مع تطور الجيل الخامس (5G) وما بعد الشبكات اللاسلكية غير المتجانسة فإنّ مشغلي الاتصالات والباحثين مدفوعون لتطوير تقنيات إرسال متقدمة، تتيح التعايش بين تقنيات الوصول إلى الراديو المتعددة (RATs) المتعددة، ومن خلال استخدام التنفيذ الفعال لجهاز الإرسال والاستقبال متعدد البنوك المرشح (FBMC) ووحدة تحويل المصفوفة القابلة للتطوير (SMT)، يتم اعتماد بنية وصول متعددة موحدة تسمى (FBMC-SMT) وهي قادرة على التكامل بمرونة مع أنظمة نقل 3G و4G وتحسين أداء النظام.
ما هي تقنية FBMC
تقنية الإرسال الموجات الحاملة المتعددة لبنك المرشح (FBMC): هي مرشح أساسي لمعيار الاتصالات اللاسلكية القادم (5G)، ويعتبر أيضاً بديلاً عن مضاعفة تقسيم التردد المتعامد الشهيرة (OFDM)، ولضمان اتصال خالٍ من التداخل يستخدم (OFDM) بادئة دورية (CP) جنبًا إلى جنب مع مرشح نبضي مستطيل الشكل، ممّا يجعل (OFDM) غير فعال طيفياً عند دمجه على صفيفات كبيرة من الهوائيات.
- “FBMC” هي اختصار لـ “Filter-bank-multi‐carrier”.
- “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing”.
- “SMT” هي اختصار لـ “scalable-matrix-transformation”.
- “RAT” هي اختصار لـ “Radio-Access-Technologies”.
أساسيات تقنية FBMC
يمكن لـ (FBMC) التغلب على هذه المشكلة باستخدام نظام تعديل مختلف ومرشح نموذج أولي متخصص، ويتم ربط نظام (FBMC) بنظام هوائي متعدد المدخلات (MIMO) بأحجام مختلفة من صفيف الهوائيات، ويبدأ بمصفوفة هوائي (2 × 2) ثم نجري تجارب مع هوائيات 8 و16 و32 إرسال واستقبال، كما تختلف مواصفات إرسال الإشارات والقناة لكل حالة.
يتم قياس أداء كل نظام باستخدام معادلات التأثير الصفري (ZF) والحد الأدنى لمتوسط الخطأ التربيعي (MMSE)، ويتم قياس معدل الخطأ في البت (BER) مقابل نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) أو (E b / No) لكل نظام، وتظهر النتائج أنّ (FBMC) مع (MIMO) يصور تحسنًا مرضيًا في الأداء. بالنسبة لنظام (2 × 2 MIMO) وتتفوق (MMSE) على معادل (ZF)، وعلاوة على ذلك لوحظ انخفاض كبير في معدل الخطأ في البتات (BER) مع زيادة حجم الصفيف.
كحالة خاصة لـ (FBMC-SMT)، يتم إجراء تقييم أداء (FBMC-CDMA) عن طريق محاكاة واسعة النطاق وتم التحقق من أنّ (FBMC-CDMA) مع (16 نطاقاً فرعياً)، مخصصًا يتفوق على الوصول المتعدد لقسم شفرة الموجة العريضة للناقل الفردي التقليدي عندما يكون عدد قنوات الشفرة المعينة أكبر من 5، وعلاوة على ذلك يتم تحليل نسبة الإشارة إلى التداخل بالإضافة إلى الضوضاء لـ (FBMC)، ويتم أيضًا تقديم (SMT) ويتطابق مع نتائج المحاكاة جيدًا.
وبالتالي يمكن أن يعمل (FBMC-SMT) كبنية موحدة لدمج (RATs) المتعددة بمرونة وبالتالي لتلبية متطلبات التطبيق المتغيرة في (5G) وما وراء الشبكات اللاسلكية غير المتجانسة، وتتميز بحالات الاستخدام مثل النطاق العريض المتنقل المعزز والاتصالات الضخمة من نوع الماكينة، والاتصالات فائقة الموثوقية منخفضة الكمون والشبكات اللاسلكية غير المتجانسة المستقبلية، تشهد طفرة غير مسبوقة في حركة بيانات الوسائط المتعددة عريضة النطاق، ونموًا هائلاً في عدد مستخدمي الوصول والصناعات المتنوعة تطبيقات.
- “MIMO” هي اختصار لـ “multiple-input-and-multiple-output”.
- “CDMA” هي اختصار لـ “Code-Division-Multiple-Access”.
- “BER” هي اختصار لـ “Bit-Error-Rate”.
- “MMSE” هي اختصار لـ “Minimum-Mean-Squared-Error”.
- “SNR” هي اختصار لـ “signal-to-noise-ratio”.
مبدأ تقنية FBMC
لدعم حالات الاستخدام المتنوعة بكفاءة، يتم نشر الجيل الخامس (5G) أيضًا في نطاق التردد أقل من (6 جيجاهرتز)، وأنّ الجيل الثاني (2G) والجيل الثالث (3G) والجيل الرابع (4G) و(5G) سوف يتعايشون في المستقبل المنظور، وبالتالي فإنّ (5G) وما وراء الأنظمة يجب أن تتعامل مع العديد من المحطات الأساسية غير المتجانسة التي تتكون من عدة (RATs).
وعلاوة على ذلك نظراً لأنّ تقنيات الوصول إلى الراديو المختلفة لها معاييرها المستقلة نسبياً، فسوف يؤدي ذلك إلى عدم كفاية استخدام الموارد اللاسلكية، ولذلك فإنّ المعالجة المشتركة متعددة (RAT) ضرورية لتحسين استخدام موارد النظام، وكما تتفوق شبكة (3G UMTS) على (4G LTE) في كل من الخدمة الصوتية والتغطية، ولكنّها أدنى من الأخيرة من حيث عرض النطاق الترددي وخدمة نقل البيانات عالية السرعة، وبالتالي فإن الهيكل الموحد لدمج (3G UMTS) و(4G LTE) سيكون نافع.
يمكن تنفيذ عدة (RATs) في طبقات مختلفة مثل طبقة التطبيق أو طبقة النقل أو بين طبقات الوصول إلى (IP) والوسائط (MAC)، ويتم استكشاف التعايش بين (RATs) المتعددة في الطبقة المادية (PHY) وتكمن تقنيات التعديل والنفاذ المتعدد (MA) في قلب كل جيل من أنظمة الاتصالات، ومن حيث تقنيات (MA) يُعد الوصول المتعدد المتعامد (OMA) أساسيًا لجميع الشبكات اللاسلكية السابقة والحالية.
ويتم استخدام الوصول المتعدد بتقسيم الوقت والنفاذ المتعدد بتقسيم التردد (FDMA) في أنظمة الجيل الثاني وتم اعتماد الوصول المتعدد بتقسيم الكود (CDMA) في أنظمة الجيل الثالث، ويتم استخدام النفاذ المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA) في أنظمة 4G وأنظمة الراديو الجديدة (5G NR)، ومن خلال التعامد بين عناصر الموارد في الوقت أو التردد أو مجال الشفرة في جهاز الإرسال، يمكن استخدام اكتشاف بسيط للإشارة في جهاز الاستقبال.
كما أنّه بصرف النظر عن الدور الرئيسي الذي تلعبه (OMA)، فإنّ تقنية الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA) التي تستخدم مجالات الطاقة أو الكود في مضاعفة الإرسال؛ لدعم المزيد من المستخدمين في نفس كتلة الموارد تخضع أيضاً للتحقيق الشامل والتوحيد القياسي في (5G NR)، نظراً لميزته في دعم الاتصال الهائل ونقل الحزم الصغيرة.
- “UMTS” هي اختصار لـ “Universal-Mobile-Telecommunications-System” و”OFDMA” هي اختصار لـ “Orthogonal-frequency-division-multiple-access”.
- “MAC” هي اختصار لـ “Media-Access-Control” و”OMA” هي اختصار لـ “orthogonal-multiple-access”.
- “LTE” هي اختصار لـ “Long-Term-Evolution” و”IP” هي اختصار لـ “Internet-Protocol”.
كيفية عمل تقنية FBMC
فيما يتعلق بتقنيات التشكيل، يُستخدم تشكيل الموجة الحاملة المفرد بشكل أساسي في الأنظمة الخلوية (2G) و(3G)، وقد تم استخدام تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) وباعتباره أسلوب تشكيل متعدد الموجات الحاملة على نطاق واسع في العديد من المعايير كبث الفيديو الرقمي، ووقابلية التشغيل البيني في جميع أنحاء العالم للوصول إلى الميكروويف.
ومع ذلك فإنّ تشتت التردد الناجم عن أخطاء تزامن الوقت أو التردد وتأثيرات دوبلر يؤدي إلى تداخل بين الموجات الحاملة (ICI) يؤدي إلى تدهور كبير في أداء النظام، وتقنية تعديل بنك المرشح هي تقنية أخرى متعددة الموجات الحاملة، حيث يتم تخفيف الجزء الجانبي لكل نطاق فرعي بشكل حاد بمساعدة نطاق حارس مدرج بين النطاقات الفرعية المجاورة، وبالتالي يمكن ضمان (ICI) ضئيل حتى بعد الإرسال عبر القناة بدون حلقة بادئة (CP).
بالمقارنة مع (OFDM) من المتوقع أن يوفر الإرسال متعدد الموجات الحاملة القائم على المرشح البنك كفاءة طيفية أعلى ومتانة فائقة ضد تخالف الوقت والتردد، وعلى الرغم من اعتماد (OFDM) مع تعديلات طفيفة لمعيار (5G NR)، فإن مجموعة الموجات الحاملة المتعددة لبنك المرشح (FBMC) هي أحد أشكال الموجات التي تم اعتمادها على نطاق واسع لـ (5G)، ويمكن أن تكون بمثابة مخطط تعديل تكميلي لتلبية حالات الاستخدام المتنوعة في الشبكات اللاسلكية غير المتجانسة.
علاوة على ذلك، يمكن اعتبار (OFDM) حالة خاصة لـ (FBMC)، وبالتالي يمكن أن تتعايش مخططات (FDMA) القائمة على المرشح مع (OFDMA)، ويقسم (FDMA) القائم على البنك المرشح قناة النطاق العريض بأكملها إلى العديد من النطاقات الفرعية ذات النطاق الترددي الصغير، حيث يمكن للتدفقات المتعددة ذات تنسيقات الوصول الراديوية المختلفة الإرسال، بشكل مستقل على كل نطاق فرعي وبالتالي تسهيل التكامل المرن مع مخططات (MA) المتعددة.
- “ICI” هي اختصار لـ “Inter-Carrier-Interference”.
