تقنية ال OFDM

#####################
تقنية ال OFDM:
Orthogonal Frequency Division Multiplexing:
#####################

مع النمو السريع لقطاع الاتصالات الرقمية في الأعوام الأخيرة ، تزايد الطلب على أنظمة نقل البيانات ذات السرعات العالية . بالإضافة لهذا ، من المتوقع أن تستطيع أنظمة الاتصال اللاسلكية المستقبلية أن تدعم نطاق واسع من الخدمات بما فيها الفيديو ، البيانات والصوت .
يعتبر نظام OFDM كمرشح واعد لضمان سرعة نقل بيانات عالية في الوسط اللاسلكي وذلك نظراً لمقاومته لـ ISI والتي تعتبر مشكلة شائعة تحد من سرعة عمليات نقل البيانات.
في OFDM التضمين يتم بطريقة تفاضلية أو تلاحمية . عند استخدام التضمين التفاضلي لا توجد ضرورة لتقدير القناة اللاسلكية ، ولكن هذه الطريقة أداؤها أقل من طريقة التضمين التلاحمي . التضمين التلاحمي يتطلب تقدير القناة اللاسلكية الذي يعطي أداءً أفضل ولكن بالتقابل يتطلب مستقبل أكثر تعقيداً .
التضمين المساعد ذو الرمز الموجه يستخدم للحصول على تقدير قناة موثوق ، من خلال بث رموز موجهة مع البيانات .

لقد استخدمت تقنية OFDM في السابق في نقل المعلومات على قنوات FM، وفي البث الإذاعيالرقمي (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 .

الفكرة الرئيسية جاءت بعد التطور في نظام الاتصالات و الطلب المتزايد على ضرورة سرعة نقل البيانات و من هنا كان فكرة FDM لكن هذه التقنية التي تعمل على تقسيم ل Channel إلي Sub channel وتقسيم الCarrier إلى Sub carrier وذلك حتى نبعث أكثر من إشارة مختلفين على نفس ل band المعطى لنا في نفس الوقت وهذا يساعد في حل عدة مشاكل كانت في السابق حيث كنا في السابق نستخدم ل band المعطى لنا في إرسال إشارة واحده ثم نرسل الأخرى حيث كان يسبب هذا عدة مشاكل خصوصا في التلفزيون حيث كنا نبعث الصورة ثم الصوت وبهذا كانت الصورة تسبق الصوت في أغلب الأحيان يعني يوجد delay بين الإشارتان .
وأما المشكلة الأخرى فهي عند حدوث خطاء في المعلومات المرسلة كان يكون كبير وبذلك كان يصعب معالجته يعني لو بعثنا
110100011101101001110010101001

لنفترض أنها وصلت وبها 5 أخطاء فهذا يكون صعب المعالجة.
لذلك باستخدام FDM تم تقسيم ل band وأيضا قسمت المعلومات إلى Farm يعني لنفرض أنا قسمنا ل band إلى قسمين وكذلك نقسم المعلومات إلى أجزاء ونبعث كل جزء بعد الأخر لنفرض أن المعلومات صوت وصوره فإنا نقسم الصوت إلى أجزاء و كذلك الصورة ثم نحمل الجزء الأول من الصورة على ال Carrier وبنفس الوقت نحمل الجزء الأول من الصوت على ال Carrier الثاني ونرسلهم ثم نكرر العملية للأجزاء الأخرى من الصوت والصورة من المؤكد انهم سوف يصلوا بنفس الوقت إذا قضينا على المشكلة الأولى.
في FDM قسمنا المعلومات إلى أجزاء إذا فإنا قسمنا ال Code السابق إلى عدة أقسام لنفرض أنه يمثل الصور وقسمناه إلى 5 أقسام إذا..
110100 011101 101001 110010 101001
إذا فسوف يقسم الخطاء و إذا فرضناه 5 أخطاء على هذه ال package إذا قل الخطاء وبذلك يسهل معالجته إذا.. نحن ليس بحاجة إلى Equaliser.
لكن هذه التقنية FDM كان لها عدة مشاكل و من ضمنها أنه يتم ترك جزء من band على طرفين كل Carrier حتى لا يحدث تداخل في ال Sub carrier نفسهم وهذا كان يقلل من كفاءة هذه التقنية لأنه جزء كبير من ال band يضيع دون الإستفاده منه وهذا يسمى guard band.

كما انه يتم استخدام عدد كبير من ل Demodulator وذلك بسبب اختلاف ال Carrier فكان لبد من إيجاد حل لهذه المشاكل فوجدوا أنه يكون ال sub carrier أبعد ما يمكن وهم متعامدين لذلك سمحوا بوجود تقاطع وليس تداخل بين ال sub carrier ويكون متعامدين إذا كان حاصل ضرب تكاملهم يساوي صفر وهذا يسمى ب OFDM حيث حافظت على سرعة نقل البيانات وصلت إلى 54MBps و باستخدام ال band كله وقللت ال demodulator باستخدام IFF و DFT.

#####################
لماذا نستخدم OFDM؟
#####################

ظاهرة Multipath كانت تسبب التداخل وتم حل هذه الظاهرة بإستخدام احد الحلول التقليدية Channel Equalization يتم وضعه عند المستقبل.
ولكن وجدوا ان استخدام النظام معقد نسبيا وغالي الى حد ما.

#####################
السهولة في تقنية ال OFMD:
#####################

- طريقة بسيطة للتعامل مع Multipath.
- خوارزميات معالجة الإشارات الرقمية (Digital signal processing) المستخدمة بسيطة نسبيا.
- وفرت لدينا فصل كبير ما بين sub-carriers ببعضها وبالتالي منعت حدوث تداخل ما بين signals ببعضها.
- وفرت لدينا sub-carriers المتعامدة مع بعضها وبالتالي زودت من فعالية Bandwidth.
- وفرت لنا استخدام اكثر من Modulators.

#####################
مبادئ ال OFDM:
#####################

1- تستخدم على نطاق واسع في wireless communictaion.
2- فصل high rate data stream الى عدة low rate data stream ويتم إرسالهم جميعا مرة واحدة عبر اكثر من carriers.
3- كل 2 subcarriers متعامدين يتم عمل لهم separately modulated.
4- يتم تقسيم ال frequency band إلى عدد من ال subchannels وتسمى العملية..
(multi-carrier modulation).
5- يتم استخدام في عملية الارسال (IFFT (Inverse Fast Fourier Transform.
6- وعند المستقبل يستخدم (FFT (Fast Fourier Transform.

#####################
من أهم ما يميز OFDM :
#####################

1- الكفاءة العالية جدا حيث أنها تستخدم كل الband.
2-  تعمل في الحزمة الترددية الراديوية 5.2GHz التي تملك تداخل أقل مع الأجهزة الأخرى وبالتالي نحصل على سرعة كبيرة جدا لنقل المعطيات تصل لأكثر من 54 Mbps.
3- يقلل من ما يسمى ب الخبو في الترددات العليا يسمى fading.
4-  تستخدم ل channel coding بحيث نكون قادرين على استرداد ال symbol المفقود.
5- عملية التصحيح equalization تكون أسهل.
6- تمنع حدوث ISI وهو عملية حدوث تداخل في السنبل نفسه.
7 - يعطي مناعة قوية حتى لا يتم interfering.
8- لا تتأثر بال sample time يعني ليس لها حساسية لل time عكس ال single carrier.
9- لا يحدث تفلطح dispersion لل symbol.
10- ال robustness against impulse noise تعطي مناعة قوية ضد الضوضاء.
11- القضاء على ال 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 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.

#####################
أهم مشاكل وعيوب ال OFDM:
#####################

1- حساسة جدا لل offset frequency يعني نكون دقيقين باختيار ال carrier frequency offset.
2- لها noise لذلك نحتاج إلى amplifier له بور عالية جدا.
3- عملية ال synchronize.
4- يحدث ضعف attenuation يعني ضعف للإشارة المستقبلة.

#####################
شرح بعض من أهم عناصر نظام ال OFDM:
#####################

#####################
Source Encoder/Decoder:
المرمز أو مشفر المصدر:
#####################

*****************************
1- Encoder:
*****************************
1- هذه العملية تتم في طرف المرسل.
2- أي data سواء كانت صورة أو صوت أو نص يتم تحويلها إلى binary data bits.
3- هذه bits يتم إضافة لها مجموعة من zeros حيث أنها تكون شكل ال symbol المراد إرساله.

*****************************
2- Decoder:
*****************************
هذه العملة تتم عند المستقبل حيث انها تستخلص bits ويتم استعادة البيانات الى شكلها الأصلي.

#####################
Channel Encoder/Decoder :
مرمز أو مشفر القناة:
#####################

*****************************
1- Encoder:
*****************************
1- يستخدم في عمل تشفير لل Data.
2- يوجد العديد من الاكواد المستخدمة مثل..
RCPC (Rate Compatible Punctured Convolution).
3- تختلف channel rates يوجد منها:
* 1/3 حيث من كل 3bits.. نستخدم بت واحد data و 2 protection.
* 1/2 حيث نستخدم 2bits.. بت واحد data و واحد protection.
* 2/3 حيث نستخدم 3bits ..2 data و 1 protection.

*****************************
2- Decoder:
*****************************
يستعمل في المستقبل ويستعمل لاستعادة Data إلى شكلها الأصلي.

#####################
OFDM Modulation:
التضمين:
#####################

كل symbol يتكون من مجموعة من serial bits يتم ادخالها الى serial to parallel converter وهو عبارة عن register له مدخل واحد ومجموعة من المخارج orthogonal carriers (الناقلات المتعامدة)
ويتم التعامل مع carriers باستخدام احد modulation المتعارف بها مثل PSK.

#####################
IFFT & FFT:
تقنيات التحويل:
#####################

*****************************
1- IFFT (Inverse Fast Fourier Transform):
*****************************
1- تحدث عند المرسل.
2- الغرض منها تحويل data من frequency domain الى time domain ثم يتم ارسالها إلى channel.

*****************************
2- FFT (Fast Fourier Transform):
*****************************
1- تحدث عن المستقبل.
2- الغرض منها هو العمليه العكسية تحويل data من time domain إلى frequency domain واسترجاع data في شكلها الأصلي.

#####################
Guard band:
#####################

1- بعد عملية IFFT , يتم إضافة Guard band.
2- تضاف Guard band إلى بداية كل symbol.
3- ويشترط ان يكون مدة..
Guard Band>channel maximum delay
حتى لا يحدث تداخل عملية التداخل (ISI).

#####################
من بعض المشاكل التي تحدث في ال OFDM:
#####################

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

وعملية التفلطح ناتجة عن ال channel أو الموجة نفسها يعني أن شكل أي موجه هو نتيجة مجموعة signal يعني لنفرض أن عندنا شكل معين يمثل شكل رمز فهو ناتج عن مجموعة إشارات فإن لكل موجة منه سرعة مختلفة فقد تصل واحدة قبل الأخرى وبذلك لن يخرج الشكل المراد بالضبط لذلك للتغلب على هذه الظاهرة يترك فترة زمنية بين كل frame يعني نفترض انا ارسلنا ال frame الأولى من الصوت و الصورة فإننا ننتظر جزء من الوقت حتى نبعث ال fram الثانية نفترض 5 ميكرو ثانية وهذا يسمى guide time او time band إذا 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 لذلك لن يتم التداخل و يكون الوقت المتروك أكبر من التفلطح المتوقع حدوثه large than the expected delay spread
يعني هذا الوقت نتركه فاضي لا نرسل به أي معلومة.

2 - المشكله الاخرى وهي نتيجة لترك جزء من الوقت بين كل رمز و آخر لحل مشكلة  ISI هذا يؤدي إلى حدوث تداخل بال sub carrier حيث يؤثر على orthogonal بينهم حيث أن ال transmitter يكون مضبوط لإخراج ال sub carrier وراء بعض يعني لن ينتظر وقت. مثال لو كان يخرج الاول من 1 إلى 2 و الثاني من 2 إلى 4 ففي البداية سوف يكون الارسال صحيح لكن بعد أن ننتظر وقت لإخراج الرمز الثاني يكون جزء من وقت ال sub carrier قد مر.

نلاحظ أنه أخرج الحامل الاول من 1-2 ثم الثاني من 2-4 ثم يخرج الحامل الأول ايضا من 1-2 لكن من الملاحظ أن جزء من الحامل الأول قد فقد و بدأ من 1.5-2 وهذا يسبب ICI.

لحل هذه المشكلة نممد الحامل الثاني بدل من 2-4 الى 2-6 حيث يترك من 4-6 فاضي لا يحمل معلومات وبذلك يبدأ الحامل الثاني في نفس وقته تماما و يلتقي مع الرمز الذي يريد إرساله.