إحدى التقنيات الواعدة للتواصل على المستوى النانوي هي الاتصال الجزيئي “MC”، وفي سيناريو الاتصال الجزيئي عبر الانتشار يكون مكون الذاكرة للقناة مرتفعاً جداً، كما يؤدي هذا إلى ظهور ما يُعرف باسم التداخل بين الرموز ولا يمكن استخدام مخططات تشفير القنوات التقليدية في “MC” بسبب الذاكرة العالية.
أساسيات قنوات ISI
تم وضع طريقة جديدة لتشفير القنوات منخفضة التعقيد لمجال الاتصال الجزيئي، حيث يأخذ تصميم كود القناة قدرة جهاز النانو وخصائص قناة الاتصال الجزيئي، حيث تُظهر المحاكاة أنّ الطريقة المقترحة توفر تحسناً كبيراً من حيث معدل خطأ البتات، وعلاوةً على ذلك يتم تنفيذ إثبات المفهوم لخطة الترميز المقترحة على مستوى اختبار على نطاق واسع، حيث تم إثبات زيادة موثوقية ارتباط الاتصال بشكل كبير.
يتم نمذجة القنوات الراديوية المتنقلة الأرضية كقنوات تشتت خبو بسبب الانتشار متعدد المسيرات وخصائص الوسيط المتغيرة عشوائياً، ولوحظ العديد من أنواع الانحطاطات على هذه القنوات مثل الانتشار متعدد المسيرات أو الانتشار المتأخر والخبو وانتشار دوبلر والتشوه غير الخطي، وكذلك تخالف التردد وارتعاش الطور وضوضاء النبضة والضوضاء الحرارية وتداخل القناة المشتركة والقناة المجاورة الناشئ عن الطيف مشاركة.
كما تظهر تأثيرات تمديد التأخير والخبو وانتشار دوبلر والضوضاء الحرارية والتداخل في نفس القناة، حيث يتسبب تمديد التأخير في حدوث تداخل بين الرموز المجاورة، والمعروفة باسم التداخل بين الرموز “ISI” ويشير انتشار دوبلر الكبير إلى تغيرات سريعة في القناة، ويتطلب خوارزمية سريعة التقارب عند استخدام جهاز استقبال متكيف، ويؤدي الخبو إلى انخفاض شديد في استقبال الإشارة إلى الضوضاء النسبة أو نسبة الإشارة إلى التداخل عندما تعرض القناة خبواً عميقاً.
معادل جديد لقنوات الاتصال بين التداخل بين الرموز “ISI” مع ناقل حركة واحد، ويسمى هذا المعادل و”quot”، وفرض عدد صحيح ويسمح ببساطة وفعالية بدمج معادلة تغذية مرتدة القرار “DFE” مع ترميز القناة أي رموز تصحيح الخطأ، كما يتم ذلك عن طريق إرسال كلمات مشفرة من رمز دوري ومعادلة قناة “ISI” في قناة ذات استجابة نبضية، حيث تكون جميع الصنابير ذات قيمة صحيحة.
كما يكون ناتج القناة المتساوية هو نفسه كلمة مشفرة، حيث يتم فك تشفير كلمة المرور هذه أولاً ثم يتم استرداد كلمة التشفير المرسلة منها، كما تسمح هذه التقنية في كثير من الحالات بالإرسال بمعدلات قريبة من السعة مع احتمالات خطأ منخفضة.
- “MC” هي اختصار لـ “Molecular communication”.
- “ISI” هي اختصار لـ “Inter symbol interference”.
- “DFE” هي اختصار لـ “Decision Feedback Equalizer”.
مبدأ عمل قنوات ISI
تظهر قنوات “ISI” في أي نظام اتصال تقريباً،و عند استخدام ناقل واحد تعتبر المعادلة مسألة مهمة للغاية، حيث تستخدم معظم الأنظمة إمّا معادلاً خطياً بدون تأثير أو “MMSE” أو معادل “DFE”، وغالباً ما يتكبد المعادل الخطي تضخيماً كبيراً للضوضاء والذي بدوره يقلل من معدل الإرسال، ودائماً ما يكون تضخيم الضوضاء الخاص بمعادل التعزيز الصحيح والذي يعمل تقريباً مع نفس التعقيد مثل المعادل الخطي الأصغر.
يعاني معادل “DFE” من انتشار الخطأ ولا يتحد بشكل جيد مع أكواد تصحيح الأخطاء وعلى سبيل المثال لا يتم تطبيق أكواد تصحيح الخطأ إلّا بعد حدوث انتشار الخطأ بالفعل، كما لا يعاني معادل التأثير الصحيح من انتشار الأخطاء على الإطلاق ويستخدم رمز تصحيح الخطأ بشكل فعال، وتتعرض القناة الصوتية تحت الماء “UAC” لانتشار تأخير كبير مقارنة بقنوات التردد اللاسلكي “RF”.
ومن أجل التقاط هذا الانتشار الكبير للتأخير وتجنب “ISI” يجب أن تكون مدة رمز “UAC” كبيرة إلى حد كبير لتقليل معدل بيانات الإرسال، وعلى عكس أنظمة التردد اللاسلكي الأخرى في أنظمة الترددات اللاسلكية فائقة الاتساع “UWB” يتم استخدام عرض نبضة صغير بترتيب نانو ثانية لنقل المعلومات، وهذا بدوره يعطي دقة عالية متعددة المسارات.
وفي نظام “UWB” مع قفزات زمنية لتجنب التداخل متعدد المسارات تظل مدة الشريحة ومدة الرتل مساوية أو أكبر من الحد الأقصى لتمديد تأخير القناة، وينتج عن ذلك مدة طويلة لرموز “UWB” وبالتالي تقليل معدل البيانات، ومن أجل زيادة معدل البيانات يمكن تقليل مدة الشريحة ومدة الإطار إلى أقل من الحد الأقصى لتمديد التأخير، وبالإضافة إلى ذلك لزيادة معدل البيانات بدرجة أكبر يمكن تقليل أو إزالة الفاصل الزمني للحراسة بين الرموز المتتالية للسماح بتداخل الرموز المتتالية.
كما ينتج عن هذا تداخل بين الرموز “ISI”، وكما أنّ هذا النوع من التداخل لا يقلل من أداء نظام “UWB” بشكل كبير، حيث يتم تطبيق نفس المفهوم على قنوات “UAC” المختلفة ومن أجل زيادة معدل البيانات يُسمح بتداخل رموز “UAC” المتتالية، ثم يتم تقييم الأداء في ظل “ISI”.
يحدث “ISI” عندما يتداخل رمز مع رمز آخر، وعلى سبيل المثال تقوم بإرسال إشارة من النقطة “X” إلى “Y”، كما ستكون هناك إشارة مباشرة تصل إلى “Y” بعد الوقت “t1” وستكون هناك انعكاسات وستنعكس بعض أجزاء الإشارة الأصلية، وبسبب هذا الانعكاس تنتقل في مسار أطول إلى نفس الوجهة وبالتالي سيتأخر، حيث إذا وصلوا إلى “Y” عندما يكون الرمز التالي المرسل من “X” موجوداً فهذا يتعارض مع ذلك ويسبب “ISI”.
في تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد “OFDM” تُستخدم موجات حاملة فرعية متعددة، فمثلاً في الحالة التي يتم فيها إرسال بعض المعلومات بمعدل “1 M” من الرموز في الثانية وهذا يسبب “ISI”، حيث لتجنب ذلك ما تفعله هو تقسيم البيانات بين ناقلات مختلفة وشيء مثل إرسال المياه عبر العديد من الأنابيب الصغيرة بدلاً من أنبوب واحد كبير الآن.
كما ترسل البيانات عبر كل من هذه القنوات بمعدل أقل بكثير ويتم افتراض أنّ هناك “1000” من الناقلات الفرعية وإذا أرسلت رمزاً واحداً عبر قناة، فأنّه يتم إرسال الرمز التالي عبر قناة أخرى لذلك لن يكون هناك “ISI” وسيفي التأخير الطويل بشرط انتشار التأخير، وأمّا الغرض الأساسي من الدخول في “OFDM” هو الحفاظ على معدلات البيانات العالية دون استخدام المعادل.
في “OFDM” تكون الحاملات الفرعية متعامدة، والتعامد يعني أنّ الارتباط المتبادل لإشارات متعامدة سيكون ذا قيمة منخفضة للغاية أي من الناحية المثالية 0، لذلك طالما أنّها متعامدة فلن يكون هناك “ICI” ويتم تعريف التعامد لنفس الفترة الزمنية للنواقل.
- “MMSE” هي اختصار لـ “Multimedia Messaging Service Environment”.
- “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiplexing”.
- “ICI” هي اختصار لـ “Intelligent Communication Interface”.
- “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.
- “UWB” هي اختصار لـ “ultra-wideband”.
- “UAC” هي اختصار لـ “underwater acoustic channel”.
مزايا قنوات ISI
- إنّ تعقيد معادل التعقيد الصحيح هو تقريباً نفس تعقيد المعادل الخطي، وتعد اللبنات الأساسية مكونات قياسية يتم تنفيذها غالباً في العديد من أنظمة الاتصالات.
- يزيل معادل القوة الصحيحة تماماً مشكلة انتشار الخطأ في “DFE”، وغالباً ما يكون أفضل بكثير من المعادل الخطي.
