ما هي الكفاءة الطيفية Spectral Efficiency لخلية الاتصالات

في الشبكات الخلوية تُعد الكفاءة الطيفية معلمة رئيسية عند تصميم البنية التحتية للشبكة، وكما أنّ الكفاءة الطيفية الحقيقية تتأثر بعوامل متعددة تختلف اختلافًا كبيرًا في المكان والزمان ويصعب وصفها، ويتم اشتقاق منحنيات الكفاءة الطيفية الحقيقية لنظام التطور طويل المدى (LTE) على أساس كل خلية.

ما هي الكفاءة الطيفية Spectral Efficiency

تُعد الكفاءة الطيفية (SE) أحد المتطلبات البارزة في شبكات المحمول (5G)، حيث تعتبر تقنية (MIMO) الهائلة الخالية من الخلايا (CF) تقنية أساسية لتوفير (SE) كبير في (5G) مقارنة بالنهج الخلوي والخلايا الصغيرة، حيث ركزت معظم الدراسات السابقة على التوزيع المنتظم لنقاط الوصول (APs) لتقييم أداء (SE).

ومع ذلك فإنّ شبكات الجيل الخامس عادةً ما تكون كثيفة وموزعة بشكل غير منتظم ومقيدة في الغالب بسبب ضعف القناة، لذلك فإنّ النظر في توزيع موحد لنقاط الوصول أمر غير واقعي، وتضمن المخرجات المتعددة والمدخلات المتعددة (MIMO) الخالية من الخلايا اتصالًا في كل مكان بكفاءة طيفية عالية (SE)، بفضل زيادة التنوع الكلي مقارنة بالاتصالات الخلوية.

كما أنّ قابلية تطوير النظام وأدائه مقيدان بمواجهة حركة المرور والتداخل، وعلى عكس مخططات الترميز المسبق التقليدية التي تمنع فقط التداخل داخل الخلية، فإنّ التأثير الصفري التجريبي الكامل يمنع أيضًا التداخل بين الخلايا ودون مشاركة معلومات حالة القناة (CSI) بين نقاط الوصول (APs).

مع تقدم الاتصالات الخلوية في العقدين الماضيين، اقتربنا بسرعة من الحدود النظرية لنقل البيانات اللاسلكية التي حددها قانون شانون، وجلب كل جيل خلوي متتالي زيادات كبيرة في معدلات البيانات وقدمت شبكات (2G) معدل بيانات نظريًا بحد أقصى (40) كيلو بت في الثانية.

ملاحظة:“LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution” و”SE” هي اختصار لـ “Spectral Efficiency”.

ملاحظة:“CSI” هي اختصار لـ “Channel State Information” و”AP” هي اختصار لـ “Access Point”.

أساسيات الكفاءة الطيفية للخلية

للاستفادة من زيادة الكفاءة الطيفية لتعدد الإرسال المكاني والجدولة باستخدام (CSI) وفي نفس الوقت لضمان تأخير وصول فوري محكم للمستخدمين يمكن للمجدول تنفيذ تقسيم الإطار، حيث في الجزء الأول من الإطار تتم جدولة المستخدمين من خلال طريقة (RR)، بحيث يضمن لهم جميعًا الوصول إلى القناة وبالتالي التحكم في تأخير وصولهم.

ضمن الجزء الثاني من الإطار يتم اختيار المستخدمين الذين يتمتعون بأفضل ظروف قناة ممّا يعزز أداء كفاءة طيف النظام العالمي، كما توفر جدولة تقسيم الرتل (FD) ميزة التحكم المحكم في الوصول فيما يتعلق بالجدولة العادلة التناسبية، حيث أن النسبة المئوية لوائح الراديو في كل فجوة خدمة معروفة تمامًا بحيث يتم استقراء قيم تأخير الوصول من فلسفة لوائح الراديو.

من خلال تقسيم الرتل تزداد الكفاءة الطيفية التي يمكن تحقيقها في النظام مقارنةً بخطة (RR) وذلك على حساب تأخير أكبر للنفاذ وتغير تأخير الوصول، حيث يُعتبر هذا الدمج بين فلسفتين الجدولة أمرًا جذابًا للغاية حيث يوفر مقايضة بين متطلبي النظام:

• تأخير الوصول ومتوسط ​​الكفاءة الطيفية.

• يتم التحكم في نقطة التشغيل في المقايضة من خلال تصميم النسبة المئوية لكل قسم في الإطار بحيث يمكن منح (60%) من الإطار لمتطلبات تأخير الوصول، بينما يتم تخصيص نسبة (40%) المتبقية لتعدد الإرسال المكاني والجدولة باستخدام (CSI).

ملاحظة:“FD” هي اختصار لـ “Frame splitting”.

ما هي فوائد الكفاءة الطيفية في خلية الاتصالات

• تأتي الفوائد من حيث تأخير الوصول الفوري وتغير التأخير على حساب انخفاض متوسط ​​الكفاءة الطيفية، حيث تعتمد الكفاءة الطيفية للجدولة العادلة التناسبية بشكل كبير على قيمة الترجيح (ρ) عند مقارنتها بالقيمة المقابلة لتعدد الإرسال المكاني وسياسة الجدولة.

• يتم أيضًا تحسين متوسط ​​تأخير الوصول من خلال الجدولة العادلة المتناسبة، ولكن لا توفر المعلمة تحكمًا دقيقًا في تأخير الوصول الفوري، وبالتالي فإنّ تأخير الوصول الفوري ليس مضمونًا بإحكام للمستخدمين.

• بعد ذلك يتم تقديم سياسة الجدولة البديلة حيث يتم إجراء الترجيح من خلال قسم الإطار، بحيث يمكن اعتباره تنفيذًا عمليًا للنهج العادل النسبي ولكن مع رقابة صارمة على تأخير الوصول.

تطور الكفاءة الطيفية في خلية الاتصالات

في السنوات القادمة من المتوقع حدوث نمو هائل في حركة البيانات الخلوية، وعلى وجه التحديد من المتوقع حدوث زيادة بمقدار (10 أضعاف) في حركة مرور بيانات الجوال من عام (2015م) إلى عام (2021م)، وفي الوقت نفسه أدى انتشار الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية إلى تغيير الخدمات الأكثر طلبًا في الشبكات الخلوية.

ستستمر هذه التغييرات مع النشر المكثف للاتصالات من النوع الآلي في تطبيقات إنترنت الأشياء وللتعامل مع هذه التغييرات سيتعين على شبكات الهاتف المحمول المستقبلية الجمع بين تقنيات متعددة، وبالتالي يتم تحديد عدم تجانس الخدمة والشبكة على أنّه مشكلة حاسمة في شبكات الجيل الخامس المستقبلية.

بالتوازي مع ذلك فإنّ زيادة حجم وتعقيد الشبكات الخلوية يجعل من الصعب جدًا على المشغلين إدارة شبكاتهم، وبالتالي فإنّ إدارة الشبكة هي إحدى العقبات الرئيسية للنشر الناجح لشبكات المحمول ولمعالجة هذه المشكلة، أقامت المنتديات الصناعية وهيئات التقييس أنشطة في مجال شبكات التنظيم الذاتي (SON) مع تحديد شبكات (4G).

كما يشير التنظيم الذاتي إلى قدرة عناصر الشبكة على التخطيط الذاتي والتكوين الذاتي والضبط الذاتي والشفاء الذاتي، حيث تم تحديد هذه الحاجة إلى التنظيم الذاتي من قبل البائعين الذين يقدمون الآن حلولاً آلية لإدارة الشبكة لتقليل عبء العمل على الموظفين التشغيليين.

ملاحظة:“SON” هي اختصار لـ “self Organization networks”.

الكفاءة الطيفية في خلية الشبكة الراديوية

في تخطيط الشبكة الراديوية، فإنّ الرقم الرئيسي للجدارة لتقييم قدرة الشبكة أو القناة هو الكفاءة الطيفية (SE)، والحد الأعلى النظري لسعة القناة لوصلة لاسلكية أحادية المدخل ومخرج واحد تم إعطاؤها بواسطة صيغة قدرة شانون، كما يمكن تكييف هذه الصيغة لتقريب السعة القصوى للقناة وفقًا لافتراضات معينة خاصة بكل تقنية نفاذ راديوي.

ومع ذلك حتى إذا تم تحديد سعة القناة بشكل أساسي من خلال جودة الإشارة، فإنّها تتأثر أيضًا بالبيئة الراديوية أي سرعة المستخدم وقناة الانتشار، وخصائص الحركة كنوع الخدمة والتقنيات في طبقات اتصال مختلفة كتكوين متعدد الهوائيات وإلغاء التداخل وتشفير القنوات وإدارة موارد الراديو.

نظرًا لأنّ كل هذه العوامل أمر صعب للغاية، فإن معظم أدوات تخطيط الشبكة تعتمد على تعيين المنحنيات المتعلقة بجودة الإشارة إلى (SE)، والتي تم إنشاؤها بواسطة محاكيات مستوى الارتباط ولا يزال هذا النهج محدودًا، حيث تقوم أجهزة المحاكاة بإجراء تبسيط لأسباب حسابية ولا تزال هناك مشكلة اختيار المجموعة الصحيحة من معلمات المحاكاة التي تتطابق تمامًا مع الواقع.

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

في النهاية، في التقنيات اللاسلكية تتأثر الكفاءة الطيفية (SE) بشدة بمخطط تكييف الارتباط، وتتضمن الشبكة الراديوية من موجة ناقلة فرعية واحدة خلال رمز واحد من رموز (OFDM) التي تعتمد على الكفاءة الطيفية.