تندفع التقنيات الجديدة إلى حياتنا كل عام. حتى وقت قريب ، استخدمنا GSM ، والآن يطرق الجيل الخامس من معايير الاتصال أبوابنا ، مما يزيد من سرعة نقل البيانات ، ويقلل من تأخير إرسال الإشارة ، باستخدام MIMO إلى أقصى حد ومسح الطيف في نطاق تردد التشغيل. واليوم ، أريد أن أخبرك ما هي التغييرات التي طرأت على التعديل في الجيل الخامس من معيار الاتصال ، وكيف بدأ استخدام GFDM بدلاً من OFDM ، وما الفرق بينهما.
قائمة الاختصاراتOFDM
GFDM
PAPR Peek-to-Average Power Ratio
Pulse shaping filter —
Raised cosine filter — :
Root-raised cosine filter — :
مقدمة OFDM
كيف يعمل
أولاً ، سأتحدث قليلاً عن OFDM أو مضاعفة تقسيم التردد المتعامد التي تم استخدامها في 4G.في أنظمة إرسال البيانات ، هناك ثلاثة أنواع من فصل القنوات: الوقت والتردد والرمز. يمثل OFDM تعدد الإرسال بتقسيم التردد. ينطوي تقسيم التردد على القنوات على مخطط التشغيل التالي: يقسم المرسل تدفق البيانات إلى N تيارات متوازية ويرسل كل دفق عند بعض التردد الثابت (الناقل الفرعي). من المعروف أن الموجات الحاملة الفرعية نفسها متعامدة مع بعضها البعض ، أي لا يمكن أن يؤثر الناقل الفرعي رقم 1 بأي حال من الأحوال على الناقل الفرعي رقم 2. ومع ذلك ، فإننا نرسل الرموز على كل موجة حاملة فرعية وكل رمز يشغل نطاق التردد الخاص به. دعونا نلقي نظرة على طيف الرمز والإشارة المرسلة.
كما ترى ، يتحرك طيف الرمز إلى تردد الموجة الحاملة الفرعية التي يرسلها. هنا نصل إلى مشكلة أساسية. إذا كان الرمز محدودًا في الوقت المناسب ، فإنه يحتل منطقة لا نهائية من الطيف. وهذا يعني أن البيانات الواردة في الحامل الفرعي رقم 1 ورقم 2 ستتداخل الآن وتتداخل مع بعضها البعض. من غير المجدي نقل حرف واحد لفترة طويلة بلا حدود ، لأننا بحاجة إلى الحصول على المعلومات بأسرع ما يمكن ، مما يعني أننا لن نتمكن من تجنب التأثير المتبادل بين شركات النقل الفرعية. ومع ذلك ، يمكننا تقليله باستخدام تقنيات مختلفة.
يستخدم OFDM إحدى هذه التقنيات. دعونا نلقي نظرة فاحصة على الطيف أعلاه. يأخذ الطيف على كل موجة حاملة فرعية قيمة صفرية مع تواتر معين ؛ علاوة على ذلك ، يعتمد التواتر على مدة الرمز.بعد ذلك ، من خلال تحديد مدة رمز ثابتة ، يمكننا تحديد الموجات الحاملة الفرعية بحيث يكون التراكب للإشارة من الموجة الحاملة الفرعية رقم 1 ورقم 3 في الحامل الفرعي 2. سيكون التأثير بين القنوات ضئيلًا أيضًا. ويرد أدناه طيف نموذجي من بيانات الموجات الحاملة الفرعية في OFDM. كما ترون ، فإن القيمة الصفرية للطيف لكل موجة حاملة فرعية تقع عند النقطة التي تكون فيها قيم الموجات الحاملة الفرعية القصوى.
المساوئ
الحل جيد حقا ومثير للاهتمام ، ولكن للأسف هناك دائما بعض "الاستثناءات". وهنا أول "لكن" هو انتشار إشارة تعدد المسيرات. بتعبير أدق ، سعر القضاء على نفوذها. يجعل OFDM من الممكن تقليل التداخل بين الرموز باستخدام البادئة الدورية ، وكلما زاد عدد مكونات تعدد المسارات ، زادت أيضًا مدة البادئة الدورية. تقع البادئات الدورية بين جميع الأحرف في المجال الزمني. هذا يعني أنه على سبيل المثال ، لمدة ثانية واحدة من إجمالي وقت تشغيل النظام ، سترسل معلومات لمدة 0.5 ثانية ، وستستغرق البادئات الدورية 0.5 ثانية. هل توافق على عدم الكفاءة؟ أود استخدام موارد الراديو إلى أقصى حد.
العيب الثاني هو إشعاع خارج النطاق. يحدث هذا عندما يزحف نظامك قليلاً فوق نطاق التردد المسموح به. كما كتبت سابقًا ، من المستحيل تجنب ذلك. ومع ذلك ، كلما قل مقدار البث خارج النطاق ، كلما كان النظامان المختلفان أقرب إلى التردد ، وسيتم استخدام المورد الراديوي بكفاءة أكبر. مع القيمة المتزايدة لموارد الراديو ، يصبح هذا أمرًا بالغ الأهمية.العيب الثالث يأتي من حصانة الإشارة. تذكر ، يتم توزيع إشارتنا بالتساوي على الطيف ، حيث يأخذ كل ناقل فرعي قيم طور عشوائية مع احتمالية متساوية. في بعض التقريب ، ستكون كثافة الاحتمال مشابهة للكثافة الطبيعية ، مثل التوزيع الغوسي. إذاً ، ما السيء ، كما تقول ، لأنه الآن لا يمكن تمييز إشارتنا عن الضوضاء. ليس بهذه البساطة. كما نتذكر ، فإن كثافة احتمال الضوضاء الغوسية تكمن من ناقص اللانهاية إلى اللانهاية. في إشارة خرج حقيقية ، يؤدي ذلك إلى زيادة في PAPR أو نسبة اتساع الإشارة القصوى إلى المتوسط. هذا يزيد من تكلفة مراحل خرج مكبر الصوت ويدخل تشويه إشارة الخرج الحقيقية. فيما يلي مثال لإشارة OFDM بحجم فدرة كبير للإحصاءات. توضح الصورة اليسرى المراحل الأولية عند كل تردد.توضح المراحل أنه تم استخدام تعديل QPSK. تم إنشاء البيانات على الأرجح بنفس القدر. يمكننا أن نقول من الصورة في المركز أن قوة الموجات الحاملة الفرعية متساوية مع بعضها البعض. يوضح الرسم البياني الصحيح أن كثافة الاحتمال للبيانات عند إخراج جهاز الإرسال تميل إلى الوضع الطبيعي ، والنطاق الديناميكي هو 100 ديسيبل. هذه قيمة كبيرة إلى حد ما ، والتي يمكن أن تؤثر على سعر المعدات.
GFDM وتقنياتها
GFDM في الجيل الخامس من المعيار ويحاول حل هذه المشاكل. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح GFDM بالاستخدام الانتقائي للحاملات الفرعية إذا كانت مشغولة بالفعل من قبل نظام آخر. يعتمد GFDM أيضًا على مفهوم الموجات الحاملة الفرعية ، مع بعض الإضافات. لزيادة كفاءة استخدام الموارد الراديوية ، يتم إرسال البيانات في مجموعات سواء في التردد (في OFDM) وفي الوقت المناسب. وفقًا لذلك ، يقع فاصل الحراسة في نهاية كل كتلة ، مما يلغي التداخل بين الكتل ، ولكن ليس بين الأحرف في الكتلة.
هنا يكمن الفرق الرئيسي بين GFDM. للقضاء على التداخل بين الرموز ، يتم استخدام مرشحات "تشكيل النبض" في الوحدة. يتم الآن تمثيل كل حرف في المجال الزمني كدالة معينة. تستهلك هذه الوظيفة كتلة البيانات بأكملها في الوقت المناسب ، ولكنها تقلل من التداخل بين القنوات وبين الرموز.يتم استخدام ثلاثة أنواع من المرشحات بشكل أساسي: مرشحات "sin" و "جيب التمام المرتفع" و "جيب التمام المرفوع من الجذر". يستخدم المرشح الصادق دالة sinx / x كأساس للحرف. كما اتضح ، إذا قمت بتعيين الدالة صاد كرمز ، فسيكون عرضه في مجال التردد قريبًا من المستطيل قدر الإمكان ، مما يعني أنه يقلل من التداخل بين القنوات. علاوة على ذلك ، في المجال الزمني ، لن تؤثر الرموز على بعضها البعض في وقت أخذ العينات.
ومع ذلك ، هذا ليس فعالًا بما فيه الكفاية وتم استخدام مرشحات جيب التمام المرتفعة. تشبه هذه المرشحات "تشكيل النبض" ، ولكنها تعمد إدخال تداخل بين الرموز وتنظيم مستواه. تحتوي مرشحات "جيب التمام المرتفع للجذر" على متغير واحد يسمى ألفا يتحكم في مستوى التداخل بين الرموز. فيما يلي عرض لمقارنة أنماط رموز المصدر (خصائص النبض) و "تشكيل النبض" و "جيب التمام المرتفع" مع تخطيطها لمجال التردد.
للوهلة الأولى ، يكون مرشح "جيب التمام المرتفع للجذر" أسوأ من "تشكيل النبض" ، ولكن في مقياس اللوغاريتم ، يكون معدل الاضمحلال أعلى لمرشح "جيب التمام المرفوع من الجذر". ويصل مرشح جيب التمام المرتفع إلى القيمة الرئيسية -60 ديسيبل بشكل أسرع.ومع ذلك ، لا شيء يأتي عبثا. ويلاحظ أن مرشح "جيب التمام المرتفع للجذر" يتمتع بقوة كبيرة بالقرب من تردد القطع وهذا يؤثر على عدد الأخطاء أثناء تشغيل النظام. فيما يلي اعتماد عدد الأخطاء على قيمة معلمة ألفا للمستقبل بناءً على أسلوب المربعات الصغرى أو المصفوفة الزائفة. مع زيادة ألفا ، يزداد عدد الأخطاء ، مما يعني انخفاض جودة الاتصال. للحد من هذا التأثير ، تم تطوير طرق لقمع التداخل ، على سبيل المثال ، إلغاء التداخل من جانب مزدوج ، مما يقلل من عدد الأخطاء إلى مستوى OFDM تقريبًا.
انظر إلى استجابة التردد أدناه ، أي مستوى البث خارج النطاق. كما ترون ، يقلل GFDM من البث خارج النطاق إلى -60 ديسبل بشكل أسرع ، مما يعني أنه يتم استخدام الموارد اللاسلكية بشكل أكثر كفاءة معها. علاوة على ذلك ، لدى المشغل خيار بين الكفاءة في الموارد اللاسلكية وعدد الأخطاء. سيكون لهذا الحل الوسط حل مختلف لكل مشغل.
اليوم أعتقد أن لديك معلومات كافية. في المرة القادمة ، سأتحدث عن كيفية تطبيق الموترين لوصف تعديل GFDM في أطروحة الماجستير ، ووصف مصفوفة التعديل من خلال إحدى عمليات الموتر ، وحول تقنية تقدير القناة من خلال الرموز المعروفة في كتلة البيانات. بالإضافة إلى ذلك ، ربما سأتحدث عن تقنية الحد من PAPR المثيرة للاهتمام المستخدمة حاليًا.المرجعM. Matthe, N. Michailow, and I.Gaspar, \Gfdm for 5g cellular networks," IEEE transactions on commenications vol 62, 2014.
M. Matthe, N. Michailow, and G. Fettweis, \Influense of pulse shaping on bit-error rate
performance and out of band radiation of gfdm," ICC 14 WS 5G, 2014.
G. Fettweis, M. Krondorf, and S. Bittner, \Gfdm — generalized frequency division multiplexing," Vehicular Technology Conference, 2009. VTC Spring 2009. IEEE 69th, 2009.
B. M. Alves, L. Mendes, D.A.Guimaraes, and I. Gaspar, \Performance gfdm over frequency selective channels," Revista Telecemunicationes vol 15, Dec 2013.