلى احتمالية حدوث اندفاع من الأخطاء، وهنا يتوافق مصطلح دفعة الأخطاء مع مجموعة رموز الشفرة المتتالية التي تحتوي على أخطاء بسبب طبيعة الدفعة من البيانات التي يتم عرضها، كما يساعد التداخل على تحويل أخطاء الدفعات إلى أخطاء عشوائية تسهل تصحيح الخطأ بسهولة.

تداخل الكتل والتشغيل:

يعمل التداخل كطريقة للتعامل مع اندفاع الأخطاء، حيث يتم تغيير موضع رموز الشفرة من أجل توزيع دفعة الأخطاء على كلمات مشفرة مختلفة، وبمجرد تحقيق ذلك وباستخدام أي أكواد لتصحيح الأخطاء، يمكن تصحيح الأخطاء، وبقدر ما يتعلق الأمر باتصال البيانات يتم تصحيح الأخطاء الناتجة عن عوامل مختلفة باستخدام رموز تصحيح الأخطاء المختلفة “ECC” حتى تصل البيانات الدقيقة والمناسبة إلى الوجهة.

بشكل عام، هناك نوعان من أكواد تصحيح الأخطاء وهما أكواد الكتلة وأكواد الالتفاف، حيث أنّ الاندفاع يتوافق مع بتات خطأ متتالية، وبالتالي فإنّ قناة الإرسال بها ذاكرة، وقناة الدفعة من الأخطاء هي القناة التي تحدث فيها الأخطاء في دفعات ولا تحدث عشوائياً، ولهذا السبب فإنّ شفرة التصحيح العشوائي للخطأ ليست مناسبة للتعامل مع سلسلة من الأخطاء، وممّا يظهر عدم الكفاءة ويؤدي إلى إهدار الموارد.

لذلك لتطبيق تقنيات تصحيح الخطأ العشوائي، يتم إجراء التداخل الذي يساعد في نشر الأخطاء داخل كلمات التشفير، بحيث يمكن تصحيحها عن طريق رمز تصحيح الخطأ العشوائي البسيط، فمثلاً إذا كان رمزاً مكوناً من “16 رمزاً موزعاً” في “4 كلمات مشفرة”، حيث تتكون كل كلمة مشفرة من “4 رموز”، حيث يعرض كل رمز هنا قدرة واحدة على تصحيح الخطأ العشوائي، وهذا يعني أنّه يمكن إجراء تصحيح خطأ برمز واحد في كلمة مشفرة واحدة، كما أنّ كلمات التشفير الأربعة هي “a1” إلى “a4″، ومن “b1” إلى “b4″، ومن “c1” إلى “c4″، ومن “d1” إلى “d4”.

وهذا التداخل أحادي الأبعاد، حيث يتم تشكيل التداخل الكتلة بترتيب “4 * 4″، أي المصفوفة ثنائية الأبعاد كما يتم ترتيب كل كلمة مشفرة تتكون من “4 رموز” للشفرة الكاملة المكونة من “16 رمزاً” في “4 أعمدة”، وبالتالي يمكن أن يكون العمود 1 يحتوي على كلمة مشفرة من “a1” إلى “a4″، والعمود 2 له كلمة تشفير من “b1” إلى “b4″، والعمود 3 له كلمة مشفرة من “c1” إلى “c4″، والعمود 4 له كلمة مشفرة من “d1” إلى “d4″، في الخطوة التالية يمكن الحصول على البيانات المتداخلة من خلال قراءة المصفوفة ثنائية الأبعاد بطريقة متوازنة.

لذلك من الشكل الموضح أعلاه، يتضح أنّ الرموز من كل كلمة مشفرة موجودة الآن بطريقة موزعة بدلاً من أن تكون موجودة ككلمة رمز فردية، ولذلك عند حدوث انفجار خطأ به “4 رموز” متتالية، وبعد ذلك يؤدي انتشار الرموز تلقائياً إلى نشر اندفاعة الأخطاء أيضاً، فأنّ انفجار الخطأ يتم تمثيله بالرموز “c2d2a3b3″، أي غير ملون “شفاف”، وبمجرد الانتهاء من إزالة التداخل، سيتم تلقائياً توزيع رموز الخطأ المتتالية هذه تلقائياً بكلمة الرمز وستحصل على تسلسل البيانات مع أخطاء عشوائية.

نظراً لأنّ كل كلمة مشفرة تمتلك قدرة واحدة على تصحيح الخطأ العشوائي، فيمكن بسهولة تصحيح دفعة الخطأ هذه بطريقة عشوائية، بهذه الطريقة من خلال التداخل يمكن تحقيق توزيع رموز الشفرة على كلمات مشفرة متعددة، بحيث يمكن تغيير اندفاع الأخطاء إلى أخطاء شبيهة بالأخطاء العشوائية، كما أنّ مجموعة من التداخلات وفك التداخل توفر تحويل قناة الرشقات إلى قناة شبيهة بالعشوائية، ومن ثم يمكن استخدام شفرة التصحيح العشوائي للخطأ من أجل تصحيح أخطاء الدفعات.

كما أنّ إجراء التداخل في أثناء التداخل، يتم فيه ترتيب رموز الرسالة عبر مجموعات شفرة متعددة بواسطة المُدخل قبل الإرسال عبر قنوات الشبكة، ونتيجةً لذلك تنتشر تتابعات ضوضاء الرشقات الطويلة بين فترات متعددة، وعندما يعيد مفكك الشفرة ترتيب الكتل تظهر الأخطاء كأخطاء عشوائية مستقلة أو أخطاء دفعة ذات أطوال قصيرة، كما أنّ وحدة فك التشفير قادرة على تصحيح الأخطاء باستخدام خوارزمية تصحيح الخطأ، ويعتمد عمق التداخل المطلوب على طول دفعات الضوضاء التي يمكن أن تسترد منها “ECC”.

• “ECC” هي اختصار لـ “Error Correction Codes”.

مزايا التداخل في الاتصالات Interleaving in Communication:

• يبقى معدل البيانات دون تغيير، حيث يتغير تسلسل البت فقط أثناء العملية.

•  يمكن بسهولة تغيير قناة ضوضاء الدفعات إلى أخطاء شبيهة بالأخطاء العشوائية، ومن ثم يمكن تطبيق شفرة تصحيح الخطأ العشوائي بسهولة على دفعات الأخطاء.

• يتم تحسين الأداء العام للنظام.

أنواع التداخل في الاتصالات Interleaving in Communication:

أولاً: التداخل الدوري:

في هذه الحالة يتم ترتيب الرسالة في تسلسل متكرر من البايت، حيث يقبل المُدخّل رموز البيانات في مجموعات، ويقوم بإجراء تبديلات متطابقة على فترات قبل إرسالها، فعلى سبيل المثال يمكن كتابة الكتل المتسلسلة من التعليمات البرمجية في مصفوفة بطريقة مناسبة، وبعد ذلك قراءتها من المصفوفة بطريقة عمودية، كما أنّ تداخل الكتل هو نوع من التداخل الدوري.

ثانياً: التداخل العشوائي الزائف:

يتضمن التداخل العشوائي الزائف إعادة ترتيب كتل الرسائل في تسلسل شبه عشوائي تم إنشاؤه بواسطة خوارزميات محددة.