بعد تحديد الرؤية والأهداف العامة للشبكات اللاسلكية المستقبلية لعام 2020م وما بعده بدأت أنشطة التقييس لشبكات الجيل الخامس (5G) اللاسلكية، وعلى الرغم من أنه من المتوقع أن يعتمد راديو (5G) الجديد (NR) على أشكال موجية متعددة الإرسال (CP-OFDM) إلى جانب العديد من الأعداد الموجية، فإنّ كفاية (NR) المستندة إلى (CP-OFDM) أمر مثير للجدل تمامًا بسبب استمرار اتجاه النمو الهائل في عدد الأجهزة والتطبيقات اللاسلكية.

 

ما هو تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم GFDM

 

تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم (GFDM): هو مخطط متعدد الموجات المصفى للبنك (FBM) للاتصالات السلكية واللاسلكية، والذي يطبق تشكيل نبض طيفي على كل موجة حاملة فرعية لتقليل إشعاع خارج النطاق.

 

  • “FBM” هي اختصار لـ “Bank filtered multiband”.

 

  • “GFDM” هي اختصار لـ “Generalized Frequency – Division Multiplexing”.

 

  • “CP-OFDM” هي اختصار لـ “Cyclic-Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing”.

 

  • “NR” هي اختصار لـ “New Radio”.

 

أساسيات عمل GFDM

 

يجب أن تستمر الدراسات حول تقنيات الوصول إلى الراديو الجديدة (RAT) بما في ذلك أشكال الموجات المتقدمة وأنظمة الوصول إلى الراديو الأكثر مرونة للشبكات اللاسلكية المستقبلية، ويُعد تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم (GFDM) أحد الأشكال الموجية البارزة غير القائمة على (CP-OFDM)، ولقد حظيت مؤخرًا باهتمام كبير في مجال البحث نظرًا لخصائصها المفيدة لتلبية متطلبات الشبكات اللاسلكية المستقبلية.

 

تُعد التقنية متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) هي القدرة الرئيسية لمخطط الطبقة المادية لمطابقة المتطلبات المتوقعة للشبكات اللاسلكية المستقبلية بشكل مرضٍ، ومن ناحية أخرى فإن مفهوم تعديل الفهرس (IM) الذي يعتمد على نقل بتات معلومات إضافية من خلال مؤشرات كيانات إرسال معينة، هو تقنية ناشئة لتوفير طيف أفضل وكفاءة في استخدام الطاقة.

 

وإنّ الإطار يدمج (GFDM) مع مخططات (IM) الفضائية والتردد لتوفير (RATs) الجديدة المرنة والمتقدمة للشبكات اللاسلكية المستقبلية، حيث يتم توفير العديد من مخططات (MIMO-GFDM) من خلال الإطار المقترح ويتم تحليل أداء نسبة الخطأ في البتات، والتعقيدات الحسابية والكفاءات الطيفية، وبناءً على النتائج التي تم الحصول عليها يتم تقديم إرشادات لاختيار مخطط (MIMO-GFDM) المناسب مع مراعاة معيار الأداء المستهدف.

 

لقد تم إثبات أنّ الإطار المقترح لديه إمكانات قوية لهندسة بنية الترددات الفضائية وفقًا لظروف القناة وحالات الاستخدام، كما أنّه يوفر مرونة كبيرة يمكن ضبطها بسهولة لمعالجة معيار الأداء المطلوب، بحيث يتضمن الشبكات اللاسلكية (5G) و(GFDM) وتعديل الفهرس وأنظمة (MIMO) وتعديل الموجات الحاملة المتعددة وتصميم الطبقة المادية والتعديل المكاني التربيعي والتشكيل المكاني.

 

يتم توفير نماذج للإلغاء المسبق لتداخل الإشارة في تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم (GFDM)، حيث يُلغى تداخل الإشارة مسبقًا عند جهاز الإرسال، بحيث يتم ملاحظة إشارات تجريبية نظيفة في المستقبل ومن ثم تُستخدم لتقدير القناة. باستخدام طريقة إلغاء التداخل التجريبي (Pilot-IC)، كما يتم إلغاء التداخل مسبقًا عند الرموز التجريبية فقط.

 

بدلاً من ذلك يتم إلغاء التداخل مسبقًا في نفس الوقت عند جميع الرموز باستخدام طريقة (IC) المرسل (Tx-IC)، وتشمل التجسيدات أيضًا نثر الموارد على موارد التردد والوقت لتقدير القنوات التي تكون انتقائية للتردد ومتغيرة الوقت، كما تُستخدم بعد ذلك تقديرات القناة عند المستقبِل لمعادلة قناة الإسال المفرد عند نقاط بيانات شبكة التردد الزمني، حيث لا يلزم افتراض وجود قنوات غير متغيرة مع الوقت.

 

  • “RAT” هي اختصار لـ “Radio access technology”.

 

  • “IM” هي اختصار لـ “index modification”.

 

  • “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple-input-multiple-output”.

 

كيفية عمل GFDM

 

يستخدم (OFDM) في الاتصالات متعددة الموجات عريضة النطاق، ومع ذلك يعاني (OFDM) من إشعاع عالٍ خارج النطاق (OOB)، بسبب استخدام النبضات المربعة كدالة صادقة في مجال التردد، ونظراً لارتفاع (OOB) قد يكون لـ (OFDM) عيوب في بعض السيناريوهات مثل الاتصالات اللاسلكية الانتهازية، وبسبب تشكيل النبضة ، لم تعد الموجات الحاملة الفرعية في (GFDM) متعامدة وهناك تداخل جوهري في الإشارة.

 

يمكن استخدام معادلة القناة على أساس تحويل فورييه المنفصل (DFT) أو (IDFT) عبر رموز (GFDM) والتي تكون عادة أطول من رموز (OFDM)، وهذا يسبب تأخيرات طويلة في إرسال الرمز وعلاوة على ذلك يفترض استخدام (DFT / IDFT) أنّ القناة غير متغيرة مع الوقت، كما قد لا يكون هذا الافتراض دقيقًا ممّا يؤثر على الدقة في معادلة القناة وبالتالي يؤثر على جودة الاتصالات، وعلاوة على ذلك لا توجد طريقة حالية لتقدير القناة في (GFDM)، وبالتالي هناك حاجة لتقدير القناة وتحسين التعادل لـ (GFDM).

 

كما تتضمن الطريقة التي ينفذها مكون المرسل لتمكين تقدير القناة لإشارات تعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم (GFDM) في شبكة تخصيص رموز تجريبية عبر موارد التردد والوقت، وحساب التداخل من البيانات عند الطيار حرف او رمز، وتتضمن الطريقة كذلك إلغاء التداخل المسبق للرموز التجريبية وإرسال الرموز التجريبية ورموز البيانات عبر موارد التردد والوقت.

 

يشتمل مكون جهاز الإرسال الذي تم تكوينه لتمكين تقدير القناة لإشارات (GFDM) في الشبكة على معالج واحد على الأقل ووسط تخزين قابل للقراءة بالكمبيوتر؛ لتخزين البرمجة للتنفيذ بواسطة معالج واحد على الأقل.

 

تتضمن البرمجة تعليمات؛ لتخصيص الرموز التجريبية على موارد التردد والوقت وحساب تداخل البيانات عند الرموز التجريبية، كما يتم تشكيل مكون المرسل بشكل إضافي لإلغاء التداخل المسبق للرموز الدليلية وثم تُرسل الرموز التجريبية ورموز البيانات للقنوات عبر موارد التردد والوقت.

 

تتضمن الطريقة التي ينفذها مكون المستقبل لتقدير القناة لإشارات (GFDM) في شبكة استقبال الرموز التجريبية ورموز البيانات لإشارات (GFDM)، ويتم توزيع الرموز التجريبية في كل من موارد التردد والوقت وعلاوة على ذلك يُلغى التداخل الخاص بالرموز الدليلية مسبقًا في المرسل، كما تتضمن الطريقة كذلك تقدير القنوات المرتبطة بالرموز الدليلية.

 

  • “OOB” هي اختصار لـ “Out-Of-Band”.

 

  • “DFT” هي اختصار لـ “Discrete Fourier Transform”.

 

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

 

  • “IDFT” هي اختصار لـ “Inverse Discrete Fourier Transform”.

 

سمات عمل GFDM

 

في (GFDM) يتم ترشيح شبكة البيانات ذات التردد الزمني وتشكيلها وعلى سبيل المثال ترشيحها في اتجاه الوقت ثم تعديلها لكل تردد موجة حاملة فرعية، ومع ذلك نظراً لتشكيل النبض لم تعد الحاملات الفرعية في (GFDM) متعامدة وهناك تداخلات مستحثة ذاتيًا، وعادةً ما تتم معالجة هذه المشكلة من خلال تصميم جهاز استقبال يمكنه إلغاء مثل هذه التداخلات.

 

علاوة على ذلك لمعالجة حالة قنوات الخبو متعدد المسيرات وتُستخدم تسوية القناة القائمة على (DFT / IDFT) عبر رمز (GFDM) في ظل افتراض القناة الثابتة مع الوقت بافتراض معرفة القناة، ومع ذلك لا يوجد مخطط فعال لتقدير القناة متاح من أجل (GFDM)، ولا يوجد حل لمعادلة القناة للخبو المتغير بمرور الوقت ضمن رمز (GFDM).

 

يتم توفير نماذج لتنفيذ تقدير القناة لتعدد الإرسال بتقسيم التردد المعمم (GFDM)، بحيث تشمل عند جهاز الإرسال والتداخل ذو القيمة المعقدة المتأصل في (GFDM) بسبب تشكيل النبضة، بحيث يمكن ملاحظة الطيارين النظيفين عند المستقبل واستخدامهم لتقدير القناة، كما يتم أيضاً استخدام معادلة قناة بنقرة واحدة في نقاط بيانات شبكة التردد الزمني، حيث لا يلزم افتراض وجود قنوات ثابتة للوقت.

 

كما يتم توفير طريقتين بديلتين لتقدير القناة. في الطريقة الأولى والمشار إليها  باسم إلغاء التداخل التجريبي (Pilot-IC)، يتم إلغاء التداخل مسبقًا عند الرموز التجريبية فقط وفي طريقة ثانية يشار إليها باسم مرسل IC (Tx-IC)، ويتم إلغاء التداخل مسبقًا في نفس الوقت عند جميع الرموز ثم يمكن استخدام الرموز التجريبية المعروفة فقط لتقدير القناة عند المستقبل.

 

تشمل أيضًا نثر الكتل على موارد التردد والوقت لتقدير القنوات التي تكون انتقائية للتردد ومتغيرة الوقت، كما تُستخدم تقديرات القناة بعد ذلك لمعادلة قناة الإرسال الفردي في نقاط بيانات شبكة التردد الزمني، حيث لا يلزم افتراض وجود قنوات غير متغيرة مع الوقت.