يُعد التشكيل المكاني (SM) أحد المرشحين المحتمل استخدامه في الجيل الخامس من الشبكات اللاسلكية نظراً لقدرته وكفاءته الطيفية، ونظراً لوجود هوائي إرسال نشط واحد فقط في التشكيل المكاني يتم تجنب التداخلات بين القنوات ويتم تقليل عدد سلاسل الترددات الراديوية (RF)، ومع ذلك فإنّ تقدير القناة يمثل تحديًا كبيرًا في أنظمة اتصالات التعديل المكاني.
ما هي تقنية SM-MIMO
التشكيل المكاني (SM): هو تقنية جديدة للطبقة المادية، حيث يتم نقل معلومات إضافية من خلال تنشيط هوائي إرسال واحد فقط (TA) من العديد من (TAs) في كل فترة زمنية، وتعزز (SM) بطبيعتها الكفاءة الطيفية (SE) للاتصالات متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) عبر تضمين العديد من (TAs) السلبية دون التضحية بكفاءة الطاقة.
في كل فترة إرسال يتغير مؤشر الهوائي النشط وفقًا لجزء من بتات المعلومات باستخدام آلية تبديل الهوائي ثم تحدد باقي بتات المعلومات رمز التشكيل الرقمي الذي سيتم إرساله باستخدام TA النشط، ووفقاً لذلك يلزم وجود سلسلة (RF) واحدة فقط في كل جهاز إرسال (SM)، ممّا يقلل بدوره من استهلاك الطاقة ونفقات الأجهزة.
- “SM” هي اختصار لـ “spatial multiplexing”.
- “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.
- “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple input and Multiple output”.
- “SE” هي اختصار لـ “Spectral efficiency”.
أساسيات تقنية SM-MIMO
لا تتطلب الاتصالات القائمة على (SM) معلومات حالة القناة (CSI) عند جهاز الإرسال، وفي الوقت نفسه يعتمد أداء اتصالات (SM) بشكل كبير على توفر (CSI) في جهاز الاستقبال، وبالتالي يمكن أن تواجه الاتصالات القائمة على (SM) تحديًا في تقدير القناة وفقدان الإنتاجية بسبب الحمل التجريبي، خاصةً في القنوات المتغيرة بمرور الوقت.
وبذلك يكثف مهام تقدير القناة في SM هو أن خطأ تقدير القناة لا يقلل فقط الإشارة إلى التداخل ونسبة الضوضاء (SINR) عند المستقبل ولكنّه يؤثر أيضاً على كوكبة المجال المكاني، وتُعد طريقة تقدير القناة أو كشف البيانات في أنظمة (MIMO) القائمة على (SM) موضوعاً مدروساً جيداً لسنوات عديدة.
يمكن في تنفيذ نظام (SM-MIMO) وقد يشتمل النظام على الأقل على مولد إشارة ومكون تعديل مكاني ووحدة تشفير تفاضلي، وهوائيات إرسال متعددة وهوائيات استقبال متعددة وكاشف تسلسل الإشارة ويتطلب السياق إشارة محددة إلى واحد أو أكثر من هوائيات الإرسال، كما يمكن الإشارة إلى “إرسال الهوائيات، ويمكن الإشارة الجماعية إلى “هوائيات الاستقبال.
قد يشير مولد الإشارة إلى مكون تم تكوينه لتوليد تسلسلات إشارات متعددة تتضمن على التوالي أرقاماً ثنائية وعلى سبيل المثال (100011001000100110011001)، كما يمكن تنفيذ مولد الإشارة كأجهزة أو برامج ثابتة أو برامج أو أي مجموعة منها، ويمكن بعد ذلك إرسال الأرقام الثنائية إلى مكون التعديل المكاني وقد يشير مكون التشكيل المكاني المعدل إلى مكون مرتبط بشكل تواصلي بمولد الإشارة، والذي تم تكوينه لتقسيم كل تسلسل من تسلسلات الإشارات المستلمة من مولد الإشارة إلى أقسام متعددة.
قد يحتوي كل قسم من الأقسام المتعددة على عدة أرقام ثنائية، وقد يقسم مكون التشكيل المكاني المعدل تسلسل إشارة مثل (100011001000100110011001) إلى ثمانية أقسام، وعلى سبيل المثال (100 و011 و001 و000 و100 و110 و011 و001)، كما يمكن إرسال كل قسم خلال فترة زمنية ولكل قسم من الأقسام المتعددة، يمكن بعد ذلك تكوين مكون التشكيل المكاني المعدل لاختيار واحد أو أكثر من هوائيات إرسال متعددة خلال الفترة الزمنية وفقاً لجزء على الأقل من الأرقام الثنائية المتعددة للقسم المعني.
- “CSI” هي اختصار لـ “channel state information”.
- “SINR” هي اختصار لـ “Signal to Interference & Noise Ratio”.
مبدأ عمل SM-MIMO
1- الاكتشاف القائم على التدريب
تستخدم هذه الكاشفات رموز تدريب كافية تُعرف باسم النطاقا لتقدير القناة قبل اكتشاف البيانات ويُعتبر تقدير القناة المربعة (LS) من أشهر طرق التقدير، كما يتم تقديم تقدير قناة تكيفية متكررة (RLS) لأنظمة (SM MIMO)، ولا يزال مقدر (RLS) يتطلب معدل تجريبي مرتفع لتحقيق الأداء الذي تم الحصول عليه بواسطة الكاشف الأمثل باستخدام CSI المثالي.
يتم استغلال خوارزميات والتي تسمى (K- الأقرب للجيران) (KNN) وآلة ناقلات الدعم (SVM) لاكتشاف مفتاح إزاحة المسافة (GSSK) المعمم في اتصالات (MIMO)، ولقد ثبت أنّ (KNN) يمكنها تحقيق أداء أفضل من كاشفات (SVM) و(KMC) إذا تم إرسال تسلسلات تجريبية طويلة بما فيه الكفاية، ومع ذلك قد يؤدي إرسال تسلسل تدريب طويل إلى فرض عبء إضافي على النظام.
- “RLS” هي اختصار لـ “Radio Link Set”.
- “LS” هي اختصار لـ “square Link”.
- “GSSK” هي اختصار لـ “generalized space shift key”.
- “KNN” هي اختصار لـ “K-Nearest Neighbors”.
- “KMC” هي اختصار لـ “K-mean clustering”.
- “SVM” هي اختصار لـ “Support Vector Machine”.
2- الكشف شبه الأعمى
تستخدم هذه الكاشفات الحد الأدنى من رموز التدريب المطلوبة لتقليل حمل ناقل الحركة الدليلي، حيث من خلال استغلال ارتباط القناة اقترح طريقة لتقدير القناة بأكملها عن طريق إرسال النطاقات عبر قناة واحدة الطريقة المقدمة قادرة على تقليل حمل ناقل الحركة الدليلي بشكل كبير، ومع ذلك فإنّه لا يزال يتطلب عدداً محدودًا من النطاقات في كل كتلة نقل.
يتم تقديم تقدير قناة مشتركة شبه أعمى وكشف البيانات لأنظمة مفتاح إزاحة الزمان والمكان (STSK) وقادرة على الاقتراب من الأداء الأمثل للكشف عن الاحتمالية القصوى (ML) باستخدام (CSI) الكامل، ومع ذلك يمكن تطبيق طريقة التقدير المقترحة حصريًا على عمليات الإرسال القائمة على الكتل مع مصفوفة الإرسال الأحادية، وبالتالي لا يمكن تطبيقه بسهولة على أنظمة SM العامة.
- “STSK” هي اختصار لـ “Space-time shift key”.
- “ML” هي اختصار لـ “Maximum likelihood”.
3- التشفير التفاضلي
لتجنب تحدي تقدير القناة تم اعتماد التفاضل (DSM) في العديد من المستويات، والفكرة الأساسية وراء (DSM) هي الاستفادة من الوقت والمكان معاً، بحيث يمكن اكتشاف بتات المعلومات باستخدام فك التشفير التفاضلي.
- “DSM” هي اختصار لـ “Differential Subject Marking”.
4- الكشف الأعمى
في أجهزة الكشف العمياء يمكن إجراء تقدير القناة باستخدام رموز البيانات المرسلة، ويتم تقديم كاشف (KMC) أعمى لإرسال مفتاح إزاحة الفضاء (SSK)، في حين أنّه يعاني من تعقيد حسابي مرتفع لتجنب أرضية الخطأ، حيث يتم تقديم كاشفين معتمدين على التجميع الأعمى لأنظمة (SM) وكلاهما لا يزال يعاني من تعقيد مرتفع نسبياً، وتدهور في الأداء مع زيادة في عدد المجموعات وهو ما يعادل مضاعفة عدد (TAs) بترتيب التعديل.
للتخفيف من هذا النقص يتم تقديم كاشف معدّل قائم على التكتل واعتمد أداؤها بشكل كبير على الطول المناسب لكتلة النقل، لذلك لا يمكن تطبيقه على القنوات المتغيرة بمرور الوقت، حيث يتم تغيير مصفوفة القناة بسرعة، كما أنّ بعض هذه الكواشف العمياء قد تحتاج إلى تسلسلات تجريبية محدودة لحل مشكلة الغموض، ومع ذلك نظراً لأنّ هذه التسلسلات التجريبية لا تُستخدم في عملية تقدير القناة مباشرةً فقد أطلقوا على أجهزة الكشف العمياء.
- “SSK” هي اختصار لـ “space shift key”.
