توقيت وتزامن التردد OFDM

كتقنية إرسال لاسلكي ذات كفاءة عالية في الطيف، يتم تطبيق “OFDM” على نطاق واسع في الجيل التالي من أنظمة الاتصالات اللاسلكية عريضة النطاق، كما أنّ أحد المتطلبات الرئيسية لإزالة التشكيل الأمثل لإشارات “OFDM” هو وجود تزامن دقيق للتردد والتوقيت، ولحسن الحظ من السهل نسبياً الحصول على توقيت “OFDM” الجيد وتزامن التردد نظراً لسهولة اشتقاق الإشارات الدقيقة.

أساسيات تزامن OFDM:

يوفر “OFDM” العديد من المزايا من حيث المرونة في التلاشي والانعكاسات وما شابه، كما يوفر “OFDM” أيضاً مستوى عالٍ من كفاءة الطيف، ومع ذلك من الضروري أن يعمل نظام “OFDM” بشكل صحيح، حيث لتحقيق ذلك من الضروري أن تكون مزامنة “OFDM” فعالة، كما ينتج عن سوء التوقيت وتزامن التردد مستويات كبيرة من تدهور الإشارة، ونتيجةً لذلك فإنّ هذا الجانب من سلسلة الإشارة هو مفتاح الأداء الأمثل، وهناك عدد من المجالات التي يكون فيها تزامن “OFDM” أمراً بالغ الأهمية لتشغيل النظام:

• تزامن “OFDM” من حيث تخالف التردد، حيث من الضروري أن يتم تتبع الترددات بدقة لضمان الحفاظ على التعامد.

• تزامن “OFDM” من حيث دقة الميقاتية، حيث من الضروري أن يتم أخذ العينات في الفاصل الزمني الصحيح لضمان تزامن العينات وتقليل أخطاء البيانات إلى الحد الأدنى، ومن أجل ضمان عمل نظام “OFDM” بأقصى ما يمكن، من الضروري التأكد من وجود مخططات لضمان تزامن “OFDM” ضمن الحدود المطلوبة.

ملاحظة:“OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency division multiplexing”.

إزاحة تردد التزامن OFDM:

من المهم بشكل خاص أن يكون مزيل التشكيل في مستقبل “OFDM” قادراً على المزامنة بدقة مع الموجات الحاملة داخل إشارة “OFDM”، حيث قد تنشأ الإزاحات لعدد من الأسباب بما في ذلك أي أخطاء في التردد بين المرسل والمستقبل وأيضاً نتيجةً لتحولات دوبلر إذا كانت هناك حركة بين المرسل والمستقبل، وفي حالة ضعف تزامن التردد، يتم تقليل تعامد الموجات الحاملة في عملية إزالة التشكيل وتزيد معدلات الخطأ، ووفقاً لذلك من الضروري الحفاظ على التعامد لتقليل الأخطاء والحفاظ على أداء الارتباط.

انظر أولاً إلى الطريقة التي يجب أن يحدث بها أخذ العينات، حيث مع تزامن مزيل التشكيل، فإنّ مجموع المساهمات من الموجات الحاملة الأخرى يساوي صفراً كما هو موضح، وبهذه الطريقة تكون جميع الموجات الحاملة متعامدة ويكون معدل الخطأ عند أدنى حد له، حيث إذا تمت مواجهة حالة يكون فيها تزامن “OFDM” لجوانب التردد ضعيفاً، فإنّ مزيل التشكيل سيقوم بتوسيط عيناته بعيداً عن ذروة الإشارة وأيضاً عند نقطة لا يكون مجموع المساهمات من الإشارات الأخرى فيها صفراً، كما سيؤدي ذلك إلى تدهور الإشارة ممّا قد يؤدي بدوره إلى زيادة عدد أخطاء البتات.

إزاحة وقت التزامن OFDM:

من الضروري أيضاً الحفاظ على تزامن “OFDM” من حيث الساعة، حيث إذا لم تكن مزامنة الساعة دقيقة فسيتم تعويض أخذ العينات وسيتم تقليل التعامد مرة أخرى، وكذلك ستزداد أخطاء البيانات، حيث عند النظر إلى تزامن “OFDM” فيما يتعلق بتخالف الميقاتية، فإنّ المباعدة بين الموجات الحاملة المستخدمة داخل المستقبل لأخذ عينات الإشارة المستقبلة ستعتمد على معدل الميقاتية الداخلية.

حيث إذا كان هذا يختلف عن ذلك المستخدم داخل جهاز الإرسال، فسيتم العثور على أنه حتى إذا كانت الموجة الحاملة الأولى داخل تعدد الإرسال صحيحة، فسيكون هناك تناقض متزايد مع كل ناقل بعيداً عن الأول وحتى المستويات الصغيرة من التناقض ستؤدي إلى زيادة معدل الخطأ.

عند استخدام “OFDM”، من الضروري التأكد من دقة التزامن لكل من التوقيت والتردد، ومن خلال ضمان التزامن الدقيق، من الممكن إجراء إزالة التشكيل الأمثل للإشارة، حيث يؤدي أي اختلال في المحاذاة إلى أن يبدأ جهاز الاستقبال في التقاط إشارات التداخل غير المرغوب فيها، ولحسن الحظ من السهل نسبياً الحصول على إشارات تزامن دقيقة لأنّها متوفرة من الشبكة، ويمكن إنشاء التزامن قصير المدى داخلياً.

تزامن الوقت لتطبيقات OFDM:

ينقل نظام تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد “OFDM” بيانات الحمولة النافعة على الموجات الحاملة الفرعية المتعامدة للإرسال المتوازي؛ لمكافحة التشوه الناجم عن القناة الانتقائية للتردد، ومع ذلك لا يمكن تحقيق مزايا “OFDM” إلّا عند الحفاظ على التعامد، حيث إذا لم يكن الأمر كذلك، فقد يتدهور أداؤها بسبب التداخل بين الرموز “ISI” والتداخل بين القنوات “ICI”، حيث يتم تحليل تأثيرات إزاحة الوقت بين الرموز “STO” في أنظمة “OFDM”.

تحويل فورييه السريع المعكوس “IFFT” وتحويل فورييه السريع “FFT” هما الوظيفتان الأساسيتان المطلوبتان للتشكيل وإزالة التشكيل في المرسل وعلى التوالي، ومن أجل تحديد “N-point FFT” في المستقبل، نحتاج إلى عينات دقيقة للإشارة المرسلة لمدة رمز “OFDM”، وبعبارة أخرى يجب إجراء تزامن بين الرموز والتوقيت لاكتشاف نقطة البداية لكل رمز “OFDM”، كما تؤثر “STO of” عينات على الرموز المستقبلة في مجال الوقت والتردد، حيث يتم حذف تأثيرات القناة والضوضاء من أجل البساطة.

تأثيرات “STO”:

إنّ تخالف توقيت الرمز للعينات في المجال الزمني يتحمل تخالف طور “2πkδ / N” وفي مجال التردد الذي يتناسب مع دليل الموجة الحاملة الفرعية “k” وكذلك “STO”، وبشكل عام يمكن تنفيذ تقدير “STO” في المجال الزمني أو مجال التردد، حيث في المجال الزمني، يمكن تقدير “STO” باستخدام البادئة الدورية أو رموز التدريب.

• “STO” هي اختصار لـ “Simple Time Offset”.

• “ISI” هي اختصار لـ “Inter symbol interference”.

• “ICI” هي اختصار لـ “Inter Channel interference”.

• “FFT” هي اختصار لـ “Fast Fourier Transform Technology”.

• “IFFT” هي اختصار لـ “Inverse Fast Fourier Transform Technology”.

تقنية التزامن لنظام OFDM:

يُجري قسم أبحاث تكنولوجيا الاتصالات بحثاً عميقاً ومفصلاً حول بعض الخطوات الرئيسية في تكنولوجيا “OFDM”، فعلى سبيل المثال عندما يزامن الجهاز الوقت والتردد مع المحطة الأساسية في حركة عالية السرعة، سيزداد وقت التزامن بسبب إزاحة تردد دوبلر الناجم عن الحركة عالية السرعة والتداخل من المحطات القاعدية المجاورة وتأثيرات خبو القناة، وكتقنية تفاضلية وابتكار يتم اقتراح مخطط مزامنة متقدم عالي الأداء وسريع والذي تم اعتماده في منتجات الاتصالات اللاسلكية من الجيل التالي.

تُستخدم طريقة حساب متماسكة جديدة لالتقاط التوقيت وتقدير تخالف التردد، حيث يتم استخدام وحدة المعالجة المسبقة، وكذلك إجراء الحماية لتعزيز متانة الخوارزميات في ظل انخفاض معدل الإشارة إلى الضوضاء “SNR” وقنوات التلاشي السريع، وبالإضافة إلى ذلك فإنّ فعالية التضارب بين تعويض التردد ومزامنة الوقت ويسرع سرعة التقاط المزامنة.

• وحدة ما قبل المعالجة.

• خوارزمية حساب متماسكة قوية.

• تعويضات ترددية سريعة وفعالة وطرق التقاط التوقيت.

كما إنّ التضارب قادر على توفير وصول مزامنة سريع وموثوق به حتى في ظل سيناريوهات الحركة منخفضة السرعة وعالية السرعة، حيث تشير نتائج المحاكاة إلى أنّ متوسط ​​وقت المزامنة في حافة الخلية أسرع بكثير ممّا هو عليه في الطريقة التقليدية في بيئة الحركة عالية السرعة “120 كم / ساعة”.

ملاحظة:“SNR” هي اختصار لـ “Signal to noise ratio”.