الوصول المتعدد غير المتعامد لشبكات المحمول

تقدم اتصالات الهاتف المحمول (5G) العديد من المزايا والتي تشمل توفير زمن إرسال منخفض للغاية ومعدلات بيانات عالية للغاية، وتحسين كبير في عدد المستخدمين وزيادة في سعة المحطة الأساسية وجودة الخدمة المتصورة، كما يمكن تحقيق ذلك على حساب زيادة تعقيد جهاز الاستقبال من خلال الوصول غير المتعامد للمستخدمين، ويُعد دعم عدد أكبر من المستخدمين من الموارد المتعامدة المتاحة بمثابة الحالة الرئيسية لـ (NOMA).

تعريف الوصول المتعدد غير المتعامد لشبكات المحمول

كانت أنظمة الوصول المتعددة بمثابة تقنية بارزة من (1G) إلى (4G) لنمو الاتصالات المتنقلة، وكما أنّ تقنيات الوصول المتعددة هذه تأتي في الغالب من فئة الوصول المتعدد المتعامد (OMA)، وهي في المجال الزمني ومجال الشفرة ومجال التردد ومجال التردد الزمني، ويمكن لـ (OMA) اكتشاف إشارة معلومات المستخدم بسهولة من خلال استخدام جهاز استقبال بسيط.

ومع ذلك فإنّ العدد الكامل للمستخدمين الذين يمكن للنظام استيعابهم مقيد بشدة بعدد الموارد المتعامدة المتاحة، كما أنّ متطلبات النظام الخاصة بالمزامنة محدودة للغاية من أجل ضمان تعامد تخصيص الموارد بين المستخدمين، لذلك من الصعب جدًا على (OMA) تلبية معدل البيانات والمتطلبات الأخرى لشبكة الهاتف المحمول من الجيل التالي.

تتطلب بنية (5G) مخطط وصول متعدد مبتكر لمواجهة هذا التحدي وتقنية الوصول المتعدد غير المتعامد المقترحة مؤخرًا (NOMA) والتي تم قبولها كمخطط وصول متعدد (5G)، وضمن الطبقة المادية المشتركة باستخدام مجال الكود أو الوصول المتعدد لمجال الطاقة، تسمح (NOMA) للعديد من المستخدمين باستخدام موارد التردد والوقت.

مبدأ الوصول المتعدد غير المتعامد لشبكات المحمول

في الآونة الأخيرة حظيت العديد من طبولوجيا (NOMA) بالكثير من الاهتمام بسبب الميزات الجذابة، كما يمكن تصنيفها إلى نوعين، وهذه الأنواع هي مجال رمز الوصول المتعدد والوصول المتعدد لمجال الطاقة وكما حققت (NOMA) أهدافها من خلال مجموعة من تقنيات الوصول المتعددة، مثل:

• الوصول المتعدد للتعليمات البرمجية المتفرقة (SCMA).

• الوصول المشترك متعدد المستخدمين (MUSA) مع الانتشار منخفض الكثافة (LDS).

• الوصول المتعدد بتقسيم الأنماط (PDMA).

كما يمكن دمج (NOMA) مع أنظمة الاتصالات اللاسلكية القادمة من أجل تحقيق المتطلبات بما في ذلك الاتصال الهائل والطيف العالي وكفاءة الطاقة، ومعدل بيانات كبير يمكن تحقيقه وزمن انتقال منخفض وعدالة استثنائية للمستخدم وإنتاجية كبيرة وموثوقية عالية للغاية ودعم جودة الخدمات المختلفة (QoS)، كما يتم اتباع بعض أعمال المسح السابقة المثيرة للإعجاب على (NOMA).

وفي الوقت نفسه منذ بداية الاتصالات الرقمية في التسعينيات كانت تكنولوجيا الهاتف الخلوي على المسار الصحيح من حيث التقدم مع التركيز على زيادة معدل البيانات والسعة، وفي اتجاهات الاتصال العالمية الحالية أصبح الإنترنت عبر الهاتف المحمول ومكالمات الفيديو حقيقة واقعة، وتم إطلاق نسخته الجديدة أي اتصالات الهاتف المحمول (5G).

يتم تقديم المبدأ الأساسي لـ (NOMA) للوصلة الهابطة بحيث يستخدم تقسيم القدرة للنفاذ متعدد المستخدمين في (BS) ويستخدم (SIC) لاكتشاف الإشارة عند المستقبل، كما أنّ أداء (NOMA) أفضل من أداء (OMA) من حيث إجمالي إنتاجية النظام ومخرجات المستخدم الفردي.

ملاحظة:“NOMA” هي اختصار لـ “Non-orthogonal multiple access”.

ملاحظة:“OMA” هي اختصار لـ “orthogonal multiple access”.

ملاحظة: “MUSA” هي اختصار لـ “Multi-user shared access”.

ملاحظة:“SCMA” هي اختصار لـ “sparse code multiple access”.

ملاحظة:“PDMA” هي اختصار لـ “Pattern division multiple access”.

خصائص الوصول المتعدد غير المتعامد لشبكات المحمول

• (NOMA) هو نظام وصول متعدد المستخدمين متنوع فيما يتعلق بأنظمة الوصول المتعددة الأخرى القائمة أي الوصول المتعدد المتعامد.

• في جانب المرسل تدخل (NOMA) عمدًا بين الخلايا أو التداخل داخل الخلية، لذلك يمكن أن تستخدم ناقل الحركة غير المتعامد.

• في جانب المستقبل تُستخدم تقنية إلغاء التداخل المتتالي (SIC) لفك ترميز الإشارة المطلوبة.

• بالمقارنة مع الوصول المتعدد المتعامد يزداد تعقيد المستقبل ولكن يمكن تحقيق كفاءة طيفية أفضل.

• لذلك، فإن المفهوم الأساسي للنفاذ غير المتعامد هو استخدام جهاز استقبال بتصميم معقد في المقايضة من أجل كفاءة طيفية عالية.

• لذلك فإنّ التحسين في تقنية معالجة الرقائق يجعل مخطط الوصول غير المتعامد ممكنًا.

كيفية عمل تقنية الوصول المتعدد غير المتعامد لشبكات المحمول

• يتكون مخطط (NOMA) من تقنيتين رئيسيتين، أحدهما هو مجال الطاقة (PD-NOMA) والذي يستخدم بكفاءة مخطط (SIC) من أجل إجراء اكتشاف متعدد المستخدمين، و(SIC) هو نظام شهير لإلغاء تداخل الطبقة المادية والذي يستخدم لتلقي إشارات مستخدمين أو أكثر في وقت واحد.

• يتم استخدام (SIC) بشكل كافٍ بالمقارنة مع المخطط الحالي الذي يتسبب في تدهور الإشارة، وفي مخطط (SIC) يتم طرح أقوى الإشارات من الإشارة المجمعة المستقبلة واحدة تلو الأخرى، وبواسطة مستقبل (SIC).

• كما يستخرج مستقبل (SIC) الإشارة المطلوبة، وإنّها استراتيجية التخلص التدريجي من التداخل ويستخدم هذا النوع من التقنية أيضًا في (CDMA) لإزالة تداخل الوصول المتعدد (MAI)، وقد يتم التخلص من (MAI) الذي قدمه المستخدم بمساعدة عملية استعادة سعة الإشارة عن طريق طرح سعة المستخدم الفردي واحدًا تلو الآخر من الإشارة المستقبلة.

• يتم تنفيذ نفس العملية بشكل متكرر لطرح المستخدمين المتبقين وفك تشفير الإشارة المطلوبة، كما يستخدم مخطط تعدد الإرسال (PD-NOMA) تقنية مجال الطاقة، أي الوصول المتعدد لمجال الطاقة (PDM) والذي لم يتم استخدامه بكفاءة في المخططات السابقة كما هو مستخدم في مخطط (PD-NOMA).

• في مجال القدرة يتم تقديم عدم تعامد الإرسال بشكل متعمد، حيث يضمن اختلاف الطاقة بين المستخدمين المقترنين وتنفيذ (SIC) داخل مجال الطاقة أنّ فك تعدد إرسال المستخدم متزامن، وهي تختلف عن الطرق الشائعة الأخرى المستخدمة سابقًا للتحكم في الطاقة، كما يوجد هناك حاجة إلى خوارزمية لتوزيع الطاقة في المحطة الأساسية.

ملاحظة:“MAI” هي اختصار لـ “Multiple access interference”.

ملاحظة: “CDMA” هي اختصار لـ “Code-Division Multiple Access”.

كيفية تكوين الوصول المتعدد غير المتعامد لشبكات المحمول

يمكن جدولة العديد من المستخدمين الفرديين في نفس الوقت لنفس النطاق الفرعي من خلال تنفيذ مخطط جدولة العرض النسبي (PF) في (BS) في نظام (PD-NOMA)، حيث إنّ إجراءات الجدولة للمستخدمين هي:

• تختار (BS) مجموعة من المستخدمين تُعرف باسم “مجموعات مستخدم (NOMA) المرشحة”، والتي لا يمكن فيها تجاوز إجمالي المستخدمين.

• يتم إعداد مجموعة المستخدمين المحددة باستخدام العدد الإجمالي للمجموعات الممكنة من المستخدمين في خلية واحدة.

• لكل مجموعة مستخدم، تخصص (BS) قدرة الإرسال باستخدام مخطط توزيع القدرة.

• يتم تقدير مقياس الجدولة لمجموعة المستخدمين المقابلة نيابةً عن نسب تخصيص القدرة.

• بمساعدة مقياس الجدولة الأقصى، يقرر المجدول مجموعات المستخدمين المرشحة على كل نطاق فرعي لنقل البيانات.

• بالنسبة لكل نطاق فرعي مخصص، يقدر المجدول النسب المكافئة للإشارة إلى التداخل بالإضافة إلى الضوضاء (SINRs) لكل مستخدم مجدول واحد.

• يحدد نظام الترميز والتضمين (CMS) نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لكل مستخدم.

ملاحظة:“SINR” هي اختصار لـ “Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio”.

ملاحظة:“CMS” هي اختصار لـ “Coding and modulation system”.

ملاحظة:“SNR” هي اختصار لـ “Signal-to-Noise Ratio”.

في النهاية، عن طريق تقنية (NOMA) النموذجية يُنظر إلى (SCMA) على أنّها أكثر مخططات الوصول المتعدد من الجيل التالي الواعدة لشبكات الاتصالات.