نظام الاتصالات M-QAM

تقوم تقنية فك التشفير التقليدية بإدخال إشارات “M-QAM” مباشرةً ممّا يؤدي إلى تعقيد كبير وضعف أداء النظام، حيث من خلال اعتماد التشفير الهرمي “M-QAM” تقلل طريقة فك التشفير التكراري لإشارة “M-QAM” من تعقيد فك التشفير للأنظمة وتحسن أداء النظام بشكل كبير، كما تقوم طريقة فك التشفير التكراري لإشارة “M-QAM” بفك الشفرات بأسلوب احتمالية قصوى وتقوم بفك تشفير تكراري على إشارات “N 4-QAM” واحدة تلو الأخرى.

ما هو نظام M-QAM

تعديل سعة تربيع “M-ary” أي “M-QAM”: هي تقنية مهمة لتعديل الإشارات الرقمية في نظام الاتصال اللاسلكي، ونظراً للطلبات المتزايدة لمخرجات البيانات عالية السرعة في الاتصالات اللاسلكية فمن الضروري التحقيق في طرق تحقيق كفاءة طيفية عالية تأخذ في الاعتبار نماذج القنوات اللاسلكية كما أنّ معدل الخطأ في البتات “BER” هو معلمة تعطي مؤشراً ممتازاً لأداء ارتباط البيانات مثل الراديو أو نظام الألياف البصرية.

إن فهم طريقة تقييم معدل الخطأ في البتات “BER” في نظام “M-QAM” سيساعد في تصميم مخطط تعديل أكثر ملاءمة يناسب جودة القناة على أفضل وجه، وبالتالي تقديم معدل البيانات الأمثل والفعال إلى مطراف الوصلة الهابطة، حيث أنّ معدلات الخطأ في البتات لتعديل “MQAM” التي تتراوح من 4 إلى 64 وأمّا القيم الصحيحة لنسبة الكثافة الطيفية للطاقة إلى الضوضاء “Eb / No” بين 0 و7 في قناة “AWGN“.

• “M-QAM” هي اختصار لـ “Multi-Level Quadrature Amplitude Modulation”.

• “Eb / No” هي اختصار لـ “energy per bit to noise power spectral density ratio”.

• “BER” هي اختصار لـ “Bit Error Rate”.

• “AWGN” هي اختصار لـ “Additive White Gaussian Noise”.

أساسيات نظام M-QAM

تتطلب خدمة الوسائط المتعددة معدل إرسال الرسائل بسرعة عالية لأنظمة الاتصالات اللاسلكية الحديثة لكن من أجل الصوت إشارة البيانات والرؤية، حيث هناك متطلبات معدل خطأ البت الخاصة بها  كما أنّه عند نقل أعمال مختلفة يكون متطلب معدل الخطأ مختلفاً، ويمكن أن يعطي حماية مختلفة وفقاً لشروط الانتشار للمتطلبات غير المتشابهة وقد أبرز هذا أهمية التعديل الهرمي.

تكون الإشارة عند تقسيمها إلى إشارة “N road 4-QAM”، حيث يمكن وضع معلومات مهمة في الحد الأدنى من إشارة “4-QAM” لمعدل الخطأ، بينما يتم وضع إشارات أخرى في إشارات “4-QAM” الأخرى المتعلقة بالمعلومات غير المهمة، والمدخلات المباشرة عن طريق تقنية التشفير وفك التشفير التقليدية وليس فقط التعقيد مرتفعاً والوظيفة النظامية سيئة أيضاً.

بعد التعديل الهرمي “M-QAM” لا يُقلل فقط درجة فك التشفير المعقدة للنظام بل يجعل أيضاً الوظيفة النظامية تحصل على رفع جيد هذه الطريقة للتصميم، كما يعتمد فك تشفير الاحتمالية القصوى وينفذ فك التشفير التكراري واحداً تلو الآخر إلى عدد “N” لإشارة “4-QAM”.

أهمية نظام M-QAM

يمكن تحقيق النقل الفعال للمعلومات بوضوح شديد في أنظمة الاتصالات العصرية وعادة ما يتم تشكيل الإشارات المرسلة باستخدام طرق تشكيل مختلفة، كما يُعد التعرف على التشكيل طريقة وسيطة يجب تحقيقها عادةً قبل إزالة تشكيل الإشارة وكشف المعلومات، وهو يمثل الميزة الأساسية في أنظمة الراديو الحديثة لإعطاء المعرفة حول إشارات التشكيل بدلاً من إزالة تشكيل الإشارة ويمكن استخدامه في فك تشفير التطبيقات المدنية والعسكرية على حد سواء مثل الراديو المعرفي.

وكذلك تحديد الإشارات وتقييم الخطر وتأثر الطيف والإدارة، ممّا يسمح باستخدام الطيف المتاح بكفاءة أكبر وزيادة سرعة نقل البيانات، وعلاوةً على ذلك يُعد تصنيف الإشارات غير المعروفة سلاحاً حاسماً في سيناريوهات الحرب الإلكترونية، كما يلعب نظام إدارة الدعم الإلكتروني دوراً أساسياً كمصدر للمعلومات مطلوب لإجراء قمع إلكتروني مضاد وتحليل التهديدات والتحذير والحصول على الهدف.

مبدأ عمل نظام M-QAM

يُعد حساب السمات المميزة لبيانات الإدخال قبل التصنيف جزءاً من التعقيد لطرق تصنيف التعديل التلقائي “AMC” الذي يتعامل مع تصنيف التعديل وكان يمثل مشكلة في التعرف على الأنماط، وعلى الرغم من أنّ الخوارزميات التي تركز على تعديل السعة التربيعي متعدد المستويات “M-QAM” والتي تقع أسفل سيناريوهات القناة المختلفة كانت مفصلة بشكل جيد.

كما أنّه تم إجراء عدد قليل من الدراسات حول تصنيف مخططات تعديل “M-QAM” عالية المستوى مثل “128-QAM” و”256-QAM” و”512-QAM” و”1024-QAM“، حيث يركز على التحقيق في القدرة القوية للخصائص اللوغاريتمية الطبيعية وإمكانية استخراج ميزات الترتيب العالي التراكمي “HOC” من بيانات الإدخال التي يتم تلقيها بشكل خام.

تم استخراج إشارات “HOC” تحت قناة الضوضاء الغوسية البيضاء المضافة “AWGN” بأربع معلمات فعالة تم تحديدها لتمييز أنواع التشكيل من المجموعة، وهي “4 QAM” إلى “QAM 1024″، كما يجعل هذا النهج أداة التعرف أكثر ذكاءً ويحسن معدل نجاح التصنيف، ومن نتائج المحاكاة التي تم تحقيقها في ظل النماذج الإحصائية للقنوات الصاخبة، أظهر أنّ تنفيذ الخوارزمية المعترف بها كان يتعرف في “M-QAM”.

علاوة على ذلك كانت معظم النتائج واعدة وأظهرت أنّ المصنف اللوغاريتمي يعمل جيداً على كل من “AWGN” وقنوات التلاشي المختلفة، وأيضاً نظراً لأنّه يمكن أن يحقق معدل تعرف موثوقاً حتى مع نسبة إشارة إلى ضوضاء أقل أي أقل من الصفر، كما يمكن اعتباره نظاماً لتصنيف التعديل التلقائي المتكامل “AMC” من أجل تحديد الترتيب العالي لإشارات “M-QAM”، والتي طبق مصنفاً لوغاريتمياً فريداً ليمثل تنوعاً أعلى وبالتالي يتمتع بأداء متفوق عبر جميع الأعمال السابقة في نظام تحديد التعديل التلقائي

• “QAM” هي اختصار لـ “Quadrature Amplitude Modulation”.

• “AMC” هي اختصار لـ “Adaptive modulation and coding”.

• “HOC” هي اختصار لـ “high order Cumulative”.

تطبيقات نظام M-QAM

يوفر استخدام أنظمة التشكيل عالية المستوى ذات الكفاءة في عرض النطاق الترددي مثل تعديل اتساع التربيع “MQAM” ومتعدد الأطوار “MPSK”، جنباً إلى جنب مع شفرات “RS” كسباً كبيراً للتشفير على قنوات الخبو، كما تتوفر هناك معلمات التشكيل والتشفير المثلى لمخططات “MPSK” و”MQAM” المشفرة “RS”، حيث تخضع قناة الإرسال لخبو ريكي المسطح وتداخل النفاذ المتعدد بتقسيم الشفرات الممتد “CDMA-SS”.

أمّا بالنسبة لشفرات “RS” المحددة عبر “GF Mm” يتم تعيين الرموز المشفرة إلى نقاط إشارة مجموعة موسعة مع عدد أصل من “M”، بحيث يتكون كل رمز رمز “RS” من تسلسل رموز “mM-ary”، كما أن هناك اختياراً أمثل لـ “m” ممّا يقلل من معدل الخطأ في البتات، حيث يستخدم التقريب الغاوسي لاشتقاق تعبير بسيط عن احتمال الخطأ “Pc” باستخدام أكواد “RS”.

وأخيراً، يتم الحصول على معلمات التشكيل والتشفير المثلى التي تعمل على تحسين أداء خطأ البتات عن طريق ضبط المشتقات الجزئية لـ “Pc” على الصفر وحل المعادلات الناتجة، كما أنّ الاختيار الأمثل لمعلمات التشكيل والتشفير يعتمد على تداخل القناة وظروف الخبو. على الرغم من إمكانية استخدام التحليل الدقيق، إلّا أنّ النهج الحالي ينتج عنه حل عام ويمكن أن ترتبط معلمات التصميم المثلى بظروف القناة.

• “RS” هي اختصار لـ “Reed-Solomon”.

• “MPSK” هي اختصار لـ “Multi phase-shift keying”.

• “CDMA-SS” هي اختصار لـ “Spread Spectrum, Code Division Multiple Access”.