######################
مفهوم إعادة استخدام التردد:
Frequency Re-use:
######################
نظراً لمحدودبة المصادر الطيفية نشأ المفهوم الخلوي الذي يستند على تقسيم المنطقة المراد تغطيتها إلى خلايا متعددة تستعمل حزمة من الترددات بشكل كامل ضمن الخلية ويمكن لهذه الخدمة أن يعاد استخدامها في خلية أخرى بعيدة عن الأولى بمسافة معينة ويعتبر الفاصل الخلوي طريقة ممتازة لتجنب تداخل القناة الواحدة لأن مستخدمين التردد الواحد يكونان في خليتين مختلفتين في نفس الوقت.
يعمل مفهوم إعادة استخدام التردد في كثير من الأحيان في تقنيات الاتصالات اللاسلكية، ولا سيما في الشبكات الخلوية في جميع أنحاء العالم. وهو استخدام تردد حمل الإشارة Carrier Frequency أكثر من مرة أو بشكل متكرر، داخل مناطق جغرافية لأجل تحسين التخطيط والجودة للمستخدم والتغطية. نشأ هذا الإجراء مع الجيل الأول من شبكات الخلوية وتم تطبيقها بنجاح على شبكات الجيل الثاني والثالث. على الرغم من أن الأساليب العملية لإعادة استخدام تردد واحد تختلف في الشبكات المختلفة، إلا أن المبادئ الأصلية ظلت هي نفسها.
######################
مبادئ:
######################
المبدأ الأساسي لإعادة استخدام التردد يضع أساساته على فكرة استخدام عدد محدود من قنوات التردد المتاحة (المخصصة) في مواقع جغرافية مختلفة وبعيدة. في الواقع، يتم تقسيم الشبكة الخلوية عادة إلى قطاعات جغرافية صغيرة أو "الخلايا" Cells الموجودة ضمن مجموعة أكبر تسمى "الكتلة" Cluster، وكل خلية لديها مجموعة من الترددات الناقلة أو الوصلات الصاعدة Up link والهابطة Down link. كل الخلايا المجاورة لها مجموعات مختلفة من الترددات، من أجل تجنب التداخل بين إشارات الإرسال والاستقبال.
الشرط الأساسي في الاتصالات اللاسلكية ينص على أن الترددات المشابهة لا يمكن استخدامها بشكل متكرر في منطقة جغرافية محدودة أو قريبة من بعضها، لأن ذلك يؤدي إلى إلغائها أو خلق تشويش مما يؤدي إلى انقطاع عملية التواصل.
######################
أهمية:
######################
تكمن أهمية إعادة استخدام الترددات في زيادة عدد المستخدمين وزيادة تغطية الشبكة. من ناحية أخرى، فإن مفهوم إعادة استخدام قناة تردد واحدة مرارا وتكرارا على المواقع بشكل كاف هو الحل العملي بالنظر لزيادة عدد مستخدمي الهاتف المحمول في الخلية. والذي لا نستطيع توفير ترددات مختلفة لهم جميعا، فمن هنا ظهرت أهمية إعادة استخدام الترددات.
######################
نظرية:
######################
إن المحددات الناجمة عن حركية وتنقل المشترك ذات تأثير على خواص طرفيات المشتركين MS. طرفية المشترك يجب أن تكون بالضرورة متنقلة حسب طبيعة الاستخدام (سيارة - زورق - دراجة... إلخ) أو أجهزة محمولة باليد وهذا يعني أن الطرفية يجب أن تكون مقيدة الوزن والحجم كي تكون سهلة في الحمل والمناورة. لكن الوحدة المدمجة خفيفةالوزن تتضمن تغذية محدودة و الذي مفهوم هام آخر يتعلق بالحركة في الشبكة يتضمن الحاجة لوضع المشتركين وتتبع حركاتهم وإمكانية مراقبة الوصول إليهم (المشترك الذي يطفئ جهازه يختفي من الشبكة). والمفهوم الهام الآخر الذي يجب أن تؤمنه الطرفية المتنقلة MS وهو الأداء الجيد في بيئة ذات ضجيج ملحوظ (شوارع المدينة، معامل، مكاتب) حيث شوارع المدينة نادراً ما تكون أماكن هادئة.
إن الحزمة الجانبية هي الوصلة بين طرفية المشترك المتنقل وتجهيز الشبكة الثابتة وهي المحطات القاعدة BTS وبما أن استطاعة الخرج للطرفيات المتنقلة MS محدودة الطاقة بسعة بطارياتها يكون إشعاع الطاقة الراديوية ضعيف وأكثر من هذا يجب أن نلاحظ تخامد الإشارة الراديوية Attenuation في الاتصالات المتنقلة متناسبة مع القوة 4 للمسافة بين المرسل والمستقيل، فإذا كانت الطاقة المشعة Pe (طاقة المرسل) والطاقة الواصلة للمستقبل Pr تكون تابعة للمسافة، العلاقة كالتالي:
Pr = Pe/D^4
لذلك تكبر المسافة D بضعف الإشارة المستقبلة. وتبين هذه الخاصية أنه إذا كانت الاستطاعة المشعة محدودة يكون مجال التغطية محدود. فمن أجل تغطية مساحة معينة لطرفية المشتركين MS ذوي استطاعة إرسال ضعيفة فإنه من الضروري إيجاد عدد كبير من محطات القاعدة BTS، ونتيجة لضعف الاستطاعة المرسلة تكون مساحة التغطية محدودة لذلك يمكن إعادة استخدام نفس التردد في مناطق مفصولة (متباعدة) عن بعضها بما فيه الكفاية مما لا يسبب تداخلاً في الموجات الراديوية.
في الاتصالات الراديوية المتنقلة تدعى المنطقة المغطاة من قبل المحطات القاعدية، الخلية "cell"، لذلك تصمم الشبكات لمجموعة الهواتف الراديوية الخليوية لإعطاء أداء أفضل ضمن المحددات الموجودة.
يمكن استثمار خاصية إعادة استخدام التردد في الأماكن المكتظة من حيث كثافة الحركة الكبيرة (مركز المدينة) وتعتبر الخلية المركز الأساسي في بناء المنطقة المراد استخدام مجموعة الترددات فيها لإعادة استخدام آيا من تلك الترددات في خليتين مختلفتين c1, c2 يجب أن نقوم بإجراء معين بحيث تكون المسافة بين مركزي خليتين مساوي لضعف قطر الخلية بغية الإقلال من التداخل.
من المعروف أن الشبكة الخليوية لها مجموعة من ترددات التشغيل التي تعمل بها وتستخدمها في الإرسال والاستقبال، وعدم إعادة استخدامها مرة أخرى يؤدي إلى محدودية تغطية شبكة الهاتف الخلوي، ولهذا السبب، كل تردد يجب إعادة استخدامه في خلايا مختلفة تبعد مسافة كبيرة عن بعضها البعض لمنع التداخل. عادة لا يتم الحصول على هذه المسافة من الناحية النظرية،المعادلة التي يتم استخدامها لذلك يتم كتابتها بالصيغة التالية D = R√3N، حيث "D" هي المسافة المطلوبة لإعادة استخدام التردد، "R" هو دائرة نصف القطر التقريبي لكل خلية و"N" يدل على عدد من الخلايا لكل كتلة Closter. وعلاوة على ذلك، هناك أيضا حد معين الذي يحدد عدد المرات التي يمكن إعادة استخدام التردد الواحد في العنقود أو الكلستر، ويتم الحصول عليه من الناحية النظرية باستخدام الصيغة 1 / K، حيث "K" هو عدد الخلايا التي لا يسمح لهم استخدام نفس التردد في الكلستر.
######################
معامل إعادة الاستخدام:
######################
تعطي العلاقة Q=D/R، معامل تخفيض القناة الواحدة كما أنها تحدد مستوى C/I المطلوبة كم مرة مسبقاً (Carrier-to-Interference). يسمى Q معامل إعادة الاستخدام، وكلما كان كبير كان إعادة الاستخدام ذو مردود أكبر.
######################
استنتاجات:
######################
بزيادة قطر الخلية R:
- نقلل من إعادة استخدام التردد بسبب انخفاض قيمة معامل إعادة الاستخدام Q.
- يزيد من عدد المشتركين في الخلية وذلك لأن الحزمة الترددية المسموحة ضمن الخلية الواحدة أصبحت أكبر لأن معامل إعادة الاستخدام أقل.
- ينقص من C/I حسب القانون:
C/I = Q^4/6 = D^4/6R^4
بازدياد المقام يؤدي إلى نقصان كبير في نسبة الحامل إلى التداخل.
- زيادة عدد خلايا العنقود يزيد من إعادة استخدام التردد من العلاقة بزيادة N تزداد ال Q بحسب (Q=3N) وبالتالي إمكانية إعادة استخدام الحزم الترددية في أماكن أخرى تزداد.
- يقلل عدد المستخدمين في الخلية وذلك بسبب انقسام الطيف الترددي بين عدد أكبر من الخلايا وبالتالي تصبح الحزمة المتاحة ضمن الخلية الواحدة أقل وبالتالي إنقاص عدد المستخدمين ضمنها يزداد C/I من القانون:
C/I = Q^4/6 = (3N)^2/6
وبزيادة N تزداد النسبة C/I.
######################
تطبيقات عملية:
######################
يتم تكييف مفهوم إعادة استخدام التردد من قبل جميع الشبكات الخلوية الرئيسية في جميع أنحاء العالم. على سبيل المثال، الشبكات مثل GSM، CDMA، UMTS، WCDMA و 3GPP LTE. وعلاوة على ذلك، فإن بعض هذه الشبكات (مثل GSM و UMTS) إعادة استخدام الترددات يتم حتى ضمن الخلية، ويمكن تقسيم كل خلية إلى قطاعات لزيادة إعادة استخدام التردد. ومع ذلك، فإن القيام بذلك عمليا يؤدي إلى تداخل عالي بين الهواتف المحمولة ومحطات الإرسال الخاصة بهم.
هل يوجد كتاب أو مرجع عربي لما ذكرت
ردحذف