تقنية MIMO-OFDM

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تُعدّ تقنية الإرسال المتعدد بتقسيم التردد المتعامد متعدد المدخلات والمخرجات ( MIMO-OFDM ) واجهة البث اللاسلكي السائدة في اتصالات الجيل الرابع والخامس ذات النطاق العريض . تجمع هذه التقنية بين تقنية الإرسال المتعدد بتقسيم التردد المتعامد متعدد المدخلات والمخرجات ( MIMO )، التي تُضاعف السعة عن طريق إرسال إشارات مختلفة عبر هوائيات متعددة، وتقنية الإرسال المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDM)، التي تُقسّم قناة الراديو إلى عدد كبير من القنوات الفرعية المتقاربة لتوفير اتصالات أكثر موثوقية بسرعات عالية. وقد أظهرت الأبحاث التي أُجريت في منتصف التسعينيات أنه على الرغم من إمكانية استخدام تقنية MIMO مع واجهات بث لاسلكي شائعة أخرى مثل تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA) وتقنية الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA)، إلا أن الجمع بين تقنيتي MIMO وOFDM يُعدّ الأكثر عملية عند معدلات نقل البيانات العالية.

تُعدّ تقنية MIMO-OFDM أساسًا لمعظم معايير الشبكات المحلية اللاسلكية ( WLAN ) وشبكات النطاق العريض المتنقلة الأكثر تطورًا ، نظرًا لقدرتها على تحقيق أعلى كفاءة طيفية ، وبالتالي توفير أعلى سعة وأعلى معدل نقل بيانات. ابتكر جريج رالي تقنية MIMO عام 1996 عندما بيّن إمكانية إرسال تدفقات بيانات مختلفة في الوقت نفسه وعلى التردد نفسه، مستفيدًا من ارتداد الإشارات المرسلة عبر الفضاء عن الأجسام (كالأرض) وسلكها مسارات متعددة إلى جهاز الاستقبال. أي أنه باستخدام هوائيات متعددة وتشفير البيانات مسبقًا، يمكن إرسال تدفقات البيانات المختلفة عبر مسارات مختلفة. اقترح رالي، وأثبت لاحقًا، أن المعالجة المطلوبة لتقنية MIMO عند السرعات العالية ستكون أكثر سهولة باستخدام تعديل OFDM، لأن OFDM يحوّل قناة البيانات عالية السرعة إلى عدد من القنوات المتوازية منخفضة السرعة.

عملية

في الاستخدام الحديث، يشير مصطلح "MIMO" إلى أكثر من مجرد وجود هوائيات إرسال متعددة (مدخلات متعددة) وهوائيات استقبال متعددة (مخرجات متعددة). فبينما يمكن استخدام هوائيات الإرسال المتعددة لتشكيل الحزمة ، وهوائيات الاستقبال المتعددة للتنويع ، فإن كلمة "MIMO" تشير إلى الإرسال المتزامن لإشارات متعددة ( التعدد المكاني ) لزيادة كفاءة الطيف (السعة).

تقليديًا، كان مهندسو الراديو يتعاملون مع ظاهرة الانتشار متعدد المسارات الطبيعية كعائق يجب التخفيف منه. أما تقنية MIMO فهي أول تقنية راديو تتعامل مع هذه الظاهرة كإمكانية للاستغلال. تعمل MIMO على مضاعفة سعة وصلة الراديو عن طريق إرسال إشارات متعددة عبر هوائيات متعددة متجاورة. ويتم ذلك دون الحاجة إلى طاقة أو نطاق ترددي إضافي. تُستخدم رموز الفضاء الزمني لضمان تعامد الإشارات المرسلة عبر الهوائيات المختلفة، مما يُسهّل على جهاز الاستقبال تمييزها. حتى في حالة وجود خط رؤية مباشر بين محطتين، يمكن استخدام استقطاب هوائي مزدوج لضمان وجود أكثر من مسار موثوق.

تُمكّن تقنية OFDM من اتصالات النطاق العريض الموثوقة من خلال توزيع بيانات المستخدم عبر عدد من القنوات الفرعية الضيقة ذات التقارب المكاني. [ 1 ] يُتيح هذا الترتيب إمكانية التخلص من أكبر عائق أمام اتصالات النطاق العريض الموثوقة، وهو تداخل الرموز (ISI). يحدث تداخل الرموز عندما يكون التداخل بين الرموز المتتالية كبيرًا مقارنةً بمدة كل رمز. عادةً، تتطلب معدلات البيانات العالية رموزًا ذات مدة أقصر، مما يزيد من خطر تداخل الرموز. من خلال تقسيم تدفق البيانات عالي المعدل إلى العديد من تدفقات البيانات منخفضة المعدل، تُتيح تقنية OFDM استخدام رموز ذات مدة أطول. يمكن إدخال بادئة دورية (CP) لإنشاء فاصل حماية (زمني) يمنع تداخل الرموز تمامًا. إذا كان فاصل الحماية أطول من فرق التأخير - وهو الفرق في التأخيرات التي تواجهها الرموز المرسلة عبر القناة - فلن يكون هناك تداخل بين الرموز المتجاورة، وبالتالي لن يكون هناك تداخل بين الرموز. على الرغم من أن البادئة الدورية تُقلل قليلاً من السعة الطيفية باستهلاكها نسبة صغيرة من عرض النطاق الترددي المتاح، إلا أن التخلص من تداخل الرموز يجعلها مقايضة جديرة بالاهتمام.

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لتقنية OFDM في إمكانية استخدام تحويلات فورييه السريعة (FFT) لتبسيط عملية التنفيذ. تُحوّل تحويلات فورييه الإشارات ذهابًا وإيابًا بين مجال الزمن ومجال التردد. وبالتالي، تستفيد تحويلات فورييه من حقيقة إمكانية تحليل أي شكل موجي معقد إلى سلسلة من الموجات الجيبية البسيطة. في تطبيقات معالجة الإشارات، تُستخدم تحويلات فورييه المنفصلة (DFT) لمعالجة عينات الإشارات في الوقت الحقيقي. يمكن تطبيق تحويلات فورييه المنفصلة على إشارات OFDM المركبة، مما يُغني عن الحاجة إلى مجموعات المذبذبات وأجهزة فك التشفير المرتبطة بكل حاملة فرعية. تُعد تحويلات فورييه السريعة خوارزميات عددية تستخدمها الحواسيب لإجراء حسابات تحويل فورييه المنفصلة. [ 2 ]

تُمكّن تحويلات فورييه السريعة (FFTs) أيضًا تقنية OFDM من الاستخدام الأمثل لعرض النطاق الترددي. يجب أن تكون القنوات الفرعية متباعدة في التردد بما يكفي لضمان تعامد أشكال موجاتها في المجال الزمني. عمليًا، يعني هذا السماح للقنوات الفرعية بالتداخل جزئيًا في التردد.

يُعدّ نظام MIMO-OFDM مزيجًا قويًا للغاية، إذ لا يُحاول نظام MIMO التخفيف من تأثير انتشار الإشارات عبر مسارات متعددة، بينما يُغني نظام OFDM عن الحاجة إلى معادلة الإشارة . ويُمكن لنظام MIMO-OFDM تحقيق كفاءة طيفية عالية جدًا حتى في حال عدم امتلاك المُرسِل لمعلومات حالة القناة (CSI). وعندما يمتلك المُرسِل معلومات حالة القناة (والتي يُمكن الحصول عليها باستخدام تسلسلات التدريب)، يُمكن الاقتراب من السعة النظرية للقناة . ويُمكن استخدام معلومات حالة القناة، على سبيل المثال، لتخصيص مجموعات إشارات بأحجام مختلفة للناقلات الفرعية، مما يُحقق الاستخدام الأمثل لقناة الاتصال في أي لحظة زمنية.

تشمل التطورات الحديثة في تقنية MIMO-OFDM تقنية MIMO متعددة المستخدمين (MU-MIMO)، وتطبيقات MIMO ذات الترتيب الأعلى (عدد أكبر من التدفقات المكانية)، والبحوث المتعلقة بتقنية MIMO الضخمة وتقنية MIMO التعاونية (CO-MIMO) لإدراجها في معايير الجيل الخامس القادمة.

تُعدّ تقنية MU-MIMO جزءًا من معيار IEEE 802.11ac ، وهو أول معيار لشبكات Wi-Fi يُتيح سرعات تصل إلى جيجابت في الثانية. تُمكّن هذه التقنية نقطة الوصول من الإرسال إلى ما يصل إلى أربعة أجهزة عميلة في وقت واحد، مما يُزيل تأخيرات التنازع، ولكنه يتطلب قياسات متكررة للقناة لتوجيه الإشارات بشكل صحيح. يُمكن لكل مستخدم استخدام ما يصل إلى أربعة من التدفقات المكانية الثمانية المتاحة. على سبيل المثال، يُمكن لنقطة وصول مزودة بثمانية هوائيات التواصل مع جهازين عميلين مزودين بأربعة هوائيات، مما يُوفر أربعة تدفقات مكانية لكل منهما. أو يُمكن لنفس نقطة الوصول التواصل مع أربعة أجهزة عميلة مزودة بهوائيين لكل منها، مما يُوفر تدفقين مكانيين لكل منها. [ 3 ]

تُفيد تقنية تشكيل الحزمة MIMO متعددة المستخدمين حتى الأجهزة ذات التدفق المكاني الواحد. قبل ظهور هذه التقنية، كان بإمكان نقطة الوصول التي تتواصل مع عدة أجهزة عميلة الإرسال إلى جهاز واحد فقط في كل مرة. أما الآن، فبفضل تقنية تشكيل الحزمة MIMO متعددة المستخدمين، يُمكن لنقطة الوصول الإرسال إلى ما يصل إلى أربعة أجهزة ذات تدفق مكاني واحد في الوقت نفسه على القناة نفسها.

يدعم معيار 802.11ac سرعات تصل إلى 6.93  جيجابت/ثانية باستخدام ثمانية مسارات مكانية في وضع المستخدم الواحد. ويفترض معدل البيانات الأقصى استخدام قناة 160 ميجاهرتز الاختيارية في نطاق 5 جيجاهرتز وتقنية 256 QAM (تعديل السعة التربيعية). وقد تم طرح شرائح تدعم ستة مسارات مكانية، بينما يجري تطوير شرائح تدعم ثمانية مسارات مكانية.  

تتألف تقنية MIMO الضخمة من عدد كبير من هوائيات محطات القاعدة التي تعمل في بيئة MIMO متعددة القنوات (MU-MIMO). [ 4 ] في حين أن شبكات LTE تدعم بالفعل الهواتف المحمولة التي تستخدم مسارين مكانيين، وقد تم اختبار تصميمات هوائيات الهواتف المحمولة القادرة على دعم أربعة مسارات مكانية، فإن تقنية MIMO الضخمة قادرة على تحقيق مكاسب كبيرة في السعة حتى للهواتف المحمولة ذات المسار المكاني الواحد. مرة أخرى، يُستخدم تشكيل الحزمة في تقنية MIMO متعددة القنوات لتمكين محطة القاعدة من إرسال تدفقات بيانات مستقلة إلى عدة هواتف محمولة على نفس القناة في نفس الوقت. ومع ذلك، يبقى سؤال واحد بحاجة إلى إجابة من خلال البحث: متى يكون من الأفضل إضافة هوائيات إلى محطة القاعدة، ومتى يكون من الأفضل إضافة خلايا صغيرة؟

يركز بحث آخر في مجال شبكات الجيل الخامس اللاسلكية على تقنية CO-MIMO. في هذه التقنية، تعمل مجموعات من محطات البث معًا لتعزيز الأداء. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام تقنية التنوع الكلي لتحسين استقبال الإشارات من الهواتف المحمولة، أو تقنية تعدد الإرسال متعدد الخلايا لتحقيق معدلات بيانات أعلى في اتجاه التنزيل. مع ذلك، تتطلب تقنية CO-MIMO اتصالًا عالي السرعة بين محطات البث المتعاونة.

تاريخ

كان غريغوري رالي أول من دعا إلى استخدام تقنية MIMO بالتزامن مع OFDM. في ورقة بحثية نظرية، أثبت أنه باستخدام النوع المناسب من أنظمة MIMO - وهي عبارة عن هوائيات متعددة متجاورة ترسل وتستقبل تدفقات معلومات متعددة باستخدام ترميز وتشفير متعدد الأبعاد - يمكن استغلال ظاهرة الانتشار متعدد المسارات لمضاعفة سعة وصلة لاسلكية. [ 5 ] حتى ذلك الحين، حاول مهندسو الراديو جعل القنوات الواقعية تتصرف كقنوات مثالية عن طريق التخفيف من آثار الانتشار متعدد المسارات. ومع ذلك، لم تكن استراتيجيات التخفيف ناجحة تمامًا. من أجل استغلال الانتشار متعدد المسارات، كان من الضروري تحديد تقنيات التضمين والترميز التي تعمل بكفاءة عالية عبر قنوات متعددة المسارات متغيرة مع الزمن ومشتتة. نشر رالي أبحاثًا إضافية حول MIMO-OFDM في ظل ظروف متغيرة مع الزمن، وتقدير قناة MIMO-OFDM، وتقنيات مزامنة MIMO-OFDM، وأداء أول نظام تجريبي لـ MIMO-OFDM. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

عزز رالي حججه لصالح تقنية OFDM من خلال تحليل أداء MIMO باستخدام ثلاث تقنيات تعديل رائدة في أطروحته للدكتوراه: تعديل السعة التربيعية (QAM)، وتقنية طيف الانتشار بالتسلسل المباشر (DSSS)، وتقنية النغمات المتعددة المنفصلة (DMT). [ 10 ] تُعدّ QAM نموذجًا لأنظمة النطاق الضيق مثل TDMA التي تستخدم معادلة الإشارة لمكافحة التداخل بين الرموز (ISI). تستخدم DSSS مستقبلات ذات تسلسل مائل للتعويض عن تعدد المسارات، وتُستخدم في أنظمة CDMA. تستخدم DMT التشابك والترميز لإزالة التداخل بين الرموز، وهي نموذج لأنظمة OFDM. أُجري التحليل من خلال اشتقاق نماذج مصفوفة قناة MIMO لأنظمة التعديل الثلاثة، وتحديد التعقيد الحسابي، وتقييم تحديات تقدير القناة والمزامنة لكل منها. أظهرت النماذج أنه بالنسبة لنظام MIMO يستخدم QAM مع مُعادل إشارة أو DSSS مع مستقبل ذي تسلسل مائل، يزداد التعقيد الحسابي تربيعيًا مع زيادة معدل نقل البيانات. في المقابل، عندما يتم استخدام MIMO مع DMT، يزداد التعقيد الحسابي بشكل خطي لوغاريتمي (أي n log n) مع زيادة معدل البيانات.

أسس رالي لاحقًا شركة كلاريتي وايرلس عام 1996، ثم شركة إيرجو نتوركس عام 2001 لتسويق هذه التقنية. طورت كلاريتي مواصفات في منتدى الإنترنت اللاسلكي عريض النطاق (BWIF) أدت إلى معايير IEEE 802.16 (التي تُسوّق باسم WiMAX ) و LTE ، وكلاهما يدعم تقنية MIMO. صممت إيرجو وشحنت أولى شرائح MIMO-OFDM لما أصبح معيار IEEE 802.11n . تُستخدم تقنية MIMO-OFDM أيضًا في معيار 802.11ac، ومن المتوقع أن تلعب دورًا رئيسيًا في معيار 802.11ax وأنظمة الجيل الخامس ( 5G ) للهواتف المحمولة.

نُشرت عدة أوراق بحثية مبكرة حول تقنية MIMO متعددة المستخدمين من قِبل روس مورش وآخرين في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا. [ 11 ] أُدرجت تقنية MU-MIMO في معيار 802.11ac (الذي بدأ تطويره عام 2011 وتمت الموافقة عليه عام 2014). ظهرت سعة MU-MIMO لأول مرة في ما يُعرف بمنتجات "الموجة الثانية". أعلنت شركة كوالكوم عن شرائح تدعم تقنية MU-MIMO في أبريل 2014. [ 12 ]

طرحت شركة برودكوم أولى شرائح 802.11ac التي تدعم ستة مسارات مكانية لمعدلات بيانات تصل إلى 3.2  جيجابت/ثانية في أبريل 2014. وتقول شركة كوانتينا إنها تعمل على تطوير شرائح تدعم ثمانية مسارات مكانية لمعدلات بيانات تصل إلى 10  جيجابت/ثانية. [ 13 ]

تُعدّ تقنيات MIMO الضخمة، وتقنية MIMO التعاونية (CO-MIMO)، والشبكات غير المتجانسة (HetNets) محاورَ رئيسيةً في أبحاث الجيل الخامس للاتصالات اللاسلكية. ومن المتوقع أن يبدأ تطوير معايير الجيل الخامس في عام 2016. ومن أبرز الباحثين في هذا المجال حتى الآن: جاكوب هويديس (من شركة ألكاتيل-لوسنت)، وروبرت دبليو هيث (من جامعة تكساس في أوستن)، وهيلموت بولكسكي (من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ)، وديفيد جيسبرت (من مركز أبحاث الاتصالات الأوروبية EURECOM). [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

أجرت شركة سامسونج تجارب على تقنية الجيل الخامس. [ 18 ] وتخطط شركة الاتصالات اليابانية NTT DoCoMo لتجربة تقنية الجيل الخامس بالتعاون مع شركات ألكاتيل-لوسنت، وإريكسون، وفوجيتسو، وNEC، ونوكيا، وسامسونج. [ 19 ]

مراجع

  1. ↑ لاسورت، نيك؛ وآخرون  (2008). تاريخ تقنية الإرسال المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (PDF) . مؤتمر IEEE GLOBECOM 2008. doi : 10.1109/GLOCOM.2008.ECP.690 .
  2. ↑ وينشتاين، ستيفن ب. (نوفمبر 2009). "تاريخ تقنية الإرسال المتعدد بتقسيم التردد المتعامد [تاريخ الاتصالات]". مجلة IEEE للاتصالات . 47 (11): 26-35 . doi : 10.1109/MCOM.2009.5307460 . S2CID 29001312 . 
  3. ↑ جاست، ماثيو (يوليو 2013). 802.11ac: دليل البقاء . دار نشر أورايلي ميديا. رقم ISBN 978-1-4493-4313-2أُرشف من الأصل في 3 يوليو 2017. تم الاطلاع عليه في 27 مايو 2014 .
  4. ↑ مارزيتا، توماس ل. (2010). "الشبكات اللاسلكية الخلوية غير التعاونية ذات عدد غير محدود من هوائيات محطات القاعدة". معاملات IEEE في الاتصالات اللاسلكية . 9 (11): 3590-3600 . doi : 10.1109/TWC.2010.092810.091092 . S2CID 17201716 . 
  5. ↑ رالي، جي جي؛ سيوفي، جي إم (1996). الترميز المكاني الزمني للاتصالات اللاسلكية . مؤتمر IEEE العالمي للاتصالات، 1996. لندن، 18-22 نوفمبر 1996. الصفحات 1809-1814، المجلد 3. doi : 10.1109/GLOCOM.1996.591950 . 
  6. ↑ رالي، جي جي؛ جونز، في كي (نوفمبر 1999). "التعديل والترميز متعدد المتغيرات للاتصالات اللاسلكية". مجلة IEEE للمجالات المختارة في الاتصالات . 17 (5): 851-866 . doi : 10.1109/49.768200 .
  7. ↑ رالي، جي جي؛ سيوفي، جي إم (مارس 1998). "الترميز المكاني الزمني للاتصالات اللاسلكية". معاملات IEEE في الاتصالات . 46 (3): 357-366 . doi : 10.1109/26.662641 .
  8. ↑ جونز، في كي؛ رالي، جي جي (1998). تقدير القناة لأنظمة OFDM اللاسلكية . مؤتمر IEEE العالمي للاتصالات، 1998. سيدني، أستراليا، 8-12 نوفمبر 1998. الصفحات 980-985، المجلد 2. doi : 10.1109/GLOCOM.1998.776875 . 
  9. ↑ رالي، جي جي؛ جونز، في كي (1998). التضمين والترميز متعدد المتغيرات للاتصالات اللاسلكية . مؤتمر IEEE العالمي للاتصالات، 1998. سيدني، أستراليا، 8-12 نوفمبر 1998. الصفحات 3261-3269، المجلد 6. doi : 10.1109/GLOCOM.1998.775808 . 
  10. ↑ رالي، غريغوري (1998). حول نظرية الاتصالات متعددة المتغيرات وتقنيات مضاعفة معدل البيانات لقنوات متعددة المسارات (ملف PDF) (أطروحة). جامعة ستانفورد . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مايو 2020 .
  11. ↑ وونغ، كاي-كيت؛ مورش، روس د.؛ بن لطيف، خالد (ديسمبر 2002). "تحسين أداء أنظمة الاتصالات اللاسلكية متعددة المستخدمين بتقنية MIMO" (ملف PDF) . مجلة IEEE للمعاملات في الاتصالات . 50 (12): 1960-1970 . doi : 10.1109/tcomm.2002.806503 .
  12. ↑ باركر، تامي (2 أبريل 2014). "كوالكوم ترفع سعة شبكة الواي فاي عبر تقنية MIMO متعددة المستخدمين 802.11ac" . فيرس وايرلس تك . مجموعة كويستكس ميديا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مايو 2014 .
  13. ↑ بيرت، جيفري (15 أبريل 2014). "برودكوم وكوانتينا تهدفان إلى توفير سرعة واي فاي أعلى" . إي ويك . كوين ستريت إنك . تم الاطلاع عليه في 29 مايو 2014 .
  14. ↑ هويديس، جاكوب؛ تين برينك، ستيفان؛ ديبا، مروان (يناير 2012). "تقنية MIMO الضخمة في الإرسال/الاستقبال لشبكات الهاتف المحمول: كم عدد الهوائيات التي نحتاجها؟" (ملف PDF) . مجلة IEEE للمجالات المختارة في الاتصالات . 31 (2): 160-171 . CiteSeerX 10.1.1.352.4167 . doi : 10.1109/jsac.2013.130205 . S2CID 1343383 .  
  15. ↑ هيث، روبرت و.؛ بولراج، أروغياسوامي ج. (يونيو 2005). "التبديل بين التنوع والتعدد في أنظمة MIMO". معاملات IEEE في الاتصالات . 53 (6): 962-968 . doi : 10.1109/tcomm.2005.849774 . S2CID 18543367 . 
  16. ^ بولراج، أروجياسوامي ج.؛ جور، دا. نابار، RU؛ بولسكي، هـ. (فبراير 2004). "نظرة عامة على اتصالات MIMO - مفتاح شبكة جيجابت اللاسلكية" (PDF) . وقائع IEEE . 92 (2): 198-218 . دوى : 10.1109/JPROC.2003.821915 . S2CID 11720829 . 
  17. ↑ جيسبرت، ديفيد؛ وآخرون . (ديسمبر 2010). "شبكات MIMO التعاونية متعددة الخلايا: نظرة جديدة على التداخل" (ملف PDF) . مجلة IEEE للمجالات المختارة في الاتصالات . 28 (9): 1380-1408 . CiteSeerX 10.1.1.711.7850 . doi : 10.1109/jsac.2010.101202 . S2CID 706371 .   
  18. ↑ لطيف، لورانس (13 مايو 2013). "سامسونج تختبر اتصال الجيل الخامس بسرعة 1 جيجابت/ثانية وتتوقع إطلاقه في عام 2020" . إنكوايرر . شركة إنسيسيف فاينانشال للنشر المحدودة. مؤرشف من الأصل في 9 يونيو 2013. تم الاطلاع عليه في 29 مايو 2014 .
  19. ↑ ميدلتون، جيمس (8 مايو 2014). "دوكومو تبدأ تجارب الجيل الخامس في اليابان" . Telecoms.com . إنفورما للاتصالات والإعلام . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مايو 2014 .