كيفية إعادة استخدام التردد الجزئي في الاتصالات FFR

مع زيادة الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والأجهزة المتصلة بالإنترنت تتزايد حركة البيانات والمكالمات الصوتية يومًا بعد يوم، ولمعالجة النمو المتسارع الحالي في الطلب على نقل الصوت والبيانات فإنّ خلايا (femto) منخفضة الطاقة الكامنة في خلايا الماكرو الحالية ستزيد من قدرات شبكة المشغل، وبسبب النشر الكثيف لشبكة (femto) يصبح التداخل تحديًا، وعززت (EFFR) الإنتاجية وقللت التداخل خاصة في مستخدمي حافة الخلية ومن المفيد أنّ يتم تطبيق (EFRR) على شبكة (OFDMA-LTE).

ما هي إعادة استخدام التردد الجزئي FFR

إعادة استخدام التردد الجزئي (FFR): هي تقنية تنسيق تداخل مناسبة تمامًا للشبكات اللاسلكية القائمة على (OFDMA)، حيث يتم تقسيم الخلايا إلى مناطق مكانية مع عوامل إعادة استخدام تردد مختلفة.

• “EFFR” هي اختصار لـ “Enhanced Fractional Frequency Reuse”.

• “FFR” هي اختصار لـ “Fractional Frequency Reuse”.

• “OFDMA” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiple access”.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution”.

أساسيات إعادة استخدام التردد الجزئي FFR

(LTE) هو معيار للاتصالات اللاسلكية لتحقيق كفاءة طيفية عالية ومعدلات بيانات ذروة عالية فضلاً عن المرونة في التردد وعرض النطاق الترددي، وباستخدام إعادة استخدام التردد لأحد شبكات (LTE) يتم تحقيق كفاءة طيفية عالية، ومع ذلك فإنّ التداخل بين الخلايا (ICI) الناتج عن إعادة استخدام تردد واحد هو قيد رئيسي في هذه الشبكات.

يتم اعتماد إعادة استخدام التردد الجزئي (FFR) كتقنية تنسيق التداخل بين الخلايا (ICIC) في شبكات LTE القائمة على تقسيم التردد المتعامد (OFDMA)، ويقسم (FFR) الخلية إلى منطقة داخلية وخارجية ثم يتم تطبيق عوامل إعادة استخدام تردد مختلفة في كل منطقة بهذه الطريقة يتم تقليل التداخل، كما ينقسم مخططات نشر FFR إلى:

• إعادة استخدام التردد (FFR) الصارم.

• إعادة استخدام التردد الناعم (SFR).

يتم إجراء مقارنة واسعة بين جميع مخططات إعادة استخدام التردد هذه باستخدام آلية مقترحة تعتمد على محاكاة مونت كارلو مع مراعاة مقاييس الأداء، مثل الإشارة إلى التداخل بالإضافة إلى نسبة الضوضاء (SINR) والسعة والإنتاجية.

وتظهر نتائج المحاكاة أنّ معدل (SINR) الأعلى الذي حققته (Strict FFR) لا ينعكس من حيث الإنتاجية بسبب استخدام النطاق الترددي الصغير، ويمكن أن توفر إعادة استخدام التردد الناعم (SFR) إنتاجية أعلى لحافة الخلية عن طريق زيادة عامل التحكم في الطاقة، ولكن هذا يأتي في تكلفة انخفاض إنتاجية المنطقة الداخلية.

• “ICIC” هي اختصار لـ “Inter-Cell Interference Coordination”.

• “SFR” هي اختصار لـ “Soft frequency reuse”.

• “SINR” هي اختصار لـ “Signal to Interference & Noise Ratio”.

• “ICI” هي اختصار لـ “Inter-Cell Interference”.

مبدأ إعادة استخدام التردد الجزئي FFR

إنّ أداء الوصلة الهابطة للشبكات الخلوية مقيد بشدة بالتداخل بين الخلايا، ومن أجل التخفيف من هذا التداخل يتم اقتراح عدد من مخططات إعادة استخدام التردد مؤخرًا، كما إنّ مخطط (FFR) الجديد يحسن الكفاءة الطيفية من خلال السماح بتداخل واحد خارج الخلية.

ثم يضمن توزيع الموجات الحاملة الفرعية والمعدلات المقترحة استغلال التداخل من قبل المحطة المتنقلة (MS) مما يؤدي إلى تقليل استهلاك الطاقة في المحطات القاعدة (BS)، وكما أنّه لا يوجد تنسيق للتداخل بين الخلايا ولكن يلزم التخطيط المسبق للتردد فقط في المخطط المقترح.

تُستخدم الشبكات غير المتجانسة لتلبية متطلبات السعة والتغطية في شبكة خلوية، ونظرًا لإعادة استخدام الترددات نظرًا لتوافر الطيف المحدود، يوجد تداخل في القناة المشتركة (CCI) بين العقد عالية القدرة وعقد القدرة المنخفضة في هذه الشبكات بصرف النظر عن CCI بين العقد عالية القدرة، ويعد تنسيق التداخل بين الخلايا (ICIC) تحديًا كبيرًا تجاه عمليات النشر غير المتجانسة للشبكات نظراً لأنّ المستخدمين الموجودين في منطقة توسيع نطاق الخلية (CRE) أكثر عرضة للتداخل الأقوى، الناجم عن الإشارات من العقد عالية الطاقة.

لتعزيز السعة وتحقيق تجربة مستخدم جيدة وتحسين تقنيات إدارة التداخل بكفاءة الطيف مثل إعادة استخدام التردد الجزئي (FFR)، مع استراتيجيات جدولة محسّنة و(ICIC) باستخدام خوارزمية تعظيم التوقعات مقترحة للتخفيف من آثار (CCI).

يتم تخصيص الموارد في (FFR) للمستخدمين في مناطق مركز الخلية أي إعادة الاستخدام الكامل و(CRE) أي إعادة الاستخدام الجزئي بناءً على إشارة المعالجة اللاحقة المثلى للتداخل، بالإضافة إلى عتبة نسبة الضوضاء مع جدولين مختلفين في المنطقتين، ويتضح أنّ مجموعة معينة تُظهر أفضل أداء صبيب لخطة (FFR) المُحسّنة.

• “CRE” هي اختصار لـ “Cell Range Expansion”.

إعادة استخدام التردد الجزئي في الشبكات فائقة الكثافة

تُعد الشبكة فائقة الكثافة (UDN) التي يتم فيها نشر المحطات الأساسية (BS) بكثافة عالية جدًا نموذجًا للشبكة واعدًا للجيل اللاسلكي في المستقبل، ونظرًا للتكثيف الفائق فإنّ إعادة استخدام نطاقات التردد ذات الكثافة العالية جدًا أمر إلزامي لهذه الشبكة، وتقليدياً يتم اعتماد تقنية إعادة استخدام التردد مثل إعادة استخدام التردد الجزئي (FFR) المستخدمين النشطين إلى مجموعتين فقط.

ومع ذلك فإنّ هذا النهج غير مناسب لشبكات (UDN)، حيث تتعرض الإشارة لقدر هائل من فقدان القدرة عبر المسافات، وبالتالي في حالة نموذج خسارة المسير الممتد لشبكات (UDN) يُشتق التعبير المغلق لاحتمال تغطية المستعمل، ومن نتائج التحليل والمحاكاة يمكن أن يحسن أداء المستخدم دون زيادة استهلاك طاقة (BS).

• يزداد احتمال تغطية المستخدم إلى الذروة قبل تجاوز الانخفاض عندما تزداد كثافة (BS).

• قد تؤدي زيادة قدرة إرسال المحطة القاعدة إلى انخفاض أداء المستخدم.

ملاحظة:“UDN” هي اختصار لـ “Ultra Dense Networks”.

إعادة استخدام التردد الجزئي في الشبكات الخلوية اللاسلكية الضوئية

تعمل إعادة استخدام التردد الكامل على زيادة إنتاجية النظام إلى الحد الأقصى على حساب ضعف أداء مستخدم حافة الخلية، ومن ناحية أخرى يوفر تقسيم الموارد الثابتة المستند إلى الكتلة أداءً جيدًا لمستخدم حافة الخلية بتكلفة إنتاجية منخفضة للنظام، كما يتم تقديم إعادة استخدام التردد الجزئي (FFR) كحل وسط بين أداء مستخدم حافة الخلية وإنتاجية النظام مع تعقيد منخفض للنظام.

تظهر نتائج المحاكاة أنّه يتم تحقيق معدل نقل مضمون للمستخدم يبلغ (5.6 ميجابت في الثانية) ومتوسط ​​كفاءة طيفية للمنطقة (ASE) يبلغ (0.3389 بت في الثانية / هرتز / م ²)، بواسطة النظام اللاسلكي البصري (FFR) مع عوامل التحكم المناسبة في الطاقة، وتظهر تحسناً ملحوظًا في الإنتاجية مقارنة بكلا النظامين المعياريين، كما أنّه من خلال ضبط الطاقة الضوئية للإرسال (LED) لنظام باستخدام طيف الضوء المرئي يمكن تلبية متطلبات الإضاءة لغرفة المكتب بدون مرافق إضاءة إضافية.

إعادة استخدام التردد الجزئي (FFR) هي تقنية معروفة جيدًا تستخدم لتخفيف التداخل في الشبكة غير المتجانسة (HetNet)، كما يتم تقييم أداء مخطط إعادة استخدام التردد الجزئي المحسن (EFFR) باستخدام الخوارزمية الجينية (GA) في سيناريو (HetNet) عن طريق المحاكاة في (MATLAB)، من حيث معدل نقل الشبكة أو معدل مجموع الشبكة، والكفاءة الطيفية.

• “LED” هي اختصار لـ “Light-Emitting Diode”.

• “ASE” هي اختصار لـ “Average spectral efficiency”.

• “GA” هي اختصار لـ “genetic algorithm”.