مدولاسیون شبکه‌های نسل پنجم(5G) و تعامل آن‌ها با اینترنت اشیا صنعتی

این مطلب یکی از مجموعه مقالات پرونده ویژه «اینترنت اشیا صنعتی» شماره 194 ماهنامه شبکه است. علاقه‌مندان می‌توانند کل این پرونده ویژه را از روی سایت شبکه دانلود کنند. 

شبکه‌های موبایل نسل پنجم به‌‌اختصار 5G گفته می‌شوند و استانداردهای ارتباطی برای اینترنت اشیا را شکل می‌دهند. برنامه‌ریزها اعتقاد دارند 5G در مقایسه با 4G ظرفیت بیشتری برای پشتیبانی از حامیان اینترنت اشیا مانند دستگاه به دستگاه، ارتباطات مطمئن و ارتباطات ماشینی سنگین دارد. اهداف 5G به این صورت هستند: تأخیر کمتر نسبت به 4G، کاهش مصرف باتری، نرخ داده چندین مگابیتی برای ده‌ها هزار کاربر، چند صد هزار ارتباط هم‌زمان به‌وسیله حسگرهای بی‌سیم در کنار بهتر شدن کیفیت سیگنال طیفی. افزایش کارایی استفاده از طیف تا حدودی وظیفه مدولاسیون مورد استفاده در 5G خواهد بود، اگرچه روش‌های مدولاسیونی تا به حال استاندارد شده‌اند. مدولاسیون محلی است که در آن سیگنال اطلاعات برروی یک سیگنال دیگر که حامل نامیده می‌شود سوار شده و سپس ارسال می‌شود. در مدولاسیون یکی از خواص سیگنال حامل (فاز، دامنه، فرکانس‌و...) تغییر می‌کند. شاید جالب باشد تکنیک‌های مدولاسیون اصلی را به‌‌عنوان بخشی از 5G بررسی کنیم. تکنیک‌هایی که در 5G وجود دارند، تمایل دارند با حامل‌های چندگانه، استفاده از طیف را بهبود ببخشند. در شبکه‌های کنونی 4G LTE از QAM با OFDM به‌‌عنوان روش مدولاسیون و از OFDMA(سرنام Orthogonal Frequency Division Multiplexing) به‌‌عنوان روش دسترسی استفاده می‌شود. 5G نرخ بیتی بالایی را فراهم می‌کند و باید از طیف فرکانسی به‌‌صورت بهینه استفاده کند. ایده‌های زیادی برای 5G مطرح شده‌اند که ترکیبی از اصول QAM و OFDM است.

مطلب پیشنهادی

سرعت تنها دستاورد 5G نیست!

۷ کار باورنکردنی که می‌توانید با 5G انجام دهید

در ابتدا مفاهیم اساسی توضیح داده خواهد شد. تکنیک‌های تربیع یک نشانه انتقال داده شده را به‌‌صورت یک عدد مختلط بیان و سیگنال حامل کسینوس و سینوسی را با بخش‌های واقعی و موهومی مدوله می‌کنند. با این کار یک نشانه می‌تواند با دو حامل فرستاده شود. به طور معمول، به این دو حامل حامل‌های تربیع قلمداد می‌شود. یک آشکارساز یکپارچه می‌تواند به‌طور مستقل سیگنال‌های مدوله شده این حامل‌ها را استخراج کند. اصل استفاده از دو حامل مستقل برای مدوله کردن، اساس تکنیک مدولاسیون تربیع است.
QAM (به‌عنوان یک تکنیک مدولاسیون تربیع) اطلاعات را به‌‌وسیله مدوله کردن دامنه‌های موج دو حامل انتقال می‌دهد. این مدوله‌سازی برای داده‌های دیجیتال با روش شیفت کلید دامنه (ASK) و برای داده‌های آنالوگ با روش مدولاسیون مستقیم دامنه انجام می‌شود. موج‌های دو حامل از طیف فرکانسی یکسان، معمولاً موج‌های سینوسی‌اند که با زاویه 90 درجه نسبت به‌‌هم از فاز خارج هستند. موج‌های مدوله شده با هم جمع شده و شکل موج نهایی ترکیبی از روش‌های مدولاسیون شیفت کلید فاز (PSK) و شیفت کلید دامنه است.
گفته می‌شود QAM از نظر طیفی کارا است. دلیل این گفته نیز با مقایسه سیگنال QAM با یک حامل عادی AMed آشکار می‌شود. AMed یک سیگنال مدوله شده با روش مدولاسیون مستقیم دامنه است که دو باند جانبی دارد. پهنای باندی که توسط حامل و این باندهای جانبی اشغال می‌شود، دو برابر پهنای باند سیگنال مدوله شده است. در مقابل، QAM دو سیگنال حامل تحت فشار قرار داده شده دوبانده در طیف فرکانسی یکسان را به‌‌صورت یک سیگنال حامل تحت فشار قرار داده شده دوبانده عادی قرار می‌دهد.

سیگنال‌های QAM معمولاً با روش‌های مدولاسیون چندحامله فرستاده می‌شوند. در روش‌های مدولاسیون چندحامله، یک سیگنال QAM روی چندین زیر‌حامل انتقال می‌یابد. انجام این کار باعث ساده‌سازی جبران اعوجاج‌هایی است که در کانال ارتباطی افزایش می‌یابند

QAM می‌تواند با انتخاب اندازه مناسب صورت فلکی بازدهی طیفی را افزایش دهد. به‌‌عنوان یک مرور اجمالی، یک نمودار صورت فلکی سیگنال را بر اساس محورهای Q و I نمایش می‌دهد که هر نقطه در این نمودار، نشانه‌های ممکن را نمایش می‌دهد. با تعریف تعداد نشانه‌های بیشتر در روش مدولاسیون، تعداد نقاط در نمودار صورت فلکی نیز بیشتر خواهد بود. تعداد نشانه‌ها یا تعداد نقاط در نمودار صورت فلکی در نام روش مدولاسیون نشان داده می‌شود: 16QAM بیان‌کننده 16 نقطه در نمودار صورت فلکی یا نشانه است.
نقاط در نمودار صورت فلکی معمولاً در یک فضای مربعی با فاصله افقی و عمودی یکسان قرار دارند. هرچه مقدار QAM یا به عبارت دیگر تعداد نقاط در نمودار صورت فلکی بیشتر باشد، به این معنا است که به‌‌ازای هر نشانه تعداد بیت‌های بیشتری انتقال می‌یابد. با افزایش مقدار QAM، مکان قرارگیری نقاط صورت فلکی به‌‌هم نزدیک‌تر و در نتیجه لینک نسبت به نویز حساس‌تر می‌شود. به طور مشخص، لینک برای حرکت دادن سیگنال به نقاط مختلف نمودار صورت فلکی، نویز کمتری دریافت خواهد کرد (هرچه مقدار QAM کمتر باشد، لینک در مقابل نویز مقاوم‌تر خواهد بود). نکته‌ای که درباره QAM باید مورد توجه قرار داد این است که QAM یک سیستم تک‌حامله است. دو جریان بیتی دیجیتال از یک منبع واحد می‌آید که به‌‌صورت دو سیگنال مستقل جداسازی شده‌اند.
سیگنال‌های QAM معمولاً با روش‌های مدولاسیون چندحامله فرستاده می‌شوند. در روش‌های مدولاسیون چندحامله، یک سیگنال QAM روی چندین زیر‌حامل انتقال می‌یابد. انجام این کار باعث ساده‌سازی جبران اعوجاج‌هایی است که در کانال ارتباطی افزایش می‌یابند. هر‌یک از این زیر‌حامل‌ها پهنای باند کمی دارند. کانال ارتباطی واکنش فرکانسی نسبتاً مسطحی نسبت به هریک از این باندهای کوچک دارد؛ بنابراین، جبران اعوجاج‌ها روی هریک از این زیر‌حامل‌های کوچک نسبتاً آسان است. (شکل 1) 

شکل 1- یک انتقال‌دهنده و یک دریافت‌کننده ساده QAM

همان‌ گونه که در شکل 1 مشاهده می‌کنید، روش مدولاسیون تربیع دامنه دو سیگنال آنالوگ یا دو جریان بیتی دیجیتال را با تغییر (مدوله کردن) دامنه موج دو حامل، با استفاده از روش مدولاسیون شیفت کلید دامنه برای سیگنال دیجیتال یا روش مدولاسیون دامنه (AM) برای سیگنال آنالوگ حمل می‌کند. امواج دو حامل با طیف فرکانسی یکسان، با زاویه 90 درجه نسبت به‌‌هم، از فاز خارج هستند؛ بنابراین، حامل‌های تربیع نامیده می‌شوند. امواج مدوله شده با هم جمع شده و شکل موج نهایی ترکیبی از روش‌های مدولاسیون شیفت کلید فاز و شیفت کلید دامنه برای سیگنال دیجیتال و ترکیبی از روش‌های مدولاسیون فاز (PM) و دامنه برای سیگنال آنالوگ است. در OFDM زیر‌حامل‌های متعامد زیادی داده را به‌‌صورت موازی بر جریان‌های داده‌ای یا کانال‌های موازی حمل می‌کنند. هریک از زیر‌حامل‌ها با یک روش مدولاسیون سنتی مانند QAM با نرخ نشانه کم مدوله می‌شوند و می‌توانند نرخ داده‌ای برابر با روش‌های مدولاسیون سنتی در پهنای باند یکسان به دست آورند. (شکل 2)

شکل 2- یک دریافت‌کننده و ارسال‌کننده OFDM

مزیت اصلی OFDM نسبت به استفاده از یک حامل، توانایی آن برای مقابله با تداخل‌هایی است که از طرف منابع فرکانس رادیویی (RF) که از طیف فرکانسی یکسان استفاده می‌کنند یا محوشدگی فرکانسی که ناشی از دریافت سیگنال از چند مسیر متفاوت است. ممکن است OFDM از سیگنال‌های مدوله شده باریک خیلی آهسته به‌‌جای یک سیگنال مدوله شده وسیع سریع استفاده کند. نرخ نشانه کم استفاده از فاصله محافظ بین نشانه‌ها را فراهم می‌کند. استفاده از فاصله محافظ بین نشانه‌ها موجب از بین رفتن تداخل بین‌نشانه‌ای (ISI) و استفاده از طنین‌ها و منتشرسازی زمانی برای بهبود نسبت سیگنال به نویز می‌شود. ویژگی متعامد بودن OFDM ناشی از انتخاب باند فرکانسی متعامد برای زیر‌حامل‌ها است. انتخاب باند فرکانسی متعامد برای زیر‌حامل‌ها به این معنا است که فاصله طیفی بین زیر‌حامل‌ها با مدت زمان ارسال نشانه رابطه معکوس دارد. زیر‌حامل‌های متعامد هیچ تداخل بین‌زیر‌حاملی دریافت نمی‌کنند و نیازی به باندهای محافظ بین‌حاملی نیست. در نتیجه طراحی فرستنده و گیرنده راحت‌تر خواهد شد.
چندین مشکل ذاتی در OFDM وجود دارد. یکی از آن‌ها این است که یک سیگنال OFDM می‌تواند نقطه اوج لحظه‌ای زیادی نسبت به سطح متوسط داشته باشد. همچنین، آن‌ها می‌توانند نوسان دامنه‌ای زیادی داشته باشند، هنگامی‌ که سیگنال از یک توان لحظه‌ای کم به یک توان لحظه‌ای زیاد انتقال می‌یابد. یک تقویت‌کننده توان باید به‌‌صورت خطی روی پهنای باند وسیع برای پیشگیری از اعوجاج هارمونیک خارج‌باندی زیاد قرار داده ‌شود.
این پدیده به‌‌طور بالقوه می‌تواند بر کانال‌های مجاور تداخل ایجاد کند. مشکل دیگر OFDM ناشی از هم‌گام‌سازی زمانی و فرکانسی بین فرستنده و گیرنده است. تکنیک‌های بی‌شماری برای تخمین و تصحیح انحراف‌های زمانی و فرکانسی در گیرنده OFDM ارائه شده ‌است. به عنوان مثال، یک ایده این است که سیگنال‌های پایلوت در نشانه‌های OFDM تعبیه شوند و سپس از الگوریتم‌های فراگیری زمانی و فرکانسی برای هم‌گام‌سازی روی آن‌ها استفاده شود.

مطلب پیشنهادی

بانداژی که به نانو سنسور مجهز بوده و از ارتباط وایرلس پشتیبانی می‌کند

ردیابی و گزارش وضعیت زخم‌های بیمار با بانداژ هوشمند مجهز به 5G

طرح‌های ترکیبی برای 5G
چندین روش مدولاسیون برای 5G تحت مطالعه‌اند که ترکیبی از عناصر مورد استفاده در QAM و OFDM هستند. یکی از این روش‌های مدولاسیون F-QAM یا FSK-QAM نام دارد. F-QAM ترکیبی از روش‌های مدولاسیون QAM و شیفت کلیدی فرکانس (FSK) است. این روش مدولاسیون در رابطه با OFDMA ارائه شده‌ است. OFDMA نسخه چندکاربره OFDM است که در آن چندین کاربر از مجموعه‌ای از زیر‌حامل‌ها استفاده می‌کنند. روش مدولاسیون F-QAM ترکیبی از MF-FSK (FSK چندفرکانسه) و MQ-QAM (مدولاسیون QAM با چندین سطوح) است. F-QAM شباهت زیادی به OFDM-IM (OFDM با مدولاسیون شاخص) دارد. در هر دو مورد (F-QAM و OFDM-IM)، اطلاعات هم با نشانه‌های مدوله شده و هم با شاخص‌هایی از زیر‌حامل‌های فعال حمل می‌شوند. فرآیند شناسایی در سمت گیرنده شبیه به OFDM-IM است. گیرنده برای شناسایی زیر‌حامل‌های فعال در هر زیر‌بلاک از یک شناساننده LLR استفاده می‌کند. سپس با استفاده از یک شناساننده ML نشانه‌های دریافتی را تخمین می‌زند. ( شکل 3) 

شکل 3- یک انتقال‌دهنده عمومی F-QAM

همان ‌گونه که در شکل 3 مشاهده می‌کنید، در یک فرستنده F-QAM، تعداد N زیر‌حامل از بلوک OFDM به چندین زیر‌بلوک دارایMF  زیر‌حامل تقسیم می‌شوند. یک جداکننده بیتی، بیت‌ها را به گروه‌هایی تقسیم می‌کند. اولین log2 MF بیت از هر گروه برای انتخاب زیر‌حامل از بین MF زیر‌حامل در دسترس که نشانه‌هایی از صورت فلکی سیگنال MQary را به log2 MQ بیت بعدی از هر گروه نگاشت می‌کنند، استفاده می‌شود. هر زیر‌بلوک به تعداد log2 MF+ log2 MQ بیت انتقال می‌دهد. سایر اجزای انتقال‌دهنده مشابه با OFDM سنتی است.

متخصصان اعتقاد دارند مدولاسیون تک‌حامله هنوز هم می‌تواند بخشی از مشخصات 5G باشد. البته آن‌ها ممکن است ترکیب عجیب و غریبی از تکنیک‌ها باشند. یکی از این ترکیب‌های عجیب روش مدولاسیون سریع‌تر از نایکوئیست (FTN) نامیده می‌شود

یکی از اشکالات OFDMA کنونی این است که به هم‌گام‌سازی دقیق بین کاربر و ایستگاه پایه نیاز دارد. این هم‌گام‌سازی ساده نیست و نیاز به منابع زیادی دارد. بنابراین، هدف بسیاری از کارهایی که بر 5G انجام می‌گیرد، در رابطه با هم‌گام‌سازی ایستگاه پایه است. یک ایده که توسط آزمایشگاه‌های AlcatelLucent Bell ارائه شده‌ است، شکل موج اصلاح شده OFDM است که UFMC نام دارد. در UFMC برای کاهش تداخل بین کاربران (ناشی از چندکاربره بودن)، دسته‌ای از زیر‌حامل‌های مجاور که به یک کاربر مربوط هستند، از یک فیلتر عبور داده می‌شود. در UFMC کارایی پهنای باند برابر با OFDM است، ولی UFMC از پیشوند چرخه‌ای (CP) استفاده نمی‌کند. فاصله CP به‌‌جای جذب کردن کوتاه‌مدت فیلترهای زیرلایه آن‌ها را اشغال می‌کند. با این کار عمل فیلتر کردن موثرتر خواهد بود. GFDM (سرنام Generalized Frequency Division Multiplexing) نیز انتخاب دیگری برای شکل موج خواهد بود. GFDM ممکن است OFDM اصلاح شده باشد که هر زیر‌حامل در آن با یک فیلتر با کیفیت بالا شکل داده شده است. به‌‌منظور اجازه دادن برای افزودن CP، عمل فیلتر کردن در هر زیر‌حامل در GFDM براساس یک حلقه دایره‌ای است. ( شکل 4)

شکل 4- یک دریافت‌کننده عمومی GFDM

یک ادعای دیگر در 5G براساس بانک فیلتر چندحامله با انحراف QAM (FBMC-OQAM) است. FBMC‌‌ برای فیلتر کردن مجموعه‌ای از زیر‌حامل‌ها که به‌‌طور هم‌زمان در باند‌های فرکانسی موازی ارسال می‌شوند، از دو مجموعه فیلتر‌های گذرباند که فیلتر‌های تحلیل و اختلاط نامیده می‌شوند، در سمت فرستنده و گیرنده استفاده می‌کند. FBMC پهنای باند را فیلتر می‌کند و یک پارامتر انتخابی است که در طول طراحی می‌تواند متفاوت باشد. همچنین، FBMC در مقایسه با OFDM کارایی پهنای باند بیشتری فراهم می‌آورد. FBMC نیاز به فرآیند CP را برطرف می‌کند، در حالی ‌که به‌طور مؤثر تداخل درون و نزدیک به باند فرکانسی را کاهش می‌دهد. سیستم‌های FBMC در مقابل نویز‌های باندباریک نیز نسبتاً مقاوم‌تر هستند. (شکل 5)

شکل 5- یک انتقال‌دهنده عمومی FMBC

ایده‌های دیگر
به نظر می‌آید در 5G بیشترین توجه معطوف به سیستم‌های چندحامله باشد. متخصصان اعتقاد دارند مدولاسیون تک‌حامله هنوز هم می‌تواند بخشی از مشخصات 5G باشد. البته آن‌ها ممکن است ترکیب عجیب و غریبی از تکنیک‌ها باشند. یکی از این ترکیب‌های عجیب روش مدولاسیون سریع‌تر از نایکوئیست (FTN) نامیده می‌شود. این روش یک سیستم از زیر‌حامل‌های غیرمتعامد است که از تداخل بین نشانه‌ها برای قرار دادن داده بیشتر روی یک کانال ارتباطی استفاده می‌کند. ایده غیرمتعامد دیگر، بسته‌بندی زمان‌-فرکانس است. 
در این روش، حامل‌ها نزدیک به یکدیگر هستند و یک شناساننده فوق‌العاده پیچیده در گیرنده، سیگنال‌های بسته‌بندی شده نزدیک به‌‌هم را شناسایی می‌کند.TFS  هم با QAM و هم با OQAM پیاده‌سازی می‌شود.
درنهایت، ایده‌های زیادی از طرف شرکت‌های مستقل به‌‌عنوان مشخصات 5G سرازیر شده ‌است. یکی از این ایده‌ها روش مدولاسیون موج (WAM) است. در WAM، مجموعه‌ای از الگوریتم‌ها وجود دارند که شکلی از فشرده‌سازی طیفی را پیاده‌سازی می‌کنند. جزئیات WAM پراکنده هستند، اما فشرده‌سازی طیفی به توانایی ارسال نرخ سیگنال بالاتر با استفاده از الفبای نشانه‌های رده پایین که موجب کاهش پیچیدگی می‌شود، اطلاق می‌شود. 
فشرده‌سازی طیفی موجب بهره 10 درصدی سیستم، افزایش بیش از 4 برابری محدوده، صرفه‌جویی 40 درصدی در طیف، بهبود قابلیت تحمل نویز و افزایش سرعت داده می‌شود.
شرکتی دیگر به‌‌نام Cohere Technologies یک روش مدولاسیون جدید به‌‌نام زمان-فرکانس-فضای متعامد (OTFS) را پیشنهاد داده است. جزئیات OTFS نیز پراکنده است، ولی انتشارات شرکت Cohere Technologies این روش مدولاسیون را تأیید می‌کند.