تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم في الاتصالات GFDM

يعتمد (GFDM) على مفاهيم بنك التصفية التقليدية متعددة الأقسام متعددة الناقلات والتي يتم تنفيذها الآن رقميًا، ويعرض نهج (GFDM) الخاص بعض الميزات الجذابة ذات الأهمية الخاصة للسيناريوهات التي تظهر درجات عالية من تجزئة الطيف، ويُعد تجزئة الطيف تحدياً تقنياً نموذجياً لحالات استخدام المكاسب الرقمية، حيث يتم استغلال المساحات البيضاء للطيف في نطاقات الترددات فوق العالية للتلفاز الموجودة على مقربة من الطيف المخصص.

ما هو نظام GFDM

تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم (GFDM): هو مخطط تشكيل متعدد الموجات المرشحة بالكتل تم اقتراحه مؤخرًا لأنظمة الاتصالات اللاسلكية المستقبلية، ويعمم مفهوم تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM)، والذي يتميز بالعديد من الرموز الفرعية على شكل نبضة دائرية لكل موجة حاملة فرعية.

• “GFDM” هي اختصار لـ “Generalized Frequency Division Multiplexing”.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiplexing”.

أساسيات نظام GFDM

تُعد ميزات (GFDM) أقل (PAPR) مقارنةً بـ (OFDM) وإشعاع خارج النطاق منخفض للغاية بسبب ترشيح (Tx) قابل للتعديل، وإرسال قائم على الكتلة باستخدام إدخال البادئة الدورية والتوازن الفعال القائم على (FFT)، كما يتيح (GFDM) جدولة تعدد المستخدمين في مجال التردد والمجال الزمني مماثلة لـ (OFDM) ويوفر بديلاً فعالاً لتجميع المساحات البيضاء حتى في مناطق الطيف شديدة التجزئة.

يٌحدد مخطط (GFDM) بنية جهاز الإرسال والاستقبال ومفهوم (PHY)، ممّا يسمح باستغلال المساحات البيضاء للطيف بشكل انتهازي لاتصالات البيانات اللاسلكية، وعلى سبيل المثال تُعد ثقوب الطيف في نطاقات التلفاز (UHF) أي المساحات البيضاء للتلفاز (TVWS) سيناريو بارزًا بسبب المكاسب الرقمية وتعمل كحالة استخدام (GFDM) محفزة، كما يتم تصميم مثل هذه الأجهزة الانتهازية صعب بشكل خاص لسببين رئيسيين.

من ناحية أخرى، يجب أن يضمن توليد الإشارات إشعاعاً منخفضاً للغاية خارج النطاق لتجنب التداخل الضار لإشارات التلفاز القديمة، ويجب أن تُظهر أجهزة الاستقبال حساسية عالية لاستكشاف المساحات البيضاء أي لاستشعار إشارات التلفاز الضعيفة جدًا، وبصرف النظر عن هذه المتطلبات الأساسية كشكل موجة مرشح للجيل التالي من الاتصالات اللاسلكية، يتميز تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم (GFDM) بالعديد من الخصائص اللائقة التي تجعله واعدًا.

تتميز أجهزة الإرسال والاستقبال (GFDM) بمكوناتها الرئيسية والتي تتكون من تصميم مرشح النموذج الأولي وتنفيذ جهاز الإرسال والاستقبال منخفض التعقيد وخوارزميات الكشف عن الرموز، كما تتوفر عدد من المشكلات غير المثالية لـ (GFDM)، بما في ذلك مشكلات المزامنة وتقدير القناة وتعويض عدم التوازن في الطور / التربيع (I / Q)، ويتم استخدامه في تطبيقات الراديو المعرفي المستند إلى (GFDM) والراديو ثنائي الاتجاه الذي يتميز بكفاءة طيفية عالية.

• “PAPR” هي اختصار لـ “Peak-to-average power ratio”.

• “TVWS” هي اختصار لـ “TV White Space”.

• “PHY” هي اختصار لـ “Physical Layer”.

• “UHF” هي اختصار لـ “Ultra-High Frequency”.

• “I / Q” هي اختصار لـ “In-phase and Quadrature”.

تقنية تزامن تعدد إرسال معمم بتقسيم التردد

يتم اعتماد خوارزمية لمزامنة (GFDM) واستخدامها مع جزأين متطابقين مع عملية نافذة من أجل تلبية متطلبات إشعاع منخفضة خارج النطاق، بحيث يتم تقييم أداء تقدير الوقت والتردد مع النوافذ وبدونها ومن حيث الخصائص الإحصائية للتخالفات المتبقية، والتأثير على معدل خطأ الرمز عبر القنوات الانتقائية للتردد ويتم اشتقاق مقياس مرن يحدد مقدار عقوبة عدم المحاذاة، كما أنّ هذا النهج يعمل عملياً كأحدث مخططات (OFDM) المعروفة، بينما يمكنه أيضًا تقليل الأقسام الجانبية لانبعاث الطيف.

تستخدم العديد من أنظمة الاتصالات الرقمية الحالية تعدد الإرسال المتعامد بتقسيم التردد (OFDM) كواجهة طبقة مادية، ويرجع ذلك أساسًا إلى متانتها ضد القنوات الانتقائية للتردد وسهولة تنفيذها ومع ذلك فإنّ (OFDM) له بعض العيوب المهمة التي تجعله موضع تساؤل للأنظمة اللاسلكية المستقبلية مثل شبكات الجيل الخامس، وعلى وجه الخصوص فإنّ البث العالي خارج النطاق (OOB) لإشارات (OFDM) يمثل عقبة عند استخدام هذه التكنولوجيا في سيناريوهات التوزيع الديناميكي للطيف والتوزيع المجزأ.

كما أنّ (OFDM) ليس خيارًا مباشرًا لشبكات (5G)، وبالتالي يتم فحص أشكال موجة جديدة لمعايير الجيل التالي، ومع ذلك فمن الملائم للغاية أن يتم تطبيق التقنيات المطورة لـ (OFDM) بطريقة ما على أشكال الموجة الجديدة، وعادةً ما تهمل تقنيات تزامن (OFDM) تأثيرات (OOB) في تصميم التمهيد، ومع ذلك فإنّ هذا جانب مهم يجب معالجته من خلال تعدد إرسال معمم بتقسيم التردد (GFDM)، لذلك فإنّ المساهمة الرئيسية هي حل لمزامنة (GFDM) لا يزيد من انبعاث خارج النطاق، وله أداء مكافئ للحلول المصممة لتعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد (OFDM).

كما يُعد (GFDM) هو حل مرن لتلبية المتطلبات التي تفرضها السيناريوهات الجديدة المتوقعة لشبكات 5G ويتم استخدام رمز يتكون من عدة حوامل فرعية ورموز فرعية متعددة لإرسال نطاق بيانات، حيث يكون كل ناقل فرعي على شكل نبضة مع مرشح إرسال، ومن أجل تجنب إنفاق عينات إضافية على تصعيد استجابة المرشح وانحدارها يتم تطبيق الاستجابة النبضية لكل رمز فرعي من خلال الالتواء الدائري، وكما يمكن استخدام أشكال النبضات المختلفة كمرشحات نموذجية، والتي تقدم درجة جديدة من الحرية للنظام.

لا يؤدي ترشيح الموجة الحاملة الفرعية إلى تقليل انبعاثات (OOB) فحسب بل قد يؤدي أيضاً إلى حدوث تداخل بين الخلايا (ICI) وتداخل بين الرموز (ISI)، ومع ذلك يمكن لتقنيات الاستقبال مثل التأثير الصفري أو المرشاح المطابق، إلى جانب إلغاء التداخل المتتالي (SIC) أن تقلل من تأثير التداخل المتولد ذاتيًا وتؤدي إلى معدل خطأ في الأداء يعادل (OFDM)، وتُظهر مناهج التنفيذ القائمة على خوارزمية تحويل فورييه السريع (FFT) أنّه من الممكن بناء أجهزة إرسال واستقبال (GFDM) بكفاءة باستخدام التكنولوجيا المتاحة اليوم.

أحد التحديات الرئيسية في سلسلة استقبال الموجات الحاملة المتعددة هو التخالف الزمني للرمز (STO) وتقدير تخالف تردد الموجة الحاملة (CFO)، ومن بين أساليب المزامنة المتاحة لـ (OFDM) تسمح الطرق بمساعدة البيانات باستخدام كل من خصائص الارتباط التلقائي والارتباط المتبادل، ويمكن تحقيق التزامن بلقطة واحدة في أنبوب البتات واتصالات الاندفاع، كما يتم اعتماد تسلسل يتكون من رمزين من رموز (OFDM) المتكررة لأول مرة من أجل استكشاف خاصية ارتباط تلقائي قوية للتقدير، وبتم اعتماد رموز بيانات مختصرة لمعالجة نطاق التقدير الأوسع.

كما يتم إنشاء رمز (OFDM) واحد مكون من جزأين متكررين، ويمكن تحقيق (STO) تقريبي أيضاً، ولكن استخدام البادئة الدورية (CP) واللاحقة الدورية (CS) يخلقان تأثيرًا هضبيًا في الارتباط التلقائي، ممّا يؤدي إلى الغموض ويقلل من دقة التقنية، وينم استخدام حل باستخدام تكامل إضافي أي متوسط ​​متحرك على طول (CP) و(CS) لإزالة تأثيرات الهضبة.

ومع ذلك فإنّ المقياس له شكل هرمي ممّا يؤدي إلى أخطاء تقدير (STO) في البيئات الصاخبة، ويتم اعتماد هذه الطرق في الخوارزمية في للحصول على التقدير القوي، وبعد تصحيح (CFO) يتم دمج طريقة الارتباط التلقائي المتكاملة مع الارتباط المتبادل ممّا يؤدي إلى قياس الوقت الاندفاعي الأمثل، ويسمح معيار عتبة إضافي بتقدير دقيق للإزاحة الزمنية للنقرة الأولى لقناة متعددة المسارات، بناءً على الخصائص الإحصائية للعينات السابقة واحتمال معين للإنذار الخاطئ.

• “STO” هي اختصار لـ “symbol time offset” و”CFO” هي اختصار لـ “carrier frequency offset”.

• “ICI” هي اختصار لـ “Inter-Cell Interference” و”ISI” هي اختصار لـ “inter symbol interference”.

• “FFT” هي اختصار لـ “Fast Fourier Transform” و”OOB” هي اختصار لـ “Out-of-band”.