في إرسال الطيف بالتسلسل المباشر، يتم ضرب إشارة بيانات المستخدم بواسطة تسلسل شفرة وفي الغالب ويتم استخدام التسلسلات الثنائية وتسمى مدة العنصر في الكود “وقت الرقاقة”، وتسمى النسبة بين وقت رمز المستخدم ووقت الشريحة عامل الانتشار، وتشغل إشارة الإرسال عرض نطاق يساوي عامل الانتشار مضروباً في عرض النطاق الترددي لبيانات المستخدم.
أساسيات نظام DS-CDMA
في قنوات الخبو متعدد المسيرات غالباً ما تستخدم تقنية تمديد الطيف بالتتابع المباشر (DS / SS) بسبب القدرة على حل الإشارات من مسارات مختلفة وتحقيق تنوع المسير عند المستقبل، ومع ذلك فإنّ ميزة (DS / SS) هذه لا تتحقق إلّا عندما يكون الفارق الزمني لتأخر الانتشار بين المسيرات أكبر من مدة النبضة، وفي الاتصالات الداخلية غالباً ما يكون انتشار التأخير صغيراً جداً ولم يعد التأخير ومدة الشريحة مناسباً، ولا يمكن توقع تحسن الأداء هذا من خلال تنوع المسار مع أنظمة (DS / SS) التقليدية.
يتم اعتماد تقنية تنوع جديدة لأنظمة الاتصالات اللاسلكية الداخلية، حيث يكون انتشار التأخير أقل من مدة الرقاقة، و في هذا النظام يرسل جهاز الإرسال إشارات في نفس الوقت من هوائيات متعددة مع تأخيرات زمنية مقصودة ممّا يسمح للمستقبل بالتمييز والجمع بين الإشارات من هوائيات مختلفة، ويوفر الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA)، باستخدام تشكيل الطيف المنتشر بالتتابع المباشر (DS) إمكانية وصول متعددة بفضل اعتماد التسلسلات المناسبة كرموز انتشار.
تعتمد قدرة مستقبل (DS-CDMA) على اكتشاف الإشارة المرغوبة إلى حد كبير على خصائص الارتباط التلقائي لشفرة الانتشار المرتبطة بكل مستخدم، ومن ناحية أخرى يعتمد رفض التداخل متعدد المستخدمين على خصائص الارتباط المتبادل لجميع رموز الانتشار في المجموعة المدروسة، ونتيجةً لذلك فإنّ تحليل العائلات الجديدة من رموز الانتشار التي سيتم تبنيها في (DS-CDMA) له أهمية كبيرة.
كما يتم تقييم متواليات ثنائية محددة كاملة الطول كمتواليات (De Bruijn) عند تطبيقها كرموز انتشار في مخططات (DS-CDMA)، وتقارن أدائها بالعائلات الأخرى من رموز الانتشار الشائعة الاستخدام مثل تسلسلات m، بينما تم تصميم مجموعات التسلسلات الأخيرة خصيصاً للتطبيق في سياقات اتصال متعددة المستخدمين تأتي متواليات (De Bruijn) من الرياضيات التوافقية، وتم تطبيقها في سيناريوهات مختلفة تمامًا.
- “DS / SS” هي اختصار لـ “direct sequence spread spectrum”.
- “DS-CDMA” هي اختصار لـ “Direct Sequence Code Division Multiple Access”.
- “CDMA” هي اختصار لـ “Code Division Multiple Access”.
مبدأ عمل نظام DS-CDMA
بالنظر إلى تشابه تسلسلات (De Bruijn) مع التسلسلات العشوائية فإنّ الأداء الناتج عن طريق تطبيقها كرموز انتشار، وتشير النتائج إلى أنّ متواليات (De Bruijn) الثنائية وعند اختيارها بشكل صحيح قد تتنافس مع المزيد من الخيارات الموحدة، وتشجع المزيد من أنشطة التحقيق التي تركز بشكل خاص على إنشاء تسلسلات أطول وتعريف معايير الاختيار القائمة على الارتباط.
من المعروف أنّه يمكن تحقيق الاستخدام الفعال للطيف الراديوي وتقديم سعة عالية لعدد كبير من المستخدمين النهائيين من خلال اعتماد تقنيات الاتصال متعدد المستخدمين، ومن بينها الوصول المتعدد بتقسيم الكود (CDMA) باستخدام تعديل الطيف المنتشر بالتسلسل المباشر (DS)، ومعترف به على نطاق واسع كحل فعال للسماح بالوصول غير المنسق، من قبل العديد من المستخدمين إلى شبكة راديو مشتركة لمقاومة التداخل ولمكافحة آثار يتلاشى متعدد المسارات، وقد يوفر (CDMA) أيضاً اتصالات آمنة جوهرياً عن طريق اختيار رموز انتشار (pseudonoise).
في نظام (CDMA)، تنتشر الإشارة المرسلة عبر نطاق تردد أوسع بكثير من الحد الأدنى لعرض النطاق المطلوب لإرسال المعلومات، ويشترك جميع المستخدمين في نفس نطاق التردد ولكن يتم تخصيص شفرة انتشار مميزة لكل جهاز إرسال، ويلعب اختيار أكواد الانتشار المناسبة دوراً أساسيًا في تحديد أداء نظام (CDMA)، كما إنّ قدرة الوصول المتعدد نفسها ترجع في المقام الأول إلى التشفير وبفضل ذلك لا توجد أيضًا حاجة إلى تنسيق دقيق للوقت أو التردد بين أجهزة الإرسال في النظام.
يجب أن ينتج عن كل إشارة طيف ممتدة غير مرتبطة بجميع إشارات الانتشار الأخرى الموجودة في نفس النطاق، ويتم ضمان هذه الخاصية فقط عن طريق اختيار شفرات الانتشار التي تتميز بارتباط متبادل منخفض للغاية، ونتيجةً لذلك فإنّ تسلسل التمديد المخصص لكل مستخدم هو عنصر أساسي في تصميم أي نظام (CDMA)، لأنّه يوفر للإشارة التنسيق المشفر المطلوب ويضمن آلية فصل القنوات الضرورية.
كما هو الحال في أي تقنية اتصال متعدد المستخدمين، فإنّ التداخل المتبادل بين المستخدمين النشطين متأصل في مخطط (CDMA)، وقد يتأثر بشدة بخصائص الارتباط المتبادل الدورية وغير الدورية لمجموعة كاملة من أكواد الانتشار المختارة من أجل اعتماد، وعلاوة على ذلك يؤثر عدد المستخدمين النشطين ومستويات طاقتهم النسبية أيضاً على أداء نظام (CDMA) إلى جانب شروط قناة الانتشار، ولكن عندما يكون عدد المستخدمين النشطين ثابتاً فمن الممكن التحقق من أداء نظام (CDMA) كدالة للخصائص التي تظهرها رموز الانتشار المختارة.
تطور عمل نظام DS-CDMA
يتم تحديد حدود أداء النظام حسب نوع الرموز المستخدمة وطولها ومعدل رقاقاتها ويمكن تغييرها عن طريق اختيار مجموعة رموز مختلفة، ويتم اشتقاق تسلسلات (Gold) أو (Kassam) عن طريق خوارزميات معروفة جيدًا من متواليات m، والتي يتم إنشاؤها من خلال سجلات التحول في التغذية الراجعة الخطية (LFSR) وتعرض عددًا من الميزات المثيرة للاهتمام.
في سياق أنظمة (CDMA)، فإنّ الخاصية الأكثر بروزًا هي ملف تعريف الارتباط التلقائي الثنائي القيمة الذي يوفره تسلسل m الذي يسمح بمزامنة دقيقة لكل مستخدم في المستقبل، ويتم تقييم متواليات (Gold) و(Kassam) في الغالب بسبب العلاقة الأساسية لمجموعاتها، ولخصائص الترابط المتبادل التي توفرها والتي تعد ضرورية لضمان تداخل محدود قدر الإمكان.
يتم اعتماد رموز عامل التمديد المتغير المتعامد (OVSF) في النطاق العريض (CDMA) كرموز للقنوات وذلك بفضل التعامد الذي تضمنه الرموز التي تنتمي إلى نفس المجموعة، أي بالتكافؤ في عامل الانتشار (SF) قد تعرض أكواد (OVSF) خصائص ارتباط متباينة للغاية، ولا تضمن التعامد عند استخدامها بشكل غير متزامن.
ومتواليات (De Bruijn) الثنائية هي فئة خاصة من تسلسلات تسجيل التحول غير الخطي مع فترة كاملة (L = 2n)، حيث (n) تسمى مدى التسلسل أي يمكن إنشاء التسلسل بواسطة سجل إزاحة المرحلة n في الحالة الثنائية، والعدد الإجمالي للتسلسلات المميزة للمدى n هو في الحالة الأكثر عمومية لمتواليات الامتداد n على الأبجدية من أصل (α).
- “LFSR” هي اختصار لـ “Linear Feedback Shift Register”.
- “OVSF” هي اختصار لـ “Orthogonal Variable Spreading Factor”.
