نظام تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد للكلمات UW-OFDM

يُعد تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد للكلمات “UW-OFDM” مفهوماً جديداً للإشارة، حيث يتم تنفيذ فاصل الحراسة كتسلسل حتمي ما يسمى بالكلمة الفريدة، كما يتم إنشاء “UW” بإدخال مستوى معين من التكرار في مجال التردد، وتمت مناقشة استراتيجيات مختلفة لتقدير البيانات والأداء المناسب لنسبة خطأ البتات “BER” لـ “UW-OFDM”.

ما هو تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد UW-OFDM؟

تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد “UW-OFDM”: هو نوع فريد من نوعه عبارة عن بنية جديدة لإشارة الإرسال لـ “OFDM“، حيث يتم استبدال البادئات الدورية المعتادة “CPs” بتتابعات محددة تسمى “UWs” ونظراً لأنّ الكلمات الفريدة تمثل متواليات معروفة فمن المفيد استخدامها لمهام التزامن والتقدير ولكن أيضاً لتحسين سلوك نسبة خطأ البتات “BER” لنظام “OFDM”.

أظهرت نتائج الأبحاث الحديثة السلوك الفائق لمعدل الخطأ في البتات لـ “UW-OFDM” على “CP-OFDM” التقليدي المستخدم في أنظمة الاتصالات في العالم الحقيقي، على سبيل المثال لمعيار “IEEE 802.11a WLAN”، كما تم توسيع إعدادات تكوين “UW-OFDM” و”CP-OFDM” المكافئة ومكافئة لمعدل البيانات، وتم إظهار مختلف البيئات الانتقائية للترددات وبالإضافة إلى ذلك “UW-OFDM” بأنظمة معادلة نطاق التردد أو الموجة الحاملة الأحادية القائمة على “UW-SC / FDE”.

• “UW-OFDM” هي اختصار لـ “Unique word-orthogonal frequency division multiplexing”.

• “BER” هي اختصار لـ “bit error rate”.

• “WLAN” هي اختصار لـ “wireless local-area network”.

• “UW-SC / FDE” هي اختصار لـ “Unique word Single carrier frequency domain equalization “.

• “CP-OFDM” هي اختصار لـ “cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing”.

أساسيات نظام UW-OFDM:

تركز كيفية توليد إشارات “UW-OFDM” على إثبات أمثلية الخطوتين على النهج المباشر في “UW-OFDM” النظامي بشكل تحليلي، كما تم تقديم خوارزمية إرشادية تسمح بالتحسين العددي السريع لمواقع الناقل الفرعي الزائدة عن الحاجة، وتم استخدام الهج لنشر الحاملات الفرعية الزائدة عن الحاجة في “UW-OFDM” المشفر بشكل منهجي.

وعن طريق تقليل متوسط ​​الطاقة الزائدة عن الحاجة هو عملياً أيضاً طاقة مثلى وظائف التكلفة القائمة على جهاز الإرسال والاستقبال، كما تم وضع تقديرات تقريبية لتوزيعات الرموز الإحصائية على ناقلات فرعية فردية بالإضافة إلى توزيع الطاقة الزائدة عن الحاجة ومقارنتها بالنتائج التي تم العثور عليها رقمياً.

يستلزم ضمان خصائص المجال الزمني إدخال بعض التكرار في مجال التردد، كما يمكن استغلال هذا التكرار بشكل مفيد لتحسين النطاق أو الموثوقية أو السعة أو عمر البطارية، حيث يحول “UW-OFDM” فترة الحراسة التي يتم تجاهلها عادةً إلى تسلسل متعدد الأغراض، وبالتالي معالجة مشكلة عدم الكفاءة المعروفة لفترات الحراسة في أنظمة الاتصالات الحالية.

وعلاوةً على ذلك فإنّ تكييف “UW” وبالتالي طول “GI” مع ظروف القناة المختلفة لن يؤثر على طول “DFT”، وبالتالي يحافظ على هياكل سلسلة المعالجة ذات الصلة ومن ثم يتيح “UW-OFDM” دعم مجموعة واسعة من سيناريوهات الاتصال مع ضمان الكفاءة العالية.

• “GI” هي اختصار لـ “Group Identifier”.

• “DFT” هي اختصار لـ “discrete Fourier transform”.

آلية عمل نظام UW-OFDM:

يحول كل من بنية إشارات الإرسال “CP” وكذلك “UW-OFDM” الالتفاف الخطي لإشارة الإرسال مع استجابة نبضة القناة إلى التفاف دوري، بحيث يقوم تحويل فورييه المنفصل “DFT” بقطر القناة في مجال التردد، ومع ذلك يختلف “UW” عن “CP” فهو جزء من فاصل “DFT”، وعلاوةً على ذلك فإنّ “CP” عبارة عن تتابع عشوائي في حين أنّ “UW” حتمية.

ومن ثم يمكن تصميم “UW” على النحو الأمثل لتلبية احتياجات معينة مثل التزامن أو أغراض تقدير معلمات النظام على جانب المستقبِل، كما يستخدم “KSP-OFDM” المعروف على نطاق واسع بنية مشابهة لـ “UW-OFDM” لأنّ تسلسل الرمز المعروف “KS” محدد أيضاً، ويتمثل الاختلاف الأكثر أهمية بين “KSP-” و”UW-OFDM” في حقيقة أنّ “UW” جزء من فاصل “DFT” بينما “KS” ليس كذلك.

ومن ناحية تشير هذه الخاصية الخاصة بـ “UW” إلى خاصية الالتفاف الدوري التي تم تناولها أعلاه، ومن ناحية أخرى ولكن ليس أقل أهمية فإنّ إدخال “UW” داخل الفاصل الزمني “DFT” يؤدي إلى الارتباطات والتكرار في مجال التردد، والذي يمكن أن يكون مفيداً يتم استغلالها بواسطة جهاز الاستقبال لتحسين أداء نسبة الخطأ في البتات “BER”.

• “CP” هي اختصار لـ “cyclic prefix”.

• “UW” هي اختصار لـ “Unique word”.

كيفية إنتاج رموز UW-OFDM:

لتوليد رموز “UW-OFDM” عن طريق التحميل المناسب لما يسمى بالموجات الحاملة الفرعية الزائدة عن الحاجة، كما يمكن أيضاً تفسير إدخال هذه الموجات الحاملة الفرعية المكررة المخصصة مثل كتلة من الأصفار أو كتلة من العينات الثابتة مثل “UW”، في المجال الزمني على أنه تصميم نظامي لشفرة “Reed Solomon” أو “coset” إلى رمز “RS” فوق حقل الأعداد المركبة بدلاً من حقل محدد كالمعتاد، وكما أنّ فك الشفرة الجبري لرمز “RS” للرقم المركب الذي تم إدخاله يؤدي إلى حل نظام معادلات غير مشروط وهو شديد الحساسية للضوضاء.

كما أنّ تطبيق مناهج التقدير مثل أفضل مقدر خطي غير متحيز “BLUE” أو مقدر الحد الأدنى الخطي لخطأ مربع “LMMSE” هو أكثر ملاءمة من فك التشفير الجبري، ومن ناحية أخرى يمكن تطبيق الخوارزميات الفعالة لفك تشفير الاحتمالية القصوى للقرار الناعم أي وحدة فك ترميز المجال بشكل مفيد.

أظهرت النتائج أنّه يمكن تحقيق مكاسب إضافية في الأداء مقارنة بمقدرات البيانات الخطية، كما تم استخدام مصطلح “UW-OFDM” بالفعل في مقترحات مختلفة، ومع ذلك فإنّ فترة الحراسة وبالتالي فإنّ “UW” ليس جزءاً من فاصل “DFT” في هذه النهج، لذلك وعلى عكس مفهوم “UW-OFDM” لم يتم تقديم أي تشفير بواسطة هذه المخططات.

كما أنّ التعامل مع مساهمة الطاقة للحاملات الفرعية الزائدة عن الحاجة في “UW-OFDM” يمثل تحدياً كبيراً، ومن أجل حل هذه المشكلة هناك نتيجتان ذات أهمية كبيرة، وتم إنشاء صفر “UW” في الخطوة الأولى وإضافة “UW” المطلوب في خطوة ثانية منفصلة، كما أنّ هذا النهج يولد رموز “OFDM” مع طاقة زائدة أقل بكثير من خطوة واحدة أو نهج توليد “UW” مباشر.

إنّ اختيار مواقع الناقلات الفرعية الزائدة عن الحاجة له ​​أيضاً تأثير هائل على الطاقة الزائدة عن الحاجة ولهذا السبب من الأهمية بمكان تحسين مواقع الحاملات الفرعية الزائدة عن الحاجة، كما تتوفر طرق تحليلية تقدم مواضع حاملة فرعية متكررة مثالية أو شبه مثالية لإعدادات محددة، وعلى النقيض من ذلك يتم توفير طريقة تحسين إرشادية بسيطة تجد عددياً التوزيعات المثلى أو شبه المثالية للإعدادات العامة.

ومع ذلك فإنّ مفهوم “UW-OFDM” المشفر “RS” المقدم لا يزال يعاني من مساهمة طاقة عالية بشكل غير متناسب للحاملات الفرعية الزائدة عن الحاجة، كما تم تطوير ​​بناء كود “RS” للعدد المركب غير المنتظم، حيث تم التخلي عن فكرة الموجات الحاملة الفرعية المكررة المخصصة ويتم توزيع التكرار عبر جميع الموجات الحاملة الفرعية.

كما تم اختيار مصفوفات منشئ الكود لمطابقتها على النحو الأمثل مع مقدر بيانات “LMMSE”، ولقد تبين أنّ “UW-OFDM” غير المشفر بشكل منهجي بالاقتران مع تقدير بيانات “LMMSE” يتفوق بشكل كبير على “OFDM” الكلاسيكي والأصل “UW-OFDM” المشفر منهجياً.

• “LMMSE” هي اختصار لـ “Linear Minimum Mean Square Error”.

• “RS” هي اختصار لـ “Reed Solomon”.