ما هو نظام انتقال الوقت الفاصل في الاتصالات TTI

يهدف التطور طويل الأمد (LTE) لتقنية الوصول إلى الراديو (3GPP) إلى تطوير إطار عمل نحو تقنية وصول لاسلكي ذات معدل بيانات مرتفع وزمن وصول منخفض ومُحسّن للحزم، كشبكات الوصول إلى الراديو الأرضية العالمية المتطورة (E-UTRAN)، والوصول المتعدد للوصلة الصاعدة هو (Single Carrier FDMA) من أجل تحسين استهلاك طاقة الجهاز.

أساسيات نظام انتقال الوقت الفاصل TTI

كان هناك في الأصل هيكلين رتل ازدواج تقسيم الوقت (TDD) بطول الفاصل الزمني للإرسال (TTI) في (E-UTRAN) وبعد ذلك تم اعتماد هيكل رتل (TDD) جديد، ويُعد بروتوكول نقل الصوت عبر الإنترنت (VoIP) أحد أهم الخدمات لشبكات الاتصالات اللاسلكية المستقبلية، كما يتكون الفاصل الزمني للإرسال (TTI) من رموز (OFDM) متتالية في المجال الزمني في اتجاه إرسال معين، ومن خلال الجمع بين عدد مختلف من الرموز يمكن الحصول على فترات مختلفة من (TTI).

في مجال التردد يُسمح بأرقام مختلفة تتوافق مع تباعد الموجات الحاملة الفرعية (SCS)، بحيث تعمل (SCS) الأعلى على تقصير مدة الرمز وبالتالي تقصير (TTI)، كما تحدد مجموعة من علم الأعداد و(TTI) عدد وحدات البت وبأي طريقة يتم إرسالها على الواجهة الهوائية، وبالمقارنة مع (LTE) تعمل (5G NR) على تحسين تصميم (TTI) نحو زمن وصول أقل واستخدام أكثر كفاءة لموارد الراديو، بالنسبة لحالة استخدام اتصالات (5G) فائقة الموثوقية وذات زمن الانتقال المنخفض (URLLC) التي تغطي السيارات بدون سائق والاستجابة للكوارث، وأتمتة المصانع يُعد زمن الوصول المنخفض أمرًا ضروريًا.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long-Term-Evolution” و”3GPP” هي اختصار لـ “3rd-Generation-Partnership-Project”.

• “TTI” هي اختصار لـ “Transmission-Time-Interval” و”URLLC” هي اختصار لـ “Ultra-reliable-low-latency-communication”.

• “SCS” هي اختصار لـ “Sub-carrier-spacing” و”VoIP” هي اختصار لـ “Voice-over-Internet-Protocol”.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing” و”E-UTRAN” هي اختصار لـ “Evolved-Universal-Terrestrial-Radio-Access-Network”.

كيف يقارن تصميم TTI في 5G بشبكة 4G LTE

في (4G / LTE) يكون (TTI) ثابتًا عند (1 مللي ثانية) ويتألف من 14 رمز (OFDM)، وهذا هو وقت الإرسال فقط على الواجهة الهوائية، وتشمل مكونات التأخير الأخرى تأخير المعالجة في المحطة الأساسية و(UE) وإعادة إرسال (HARQ)، وفي الإرسال يؤدي تقديم طلب الجدولة وانتظار المنحة إلى زيادة التأخير وكما أنّ تقديرات التأخير في اتجاه واحد بافتراض أنّ معدل خطأ الكتلة بنسبة (10%) هو (4.8 مللي ثانية DL) و (11.3 مللي ثانية UL)، وهذا تأخير كبير لحالة استخدام (URLLC).

في (TDD-LTE) يُسمح فقط بـ (TTI) المختصر المكون من (7 رموز)، ويحدد الإصدار أيضًا كيف يمكن تقصير أوقات المعالجة، وكان إجراء هذه التغييرات على (LTE) يمثل تحدياً نظرًا لمتطلبات التوافق مع الإصدارات السابقة أي أنّ (UEs) التي لا تدعم (TTI) المختصر يجب أن تتعايش مع تلك التي تفعل ذلك.

يشتمل تصميم (5G) على (TTI) القابل للتطوير والذي يتوافق مع فترات الفتحات من (62.5 مللي ثانية) إلى (1 مللي ثانية)، وتشكل واحدة أو أكثر من الفتحات المتتالية المخصصة إما لـ (DL) أو (UL TTI) ويشتمل (5G) أيضًا على عمليات نقل ذات فتحة صغيرة، والتي تشبه ما يطلق عليه (LTE) اختصارًا لـ (TTI).

• “HARQ” هي اختصار لـ “Hybrid-automatic-repeat-request”.

• “TDD” هي اختصار لـ “Time-Division-Duplexing”.

تصميم TTI القابل للتطوير لشبكة 5G NR

باستخدام (SCS) مختلف في (5G NR)، يمكن تكوين فترات الفتحات المختلفة و(TTI) وعلى سبيل المثال (15 كيلو هرتز SCS) مع 14 رمزًا تغطي الإطار الفرعي بأكمله يتوافق مع تكوين (LTE)، وعند (240 كيلو هرتز SCS) للتحكم فقط يتم ضغط 14 رمزًا في فتحة (62.5 ثانية)، و(120 كيلو هرتز) هو الحد الأقصى لـ (SCS) المسموح به للبيانات، ومن ثم فإنّ أقل فترة زمنية يمكن تحقيقها هي (125 ثانية) وعند (60 كيلو هرتز) هناك خيار لاستخدام بادئة دورية ممتدة (CP) وبالتالي قصر مدة الفتحة على 12 رمزًا.

مع زيادة (SCS) ينخفض (​​CP)، وهذا يعني أنّه في عمليات النشر، حيث يوجد تأخير طويل في الانتشار لن يوفر (CP) حماية كافية ضد التداخل بين الرموز (ISI)، وبالتالي فإنّ تقليل (TTI) عن طريق زيادة (SCS) ليس ممكنًا دائمًا، ولهذا السبب تتيح شبكة (5G NR) أيضًا عمليات النقل ذات الفتحات الصغيرة.

مع الفتحات الصغيرة يمكن أن يكون (TTI) صغيراً مثل 2 أو 4 أو 7 رموز، وعند (30 كيلو هرتز SCS) تكون الفترات المقابلة حوالي (70 ثانية) و(140 ثانية) و(250 ثانية)، وبالتالي يمكن تلبية حالة استخدام (URLLC) حتى في (SCS) أقل، وترسل الطبقة الفرعية (MAC) كتلة نقل (TB) إلى (PHY) لإرسال كل (TTI)، وفي الجانب المستلم لا تستطيع طبقة (MAC) معالجة السل حتى يتم استلامها بالكامل وفي الحالات القصوى يمكن أن يحتوي التدفق على أكثر من مليون بت.

لتوزيع المعالجة عبر الزمن تُقابل فنرات التشفير رموز (OFDM) مختلفة، ويمكن فصل المعالجة عن مدة (TTI)، ويمكن أن تبدأ المعالجة بمجرد تلقي كتلة التعليمات البرمجية وتحدث بالتوازي مع استقبال مجموعة التعليمات البرمجية التالي، وهذا ما يسمى معالجة خط الأنابيب وفي النهاية يقلل هذا من وقت المعالجة في جهاز الاستقبال، ويمكن معالجة خطوط الأنابيب لأن إرسال الإشارات المجال الزمني لم يتم وكما يتم ربط البتات بفترات الموارد على أساس التردد أولاً.

• “MAC” هي اختصار لـ “Media-Access-Control”.

ما هي تجميعات TTI في 5G NR

• يتم تجميع (TTI) عندما يتم إرسال نفس (TB) عبر (TTIs) متعددة، ويتم ذلك من أجل التكرار وزيادة فرصة انتقال العدوى بنجاح.

• بالنسبة لبعض الخدمات ذات الأهمية الزمنية مثل الصوت فإنّ إعادة إرسال (HARQ) المتأخرة ليست مفيدة، ومن خلال النقل الاستباقي لنسخ متعددة من نفس البيانات يتم تحسين الجودة.

• تقلل تجميع (TTI) عمليات إعادة الإرسال ووقت الذهاب والإياب، وقد يكون مفيدًا بالنسبة لتجهيزات المستخدم التي تمثل حافة الخلية.

• توجد حزم (TTI) في (LTE) وليست جديدة على (5G NR).

تقنيات تصميم 5G NR التي تقلل من زمن الوصول TTI

• إلى جانب (TTI) الأقصر عبر علم الأعداد واستخدام (TTI) ذي الفتحات الصغيرة تشمل الطرق الأخرى لتقليل زمن الوصول فرص نقل التردد لتقليل وقت الانتظار، ووقت المعالجة الأقصر عبر معالجة خطوط الأنابيب ونقل (UL) بدون منح وهيكل إطار (TDD) المرن.

• يتم تحميل (DMRS) من الأمام أي أنّه يأتي في بداية الإطار، لذلك يمكن أن تبدأ تجهيزات المستعمل في تقدير القناة وفك تشفيرها في أقرب وقت ممكن.

• لتمكين ملاحظات (HARQ) السريعة تستخدم (5G NR) بنية إطار فرعي قائمة بذاتها، ويحتوي الإطار الفرعي على التحكم في DL وبيانات DL وفترة الحماية والتحكم في UL، وبالتالي يمكن إرسال (ACK / NACK) لبيانات DL في نفس الإطار الفرعي، ويوجد إطار فرعي مماثل قائم بذاته ومتمحور حول الوصلة الصاعدة.

• لتشفير القنوات يستخدم (5G NR) فحص التماثل منخفض الكثافة (LDPC)، ويحتوي (LDPC) على وحدة فك ترميز قابلة للتوازي بدرجة عالية وبالتالي تقليل وقت المعالجة.

ملاحظة:“DMRS” هي اختصار لـ “Demodulation-Reference-Signal” و”LDPC” هي اختصار لـ “Low-Density-Parity-Check-Coding”.

ملاحظة:“ACK / NACK” هي اختصار لـ “acknowledgment-negative acknowledgment” و”UL” هي اختصار لـ “Up-link”.