تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد - OFDM

يستخدم تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) عدة ناقلات متقاربة مع كل منها بيانات معدل منخفضة للاتصالات المرنة حيث من المهم أن يكون لديك فهم أساسي لتعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) لأنّ هذه التقنية هي لبنة أساسية للعديد من مخططات التعديل الحالية، تعدد الإرسال بتقسيم متعامد للتردد (OFDM) هو شكل من أشكال شكل موجة الإشارة أو التضمين الذي يوفر بعض المزايا المهمة لوصلات البيانات.

ما هو تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد – Orthogonal Frequency Division Multiplexing؟

تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM): هو مخطط تعديل رقمي متعدد الموجات الحاملة يوسع مفهوم تشكيل الموجة الحاملة الفرعية باستخدام موجات حاملة فرعية متعددة داخل نفس القناة الفردية، وبدلاً من إرسال تدفق عالي السرعة من البيانات بحامل فرعي واحد، يستخدم (OFDM) عدداً كبيراً من الموجات الحاملة الفرعية المتعامدة المتقاربة التي يتم إرسالها بالتوازي.

يتم تشكيل كل موجة حاملة فرعية بنظام تعديل رقمي تقليدي، مثل (QPSK و16QAM) بمعدل رمز منخفض ومع ذلك، فإنّ الجمع بين العديد من الموجات الحاملة الفرعية يتيح معدلات بيانات مماثلة لخطط تشكيل الموجة الحاملة الواحدة التقليدية ضمن عروض نطاق مكافئة.

يتم استخدام (OFDM) في العديد من أحدث الأنظمة اللاسلكية ذات النطاق الترددي العريض ومعدل البيانات العالي بما في ذلك (Wi-Fi) والاتصالات الخلوية، وحقيقة أنّ (OFDM) يستخدم عدداً كبيراً من الموجات الحاملة حيث تحمل كل منها بيانات ذات معدل بتات منخفض، ممّا يعني أنّها مرنة للغاية في مواجهة تأثيرات الخبو والتداخل والمسيرات الانتقائية، فضلاً عن توفير درجة عالية من الكفاءة الطيفية.

وجدت الأنظمة المبكرة التي تستخدم (OFDM) أنّ المعالجة المطلوبة لشكل الإشارة كانت عالية نسبياً، ولكن مع التقدم التكنولوجي أصبح (OFDM) لا يمثل مشاكل قليلة من حيث المعالجة المطلوبة.

تُعد (OFDM) هو شكل من أشكال التضمين متعدد الموجات الحاملة حيث تتكون إشارة (OFDM) من عدد من الموجات الحاملة المشكّلة المتقاربة التباعد عند تطبيق تعديل أي شكل أي الصوت والبيانات وما إلى ذلك على ناقل حيث تنتشر النطاقات الجانبية على الجانبين، ومن الضروري أن يكون جهاز الاستقبال قادراً على استقبال الإشارة بالكامل حتى يتمكن من إزالة تشكيل البيانات بنجاح.

نتيجةً لذلك، عندما يتم إرسال الإشارات بالقرب من بعضها البعض يجب تباعدها بحيث يمكن للمستقبل فصلها باستخدام مرشح ويجب أن يكون هناك نطاق حماية بينهما، وهذا ليس هو الحال مع (OFDM) على الرغم من تداخل النطاقات الجانبية من كل ناقل، إلّا أنّه لا يزال من الممكن استقبالها بدون التداخل الذي قد يكون متوقعاً لأنّها متعامدة مع بعضها البعض حيث يتم تحقيق ذلك من خلال جعل تباعد الموجة الحاملة مساوياً لمقلوب فترة الرمز.

كيفية عمل OFDM:

تعتمد كيفية عمل (OFDM) على جهاز الاستقبال، وهذا بمثابة بنك من المستخلصات حيث يترجم كل ناقل وصولاً إلى (DC)، كما يتم دمج الإشارة الناتجة خلال فترة الرمز لإعادة توليد البيانات من ذلك الناقل وبنفس مزيل التضمين يزيل تضمين الناقلات الأخرى، ونظراً لأنّ المباعدة بين الموجات الحاملة التي تساوي مقلوب فترة الرمز تعني أنّه سيكون لها عدد كامل من الدورات في فترة الرمز وستكون مساهمتها صفراً أي لا توجد مساهمة تداخل.

يتمثل أحد متطلبات أنظمة الإرسال والاستقبال (OFDM) في أنّها يجب أن تكون خطية، ممّا يتسبب أي عدم خطي في حدوث تداخل بين الموجات الحاملة نتيجة لتشويه التضمين البيني، كما سيؤدي هذا إلى إدخال إشارات غير مرغوب فيها من شأنها أن تسبب تداخلاً وتضعف من تعامد الإرسال.

أمّا بالنسبة إلى المعدات التي سيتم استخدامها، تتطلب نسبة الذروة العالية إلى المتوسط ​​للأنظمة متعددة الموجات الحاملة مثل (OFDM) مكبر الصوت النهائي للتردد اللاسلكي على ناتج جهاز الإرسال ليكون قادراً على التعامل مع القمم بينما يكون متوسط ​​القدرة أقل بكثير وهذا يؤدي لعدم الكفاءة، وفي بعض الأنظمة تكون القمم محدودة على الرغم من أنّ هذا يؤدي إلى تشويه ينتج عنه مستوى أعلى من أخطاء البيانات، كما يمكن للنظام الاعتماد على تصحيح الخطأ لإزالتها.

تطوير OFDM:

برز استخدام (OFDM) والتضمين متعدد الموجات بشكل عام في المقدمة في السنوات الأخيرة لأنّه يوفر منصة مثالية لعمليات إرسال اتصالات البيانات اللاسلكي، ومع ذلك فقد تم التحقيق في مفهوم تقنية (OFDM) لأول مرة في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي أثناء البحث في طرق تقليل التداخل بين القنوات المتقاربة، بالإضافة إلى هذه المتطلبات الأخرى اللازمة لتحقيق نقل بيانات خالٍ من الأخطاء في ظل وجود تداخل وظروف انتشار انتقائية.

في البداية، كان استخدام (OFDM) يتطلب مستويات كبيرة من المعالجة وبالتالي لم يكن قابلاً للاستخدام العام حيث كان تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد (OFDM) إذاعة رقمية وهنا كان (OFDM) قادراً على توفير شكل موثوق للغاية لنقل البيانات عبر مجموعة متنوعة من ظروف مسير الإشارة، كما كان أحد الأمثلة هو الراديو الرقمي (DAB) الذي تم تقديمه في أوروبا وبلدان أخرى حيث كانت شركة الإذاعة النرويجية (NRK) هي التي أطلقت الخدمة الأولى في عام 1995م، وكما تم استخدام (OFDM) للتلفزيون الرقمي.

زادت قوة المعالجة في وقت لاحق نتيجة لارتفاع مستويات التكامل التي مكنت من النظر في (OFDM) لأنظمة الاتصالات المتنقلة (4G) التي بدأ نشرها عام 2009م، كما تم اعتماد (OFDM) لشبكة (Wi-Fi) ومجموعة متنوعة من أنظمة البيانات اللاسلكية الأخرى.

طبيعة البيانات في OFDM:

التنسيق التقليدي لإرسال البيانات عبر قناة راديو هو إرسالها بشكل تسلسلي أي بت واحد تلو الآخر، وهذا يعتمد على قناة واحدة وأي تداخل على هذا التردد الفردي يمكن أن يعطل الإرسال بأكمله حيث يعتمد (OFDM) نهجاً مختلفاً، كما تُرسل البيانات بالتوازي عبر مختلف الموجات الحاملة ضمن إشارة (OFDM) الإجمالية حيث يجري الانقسام إلى عدد من التدفقات الفرعية المتوازية، يكون معدل البيانات الإجمالي هو معدل الدفق الأصلي ولكن معدل كل من التدفقات الفرعية أقل بكثير ويتم تباعد الرموز في الوقت المناسب.

هذا يقلل من التداخل بين الرموز ويسهل تلقي كل رمز بدقة مع الحفاظ على نفس معدل النقل، ويعني انخفاض معدل البيانات في كل تدفق أنّ التداخل الناجم عن الانعكاسات أقل أهمية بكثير حيث يتم تحقيق ذلك عن طريق إضافة وقت نطاق الحرس أو فاصل الحراسة في النظام، ممّا يضمن ذلك أنّ يتم أخذ عينات البيانات فقط عندما تكون الإشارة مستقرة ولا تصل إشارات متأخرة جديدة من شأنها تغيير توقيت الإشارة وطورها.

يمكن تحقيق ذلك بشكل أكثر فاعلية في تيار فرعي منخفض معدل البيانات حيث تتوزيع البيانات عبر عدد كبير من الموجات الحاملة في إشارة (OFDM) له بعض المزايا الأخرى، ولا تؤثر القيم الصفرية الناتجة عن تأثيرات المسيرات المتعددة أو التداخل على تردد معين إلّا على عدد صغير من الموجات الحاملة ويتم استقبال الموجات المتبقية بشكل صحيح وباستخدام تقنيات تشفير الأخطاء، ممّا يعني إضافة المزيد من البيانات إلى الإشارة المرسلة فإنّه يمكّن من إعادة بناء العديد من البيانات التالفة أو جميعها داخل جهاز الاستقبال، كما يمكن القيام بذلك لأنّ شفرة تصحيح الخطأ ترسل في جزء مختلف من الإشارة.

الملامح الرئيسية لـ OFDM:

• الناقلات المتعددة تسمى الحاملات الفرعية تحمل تدفق المعلومات.
  
• الناقلات الفرعية متعامدة مع بعضها البعض.
  
• تتم إضافة فاصل حماية لكل رمز لتقليل انتشار تأخير القناة والتداخل بين الرموز.
  

مزايا OFDM:

• الحصانة من الخبو الانتقائي: تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لتعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد (OFDM) في أنّه أكثر مقاومة للخبو الانتقائي للتردد من أنظمة الموجة الحاملة الفردية؛ لأنّه يقسم القناة الكلية إلى إشارات متعددة ضيقة النطاق تتأثر بشكل فردي كقنوات فرعية خبو مسطح.
  
• المرونة في مواجهة التداخل: قد يكون التداخل الذي يظهر على القناة محدود النطاق الترددي وبهذه الطريقة لن يؤثر على جميع القنوات الفرعية، وهذا يعني أنّه لم يتم فقد كل البيانات.
  
• كفاءة الطيف: باستخدام موجات حاملة فرعية متداخلة متقاربة، فإنّ ميزة (OFDM) المهمة هي أنّه يستخدم الطيف المتاح بكفاءة.
  
• المرونة في (ISI): ميزة (OFDM) هي أنّها مرنة جداً للتداخل بين الرموز والأطر، ممّا ينتج هذا عن معدل البيانات المنخفض في كل من القنوات الفرعية.
  
• مقاومة تأثيرات النطاق الضيق: باستخدام تشفير وتشذير مناسبين للقناة، من الممكن استعادة الرموز المفقودة بسبب انتقائية تردد القناة والتداخل الضيق النطاق حيث لا تضيع كل البيانات.
  
• معادلة أبسط للقنوات: كانت إحدى المشكلات المتعلقة بأنظمة (CDMA) هي تعقيد معادلة القناة التي يجب تطبيقها عبر القناة بأكملها، وميزة (OFDM) هي أنّه باستخدام قنوات فرعية متعددة حيث يصبح معادلة القناة أبسط بكثير.
  

عيوب OFDM:

• نسبة ذروة إلى متوسط ​​قدرة عالية: إشارة (OFDM) لها ضوضاء مثل تغير الاتساع ولها مدى ديناميكي كبير مرتفع نسبياً أو نسبة ذروة إلى متوسط ​​القدرة حيث يؤثر هذا على كفاءة مضخم التردد اللاسلكي لأنّ مكبرات الصوت تحتاج إلى أن تكون خطية وأن تستوعب اختلافات السعة الكبيرة وهذه العوامل تعني أنّ مكبر الصوت لا يمكن أن يعمل بمستوى عالي الكفاءة.
  
• حساس لتخالف الموجة الحاملة وانجرافها: الحساسية لتخالف تردد الموجة الحاملة وانجرافها حيث أنّ أنظمة الموجة الحاملة الفردية أقل حساسية.
  

تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) اكتسب حضوراً هاماً في سوق اللاسلكي، وإنّ الجمع بين سعة البيانات العالية والكفاءة الطيفية العالية ومرونتها للتداخل نتيجة لتأثيرات المسارات المتعددة يعني أنّها مثالية لتطبيقات البيانات العالية التي أصبحت عاملاً رئيسياً في مشهد الاتصالات اليوم.