اقرأ في هذا المقال
مع تطور تقنية الاتصال اللاسلكي عالي السرعة ازداد عرض النطاق الترددي للإشارة وسرعته باستمرار ممّا يعني أن وقت إرسال رموز البيانات أصبح أقصر، وبالتالي لا يمكن تجاهل تمديد التأخير الزمني لقناة الإرسال اللاسلكي أي أنّ الخبو الانتقائي للتردد يزداد سوءًا.
خصائص تردد قناة الخبو الانتقائي
بافتراض أنّ للتأخيرات المتعددة المسيرات انتشار كبير، فإن هذه القناة تسمى قناة انتقائية للتردد وينتج عنها (ISI)، وعندما لا يكون هناك تنقل في قناة انتقائية للتردد يكون انزياح دوبلر صفراً وبالتالي تكون القناة غير متغيرة مع الزمن، كما يمكن أن يقلل المعادل ذو التعقيد المتواضع من تأثير ISI.
عندما يكون هناك تنقل في قناة انتقائية للتردد فإنّ إزاحة دوبلر تكون غير صفرية وبالتالي تتغير القناة بمرور الوقت، والكسب المتغير بمرور الوقت لإخراج القناة يعتمد أيضًا على التردد وعندما تكون القنوات متغيرة بمرور الوقت وتعتمد أيضًا على التردد، فإنّها تسمى قنوات الخبو الانتقائي للتردد.
تتميز هذه القنوات بـ (ISI) المتغير بمرور الوقت، وبالتالي تتطلب معادلة معقدة وإذا كان عرض النطاق الترددي للإشارة أكبر من عرض نطاق التماسك، فإنّ ترددات الإشارة المفصولة بمقدار أكبر من عرض نطاق التماسك ستتأثر بشكل مختلف بالقناة أي تتلاشى بشكل مستقل، وبما أن بعض مكونات التردد في الإشارة المرسلة قد تتلاشى، في حين أنّ مكونات التردد الأخرى قد لا تتلاشى يُقال إنّ الإشارة تعاني من خبو انتقائي للتردد، وبالتالي تخضع الإشارة للخبو الانتقائي للتردد.
كما يُعد مخطط (OFDM) قوي بالنسبة للخبو الانتقائي للتردد في القنوات اللاسلكية لأنّه غير حساس لتمديد التأخير متعدد المسيرات خلال فترة الحراسة، ومع ذلك عند إعطاء قناة الخبو الانتقائي للتردد يمكن في هذه الحالة أن يحقق مخطط (OFDM) أداءً أفضل لمعدل الخطأ في البتات، أو قناة الخبو الانتقائي للتردد أو قناة الخبو الانتقائية للتردد غير الانتقائي إذا تم التمكن من إزالة انتقائية التردد من القناة.
كما يرتبط معدل الخطأ في البتات لنظام الاتصالات الصوتية بإحصائيات الخبو متعدد المسيرات والتي تحدد نسبة الإشارة إلى الضوضاء، حيث يعتمد اتساع كل مسير وتأخره على خصائص وسيط الانتشار والمدى من المصدر إلى المستقبل كدالة للتردد، لذلك ستظهر الإشارات المستقبلة خبوًا يعتمد على التردد، وتُظهر قناة الاتصال الصوتي عمومًا عددًا قليلاً من المسارات المتعددة القوية التي تتداخل مع بعضها البعض ويؤثر التداخل الناتج على نموذج إحصائيات الخبو.
- “ISI” هي اختصار لـ “Inter Symbol Interface”.
- “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiplexing”.
- “FSFC” هي اختصار لـ “frequency-selective fading channel”.
مبدأ تردد قناة الخبو الانتقائي
يتم توفير خدمات موثوقة ذات معدل بيانات مرتفع وعلى سبيل المثال تُعد خدمات الوسائط المتعددة في الوقت الفعلي عبر قنوات الاتصال اللاسلكي هدفًا أساسيًا في تطوير أنظمة التشفير والتشكيل، حيث في الاتصالات اللاسلكية المتنقلة غالباً ما تتغير القناة، والتي تربط جهاز إرسال بجهاز استقبال بسبب الحركة النسبية للمرسل والمستقبل والانتشار متعدد المسارات.
كما يُشار إلى هذا الاختلاف الزمني عمومًا باسم الخبو وقد يضعف بشدة أداء نظام الاتصال اللاسلكي، حيث عندما يكون معدل بيانات النظام مرتفعًا بالنسبة لعرض النطاق، فقد يصبح الانتشار متعدد المسيرات انتقائيًا للتردد ويسبب تداخلًا بين الرموز (ISI)، كما يتسبب الخبو متعدد المسارات في قنوات الاتصال اللاسلكي في تدهور الأداء ويشكل عنق الزجاجة لزيادة معدلات البيانات، ومن أجل مكافحة التلاشي يتم تطوير تقنيات لاستغلال التنوع المتاح.
كما يكافح تشفير الزمان والمكان (ST) بشكل فعال الخبو مع تحسين معدلات البيانات من خلال استغلال وجود التنوع المكاني الذي توفره هوائيات الإرسال والاستقبال المتعددة، والتي تشكل نظام اتصال متعدد المدخلات ومخرجات (MIMO)، حيث يعتمد تشفير (ST) على التشفير المتزامن عبر المكان والزمان لتحقيق كسب التنوع بكفاءة عرض نطاق عالية.
في التشفير (ST) تكون ميزة التنوع القصوى التي يمكن تحقيقها مساوية لعدد هوائيات الإرسال والاستقبال لذلك فإنّ تشفير (ST) مقيد بالحجم والتكلفة التي يمكن أن يتحملها النظام، ونتيجة لذلك فإن استغلال أبعاد التنوع الإضافية مثل تنوع المسارات المتعددة أمر مرغوب فيه.
يصبح تنوع المسارات المتعددة متاحًا عند وجود انتقائية الترد كما هو الحال بالنسبة للقنوات اللاسلكية عريضة النطاق، والإرسال متعدد الهوائيات يمكن أن توفر قنوات الخبو الانتقائية أقصى كسب تنوع يتضاعف في عدد هوائيات الإرسال وهوائيات الاستقبال وطول القناة، ويستغل تشفير التردد الفضائي (SF) تنوع المسيرات المتعددة بالاعتماد على التشفير المتزامن عبر الفضاء والتردد، أي الجمع بين نظام (MIMO) وتشكيل تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM).
- “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple-input-multiple-output”.
- “SF” هي اختصار لـ “space frequency”.
كيفية عمل تردد قناة الخبو الانتقائي
نظرًا للتعقيد الباهظ في إنشاء شفرات (SF)، تم اعتماد شفرات (ST) الموجودة سابقًا عن طريق استبدال المجال الزمني بمجال التردد، وعلى سبيل المثال يتم اعتماد شفرات الكتل (ST) الحالية وشفرات التشكيل المشفر الشبكي (TCM) ولكنّها لا تؤدي إلى أقصى ضمانات لكسب التنوع المكاني والتردد.
يستغل تشفير التردد المكاني والزمني (STF) التنوعات المكانية والزمانية والترددية المتاحة في أنظمة (MIMO-OFDM) عن طريق تشفير الرموز الحاملة للمعلومات بين الهوائيات في الوقت والتردد، حيث يمكن استخدام شفرات التكرار البسيطة لتحقيق أقصى كسب للتنوع المتاح في قنوات (MIMO) الانتقائية للتردد على حساب كفاءة عرض النطاق.
يتم توجيه جهاز اتصال لاسلكي يشتمل على محدد ناقل فرعي يقسم مجموعة من الموجات الحاملة الفرعية لتعدد الإرسال المتعامد بتقسيم التردد (OFDM) إلى مجموعتين أو أكثر من الحاملات الفرعية، كما يطبق مجموعة من الأكواد على كل مجموعة من الحاملات الفرعية؛ لتشفير دفق بيانات وإنتاج دفق بيانات صادر للإرسال عبر قناة اتصال لاسلكي.
كما يتم توجيه جهاز اتصال لاسلكي الذي يشتمل على مجموعة هوائيات استقبال ومزيل تشكيل ومفكك تشفير، وتعددية هوائيات الاستقبال من شكل موجة (OFDM)، حيث يكون لشكل موجة (OFDM) مجموعة من الموجات الحاملة الفرعية، ويحمل تدفق بيانات رمز مشفر داخل الموجات الحاملة الفرعية عن طريق تطبيق منفصل لمجموعة متعامدة من الشفرات على مجموعات من الموجات الحاملة الفرعية.
يستقبل مزيل التشكيل شكل الموجة الناتج متعدد الموجات وينتج دفق بيانات تمت إزالته، حيث يقوم مفكك الشفرة بفك تشفير تدفق البيانات المُزال تشكيله وينتج دفقًا من الرموز المقدرة، ويتم توجيه طريقة تجمع مجموعة من الموجات الحاملة الفرعية بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) إلى مجموعتين أو أكثر من الحاملات الفرعية، كما يتم تطبيق الرموز على كل مجموعة من مجموعات الموجات الحاملة الفرعية لتشفير تدفق بيانات وإنتاج تدفق بيانات صادر، ويتم إرسال شكل موجة (OFDM) عبر قناة اتصال لاسلكي وفقًا لتدفق البيانات الصادرة.
تم تصميم طرق فك الترميز والترميز التقليدية المكانية على أساس قناة خبو مسطحة، وعند استخدام هذه الطريقة لقناة الخبو الانتقائي للتردد، يتدهور أداءها بشكل واضح ويكون التنفيذ معقدًا للغاية عند محاولة تحسين أداء الخوارزمية.
- “TCM” هي اختصار لـ “Trellis – Coded Modulation”.
- “STF” هي اختصار لـ “Spatial and temporal frequency”.
