توقيت متقدم

يُعدّ توقيت الإرسال المتقدم ( TA ) تصحيحًا زمنيًا يُطبّق على إرسال المستخدمين في شبكات GSM و LTE و 5G NR الخلوية . ويُستخدم لتعويض الاختلافات في أوقات وصول الإشارة إلى المحطة الأساسية ، والناتجة عن اختلاف مسافات انتشار الإشارة بين المستخدمين داخل الخلية نفسها . وبذلك، تُستقبل إشارات الإرسال من مختلف المستخدمين متوافقةً مع التوقيت المتوقع للشبكة، مما يمنع التداخل بين المستخدمين . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

يتميز هذا التصحيح بدقة محدودة ، وتعتمد قيمته على تقنية الاتصالات الخلوية المستخدمة. ولأن تقدير تأخيرات الانتشار لا يمكن أن يكون دقيقًا تمامًا، تتضمن أنظمة الاتصالات فترات حماية لتحمل أخطاء التوقيت المتبقية الصغيرة. في نظام GSM، يتحقق ذلك من خلال فترة حماية بين الفترات الزمنية ، ^{[ 4 ] [ 5 ]} بينما في نظامي LTE و5G NR، تؤدي البادئة الدورية الوظيفة نفسها . ^{[ 6 ]}

تُقدّر محطة القاعدة قيمة التصحيح الأولية من خلال الوقت المنقضي بين إرسال الإشارة في اتجاه الهابط واستقبالها في اتجاه الصاعد ، وهو ما يعكس زمن ذهاب الإشارة وإيابها . ونتيجةً لذلك، ترتبط قيمة التقدم الزمني القصوى ارتباطًا مباشرًا بضعف نصف قطر الخلية الأقصى. ^{[ 7 ]}

بمجرد توصيل جهاز المستخدم بشبكة الهاتف المحمول ، تقوم المحطة الأساسية بإجراء قياسات متتالية لتوقيت الإشارة. وتقارن هذه القياسات باستمرار لحظة استقبال الإشارة المتوقعة مع وقت الوصول الفعلي المقاس، وتُصدر أوامر بتعديل التوقيت لكل مستخدم وفقًا لذلك. ^{[ 8 ]}

في نظام GSM، يُستخدم التوقيت المُسبق بالتزامن مع واجهة الوصول المتعدد بتقسيم الوقت ، حيث يتشارك عدة مستخدمين نفس قناة التردد من خلال الإرسال في فترات زمنية مختلفة. ^{[ 9 ] [ 10 ]} ولضمان التزامن الصحيح ، يجب على الأجهزة المحمولة الإرسال قبل وقت الإرسال المُحدد لها بقليل، بحيث تصل إشاراتها إلى المحطة الأساسية ضمن الفترة الزمنية المُخصصة لها. تُحدد المحطة الأساسية قيمة التوقيت المُسبق بعد قياس زمن التأخير بين الإرسال في اتجاهي الوصلة الهابطة والوصلة الصاعدة أثناء الاتصال النشط. ثم يتم تحديث هذه القيمة دوريًا وإرسالها إلى الجهاز المحمول، مما يسمح بالحفاظ على التزامن أثناء تنقل المستخدم داخل الخلية. في التشغيل القياسي لنظام GSM، تُرسل هذه التحديثات عادةً مرتين في الثانية تقريبًا. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

يمكن أن تتراوح قيمة تقدم التوقيت من 0 إلى 63، حيث تتوافق كل زيادة مع فترة بت واحدة، أي ما يقارب 3.69${\displaystyle \,\mu s}$بما أن الموجات الراديوية تنتشر بسرعة تقارب سرعة الضوء ، فإن كل زيادة تقابل تغييراً مقداره حوالي 550${\displaystyle \,m}$في المسافة بين الجهاز المحمول ومحطة القاعدة. هذا يحد من أقصى نصف قطر للخلية المدعومة في ظل تشغيل GSM القياسي إلى حوالي 35${\displaystyle \,km}$[ ^{13 ]​}

عند إنشاء اتصال جديد أو أثناء عملية تسليم البيانات بين الخلايا، يجب تهيئة إجراء ضبط التوقيت قبل بدء نقل البيانات بشكل طبيعي. في حال عدم توفر معلومات توقيت مسبقة، يقوم الجهاز المحمول في البداية بإرسال دفعات وصول خاصة دون تصحيح التوقيت، مما يسمح لمحطة القاعدة بتقدير زمن التأخير وتحديد قيمة ضبط التوقيت المطلوبة. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

في بعض الحالات، مثل المناطق الريفية أو البحرية، قد لا يكون نطاق GSM القياسي البالغ حوالي 35 كيلومترًا كافيًا. في هذه الحالات، تتوفر ميزة التوقيت المتقدم الممتد في GSM 400، حيث تزيد المحطة الأساسية من نافذة استقبال الإرسال، مما يسمح بالاتصال عبر مسافات أطول (حوالي 120 كيلومترًا) على حساب انخفاض كفاءة الطيف . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

في تقنية LTE، يُستخدم التقدم الزمني في نظام SC-FDMA للوصلة الصاعدة لضمان وصول الإرسالات من أجهزة المستخدم المختلفة متزامنة زمنيًا إلى محطة eNodeB . وتكون دقة التقدم الزمني كالتالي:${\displaystyle 0.52\,\mu s}$وهذا يعني أن المستخدمين الذين تختلف مسافاتهم عن محطة eNodeB بأقل من${\displaystyle 78\,m}$يتم تخصيص نفس قيمة التقدم الزمني لها. الحد الأقصى للتقدم الزمني في LTE (مُحوّلًا بالثواني) يتوافق مع${\displaystyle 0.67\,\mathrm {ms} }$وهو ما يعادل أقصى مدى للخلية يبلغ تقريبًا${\displaystyle 100\,km}$[ ^{18 ]​}

في وضع نشر TDD ، إضافة${\displaystyle 20\,\mu s}$تُضاف إزاحة إلى تصحيح التوقيت المتقدم للسماح لمحطة eNodeB بالتحول من الاستقبال إلى الإرسال. ونتيجة لذلك، تصل عمليات الإرسال في الوصلة الصاعدة قبل توقيت إطار الشبكة الاسمي بقليل ، مما يضمن أن تتمكن محطة eNodeB من بدء الإرسال التالي في الوصلة الهابطة في الوقت المحدد الصحيح. ^{[ 19 ]}

يبدأ مؤقت الصلاحية عندما يتلقى جهاز المستخدم قيمة تقدم التوقيت. إذا انتهت صلاحية المؤقت، تُعتبر معلومات تقدم التوقيت الحالية غير موثوقة، ويتعين على جهاز المستخدم إعادة إنشاء مزامنة الوصلة الصاعدة من خلال إجراء الوصول العشوائي (RACH). ^{[ 20 ]}

تُحدد قيمة التوقيت الأولي المتقدم أثناء إجراء الوصول العشوائي. وخلال عملية الاتصال، يُعدّل التوقيت المتقدم باستمرار بناءً على القياسات التي يُجريها جهاز eNodeB على إشارات الوصلة الصاعدة المرسلة من جهاز المستخدم. وبمقارنة توقيت الاستقبال المتوقع والفعلي، يُقدّر جهاز eNodeB خطأ التوقيت ويُرسل قيمة تصحيح إلى جهاز المستخدم. ^{[ 21 ]}

يمكن أيضًا استغلال قيمة تقدم التوقيت بواسطة طريقة تحديد الموقع المحسّنة لرقم تعريف الخلية لتقدير المسافة بين جهاز المستخدم ومحطة القاعدة الخادمة. مع ذلك، تتضمن القيمة المقاسة إجمالي زمن التأخير ذهابًا وإيابًا بين جهاز المستخدم والشبكة، بما في ذلك التأخيرات التي يُدخلها الجهاز بعد معالجة النطاق الأساسي على كلا الجانبين. لهذا السبب، تعوّض شبكة LTE عن هذه التأخيرات الإضافية لتحسين دقة تقدير المسافة. ^{[ 22 ]}

ابتداءً من الإصدار 11 من معيار 3GPP ، يدعم LTE تجميع الموجات الحاملة عبر الخلايا غير المتجاورة من خلال السماح بتخصيص قيم توقيت متقدمة مختلفة لخلايا الخدمة المختلفة. وتُعرف مجموعات الخلايا التي تشترك في نفس قيمة التوقيت المتقدم لجهاز مستخدم معين باسم مجموعات التوقيت المتقدم (TAGs). ^{[ 23 ]}

ترث تقنية الجيل الخامس NR معظم آليات ضبط التوقيت المُقدمة في تقنية LTE . مع ذلك، تُقدم NR مفهوم "الرقمية" ، الذي يسمح باستخدام فواصل مختلفة بين الموجات الحاملة الفرعية ، وبالتالي فترات أقصر لرموز OFDM . مع قصر فترات رموز OFDM، يصبح لخطأ التوقيت نفسه تأثير نسبي أكبر على محاذاة الإشارة، مما يزيد من التداخل بين عمليات الإرسال في الوصلة الصاعدة من مختلف المستخدمين. ونتيجة لذلك، تتطلب الأرقام الأعلى دقةً أكبر في ضبط التوقيت. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

ولهذا السبب، في تقنية الجيل الخامس NR، تُعطى دقة تقدم التوقيت بواسطة${\displaystyle {\frac {0.52\,\mu s}{2^{\mu }}}}$، أين${\displaystyle \mu }$يشير إلى مؤشر علم الأعداد المرتبط بتباعد الموجات الحاملة الفرعية. لـ${\displaystyle \mu =0}$، وهو ما يتوافق مع تباعد الموجات الحاملة الفرعية لـ${\displaystyle 15\,kHz}$، دقة التوقيت المتقدم مماثلة لتقنية LTE. بالنسبة لـ${\displaystyle \mu =5}$، وهو ما يتوافق مع تباعد الموجات الحاملة الفرعية لـ${\displaystyle 480\,kHz}$، يتم تقليل خطوة تقدم التوقيت إلى ما يقارب${\displaystyle 16\,ns}$، وهو ما يعادل دقة مسافة تبلغ حوالي${\displaystyle 2.44\,m}$. ل${\displaystyle \mu =0}$، الحد الأقصى للتقدم الزمني الذي يدعمه NR يتوافق مع ما يقارب${\displaystyle 2\,ms}$وهذا يترجم إلى أقصى مدى للخلية يبلغ حوالي${\displaystyle 300\,km}$يُتيح هذا النطاق الموسع لتقنية NR دعم سيناريوهات النشر التي تتطلب تغطية خلوية أكبر بكثير مقارنةً بأجيال الشبكات الخلوية السابقة. ^{[ 26 ]}

• تجميع الموجات الحاملة
• البادئة الدورية
• تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد
• قناة الوصول العشوائي
• تأخير الرحلة ذهابًا وإيابًا
• تقنية الوصول المتعدد بتقسيم التردد أحادي الناقل

• أحمدي، ساسان (2013). LTE-Advanced: منهج عملي لفهم تقنيات الوصول اللاسلكي لإصداري 3GPP LTE 10 و11 . دار النشر الأكاديمية. ISBN 9780124051621.
• أحمدي، ساسان (2019). الجيل الخامس NR: بنية وتكنولوجيا وتنفيذ وتشغيل معايير الراديو الجديدة 3GPP . دار النشر الأكاديمية. ISBN 978-0128134023.
• جونسون، كريس (2012). التطور طويل الأمد في الرصاص (  الطبعة الثانية). جونسون. ISBN 978-1478166177.
• جونسون، كريس دبليو. (2019). الجيل الخامس: راديو جديد في سطور . كريس جونسون. ISBN 978-1077484351.
• مولي، ميشيل؛ بوتيه، ماري برناديت (1992). نظام GSM للاتصالات المتنقلة . دار نشر الاتصالات. ISBN 9782950719003.
• فانيلي كورالي، أليساندرو؛ تشوبيري، نيكولاس؛ ماسيني، جينو؛ غيدوتي، أليساندرو؛ الجعفري، محمد (2024). شبكات الجيل الخامس غير الأرضية: التقنيات والمعايير وتصميم الأنظمة . جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-1119891154.

• بوابة المواصفات الخاصة بـ 3GPP .
• نظرة عامة على شبكات الجيل الثالث غير الأرضية .
• "تحديث توقيت LTE" . ShareTechnote .
• "التقدم الزمني لتقنية الجيل الخامس NR" . ShareTechnote .
• "تطورات متعددة في توقيت تجميع الموجات الحاملة للوصلة الصاعدة" . كيف تعمل تقنيات LTE .