تقنية الإرسال المزدوج بتقسيم الوقت في الاتصالات - UMTS TDD

تعتمد معظم شبكات (3G UMTS) مخططاً مزدوجاً لتقسيم التردد، حيث تنقل الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة في نفس الوقت وتستخدم ترددات مختلفة، كما إنّه في الإرسال المزدوج بتقسيم الوقت (TDD) تستخدم الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة نفس التردد، ومن الممكن ضبط طول الوقت المخصص للوصلة الصاعدة والهابطة وفقاً لذلك، كما تم استخدام (UMTS TDD) لعدد من اتصالات الإنترنت عبر الهاتف المحمول.

ما هو الإرسال المزدوج بتقسيم الوقت – TDD؟

يتطلب نظام الاتصالات أن يكون الاتصال ممكناً في كلا الاتجاهين أي من وإلى المحطة الأساسية إلى المحطة البعيدة، كما يتوفر عدد من الطرق التي يمكن من خلالها تحقيق ذلك، والأكثر وضوحاً هو الإرسال على تردد والاستقبال على تردد آخر، كما يكون اختلاف التردد بين الإرسالات بحيث لا تتداخل الإشارتان، ويُعرف هذا باسم الإرسال المزدوج بتقسيم التردد (FDD) وهو أحد أكثر المخططات معرفةً، ويتم استخدامه في معظم المخططات الخلوية.

كما يمكن اعتماد تردد واحد بدلاً من القيام بالاعتماد على توزيعات تردد مختلفة واستخدام توزيعات زمنية مختلفة، وإذا تم تقسيم أوقات الإرسال إلى فترات زمنية فإنّ عمليات الإرسال في اتجاه واحد تتم في فجوة زمنية واحدة، والإرسال في الاتجاه الآخر يحدث في فجوة أخرى، ما يُعرف هذا المخطط باسم الإرسال المزدوج بتقسيم الوقت (TDD) ويستخدم في (UMTS – TDD).

يستخدم (TDD) نطاق تردد واحد للإرسال والاستقبال، ثم تشترك في هذا النطاق من خلال تخصيص فترات زمنية متبادلة لإرسال واستقبال العمليات، أمّا المعلومات المراد نقلها سواء كانت صوتية أو فيديو أو بيانات كمبيوتر تكون بتنسيق ثنائي تسلسلي، كما قد يكون طول كل فترة زمنية بمقدار (1 بايت) أو يمكن أن تكون إطاراً متعدد البايتات.

نظراً لطبيعة البيانات عالية السرعة، لا يمكن للأطراف المتصلين معرفة أنّ عمليات الإرسال متقطعة، وأنّ عمليات الإرسال متزامنة وليست متزامنة، ولتحويل الصوت الرقمي مرة أخرى إلى صوت تماثلي لا يمكن لأحد أن يقول أنّه ليس مزدوج الاتجاه بالكامل، أمّا الميزة الحقيقية لتعدد الإرسال بتقسيم الزمن (TDD) هي أنّها تحتاج إلى قناة واحدة من طيف التردد، لا حاجة إلى نطاقات حماية أو عمليات فصل للقنوات تبدد الطيف.

الجانب السلبي هو أنّ التنفيذ الناجح لـ (TDD) يحتاج إلى توقيت دقيق للغاية ونظام مزامنة في كل من المرسل والمستقبل؛ للتأكد من أنّ الفترات الزمنية لا تتداخل أو تتداخل مع بعضها البعض، كما يتم مزامنة التوقيت مع معايير الساعة الذرية المستمدة من (GPS)، وهناك حاجة إلى أوقات الحماية بين فترات زمنية لمنع التداخل، وهذا الوقت يساوي بشكل عام وقت الاستجابة للإرسال والاستقبال أي وقت تبديل الإرسال والاستقبال وأي تأخير في الإرسال “زمن الوصول” عبر مسار الاتصالات.

وبهدف جعل أنظمة الاتصالات الراديوية قادرة على الاتصال في كلا الاتجاهين، فمن الضروري أن يكون لديك ما يسمى بالمخطط المزدوج، كما يوفر مخطط الإرسال المزدوج طريقة لتنظيم المرسل والمستقبل بحيث يمكن الإرسال والاستقبال.

أمّا بالنسبة للتطبيقات بما في ذلك الاتصالات اللاسلكية والاتصالات المتنقلة حيث يلزم أن يكون المرسل والمستقبل قادرين على العمل في وقت واحد، وهناك مخططان قيد الاستخدام؛ إحداهما الإرسال المزدوج بتقسيم التردد (FDD) ويستخدم قناتين إحداها للإرسال والأخرى للمستقبل، ومخطط آخر يُعرف بالإرسال المزدوج بتقسيم الوقت تردداً واحداً (TDD)، لكنّه يخصص فترات زمنية مختلفة للإرسال والاستقبال.

خصائص نظام الإرسال المزدوج بتقسيم الوقت – TDD:

1. استخدام النطاقات غير المزدوجة – Utilization of unpaired bands:

عادةً ما يكون هناك عدد أكبر من حركة المرور في الوصلة الهابطة أي من شبكة إلى الهاتف المحمول مقارنةً بالوصلة الصاعدة أي من هاتف محمول إلى شبكة، حيث يستطيع المشغل تخصيص وقت أطول للإرسال للوصلة الهابطة مقارنةً بالوصلة الصاعدة، وهذا غير ممكن مع الطيف المقترن المطلوب لأنظمة (FDD)، حيث لا يمكن إعادة توزيع استخدام النطاقات المختلفة، كما من الممكن استخدام الطيف المتاح بكفاءة عالية.

2. الإرسال غير المستمر – Discontinuous transmission:

في أي نظام (TDD) من الضروري التبديل بين الإرسال والاستقبال، ويستغرق هذا قدراً معيناً من الوقت، لا يستغرق الأمر فقط وقتاً حتى يتغير الهاتف المحمول والمحطة الأساسية بين الإرسال والاستقبال من حيث زيادة أو خفض الطاقة إلى جانب تسوية أي مستخدم، كما يلزم الوقت بين الإرسال والاستقبال لاستيعاب وقت الإرسال بين الهاتف المحمول والمحطة الأساسية، نتيجةً لذلك يلزم وجود نطاق حماية.

3. تداخل الوصلة الصاعدة أو الوصلة الهابطة – Uplink / downlink interference:

إنّ الوصلة الصاعدة والهابطة تعتمدان بالاستخدام على نفس القناة، حيث يمكن أن يتوفر تداخل بين اتجاهي الإرسال، وللتغلب على ذلك تتم مزامنة المحطات الأساسية للتأكد من أنّها لا ترسل عند استقبال محطة قاعدة مجاورة، وإلّا فإنّ الموقع الأفضل ومستوى القدرة الأعلى المحتمل سوف يتسببان في حدوث تداخل.

4. الشروط المتكافئة للوصلة الصاعدة والهابطة:

بما أنّ الوصلة الصاعدة والهابطة تستخدمان القناة نفسها، فإنّها تخضع لظروف الانتشار نفسها، أمّا مع أنظمة (FDD) التي تستخدم ترددات مختلفة للوصلة الصاعدة والهابطة، توجد اختلافات كبيرة وباستخدام نفس ظروف خبو التردد يمكن مواجهة بشكل أكثر فعالية.

تقنية TDD UMTS ضمن 3GPP:

تم تحديد جميع معايير أنظمة (UMTS 3G) تحت إطار (3GPP)، حيث لا تحدد المعايير أنظمة (FDD) فحسب بل تحدد كذلك نظام (TDD)، وفي هذه المواصفات كان الهدف الأساسي من (UMTS) هو استخدام طيف (TDD)؛ لتوفير معدلات بيانات عالية في مناطق مختارة تشكل ما يمكن تسميته مناطق (3G) المستخدمة بشكل كبير.

تفاصيل UMTS TDD:

يستخدم (UMTS TDD) العديد من نفس المعلمات الأساسية مثل (UMTS FDD)، كما يتم استخدام نفس عرض نطاق القناة (5 ميجا هيرتز)، كما يستخدم (UMTS TDD) طيفاً منتشراً بالتتابع المباشر ويتم فصل مستخدمين مختلفين وما يمكن تسميته “قنوات منطقية” باستخدام شفرات انتشار مختلفة فقط عندما يستخدم المتلقي نفس الرمز في عملية الارتباط، كما يتم استرداد البيانات.

في (W-CDMA)، تظهر جميع القنوات المنطقية الأخرى التي تستخدم أكواد انتشار مختلفة كضوضاء على القناة وتحد في النهاية من قدرة النظام، أمّا في (UMTS TDD) يتم استخدام مخطط يُعرف باسم اكتشاف المستخدمين المتعددين (MUD) في جهاز الاستقبال ويحسن إزالة أكواد التداخل، ممّا يسمح بمعدلات وسعة بيانات أعلى.

بالإضافة إلى فصل المستخدمين عن طريق استخدام قنوات منطقية مختلفة نتيجةً لرموز الانتشار المختلفة، يمكن توفير مزيد من الفصل بين المستخدمين من خلال تخصيص فترات زمنية مختلفة، حيث هناك (15 فترة) زمنية في (UMTS TDD)، حيث يتم استخدام ثلاثة في النفقات العامة مثل الإشارات ممّا يترك اثني عشر فترة زمنية لحركة مرور المستخدم، كما يمكن أن يكون هناك (16 رمزاً) في كل فترة زمنية، ويتم تخصيص السعة للمستخدمين عند الطلب باستخدام مصفوفة ثنائية الأبعاد من الفترات الزمنية والرموز.

ولكي يحقق (UMTS TDD) أفضل أداء إجمالي، يمكن تغيير نسق النقل أي التشكيل وتصحيح الخطأ الأمامي لكل مستخدم، كما يتم اختيار المخططات بواسطة الشبكة وسوف تعتمد على خصائص الإشارة في كلا الاتجاهين، كما تتيح أشكال التشكيل ذات الترتيب الأعلى استيعاب سرعات بيانات أعلى؛ لكنّها أقل مقاومة للضوضاء والتداخل، وهذا يعني أنّ مخططات تعديل معدل البيانات الأعلى تستخدم فقط عندما تكون قوة الإشارة عالية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تغيير مستويات تصحيح الخطأ الأمامي، وعندما تكون الأخطاء محتملة أي عندما تكون قوة الإشارة منخفضة أو تكون مستويات التداخل عالية، فإنّ هناك حاجة إلى مستويات أعلى من تصحيح الخطأ الأمامي في ظل انخفاض يتطلب إرسال بيانات إضافية، وهذا يؤدي إلى إبطاء معدل نقل الحمولة النافعة.

توزيعات الطيف لنظام UMTS TDD:

تم اعتماد التوزيعات القياسية للطيف الراديوي لأنظمة اتصالات (3G) في معظم دول العالم، كما تم اعتماد توزيع الطيف للإرسال المزدوج بتقسيم التردد (UMTS) بين (1920 ميجاهرتز إلى 1980 ميجاهرتز) و(2110 ميجاهرتز إلى 2170 ميجاهرتز)، أمّا بالنسبة إلى (UMTS TDD) يقع الطيف بشكل أساسي بين (1900 ميجاهرتز و1920 ميجاهرتز وبين 2010 ميجاهرتز و2025 ميجاهرتز)، بالإضافة إلى ذلك هناك بعض التخصيصات الأخرى حول (3 جيجا هرتز).

ما هو الجيل الثالث من TD-SCDMA؟

تقنية (TD-SCDMA): هو تنسيق (3G) مفضل للمعيار الوطني للاتصالات المتنقلة (3G) في الصين، حيث تم اختيار (TD-SCDMA) كمحاولة للهروب من الاعتماد على تقنية الطيف الغربي المنتشر التي تم تنفيذها بالفعل، وحيث أنّ استخدام تنسيقات (3G) الغربية يدعو إلى دفع رسوم براءات الاختراع العالية لعدد كبير من أصحاب براءات الاختراع الغربية.

أساسيات TD-SCDMA:

أحد المعلمات الرئيسية في (TD-SCDMA) هو أنّه يستخدم أسلوب (TDD)، ممّا يسمح في تغيير التوازن بين الوصلة الصاعدة والهابطة لاستيعاب المستويات المختلفة لنقل البيانات، كما أنّ لها مزايا من حيث استخدام الطيف غير المزدوج وكفاءة الطيف لأحمال معينة، ولا تحتاج إلى أجهزة إرسال ثنائية باهظة الثمن في الهواتف؛ وذلك للقدرة على القيام بالإرسال المتزامن على الوصلة الصاعدة والهابطة وعلى الرغم من أنّه يجب استيعاب أوقات تحويل الإرسال أو الاستقبال ويمكن أن تقلل من الكفاءة النظام.

يعتمد (TD-SCDMA) نفس (RAN) المستخدم في (UMTS)، وبهذه الطريقة يمكن تفعيل (TD-SCDMA) جنباً إلى جنب مع (UMTS) وبالتالي تبسيط التصميمات متعددة الأنظمة، وعلى الرغم من أنّ (UMTS W-CDMA) و(cdma2000) معترف بهما على نطاق واسع كمعايير خلوية (3G)، فإنّ (TD-SCDMA) صالحة، حيث تم اعتماده كإصدار معدل الرقاقة المنخفض (LCR) لمعيار (3GPP TDD).