تعدد الإرسال المكاني وترميز Alamouti MIMO

تُعد إحدى المزايا الرئيسية لتعدد الإرسال المكاني (MIMO) في حقيقة أنّه قادر على توفير سعة بيانات إضافية، حيث يحقق تعدد الإرسال المكاني (MIMO) ذلك من خلال الاستفادة من المسارات المتعددة واستخدامها بشكل فعال كقنوات إضافية لنقل البيانات، أمّا الحد الأقصى من البيانات التي يمكن أن تحملها قناة راديوية محدد بالحدود المادية المحددة بموجب قانون شانون.

قانون شانون وتعدد الإرسال المكاني MIMO:

كما هو الحال مع العديد من مجالات العلوم فهناك حدود نظرية لا يمكن تجاوزها، وهذا صحيح بالنسبة لكمية البيانات التي يمكن تمريرها عبر قناة معينة في وجود ضوضاء، أمّا القانون الذي يحكم هذا يسمى قانون شانون، وهذا مهم بشكل خاص لأنّ تقنية (MIMO) اللاسلكية توفر طريقة لا لخرق القانون، ولكن زيادة معدلات البيانات إلى ما هو أبعد من تلك الممكنة على قناة واحدة دون استخدامها.

يقوم قانون شانون على تحديد الحد الأقصى لمعدل نقل البيانات الخالية من الأخطاء عبر عرض نطاق معين في حالة وجود ضوضاء، وعادةً ما يتم التعبير عنها في المعادلة:

(C = W log₂(1 + S/N

حيث أنّ (C) هي سعة القناة بالبتات في الثانية، و(W) هي عرض النطاق الترددي بالهرتز و(S / N) هي (SNR) هي نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

وبذلك يكون هناك حداً نهائياً لسعة قناة ذات عرض نطاق معين، ولكن قبل الوصول إلى هذه النقطة تكون السعة محدودة أيضاً بنسبة الإشارة إلى الضوضاء للإشارة المستقبلة، كما يجب اتخاذ العديد من القرارات حول الطريقة التي يتم بها الإرسال، حيث يمكن أن يلعب مخطط التعديل دوراً رئيسياً في هذا ويمكن زيادة سعة القناة باستخدام مخططات تعديل ذات ترتيب أعلى، ولكنّها تتطلب نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل من مخططات التعديل ذات الترتيب الأدنى، وبالتالي يوجد توازن بين معدل البيانات ومعدل الخطأ المسموح به ونسبة الإشارة إلى الضوضاء والقوة التي يمكن إرسالها.

كما يمكن القيام في بعض التحسينات من حيث تحسين مخطط التعديل وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء، فإنّ هذه التحسينات ليست دائماً سهلة أو رخيصة وهي دائماً حل وسط وتوازن بين العوامل المختلفة المعنية، لذلك من الضروري النظر في طرق أخرى لتحسين إنتاجية البيانات للقنوات الفردية، وتُعد (MIMO) هي إحدى الطرق التي يمكن من خلالها تحسين الاتصالات اللاسلكية ونتيجةً لذلك تحظى بدرجة كبيرة من الاهتمام.

تعدد الإرسال المكاني MIMO:

للاستفادة من قدرة النواتج الإضافية، تُستخدم (MIMO) عدة مجموعات من الهوائيات، وفي العديد من أنظمة (MIMO)، يتم استخدام اثنين فقط ولكن لا يوجد سبب لعدم استخدام المزيد من الهوائيات ممّا يؤدي إلى زيادة الإنتاجية، وفي أي حال من الأحوال بالنسبة لتعدد إرسال (MIMO) المكاني يجب أن يكون عدد هوائيات الاستقبال مساوياً لعدد هوائيات الإرسال أو أكبر منه.

للعمل على الاستفادة من الإنتاجية الإضافية المقدمة، تُستخدم أنظمة (MIMO) اللاسلكية أسلوب المصفوفة الحسابية، بحيث تكون تدفقات البيانات (t1،t2) ويمكن إرسال (tn) من الهوائيات وهناك مجموعة متنوعة من المسارات التي يمكن استخدامها مع كل مسار له خصائص قناة مختلفة، ولتمكين جهاز الاستقبال من التمييز بين تدفقات البيانات المختلفة فمن الضروري استخدامه، يمكن تمثيلها بالخصائص (h12) التي تنتقل من هوائي الإرسال الأول لاستقبال الهوائي (2)، وبهذه الطريقة يمكن إعداد مصفوفة لثلاثة إرسال وثلاثة هوائيات استقبال كالآتي:

r1 = h11 t1 + h21 t2 + h31 t3

r2 = h12 t1 + h22 t2 + h32 t3

r3 = h13 t1 + h23 t2 + h33 t3

حيث (r1) هي الإشارة المستقبلة على الهوائي 1، و(r2) هي الإشارة المستقبلة على الهوائي 2 وهكذا، كما يمكن تمثيل ذلك بتنسيق المصفوفة على النحو التالي:

[R] = [H] x [T]

لاستعادة دفق البيانات المرسلة في المُستقبل، فمن الضروري إجراء قدر كبير من معالجة الإشارة، كما يجب أن يقوم مفكك تشفير نظام (MIMO) بتقدير خاصية (hij) الخاصة بنقل القناة الفردية لتحديد مصفوفة نقل القناة، وبمجرد أن يتم التقدير يتم إنتاج المصفوفة [H] ويمكن إعادة بناء تدفقات البيانات المرسلة بضرب المتجه المُستقبَل في معكوس مصفوفة النقل.

[T] = [H]^-1 x [R]

ويمكن تشبيه هذه العملية بحل مجموعة من المعادلات المتزامنة الخطية (N) للكشف عن قيم المتغيرات (N)، كما إنّ الوضع أصعب قليلاً من هذا لأنّ الانتشار ليس بهذه البساطة أبداً وبالإضافة إلى هذا كل متغير يتكون من دفق بيانات مستمر، وهذا مع ذلك يوضح المبدأ الأساسي وراء أنظمة (MIMO) اللاسلكية.

تقنية تعدد الإرسال المكاني (SM) في تقنية (MIMO)، تًستخدم هوائيات متعددة في كل من طرفي الإرسال والاستقبال، كما أنّها يطلق عليها مُستقبل الجيل الجديد من أنظمة الاتصالات اللاسلكية نتيجة لقدرتها على إرسال واستقبال معدلات بيانات عالية، حيث أدى ارتفاع الطلب على معدلات البيانات المرتفعة من قبل المستهلكين إلى دفع عجلة دمج تقنية (MIMO) في كل نظام اتصالات من أجل إلغاء قيود التداخل متعدد المسارات للإرسال اللاسلكي التقليدي.

من أجل إمكانية استخدام تعدد الإرسال المكاني (MIMO)، فمن الضروري إضافة تشفير إلى القنوات المختلفة بحيث يمكن للمستقبل اكتشاف البيانات الصحيحة، وهناك أشكال مختلفة من المصطلحات المستخدمة بما في ذلك كود بلوك المكان (STBC) و(MIMO) الترميز المسبق وترميز (MIMO) ورموز (Alamouti).

رمز كتلة الزمان والمكان – STBC:

يُستخدم رمز كتلة الزمان والمكان لأنظمة (MIMO) لتمكين إرسال نسخ متعددة من تدفق البيانات عبر عدد من الهوائيات واستغلال الإصدارات المختلفة المستلمة من البيانات لتحسين موثوقية نقل البيانات، ويجمع ترميز الزمان والمكان بين جميع نسخ الإشارة المستقبلة بطريقة مثلى لاستخراج أكبر قدر ممكن من المعلومات من كل منها، كما يستخدم تشفير كتلة الزمان والمكان كلاً من التنوع المكاني والزماني، وبهذه الطريقة يمكن تحقيق مكاسب كبيرة.

يتضمن تشفير الزمان والمكان إرسال نسخ متعددة من البيانات، بحيث يساعد هذا في التعويض عن مشاكل القناة مثل الخبو والضوضاء الحرارية، وعلى الرغم من وجود تكرار في البيانات فقد تصل بعض النسخ أقل تلفاً إلى جهاز الاستقبال، وعند استخدام تشفير كتلة الزمان والمكان، يتم تشفير دفق البيانات في كتل قبل الإرسال، كما يتم بعد ذلك توزيع كتل البيانات هذه بين الهوائيات المتعددة أي التي يتم تباعدها عن بعضها لتزيين مسارات الإرسال، ويتم أيضاً تباعد البيانات عبر الوقت.

عادةً ما يتم تمثيل رمز كتلة الزمان المكاني بواسطة مصفوفة، بحيث يمثل كل صف فترة زمنية ويمثل كل عمود إرسالات هوائي واحد بمرور الوقت، وتُعد تقنيات تعدد إرسال المستخدم الفردي القائمة على رموز الزمان والمكان (STBCs) جزءاً من معيار (LTE)، كما إنّ الزيادة السريعة في الطلب على اتصالات عالية السرعة وموثوقة تدفعنا نحو الجيل التالي من الشبكات الخلوية، وكما تُعد التقنيات القائمة على (MIMO) متعددة المستخدمين مرشحاً واعداً لتلبية هذا الطلب، كما تم تصميم (STBC) لنظام (MIMO) متعدد المستخدمين يحتوي على مستخدمين اثنين يرسلان بشكل مستقل.

وتم تصميم مصفوفة الإرسال وفقاً لمعيار تعظيم كسب التشفير للمستخدمين الاثنين، وعلاوةً على ذلك يتيح (STBC) المقترح فك تشفير رموز كلا المستخدمين بشكل مستقل، كما يتم اشتقاق مفكك تشفير أقصى احتمالية زوجية (ML) لجهاز (STBC) المقترح، وتتم مقارنة أداء (STBC) المقترح مع العمل الحالي ويظهر من خلال عمليات المحاكاة أنّ تصميم الكود المقترح يؤدي بشكل أفضل بكثير من (STBC) الحالي.

ترميز MIMO Alamouti:

تم تطوير مخطط لتشفير (MIMO) بواسطة (Alamouti)، وغالباً ما تُسمى الرموز المرتبطة برموز (MIMO Alamouti) أو رموز (Alamouti) فقط، كما أنّ مخطط (MIMO Alamouti) هو مخطط تنوع إرسال مبتكر لهوائيين إرسال لا يتطلب معرفة قناة الإرسال، حيث أنّ كود (MIMO Alamouti) هو رمز كتلة زمني بسيط قام بتطويره في عام 1998م.

في التصميم المرجعي لـ (OFDM) الخاص بـ (Nutaq)، تسمى تقنية التنوع المستخدمة رمز كتلة (Alamouti)، كما إنّها تقنية معقدة لتنوع الزمان والمكان يمكن استخدامها في وضع (2 × 1 MISO) أو في وضع (2 × 2 MIMO)، بحيث يكون كود (Alamouti) هو كود الكتلة المعقد الوحيد الذي يحتوي على معدل بيانات (1) مع تحقيق أقصى قدر من التنوع.

ترميز (Alamouti) للزمان والمكان هو تقنية (MIMO) بسيطة يمكن استخدامها لتقليل معدل الخطأ في البتات (BER) للنظام عند نسبة (SNR) محددة ودون أي خسارة في معدل البيانات، كما تسمى تقنية فك التشفير المقدمة بالتأثير الصفري القائم على القرار الصعب وربما تكون أبسط طريقة للتنفيذ في الأجهزة.

كما تُعد بإنّها تقنية فك خطية منخفضة التعقيد، كما يمكن تحقيق المزيد من التخفيضات في معدل الخطأ في البتات (BER) باستخدام تقنيات فك التشفير غير الخطية والتي تكون عادةً أفضل من التقنيات الخطية، وباستخدام تقنيات القرار المرن مع حدود قرار كوكبة (QAM) محددة.

رمز كتلة الزمان والمكان التفاضلي – Differential space time block code:

تشفير كتلة الزمان والمكان التفاضلي: هو شكل من أشكال تشفير كتلة الزمان والمكان الذي لا يحتاج إلى معرفة الانحطاطات في القناة من أجل فك شفرة الإشارة، وعادةً ما تستند رموز كتلة الزمان والمكان التفاضلية إلى رموز كتلة الزمان والمكان الأكثر قياسية، بحيث يتم إرسال رمز كتلة واحد من مجموعة استجابة لتغير في إشارة الدخل، كما يمكّن هذا النظام من العمل لأنّ الاختلافات بين الكتل في المجموعة مصممة للسماح للمستقبل باستخراج البيانات بموثوقية جيدة.