مخططات الاتصالات المتنقلة - Schemes for Cellular Systems

في أي نظام خلوي أو تقنية خلوية، من الضروري أن يكون لديك مخطط يمكّن العديد من المستخدمين من الوصول إليه واستخدامه في وقت واحد، ومع تقدم التكنولوجيا الخلوية تم استخدام أنظمة وصول متعددة مختلفة، حيث إنّها تشكل جوهر الطريقة التي تعمل بها تكنولوجيا الراديو في النظام الخلوي، كما أنّ هناك أربعة أنظمة وصول متعددة رئيسية تُستخدم في الأنظمة الخلوية هي: (FDMA وTDMA وCDMA وOFDMA).

متطلبات نظام الوصول المتعدد – Multiple Access Schemes:

في أي نظام خلوي، من الضروري أن يكون لديه مخطط يمكنه من خلاله التعامل مع مستخدمين متعددين في أي وقت، وهناك العديد من الطرق للقيام بذلك، ومع تقدم التكنولوجيا الخلوية تم استخدام تقنيات مختلفة، كما يوجد هناك عدد من المتطلبات داخل أي نظام وصول متعدد:

• القدرة على التعامل مع العديد من المستخدمين دون تدخل متبادل.

• القدرة على زيادة كفاءة الطيف.

• يجب أن يكون قوياً، ممّا يتيح سهولة التسليم بين الخلايا.

أنظمة الوصول المتعدد في الاتصالات المتنقلة:

1. الوصول المتعدد بتقسيم التردد – FDMA:

الوصول المتعدد بتقسيم التردد (FDMA): هو أبسط مخططات الوصول المتعددة التي تم استخدامها، حيث عندما يأتي المشترك إلى النظام أو يتبادل من خلية إلى أخرى، تخصص الشبكة قناةً أو ترددًا لكل واحدة، وبهذه الطريقة يتم تخصيص فتحة مختلفة والوصول إلى الشبكة للمشتركين المختلفين.

2. الوصول المتعدد بتقسيم الوقت – TDMA:

وجد النظام (TDMA) في فترة الانتقال إلى المخططات الرقمية للتكنولوجيا الخلوية، حيث يمكن تقسيم البيانات الرقمية في الوقت المناسب وإرسالها على شكل دفعات عند الحاجة، ونظراً لرقمنة الكلام يمكن إرساله في دفعات بيانات قصيرة؛ فإنّ أي تأخير بسيط ناتج عن إرسال البيانات على دفعات سيكون قصيراً، ولن يتم ملاحظته، وبهذه الطريقة أصبح من الممكن تنظيم النظام بحيث يتوفر عدد معين من الفتحات على إرسال منح.

وبعد ذلك يتم تخصيص فترة زمنية مختلفة لكل مشترك يمكنهم من خلالها إرسال البيانات أو استقبالها، ونظراً لاستخدام فترات زمنية مختلفة لكل مشترك للوصول إلى النظام، يُعرف باسم الوصول المتعدد بتقسيم الوقت، كما يسمح فقط لعدد معين من المستخدمين بالوصول إلى النظام ويمكن استخدام قناة أخرى لذلك قد تحتوي الأنظمة التي تستخدم (TDMA) أيضاً على عناصر تشغيل (FDMA).

3. الوصول المتعدد لتقسيم الكود – CDMA:

يستخدم (CDMA) أحد الجوانب المرتبطة باستخدام الطيف المنتشر بالتتابع المباشر، كما أنّه عند استخراج البيانات المطلوبة من إشارة (DSSS)، كان من الضروري الحصول على شفرة الانتشار أو رمز الشريحة الصحيح، وستكون جميع البيانات الأخرى من المصادر التي تستخدم رموز شرائح متعامدة مختلفة مرفوض، لذلك من الممكن تخصيص رموز مختلفة لمستخدمين مختلفين واستخدام هذا كوسيلة يتم من خلالها منح مستخدمين مختلفين حق الوصول إلى النظام.

يؤدي هذا إلى توسيع طيف الإشارة، ولكن لا يمكن تحديدها إلّا في جهاز الاستقبال إذا تم ضربها مرة أخرى بنفس كود الانتشار، ولا يتم رؤية كل الإشارات التي تستخدم أكواد انتشار مختلفة ويتم تجاهلها في هذه العملية، وبالتالي في ظل وجود مجموعة متنوعة من الإشارات يمكن استقبال الإشارة المطلوبة فقط.

وبهذه الطريقة تكون المحطة الأساسية مخصصة في رموزاً مختلفةً لمستخدمين مختلفين، وعندما تستقبل الإشارة تستخدم رمزاً واحداً لاستقبال الإشارة من هاتف محمول وكود نشر آخر لاستقبال الإشارة من هاتف محمول آخر، وبهذه الطريقة يمكن استخدام نفس قناة التردد لخدمة عدد من الهواتف النقالة المختلفة.

4. الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد – OFDMA:

الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA): هو شكل مخطط الوصول المتعدد الذي يتم النظر فيه لتقنيات الجيل الرابع الخلوية جنباً إلى جنب مع التطورات الخاصة بالجيل الثالث للأنظمة الخلوية (LTE لـ UMTS / W-CDMA وUMB لـ CDMA2000)، كما يعتمد (OFDMA) على (OFDM) وهذه تقنية تستخدم عدداً كبيراً من شركات النقل المتقاربة.

مخططات الإرسال المزدوج:

أحد العناصر الأساسية لأي نظام اتصالات لاسلكي هو الطريقة التي يتم بها الحفاظ على الاتصالات اللاسلكية في كلا الاتجاهين، بما في ذلك الإرسال البسيط والمزدوج والمزدوج بتقسيم التردد (FDD) والمزدوج بتقسيم الوقت (TDD)، أمّا بالنسبة للأنظمة الخلوية فمن الضروري أن تتحدث أو ترسل البيانات في كلا الاتجاهين في وقت واحد، وهذا يضع عدداً من القيود على المخططات التي يمكن استخدامها للتحكم في تدفق الإرسال.

ومن الضروري الاستقرار على المخطط الذي سيتم استخدامه منذ البداية، ونتيجةً لذلك فإنّ مخطط الإرسال المزدوج الذي سيتم استخدامه يشكل جزءاً أساسياً جداً من المواصفات العامة للخلية أو أي نظام اتصالات لاسلكي الذي سيتم استخدامه، والمخططات المختلفة للتحكم في نطاق الإرسال من البسيط من خلال نصف مزدوج إلى مزدوج كامل، كما يجب تحديد مخططات مثل (TDD) و(FDD) للنظام اعتماداً على تطبيقه والحركة التي يحتمل أن يحملها.

1. الإرسال المزدوج بتقسيم التردد – Frequency Division Duplex:

يستخدم التردد المزدوج بتقسيم التردد (FDD) فكرة أنّ إرسال واستقبال الإشارات يتم تحقيقهما في وقت واحد باستخدام ترددين مختلفين، وباستخدام (FDD) من الممكن إرسال واستقبال الإشارات في وقت واحد حيث لا يتم ضبط جهاز الاستقبال على نفس التردد مثل جهاز الإرسال.

لكي يعمل مخطط (FDD) بشكل مرضٍ، من الضروري أن يكون التردد أي فصل القناة بين ترددات الإرسال والاستقبال، كافياً لتمكين المستقبِل من عدم التأثر بإشارة المرسل دون داع ويًعد حظر جهاز الاستقبال مشكلة مهمة في مخططات (FDD)، وغالباً ما تكون هناك حاجة إلى مرشحات انتقائية للغاية.

وبالنسبة للأنظمة الخلوية التي تستخدم (FDD)، يلزم وجود مرشحات داخل المحطة الأساسية وأيضاً في الهاتف لضمان عزل إشارة المرسل بشكل كافٍ دون إزالة حساسية جهاز الاستقبال، أمّا في حين أنّ التكلفة ليست دافعاً مهماً للمحطات الأساسية؛ فإنّ وضع مرشح في الهواتف يمثل مشكلة أكبر.

2. الإرسال المزدوج بالتقسيم الزمني – Time Division Duplex:

يُشير (TDD) إلى وصلات اتصال مزدوج، حيث يقوم بعملية فصل الوصلة الصاعدة عن الوصلة الهابطة بتخصيص فترات زمنية مختلفة في نفس نطاق التردد، كما إنّه مخطط إرسال يسمح بالتدفق غير المتماثل لنقل بيانات الوصلة الصاعدة والهابطة، بحيث يتم تخصيص فترات زمنية للمستخدمين لإرسال الوصلة الصاعدة والهابطة.

الفرق بين الإرسال المزدوج بتقسيم التردد والإرسال المزدوج بالتقسيم الزمني:

مخططات التحكم في الإرسال:

هناك مجموعة متنوعة من الطرق المختلفة للتحكم في مرور المعلومات ثنائي الاتجاه باستخدام جهازي إرسال، وهي تتراوح في التعقيد من أبسط الأنظمة التي تتطلب أقل الدوائر تعقيداً وتوفر أداءً أساسياً أكثر  إلى أنظمة أكثر تعقيداً توفر مستويات أعلى من الأداء.

1. الإرسال البسيط – Simplex:

الإرسال البسيط (simplex): هو الإرسال الذي يحدث فقط في اتجاه واحد، وقد يكون أحد الأمثلة على ذلك هو نظام البث من حين لآخر، قد يشير مصطلح (simplex) إلى مخطط أحادي الاتجاه.

2. نصف مزدوج – Half duplex:

مخطط مزدوج (Half duplex): هو مخطط يكون فيه الاتصال ممكناً في اتجاهين، ولكن الاتصال ممكن فقط في اتجاه واحد في كل مرة، وإذا كان أحد أجهزة الإرسال يقوم بالإرسال فيجب أن ينتظر الآخر حتى تتوقف أول مرة قبل الإرسال، كما يستخدم هذا النوع من الاتصال لأجهزة الاتصال اللاسلكي وقد يشار إليه باسم (Simplex).

3. الازدواج الكامل – Full duplex:

الازدواج الكامل (Full duplex): هو مخطط يمكن من خلاله إرسال الإرسالات في كلا الاتجاهين في وقت واحد، ومن الضروري فصل عمليات الإرسال بطريقة ما لتمكين أجهزة الاستقبال من استقبال الإشارات في نفس الوقت الذي يتم فيه إجراء عمليات الإرسال، وهناك طريقتان لتحقيق ذلك هي: هو استخدام فصل التردد أي الإرسال المزدوج بتقسيم التردد (FDD)، والآخر هو استخدام الوقت أي الإرسال المزدوج بتقسيم الوقت (TDD).