شرح تقنية Orthogonal frequency division multiplexing OFDM

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

اولا كل عام وأنتم بخير بمناسبة شهر رمضان المبارك . اللهم اعنا جميعا على ذكرك وشكرك وحسن طاعتك , اللهم أعنا على صيام شهر رمضان وعلى قيامه وفعل الخيرات وتقبل منا ياكريم انك انت التواب الكريم .

النهاردة هانستكمل مع بعض ثورة الاتصالات والتقنيات المستخدمة وتطوراتها وهانتكلم النهاردة عن تقنية تعتبر ثورة حقيقية فى التقنيات المستخدمة فى الاتصالات والتى أدت الى التطور الرهيب الذى نشهده حاليا فى عالم الاتصالات الخلوية والاسلكية .

Orthogonal frequency division multiplexing - OFDM

هى احدى التقنيات المستخدمة فى انظمة الاتصالات وهى تقنية تم استخدامها منذ عام 1970 ولكنها لم تستخدم على نظاق واسع بسبب ان هذه التقنية كانت تحتاج الى امكانيات باهظة الثمن كما انه كان هناك صعوبة حينذاك فى استخدامها على نظاق واسع .

كلنا عرفنا من التدوينة السابقة ان هناك عدة تقنيات مستخدمة فى انظمة الاتصالات سواء لتقسيم الباندويدث او لتقسيم القنوات Channels وعرفنا ماذا يفعل كل نوع وكيفية استخدامه مع أنظمة الاتصالات المختلفة بداية من الجيل الثانى GSM .

بسبب المشاكل التى كانت تقابل الاشارة مع التقنيات السابقة وايضا بسبب زيادة عدد المستخدمين كان لابد من ايجاد طريقة لمحاولة التغلب او التقليل من هذه المشاكل كما انه هناك احتياج شديد لزيادة معدل نقل البيانات فى ظل هذا التطور الرهيب فى عالم الاتصالات وبداية الاعتماد عليه فى نقل القنوات الفضائية والانترنت , ولذلك بعد تفكير اكتشف العلماء والمهندسين انه اذا تعامد اشاراتين فانهما سيكون أبعد مايمكن عن بعضهما البعض ولذلك تم السماح بتقاطع وليس تداخل الاشاراتين sub-carriers وبالتالى سيكونا متعامدين اذا كان حاصل ضرب تكاملهما مساويا للصفر .

لقد استخدمت تقنية OFDM في السابق في نقل المعلومات على قنوات FM، وفي البث الإذاعي الرقمي (AB)، والبث التلفزيوني الرقمي المحلي (DVB-T) وأيضاً على خطوط ADSL. اما الآن فهى تستخدم على نطاق واسع خاصة فى انظمة الاتصالات الخلوية والاسلكية خاصة الجيل الرابع منهما مثل LTE  & WiMAX .

و حيث أن الإشارات المستخدمة في هذه التقنية هي اشارات رقمية فإنه كان لابد من استخدام تقنيات التضمين الرقمي قبل أن يتم التعامل مع الإشارة بهذه التقنية و قد تم استخدام تقنيات تضمين   phase-shift keying  BPSK , quadrature phase-shift keying  QPSK , quadrature amplitude modulation  QAM وسيتم توضيح هذه التقنيات لاحقا ان شاء الله .

بالنسبة للمستخدمين Subcarriers  فانه يتم توزيعهم عن طريق اسخدام ( Inverse Fast Fourier Transform ( IFFT وايضا باستخدام DFT ولذلك يتم تضمين جميع المستخدمين على قناة واحدة مما يضمن وصول الاشارة فى وقت واحد ودون حدوث اى تداخل واذا شعر المستقبل بأنه يوجد فقد فى الاشارة فانه سيسطتيع تحديدها بسهولة ومحاولة طلبها مرة أخرى وحيث حافظت على سرعة نقل البيانات والتى وصلت إلى 54MBps .

هناك أنواع مختلفة تم تطويرها من هذه التقنية مثل OFDMA وايضا هناك التقنية الجديدة التى تستخدم فى Up-Link فى الجيل الرابع من الاتصالات الخلوية LTE  وهى تسمى SC-FDMA وسيتم توضيحهما بشكل مفصل خلال التدوينات القادمة ان شاء الله .

مميزات تقنية OFDM :

1- تكون الكفاءة عالية جدا حيث أنها تستخدم كل band  .

2- تعمل في الحزمة الترددية الراديوية 5.2GHz التي تملك تداخل أقل مع ألأجهزة الأخرى وبالتالي نحصل على سرعة كبيرة جدا لنقل المعطيات تصل لأكثر من 54 Mbps
3- يقلل من ما يسمى بالخبو في الترددات العليا يسمى fading
4- تستخدم channel coding بحيث نكون قادرين على استرداد symbol المفقود
5- عملية التصحيح equalization تكون أسهل
6- تمنع حدوث ISI وهو عملية حدوث تداخل في Symbol نفسه
7- يعطي مناعة قوية حتى لا يتم interfering
8- لا تتأثر ب sample time يعني ليس لها حساسية للـ time عكس للـ single carrier
9- لا يحدث تفلطح dispersion ل symbol
10- تعطي مناعة قوية ضد الضوضاء robustness against impulse noise
11- القضاء على delay
12- إن وصلات NLOS معرضة لتشتيت قنوات الاتصال بسبب المسارات المختلفة التي قد تتخذها الإشارة خلال محاولتها تجاوز العقبات. فالإشارات غير المتزامنة قد تشوش على بعضها على البعض. أما تقنية OFDM الذكية فهي تبيح إجراء عمليات فورية لفك تعديل الإشارة, الأمر الذي يسمح بالتالي بالتقاط الإشارات حتى في أصعب الظروف الجوية والبيئية.

مشاكل OFDM:-

 
1- حساسة جدا للـ offset frequency يعني نكون دقيقين باختيار carrier frequency offset
2- لها noise لذلك نحتاج إلى amplifier له Power  عالية جدا
3- عملية للـ synchronize
4- يحدث ضعف Attenuation يعني ضعف للإشارة ألمستقبله

5- - ظاهرة تداخل الرموز و التي يرمز لها ب ISI وهي ظاهرة تحدث نتيجة تفلطح طرفين symbol حيث يؤدي إلى زيادة في الـ band المخصص لهذا الرمز وتسمى عملية التفلطح ب dispersion و هي تؤدي إلى فقد خاصية ل orthogonal في OFDM 

وتحدث هذه الظاهرة عند السرعات العالية لمعدل نقلا البيانات .

للتغلب على هذه الظاهرة يترك فترة زمنية بين كل frame يعني نفترض انا ارسلنا frame الاولى من الصوت و الصورة فإننا ننتظر جزء من الوقت حتى نبعث frame الثانية نفترض 0.5 ميكرو ثانية مثلا وهذا يسمى guide time او time band اذا لم نترك أي جزء من band التردد لكن انتظرنا جزء من الوقت حتى نبعث المعلومات اذا عند حدوث تفلطح لطرفين الرمز فسوف يكون هناك فترة زمنية بين كل رمز لذللك لن يتم التداخل و يكون الوقت المتروك اكبر من التفلطح المتوقع حدوثه  large than the expected delay spread 

وبكده نكون انتهينا من شرح OFDM بكل مايخصع تقريبا وسيتم استكمال باقى انواعه الآخرى لاحقا  ان شاء الله .

بالتوفيق للجميع ان شاء الله .

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته