OFDMA چيست

OFDMA يا Orthogonal frequency-division multiple access يا مدولاسيون تقسيم فركانسي چندگانه متعامد از جمله روش‌هاي مدولاسيون در شبكه‌هاي مخابراتي است كه در جهت غلبه بر مشكل ISI در كانال مخابراتي اهميت بسيار دارد. از OFDMA زماني استفاده مي شود كه چند كاربر تصميم داشته باشند از كانال مخابراتي با مدولاسيون OFDM به صورت همزمان استفاده كنند. ما در اين مقاله سعي داريم شما را با OFDM و OFDMA آشنايي كنيم پس در ادامه همراه ما باشيد.

 OFDM چيست؟

قبل از آنكه در رابطه با OFDMA صحبت كنيم بهتر است ابتدا با OFDM آشنا شويم. مدولاسيون OFDM به سال‌هاي ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ و در طول تحقيقات روي روش‌هاي كاهش اثر تداخل بين كانال‌هاي نزديك باز مي گردد. در واقع هدف اصلي اين تحقيقات، ايجاد يك روش مدولاسيون جهت كاهش خطا در مخابرات هنگام وجود تداخل و شرايط گزينشي بود. اما براي استفاده از روش مدولاسيون OFDM به سطح نسبتا بالايي از پردازش نياز بود كه در آن زمان چنين امكاني وجود نداشت.

اولين سيستم‌هايي كه توانستند از روش OFDMA استفاده كنند، سيستم‌هاي پخش تلويزيوني ديجيتال بودند. در اين سيستم‌ها، مدولاسيون OFDM قادر بود داده را با قابليت اطمينان بسيار بالا در شرايط و مسيرهاي سيگنال مختلف منتقل كند. يك مثال خوبي براي استفاده از اين سيستم ها راديو ديجيتال DAB در اروپا بوده است. اولين كشوري كه از OFDM در تلوزيون استفاده كرد نروژ بود.

در سال‌هاي بعد، به دليل افزايش توان پردازش سيستم‌ها و نيز افزايش سطح تجميع مدارات، مهندسان توانستند از روش OFDM در سيستم‌هاي مخابرات موبايل 4G نيز استفاده كنند و در واقع اين سرويس‌ از سال ۲۰۰۹ مورد استفاده وسيع قرار گرفت. همچنين امروزه از OFDM براي واي فاي و ساير ساير سيستم‌هاي داده وايرلس استفاده مي‌شود.

در واقع OFDM از تعداد زيادي سيگنال‌هاي حامل استفاده مي‌كند كه هر كدام از اين سيگنال‌هاي حامل، مسئول حمل داده‌هاي با نرخ بيت پايين هستند. اين امر بدين معني خواهد بود كه مدولاسيون OFDM در مقابل محوشدگي گزينشي يا Selective Fading، تداخل و اثرات چند مسيري بسيار منعطف است و همچنين درجه كارايي طيفي بالايي دارد.

به طور كلي پردازش هاي مورد نياز در اين روش مدولاسيون براي سيستم‌هاي اوليه، نسبتا سنگين بود. اما  تكنولوژي رفته رفته پيشرفت كرد و مشكلات مدولاسيون OFDM در زمينه توان پردازش مورد نياز تا حد زيادي كاهش يافت.  اما لازم است بدانيد كه روش مدولاسيون OFDM و مدولاسيون چند حاملي اخيرا استفاده مي شوند. از روش مدولاسيون براي مخابرات وايرلس داده ها پلتفرم مناسبي را فراهم كرده است.

به‌ طوركلي OFDM يك سيگنال پرسرعت را به چندين سيگنال آهسته تقسيم مي‌كند تا در انتهاي گيرنده مقاوم‌تر باشد تا كانال‌هاي فرعي، بتوانند داده‌ها را بدون شدت انتقال دهند. بسياري از اين حامل‌هاي فرعي در گيرنده جمع مي‌شوند و براي ايجاد يك انتقال سريع با سرعت بالاتر با يكديگر تركيب مي‌شوند. تقسيم فركانسي چندگانه متعامد يا مدولاسيون OFDM از تعداد بالايي سيگنال‌هاي حامل استفاده مي‌كند كه هركدام از اين سيگنال‌ها مسئول حمل داده‌هاي با نرخ بيت پايين هستند.

تقسيم فركانسي چندگانه متعامد يكي از روش‌هاي مدولاسيون است كه داراي ويژگي‌هاي مناسب در انتقال داده‌هاي ديجيتال است. OFDM در برخي از جديدترين سيستم‌هاي وايرلس با نرخ داده بالا مانند، واي‌فاي و مخابرات از راه دور مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

 اصول كار OFDM چيست؟

همانطور كه در تصوير مشاهده مي كنيد، يك سيگنال OFDM از تعدادي سيگنال حامل مدوله شده نزديك به هم تشكيل شده است. زماني كه يك مدولاسيوني از هر نوع (صوت، تصوير، داده و …) را به يك سيگنال حامل اعمال كنيم، در همان زمان باندهاي جانبي از هر طرف گسترده مي‌شوند. براي يك گيرنده امري بسيار ضروري است كه بتواند تمام سيگنال را به صورت كامل دريافت كند تا در نهايت سيگنال پيام اصلي را از طريق مدولاسيون سيگنال دريافتي بازسازي كند.

پش نتيجه مي گيريم، هنگامي كه سيگنال‌هاي نزديك به يكديگر ارسال مي‌شوند، مدولاسيون بايد به صورتي باشد كه گيرنده بتواند آنها را با استفاده از يك فيلتر از يكديگر تفكيك كند كه براي اين كار مي‌توان از يك باند محافظتي بين هر كدام از آن‌ها استفاده كرد. اگرچه باندهاي جانبي از هر حامل با يكديگر همپوشاني دارند، اما باز هم مي‌توان آن‌ها را بدون تداخل دريافت كرد، زيرا اين سيگنال‌ها بر يكديگر عمود هستند.

در مخابرات اگر انتقال يك سيگنال ديجيتال را در درون يك كانال غير ايده‌آل در نظر بگيريم، مشاهده مي‌كنيم كه زماني كه هم‌ پاسخي سرعت سيستم يا reciprocal of the system rate تا حد زيادي كوچك‌تر از انتشار زماني يا طول پاسخ ضربه، كانال غير ايده‌آل باشد، اين كانال موجب ايجاد تداخلات بين سمبلي يا Intersymbol Interference مي‌شود. در چنين حالتي، يك برابر كننده يا اكوالايزر كانال در گيرنده اعمال مي‌شود تا اعوجاجات كانال را جبران كند.

اگر كانال از نوع ميان گذر با پهناي باند مشخص باشد، آن‌گاه سيگنال شامل اطلاعات، ممكن است در باند پايه توليد شود و سپس به فركانس باند عبور انتقال يابد. بنابراين سيگنال شامل اطلاعات روي يك سيگنال حامل تكي منتقل مي‌شود. نكته ديگري كه وجود دارد اين است كه تداخلات بين سمبلي اكثرا موجب خرابي عملكرد مي‌شوند، حتي در حالتي كه در گيرنده از آشكارساز بهينه براي بازيابي سمبل‌هاي پيام استفاده شود.

يك راه ديگر براي طراحي يك سيستم مخابراتي با پهناي باند موثر در حضور كانال اين است كه پهناي باند كانال موجود را به تعدادي زيركانال يا Subchannels با پهناي باندهاي برابر تقسيم كنيم. نحوه تقسيم باند به اين صورت است كه بايد پهناي باند هر زير كانال به اندازه كافي باريك باشد تا مشخصه پاسخ فركانسي زيركانال‌ها تقريبا ايده‌آل شود.

OFDMA چيست؟

OFDMA يا Orthogonal frequency-division multiple access يك تكنولوژي OFDM چندكاربره است كه كاربران از يك سري حامل هاي فرعي يا Subcarrier استفاده مي كنند و اين حامل هاي فرعي از نظر دامنه فركانسي روي هم همپوشاني يا Overlapping دارند.

لازم به ذكر است كه اين حامل هاي فرعي طوري طراحي شده اند كه با يكديگر متعامد يا Orthogonal باشند به طوري كه پهناي باند يكساني را بدون هيچ تداخلي داشته باشند. مزيت اين روش اين است كه ديگر نيازي به استفاده از Guard band نيست.

OFDMA ﺑﻪ روﺗﺮ اﺟﺎزه مي‌دهد ﻫﺮ ﮐﺎﻧﺎﻟﻰ را ﮐﻪ ﺑﺮاى ارﺳﺎل سيگنال‌هاي ﺧﻮد در ﺑﺎﻧﺪ ﻓﺮﮐﺎﻧﺴﻰ 2,4 ﯾﺎ 5 ﮔﯿﮕﺎﻫﺮﺗﺰ اﺳﺘﻔﺎده مي‌كند ﺑﻪ فركانس‌هاي اختصاص‌يافته كوچك‌تر ﺑﻪﻧﺎم واﺣﺪﻫﺎى ﻣﻨﺎﺑﻊ ﯾﺎ RU ﺗﻘﺴــﯿﻢ ﮐﻨﺪ.

ويژگي‌هاي OFDMA:

• OFDMA از انتقال هم‌زمان داده‌هاي پايين از چندين كاربر هم‌زمان پشتيباني مي‌كند
• OFDMA داراي 1024 زير حامل است.
• OFDMA از هرگونه كانال يا زير حامل در شبكه پشتيباني مي‌كند.
• بهبود بيشتر OFDMA در محو شدن و تداخل از آنجا كه مي‌تواند با اجتناب از اختصاص كانال‌هاي بد، زيرمجموعه‌اي از subcarrier را براي هر كاربر اختصاص دهد.
• OFDMA از چندين كاربر از طريق TDMA يا FDMA يا هر دو به طور هم‌زمان پشتيباني مي‌كند.

مقايسه MU-MIMO و OFDMA:

هر دو MU-MIMO و OFDMA فن آوري هايي هستند كه امكان دسترسي چند كاربر به يك كانال را به طور همزمان فراهم مي كنند، اما هدف آنها متفاوت است. به طور كلي MU-MIMO به معناي چند خروجي، چند ورودي و چند كاربر است. پس همان‌طور كه از معناي آن پيداست اين قابليت، اتصال چندين دستگاه به مودم را فراهم مي‌كند و OFDMA از كانال هاي فرعي يا واحدهاي منبع استفاده مي كند به طوري كه به راحتي و بدون كندي و قطع و وصل، مي‌توانيد از اينترنت استفاده كنيد. به طور كلي، OFDMA يك روش دسترسي چندگانه كارآمدتر است.

ﻫﻤﺎﻧﻨــﺪ OFDMA ،MU-MIMO ﺑﻪ روﺗﺮ اﺟــﺎزه مي‌دهد هم‌زمان ﺑﺎ ﭼﻨﺪ دﺳــﺘﮕﺎه ارﺗﺒﺎط ﺑﺮﻗﺮار ﮐﻨﻨﺪ، اﻣﺎ به‌جاي ﺗﻘﺴــﯿﻢ كانال‌ها ﺑﻪ واﺣﺪﻫﺎى ﻣﻨﺒﻊ، MUMIMO ﺑﺮاى ﺗﻘﺴــﯿﻢ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﯿﻦ دستگاه‌ها از اﺧﺘﻼﻓﺎت ﻣﮑﺎﻧﻰ ﺑﯿﻦ آنﻫﺎ اﺳﺘﻔﺎده مي‌كند.

 MUMIMO ﺑــﺮاى اولين‌بار در ﺳــﺎل 2015 به‌عنوان به‌روزرساني WiFi 5 ﻣﻌﺮﻓﻰ ﺷﺪ و ﻓﻘﻂ ﺑﺮاى سيگنال‌هاي ﺧﺎرج ﺷﺪه از روﺗﺮ ﮐﺎرﺑﺮد داﺷﺖ، اﻣﺎ در ﻧﺴﺨﻪ WiFi 6 اﯾﻦ ﻣﺸﮑﻞ ﺑﺮﻃﺮف ﺷﺪه و ﺑﻪ روﺗﺮ اﺟﺎزه مي‌دهد سيگنال‌هاي ورودى از ﭼﻨﺪ دﺳﺘﮕﺎه را ﻣﺪﯾﺮﯾﺖ ﮐﻨﺪ.

اين كار به شما امكان انتقال هم‌زمان سرعت اين داده از چندين كاربر متفاوت را مي‌دهد و همچنين از اختصاص به حامل‌هاي بد جلوگيري مي‌كند. همچنين از سيستم‌هاي ثابت و تلفن همراه نقطه به چند استفاده از OFDMA و اكثر سيستم‌هاي مدرن از OFDMA مانند Mobile WiMAX و LTE استفاده مي‌كنند.

مقايسه OFDMA و SC-FDMA:

در كنار تمام مزيت هايي كه در رابطه با سيستم هاي مبتني بر OFDM گفته شد همواره با دو چالش روبرو بوده اند:

ـ چالش اول: بالا بودن نسبت توان قله به توان متوسط سيگنال (papr) است. اين مسئله بويژه در ارسال فراسو باعث كاهش سطح پوشش سلول، تقويت غير خطي سيگنال و در نتيجه كاهش بازدهي پهناي باند مي شود.

همچنين جهت papr در فرستنده ها نياز است كه از تقويت هاي گران قيمت با رنج ديناميكي بالا استفاده شود. اضافه شدن يك پيش كدگذار تبديل فوريه گسسته به سيستم OFDMA ميزان متوسط سيگنال را به شدت كاهش مي دهد كه به آن SC-FDMA گفته مي شود و ميزان آن را به حداقل مي رسد. به همين جهت در ارسال LTE براي بهبود مشخصه هاي تواني سيگنال از SC-FDMA استفاده مي شود.

ـ چالش دوم: چالش دوم سيستم هاي مبتني بر OFDMA، حساسيت به انحراف هاي فركانسي يا CFO است. اين حساسيت بر اثر عدم انطباق اسيلاتور هاي گيرنده و فرستنده و همچنين اثر داپلر ايجاد شده و امكان حذف كامل به علت خطاهاي همزمانسازي در كانال هاي متغير با زمان وجود ندارد.

اثر CFO در سيگنال OFDM به صورت تداخل بين زيرحامل ها ظاهر مي شود. اين مسئله بويژه در ارسال، به علت تفاوت انحراف هاي فركانسي كاربران مختلف موجب تداخل هاي بين كاربري شده و عملكرد سيستم را به شدت تحت تاثير قرار مي دهد. روش هاي مختلفي براي جبران CFO در سيستم هاي OFDMA و SC-FDMA پيشنهاد شده است كه مشكل مشترك آنها پيچيدگي محاسباتي بسيار بالا است.

منبع : OFDMA چيست