الوصول المتعدد المتعامد بتقسيم التردد OFDMA

تتطلب أنظمة الاتصالات الرقمية أن تعمل كل قناة بتردد معين وبعرض نطاق محدد، حيث تطورت أنظمة الاتصالات بحيث يمكن توصيل أكبر كمية من البيانات من خلال نطاق تردد محدود، كما أنّ التطور الأخير لأنظمة الاتصالات إلى استخدام آليات مختلفة من أجل الاستخدام الفعال للطيف الترددي، وبشكل أكثر تحديداً يمكن لتعدد إرسال بتقسيم التردد “FDM” وتعدد إرسال بتقسيم متعامد للتردد “OFDM” استخدام طيف التردد بشكل فعال.

ما هو الوصول المتعدد المتعامد بتقسيم التردد OFDMA

الوصول المتعدد المتعامد بتقسيم التردد “OFDMA”: هو البديل متعدد المستخدمين لنظام “OFDM“، حيث يتم تحقيق نفاذ متعدد من خلال تخصيص مجموعات فرعية من موارد التردد الزمني لمستخدمين مختلفين، ممّا يسمح بنقل البيانات المتزامن من عدة مستخدمين.

• “OFDMA” هي اختصار لـ “Orthogonal-frequency-division-multiple-access”.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal-frequency-division-multiple”.

• “FDM” هي اختصار لـ “Orthogonal-frequency-division”.

أساسيات الوصول المتعدد المتعامد بتقسيم التردد

في “OFDMA” تكون الموارد الراديوية مناطق ثنائية الأبعاد بمرور الوقت أي عدد صحيح من رموز “OFDM” وتردد أي عدد من الموجات الحاملة الفرعية المتجاورة أو غير المتجاورة، وعلى غرار “OFDM” يستخدم “OFDMA” العديد من الموجات الحاملة الفرعية المتقاربة التي يتم تقسيمها إلى مجموعات من الموجات الحاملة الفرعية، حيث تسمى كل مجموعة فترة مورد، كما يشار إلى تجميع الموجات الحاملة الفرعية في مجموعات من فدرات الموارد على أنها قنوات فرعية.

لا يلزم أن تكون الموجات الحاملة الفرعية التي تشكل كتلة مورد متجاورة مادياً، وفي الوصلة الهابطة قد يتم تخصيص كتلة موارد لمستخدمين مختلفين، وفي الوصلة الصاعدة قد يتم تعيين مستخدم لواحدة أو أكثر من كتل الموارد، كما تحدد القناة الفرعية القنوات الفرعية التي يمكن توزيعها على المحطات المتنقلة حسب ظروف القناة ومتطلبات الخدمة.

وباستخدام القناة الفرعية في نفس الفترة الزمنية أي عدد صحيح من رموز “OFDM” يمكن لنظام “OFDMA” تخصيص قدر أكبر من قدرة الإرسال لأجهزة المستخدم، وذات نسبة الإشارة إلى الضوضاء “SNR” المنخفضة والطاقة الأقل لأجهزة المستخدم ذات نسبة الإشارة إلى الضوضاء “SNR” الأعلى، كما تمكّن القناة الفرعية المحطة الأساسية من تخصيص قدرة أعلى للقنوات الفرعية المخصصة للمطاريف المتنقلة الداخلية ممّا يؤدي إلى تغطية داخلية أفضل.

• “SNR” هي اختصار لـ “signal-to-noise-ratio”.

أنواع الموجات في OFDMA

وفي “OFDMA” يتكون رمز “OFDM” من موجات حاملة فرعية ويحدد عددها بحجم “FFT” هناك العديد من أنواع الموجات الحاملة الفرعية:

• تُستخدم الموجات الحاملة الفرعية للبيانات لنقل البيانات.

• تُستخدم الموجات الحاملة الفرعية للإشارة التجريبية أو المرجعية لتقدير القنوات والكشف المتماسك.

• الموجات الحاملة الفرعية الفارغة التي لا تُستخدم في إرسال الدليل أو البيانات.

ملاحظة:“FFT” هي اختصار لـ “Fast-Fourier-transform”.

تطور عمل OFDMA

يتم استخدام الموجات الحاملة الفرعية الخالية بما في ذلك الموجة الحاملة الفرعية لنطاقات الحراسة ودائماً ما يكون عدد الموجات الحاملة الفرعية المستخدمة أو المشغولة أقل من حجم “FFT”، وتُستخدم نطاقات الحراسة للسماح بتقاسم الطيف، ولتقليل تداخل القناة المجاورة والبث خارج النطاق كما يتم اختيار تردد أخذ العينات ليكون أكبر من عرض النطاق الترددي للقناة أو مساوياً له.

دائماً ما يكون عدد عينات الوقت في الإطار الراديوي عدداً صحيحاً ولزيادة تبسيط تصميم مرشح الإرسال التماثلي، يتم قياس تردد أخذ العينات بعامل أكبر من واحد وعلى سبيل المثال في “LTE” يكون تردد أخذ العينات لعرض نطاق “20 30.72 ميجاهيرتز”.

يُعد الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد “OFDMA” إحدى ميزات “Wi-Fi 6 (802.11ax)” التي تسمح لنقاط الوصول بخدمة عملاء متعددين في نفس الوقت، ويتبع “OFDMA” مجموعة من القواعد التي تم إنشاؤها لنقل البيانات بين أكثر من طرف واحد أي جهاز في نهاية قناة الإرسال، مثل جهاز كمبيوتر أو هاتف عبر وسيط إرسال مثل شبكة لاسلكية.

ومثال على كيفية عمل “OFDMA” هو عندما يرسل هاتفان البيانات عبر نفس خط الهاتف، ويمكن تخصيص فترة زمنية لكل هاتف، وسوف يتناوبون في إرسال إشاراتهم عبر الخط في كل فترة زمنية محددة، ومع ذلك فإنّ هذه الأطر الزمنية صغيرة بشكل غير محسوس ممّا يجعل نقل البيانات يبدو وكأنّه يحدث في وقت واحد وبسلاسة.

و”OFDMA” هو نسخة محدثة من تكنولوجيا تعدد الإرسال بتقسيم التردد “FDM” المستخدمة لتقسيم حزم المعلومات إلى نطاقات منفصلة تحملها إشارات منفصلة، وهذا الشكل من الاتصالات هو ترقية توازي تبديل مشغلي الإنترنت إلى شبكة “Wi-Fi 6” اللاسلكية، بالإضافة إلى ترقية شركات الهاتف إلى “4G” و “5G LTE”، وبدلاً من التشكيل التماثلي التقليدي المستخدم في تعدد الإرسال يستخدم OFDMA موجات الإشارة الحاملة، وتسمى الموجات الحاملة الفرعية ولتحريك أجزاء صغيرة من المعلومات بطريقة أكثر انسيابية.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long-Term-Evolution”.

عيوب OFDMA

• إنّ تنوع الترددات مشروط بكيفية تخصيص الموجات الحاملة الفرعية للمستخدمين، وبالتالي يمكن أن تصبح معقدة للغاية.

• يتطلب طاقة إضافية لأنه دائمًا قيد التشغيل وجاهز لإرسال الإرسال.

• لديه حساسية أعلى من أنواع القنوات الأخرى.

معوقات OFDMA

أصبحت الاتصالات الخضراء التي تتطلب الحد الأقصى من الحد من استهلاك الطاقة حاجة قوية لتصميمات النظام اللاسلكي الجديد بسبب العدد المتزايد الهائل لاشتراكات الهاتف المحمول، وبالتالي تُعد مشكلة تعظيم كفاءة الطاقة “EE” للشبكات الخلوية متعددة المدخلات ذات الناتج الفردي المتعامد بتقسيم التردد المتعامد “MISO-OFDMA” مشكلة صعبة، كما يتم تعريف مشكلة تعظيم كفاءة الطاقة “EE” لنموذج اتصال الوصلة الهابطة من خلال مراعاة قيود قدرة الإرسال الكلية وقدرة الدائرة.

يتم أيضاً حساب قيود جودة الخدمة “QoS” التي تضمن الحد الأدنى لمتطلبات معدل البيانات للمستخدمين، وتنتمي المشكلة إلى فئة مشكلة البرمجة غير الخطية ذات الأعداد الصحيحة المختلطة “MINLP” وبالتالي فهي “NP-hard”، وللتعامل مع هذا التعقيد تم اعتماد خوارزمية تخصيص الموارد من خطوتين، والتي تحتوي على خوارزمية تخصيص قناة فرعية إرشادية وخوارزمية تخصيص الطاقة التكرارية مع التقارب السريع بناءً على طريقة “Dinkelbach”.

• “QoS” هي اختصار لـ “Quality-of-Service”.

• “EE” هي اختصار لـ “Energy-Efficiency”.

مزايا OFDM

يتم تنفيذ تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد بشكل شائع في العديد من بروتوكولات الاتصالات الناشئة لأنّه يوفر العديد من المزايا على نهج “FDM” التقليدي لقنوات الاتصالات، كما تسمح أنظمة “OFDM” بكفاءة طيفية أكبر وتقليل التداخل بين الرموز “ISI” والمقاومة للتشوه متعدد المسارات.

1- الكفاءة الطيفية

• في نظام “FDM” التقليدي يتم تباعد كل قناة بحوالي “25%” من عرض القناة.

• يتم ذلك لضمان عدم تداخل القنوات المجاورة.

2- تقليل تداخل الرموز ISI

• في أنظمة الموجات الحاملة الأحادية، غالباً ما يحدث التداخل بين الرموز من خلال الخصائص متعددة المسارات لقناة اتصالات لاسلكية.

• كما أنّه عند إرسال موجة كهرومغناطيسية على مسافة طويلة تمر الإشارة عبر مجموعة متنوعة من الوسائط المادية.

• ونتيجة لذلك تحتوي الإشارة المستقبلة الفعلية على إشارة المسار المباشر المغطاة بانعكاسات إشارة ذات اتساع أصغر.

ملاحظة:“ISI” هي اختصار لـ “inter-symbol-interference”.

3- مقاومة التشوه متعدد المسارات

في الأنظمة اللاسلكية يكون هناك صعوبة لأنّ الإشارة المستقبلة يمكن أن تكون مشوهة قليلاً، وفي هذا السيناريو تصل إشارة المسار المباشر كما هو متوقع، لكنّ الانعكاسات المخففة قليلاً تصل لاحقاً في الوقت المناسب.

تشكل هذه الانعكاسات تحدياً لأنّها تتداخل مع الرموز اللاحقة المنقولة على طول المسار المباشر، وعادة ما يتم تخفيف انعكاسات الإشارة هذه من خلال مرشح تشكيل النبضة، والذي يخفف كلاً من مقاطع البداية والنهاية لفترة الرمز ومع ذلك تصبح هذه المشكلة أكثر أهمية عند معدلات الرموز المرتفعة، لأنّ الانعكاسات تشكل نسبة كبيرة من فترة الرمز فإنّ “ISI” ستكون كبيرة أيضاً.