الهندسةهندسة الاتصالات

الوصول المتعدد بتقسيم تردد الموجة الحاملة الواحدة SC-FDMA

اقرأ في هذا المقال
  • ما هي SC-FDMA؟
  • أساسيات SC-FDMA
  • الإرسال في مخطط نقل SC-FDMA
  • طرق تعيين SC-FDMA المترجمة والمتشابكة

يُعتبر الوصول المتعدد بتقسيم تردد الموجة الحاملة الواحدة “SC-FDMA” الذي يستخدم تضمين موجة حاملة واحدة عند معادلة نطاق التردد في المرسل، وكذلك في المستقبل تقنية لها أداء مماثل وهيكلها الإجمالي بشكل أساسي مثل تلك الخاصة بنظام “OFDMA”، وتتمثل إحدى الميزات البارزة على “OFDMA” في أنّ إشارة “SC-FDMA” لها نسبة قدرة ذروة إلى متوسط ​​أقل “PAPR”.

 

ما هي SC-FDMA؟

 

الوصول المتعدد بتقسيم تردد الموجة الحاملة الواحدة “SC-FDMA”: هي تقنية نفاذ متعدد بتقسيم تردد موجة حاملة واحدة.، ويُعرف أيضاً باسم “OFDMA” الخطي المشفر مسبقاً نظراً لوجود فترة إضافية من “DTFT”.

 

كان لـ “SC-FDMA” اهتماماً كبيراً كبديل جذاب للنفاذ “OFDMA” لا سيما في اتصالات الوصلة الصاعدة حيث يفيد انخفاض “PAPR” بشكل كبير المطراف المتنقل من حيث كفاءة قدرة الإرسال، و”SC-FDMA” هو حالياً افتراض عملي لنظام الوصول المتعدد للوصلة الصاعدة في “3GPP LTE“.

 

  • “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution”.

 

  • “3GPP” هي اختصار لـ “3rd Generation Partnership Project”.

 

  • “SC-FDMA” هي اختصار لـ “Singe Carrier Frequency Division Multiple Access”.

 

  • “OFDMA” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency division multiple access”.

 

  • “PAPR” هي اختصار لـ “Peak to Average Power Ratio”.

 

  • “DTFT” هي اختصار لـ “Discrete Time Fourier Transform”.

 

أساسيات SC-FDMA:

 

لا يمكن استخدام “OFDMA” على الوصلة الصاعدة لأنّه يقدم نسبة طاقة عالية إلى متوسط، وتقدم “SC-FDMA” ميزة تنوع عدد إرسال الموجة الحاملة الواحدة، والمتمثلة في انخفاض نسبة القدرة القصوى إلى المتوسط، وفي “SC-FDMA” قبل تطبيق “IFFT” يتم تشفير الرموز مسبقاً بواسطة تحويل فورييه المنفصل “DFT”، وبهذه الطريقة سيحتوي كل ناقل فرعي بعد “de IFFT” على جزء من كل رمز.

 

كما أنّه سيتم تقليل التداخل بين الرموز نظراً لأنّ جميع الموجات الحاملة الفرعية في فترة زمنية تمثل نفس الرمز، والوصول المتعدد بتقسيم تردد موجة حاملة واحدة “SC-FDMA” المعروف أيضاَ باسم تمديد “DFT FDMA” هو شكل معدل من الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد “OFDMA”، واختار مشروع شراكة الجيل الثالث “3GPP” تقنية “SC-FDMA” لنقل الوصلة الصاعدة “LTE“؛ نظراَ لانخفاض نسبة الذروة إلى متوسط ​​القدرة “PAPR” مقارنةً بـ “OFDMA”.

 

تتم دراسة “SC-FDMA” بنشاط في المجالات الأخرى، حيث يكون عمر البطارية الأطول مرغوباَ كما هو الحال في الاتصالات الصوتية تحت الماء وشبكات المستشعرات وما إلى ذلك، كما تم استخدام “OFDMA” بشكل جيد لتحقيق كفاءة طيفية عالية في نظام الاتصالات، وتم تقديم “SC-FDMA” مؤخراً وأصبح مرشحاً مفيداً لنظام الوصول المتعدد للوصلة الصاعدة في نظام “LTE” والذي يخضع لـ “3GPP”.

 

يجب أن يفي مخطط الوصول المتعدد في نظام الراديو المتنقل المتقدم بالمتطلبات الصعبة، على سبيل المثال الإنتاجية العالية والمتانة الجيدة ومعدل خطأ البت الفعال “BER”، وكذلك الكفاءة الطيفية العالية والتأخيرات المنخفضة والتعقيد الحسابي المنخفض وانخفاض نسبة الذروة إلى متوسط ​​الطاقة “PAPR” واحتمال الخطأ المنخفض وما إلى ذلك.

 

حظيت تقنية الموجة الحاملة الواحدة “SC-OFDM” بالاقتران مع طريقة معادلة مجال التردد باهتمام كبير مؤخراً باعتبارها تقنية إرسال بديلة لتقنية “OFDM” التقليدية، كما يمكن لتقنية “SC-OFDM” أن تحقق أداءً أفضل في أداء معدل أخطاء البتات ونسبة الذروة إلى القدرة المتوسطة “PAPR” مقارنةً بتقنية “OFDM” التقليدية.

 

ولدى “SC-OFDM” أيضاً قدرة محتملة على تحسين سعة القناة من خلال استخدام طريقة التضمين التكيفية، كما تُستخدم طريقة تقدير جديدة للإشارة المستلمة لـ “CNR” لإشارة “SC-OFDM” وهو أمر مطلوب في إدخال طريقة التضمين التكيفية.

 

  • “IFFT” هي اختصار لـ “Inverse Fast Fourier Transform”.

 

  • “DFT” هي اختصار لـ “Discrete Fourier Transform”.

 

  • “BER” هي اختصار لـ “Bit error rate”.

 

  • “CNR” هي اختصار لـ “Contrast to noise ratio”.

 

الإرسال في مخطط نقل SC-FDMA:

 

أولاً: مخطط النقل الأساسي:

 

مخطط تشكيل هجين جديد يسمى “SC-FDMA” أي ناقل واحد “FDMA” مع “PAR” منخفض أي نسبة الذروة إلى المتوسط، والصفات الجيدة لتعدد الإرسال بالتقسيم المتعامد “OFDM” مثل المقاومة متعددة المسارات والتخصيص المرن للحوامل الفرعية، وبالنسبة لكل من “FDD” و”TDD” يعتمد مخطط إرسال الوصلة الصاعدة على “FDMA” وحيد الموجة، وبشكل أكثر تحديداً “DFTS-OFDM”.

 

تباعد الموجة الحاملة الفرعية للوصلة الصاعدة “Df” يساوي “15 كيلو هيرتز”، كما يتم تجميع الموجات الحاملة الفرعية في مجموعات من “12 موجة” حاملة فرعية متتالية، كما تقابل فترات مورد الوصلة الصاعدة، حيث تتوافق 12 موجة حاملة فرعية متتالية خلال فترة زمنية واحدة مع فترة واحدة لمورد الوصلة الصاعدة.

 

  • “FDD” هي اختصار لـ “Frequency Division Duplexing”.

 

  • “TDD” هي اختصار لـ “Time Division Duplexing“.

 

  • “FDMA” هي اختصار لـ “Frequency Division Multiple Access”.

 

ثانياً: خطوات عمل “SC – FDMA”:

 

  • يرسل “OFDMA” أربعة رموز بيانات “QPSK” على التوازي واحدة لكل موجة حاملة فرعية.

 

  • يرسل “SC-FDMA” رموز بيانات “QPSK” الأربعة في سلسلة بأربعة أضعاف المعدل، حيث يشغل كل رمز بيانات عرض النطاق الترددي “N x 15 كيلو هيرتز”.

 

  • بصرياً تكون إشارة “OFDMA” متعددة الموجات الحاملة، وأنّ إشارة “SC-FDMA” تبدو أشبه بحامل واحد وهو ما يفسر “SC” في اسمه.

 

  • رمز “SC-FDMA” واحد في المجال الزمني عن طريق حساب المسار المتتبع بالانتقال من رمز بيانات “QPSK” إلى الرمز التالي، وكما يتم ذلك بمعدل “N” من مرات معدل رمز “SC-FDMA” بحيث يحتوي رمز “SC-FDMA” واحد على رموز بيانات “QPSK” متتالية “N”.

 

ملاحظة: “QPSK” هي اختصار لـ “Quadrature Phase Shift Keying”.

 

طرق تعيين SC-FDMA المترجمة والمتشابكة:

 

هناك طريقتان أساسيتان لتعيين رموز “M” التي يتم إخراجها بواسطة “FFT” إلى مدخلات “IFFT”، حيث أنّ الحل الأول الذي يسمى “SC-FDMA المحلي”، وهو استخدام ناقلات فرعية متتالية “M” من “IFFT” والوسادة الصفرية للحوامل الأخرى، أمّا الخيار الثاني المسمى “SC-FDMA الموزع”، فإنّه يوزع الحاملات الفرعية على النطاق الترددي بأكمله ويستخدم مرة أخرى الأصفار للحاويات غير المستخدمة.

 

كما تُعتبر “SC-FDMA” المتداخلة حالة خاصة من الإصدار الموزع، حيث يتم توزيع الموجات الحاملة الفرعية بالتساوي على عرض النطاق بالكامل، وفي هذه الحالة يكون الفصل بين كل ناقل فرعي مساوياً لعدد المستخدمين، وهناك العديد من الدراسات التي تقارن إيجابيات وسلبيات كل طريقة رسم خرائط، ولكن إنّ “SC-FDMA” المتشابك يؤدي إلى انخفاض “PAPR” ويستفيد أيضاً بشكل طبيعي من تنوع التردد أكثر من “SC-FDMA” المترجمة.

 

ومع ذلك وباستخدام تخصيص الموارد الذكي الذي يخصص الحاملات الفرعية بأفضل ظروف الانتشار لكل مطراف من الممكن تحقيق أداء أفضل باستخدام “SC-FDMA” المحلي، وحقيقة أنّ “SC-FMDA” لديها “PAPR” أقل مع أداء قريب جداً من “OFDMA” يفسر سبب اختيار هذا المخطط بواسطة “3GPP” كمخطط وصول متعدد للوصلة الصاعدة في “LTE”.

 

ومن خلال استخدام مضخم الطاقة بشكل أكثر كفاءة تكون محطات “LTE” قادرة على زيادة التغطية وتقليل استهلاكها للطاقة، وهو أمر مهم للغاية في الأجهزة التي تعمل بالبطاريات.

المصدر
Introduction to Analog and Digital Communications/ Simon HaykinData Communication and Computer NetworkWIRELESS COMMUNICATIONS/ Andreas F. MolischTheory and Problems of Signals and Systems/ Hwei P. Hsu, Ph.D./ JOHN M. SENIOR Optical Fiber Communications Principles and Practice Third Edition

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى