كيفية تخفيف التداخل بين الخلايا في شبكات الاتصالات NOMA

يُعد الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA) أحد الأساليب القليلة الواعدة التي يمكن أن تضمن تحقيق الفوائد المتوقعة في شبكات الجيل الخامس اللاسلكية من الجيل التالي وما بعدها، وباستخدام ترميز التراكب يسمح (NOMA) لعدة مستخدمين بمشاركة نفس موارد الوقت والتردد، وبالتالي تعزيز اتصال المستخدم والكفاءة الطيفية وزيادة كبيرة في إنتاجية المستخدم.

أساسيات تخفيف التداخل بين الخلايا في الشبكات

يعد تخفيف التداخل أحد الاعتبارات المهمة في (NOMA) وهو أكثر تأثيرًا في البيئات متعددة الخلايا، حيث يمكن أن تنشأ مشاكل في الشبكة الخلوية (NOMA) جنبًا إلى جنب مع العوامل المسؤولة، ويتم اعتماد حل يتكون من نهج منسق بين الخلايا الفردية في مجال (NOMA)؛ لتقليل التداخلات وتحسين إنتاجية المستخدم.

كما يتم استخدام إعادة استخدام التردد الجزئي التكيفي (FFR) لتخصيص موارد تردد متميزة لمستخدمي الحافة من الخلايا المختلفة لتقليل التداخل بين الخلايا في (NOMA)، وتثبت نتائج المحاكاة أن مخطط (NOMA) يلعب دورًا مهمًا في تقليل تأثيرات الضعف، وتعزيز (SINR) وأداء الإنتاجية لمستخدمي الحافة مع ضمان العدالة في تصميمه.

شهدت الشبكات الخلوية اللاسلكية نموًا غير مسبوق في العقد الماضي من حيث زيادة الطلب على معدلات بيانات المستخدم بالإضافة إلى الاتصال الهائل للمستخدمين، وشهدت تطبيقات وخدمات الوسائط المتعددة زيادة تدريجية ومتوقعة، ممّا أدى إلى تصميم معايير محددة مع التركيز على تجربة مستخدم سلسة.

تم تصميم شبكات الجيل التالي اللاسلكية، بما في ذلك (LTE & LTE-A) مع مراعاة احتياجات سعة المستخدم المتزايدة والاستخدام الفعال للطيف المتاح لاستيعاب هؤلاء المستخدمين، ولا تقدم (LTE) سوى ضعفين في قدرة المستخدم على شبكات الجيل الثالث (3G) ولن تكون كافية.

وبالنظر إلى النمو المتوقع، وتم استخدام الوصول المتعدد المتعامد (OMA) على نطاق واسع في الأجيال الحالية والسابقة من الشبكات الخلوية اللاسلكية من أجل وصول المستخدم، وكما يتم توزيع موارد التردد بطريقة منفصلة لتقليل التداخل بين المستخدم وبالتالي تعظيم إنتاجية المستخدم والتوصيل إلى حد معين على النحو الذي يسمح به توافر موارد التردد.

• “OMA” هي اختصار لـ “orthogonal-multiple-access”.

• “NOMA” هي اختصار لـ “Non-orthogonal-multiple-access”.

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

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

• “FFR” هي اختصار لـ “fractional-frequency-reuse”.

مبدأ تخفيف التداخل بين الخلايا في الشبكات

أحد المعايير الأكثر أهمية وصعوبة بالنسبة للشبكات الخلوية من الجيل التالي (5G) هو أن تكون قادرة على توفير معدل نقل للمستخدم (1000 ×) أكثر من عمليات النشر الحالية لشبكات (4G)، وللوفاء بهذه المتطلبات تم تقديم نفاذ متعدد غير متعامد (NOMA)، مع مستقبل إلغاء التداخل المتتالي (SIC) كواحد من العديد من تقنيات النفاذ الراديوي الواعدة للشبكات الخلوية المستقبلية، ويتم فصل مستخدمي (OMA) بناءً على آلية تقسيم الموارد بينما يتم اعتماد نهج مشاركة الموارد لخطط (NOMA).

تتم مشاركة الموارد باستخدام مبدأ التراكب، حيث يتم إنشاء إشارة مركبة من إشارات مستخدم فردية وتعيينها إلى مورد تردد مشترك بدلاً من تعيين موارد المستخدم من شخص إلى واحد في (OMA)، بحيث يوفر (NOMA) اتصالاً هائلاً بالإضافة إلى تحسين الإنتاجية، والتي يتم الحصول عليها من خلال مشاركة مورد واحد بواسطة مستخدمين متعددين، والكفاءة الطيفية هي ميزة مضمنة لـ (NOMA) على مخططات (OMA) التي يوفرها تراكب المستخدمين على مورد مشترك.

في (NOMA) يتم تنفيذ مجموعات المستخدمين لإقران المستخدمين باستجابات قناة متنوعة معًا لزيادة كسب إنتاجية المستخدم وقدرة المستخدم، وميزة أخرى إضافية لعملية التجميع هي تبسيط (SIC) عند الطرف المستقبل، ويتم بعد ذلك تعيين جميع المستخدمين المقترنين على موارد التردد المتعامدة لتجنب التداخل بين مجموعات المستخدمين، والذي يُعرف أيضًا باسم التداخل بين المجموعات، كما يقلل التداخل بشكل فعال من الفوائد التي تقدمها (NOMA) عبر (OMA)، ويمكن أن يكون التداخل الذي حدث بسبب عدد من العوامل، وهي:

• تتسبب معلومات حالة القناة غير الصحيحة (CSI) في حدوث أخطاء أثناء فك تشفير (SIC) في جهاز استقبال (NOMA) لمستخدم واحد أو أكثر، اعتمادًا على المستخدم الذي أبلغ عن خطأ (CSI).

• بعد ذلك، يمكن أن تؤدي طريقة التجميع إلى الاقتران الخاطئ للمستخدمين ممّا يتسبب في حدوث أخطاء في عملية (SIC).

• تؤثر كثافة المستخدم في الكتلة على تعقيد (SIC) وحدود الإنتاجية لكل مستخدم.

• يحدد عدد المجموعات مقدار النطاق الترددي المتاح لكل مجموعة وفي النهاية مكاسب إنتاجية المستخدم الفردية.

ملاحظة:“SIC” هي اختصار لـ “Successive Interference Cancellation” و”CSI” هي اختصار لـ “Channel State Information”.

العلاقة بين تخفيف ICI واستخدام  FFR

بالنسبة لشبكة (NOMA) متعددة الخلايا، يُعرف مصدر رئيسي آخر للتداخل الذي يحدث بين مجموعات مختلفة من الخلايا المجاورة باسم التداخل بين الخلايا (ICI)، وبالنسبة للشبكة اللاسلكية متعددة الخلايا يتم توزيع الطيف المتاح بين مجموعات مختلفة في الخلية، ويتم تحقيق الكفاءة الطيفية فضلاً عن تعزيز قدرة المستخدم ومن خلال استخدام مخطط إعادة استخدام التردد.

يمكن أن تقدم (NOMA) تحسينات كبيرة ولكن فقط إذا تمت إدارة (ICI) والتداخلات العنقودية بكفاءة، ويتم تحقيق عزل (ICI) من خلال تنوع إعادة استخدام التردد، جنبًا إلى جنب مع التصميم الفعال لتكتل المستخدم وكذلك الاستخدام الفعال للموارد بين مستخدمي (NOMA)، ولا يمكن تطبيق مخطط التخفيف (ICI) المقدم لأنظمة (OFDMA) على سيناريو (NOMA)، نظراً للاختلافات الأساسية في نهج الوصول المتعدد للمستخدمين.

يوجد تنوع في توزيع الطاقة لمستخدمي (NOMA) وهو أساس تمييز المستخدمين في مجال الطاقة، كما يتطلب استخدام (SIC) مراعاة تجميع المستخدمين بالإضافة إلى كفاءة عملية (SIC)، ويؤدي تجميع المستخدمين الذي يتم إجراؤه لتقليل التعقيد، وزمن انتقال عملية (SIC) إلى زيادة تحميل المستخدمين على مجموعة موارد واحدة (RB).

وهذه العوامل هي القوة الدافعة في تطوير استراتيجية باستخدام مزايا تنوع إعادة استخدام التردد لتخفيف (ICI) في شبكات (NOMA) متعددة الخلايا، ويتم استخدام (FFR) لتقسيم عرض النطاق الترددي للنظام إلى نطاقات المركز والحافة، وسيتم تنفيذ تخصيص القناة للمستخدم المعني بواسطة النطاق وبدءًا من مستخدمي الحافة، كما يتم اعتماد تصميم مشترك لتوزيع الطاقة والتردد يضمن أقصى أداء للمستخدم لكل من مستخدمي الحافة والمركز من خلال تخصيص المزيد من قنوات الطاقة والتردد.

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

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

مناهج التخفيف من التداخل ICI

يلعب التداخل دوراً مهماً في التأثير على تصميم نظام الاتصالات بالإضافة إلى متانته، وتشمل مصادر التداخل الرئيسية العوامل الطبيعية، والتي تؤثر على سلوك القناة مثل الضباب والمطر والتلوث وتوجيه عوامل محددة، مثل كثافة المستخدم بالإضافة إلى اختلافات الفوضى في المناطق المغطاة، وتم تطوير تقنيات تقدير القناة لقناة وأنواع مناطق مختلفة، ولكن كل ما يمكنهم تقديمه هو التقديرات اللحظية.

ونعتبر التداخل بين مستخدمي الخلايا المختلفة باستخدام نفس القناة (ICI)، لذلك تعتبر إدارة التداخل (IM) جزءاً هامًا من تصميم نظام اتصالات قوي، وتتضمن (IM) ثلاث فئات رئيسية لمعالجة التداخل غير المطلوب:

• تجنب التداخل.

• تنسيق التداخل.

• إلغاء التداخل.

يعتبر تجنب التداخل لمحاولة عزل الكيانات المتداخلة عن المستخدمين المقصودين، ويتضمن تنسيق التداخل تصميم تصميم منسق؛ للتحكم في تخصيص الموارد بهدف تقليل إشارات المستخدم غير المقصودة، ويتخذ إلغاء التداخل منهجًا لإلغاء الأجزاء المتداخلة للإشارة المستقبلة، ولا يمكن تطبيق في تصميم (NOMA) بسبب مشاركة الموارد بين العديد من المستخدمين، ويتم تخصيص موارد لمستخدمي (NOMA) أي القناة ومستويات الطاقة مع التركيز على تقليل التداخل.

• “IM” هي اختصار لـ “interference-management”.