OFDMA یا Orthogonal frequency-division multiple access یا مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد از جمله روش‌های مدولاسیون در شبکه‌های مخابراتی است که در جهت غلبه بر مشکل ISI در کانال مخابراتی اهمیت بسیار دارد. از OFDMA زمانی استفاده می شود که چند کاربر تصمیم داشته باشند از کانال مخابراتی با مدولاسیون OFDM به صورت همزمان استفاده کنند. ما در این مقاله سعی داریم شما را با OFDM و OFDMA آشنایی کنیم پس در ادامه همراه ما باشید.

OFDM چیست؟

قبل از آنکه در رابطه با OFDMA صحبت کنیم بهتر است ابتدا با OFDM آشنا شویم. مدولاسیون OFDM به سال‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ و در طول تحقیقات روی روش‌های کاهش اثر تداخل بین کانال‌های نزدیک باز می گردد. در واقع هدف اصلی این تحقیقات، ایجاد یک روش مدولاسیون جهت کاهش خطا در مخابرات هنگام وجود تداخل و شرایط گزینشی بود. اما برای استفاده از روش مدولاسیون OFDM به سطح نسبتا بالایی از پردازش نیاز بود که در آن زمان چنین امکانی وجود نداشت.

اولین سیستم‌هایی که توانستند از روش OFDMA استفاده کنند، سیستم‌های پخش تلویزیونی دیجیتال بودند. در این سیستم‌ها، مدولاسیون OFDM قادر بود داده را با قابلیت اطمینان بسیار بالا در شرایط و مسیرهای سیگنال مختلف منتقل کند. یک مثال خوبی برای استفاده از این سیستم ها رادیو دیجیتال DAB در اروپا بوده است. اولین کشوری که از OFDM در تلوزیون استفاده کرد نروژ بود.

در سال‌های بعد، به دلیل افزایش توان پردازش سیستم‌ها و نیز افزایش سطح تجمیع مدارات، مهندسان توانستند از روش OFDM در سیستم‌های مخابرات موبایل 4G نیز استفاده کنند و در واقع این سرویس‌ از سال ۲۰۰۹ مورد استفاده وسیع قرار گرفت. همچنین امروزه از OFDM برای وای فای و سایر سایر سیستم‌های داده وایرلس استفاده می‌شود.

در واقع OFDM از تعداد زیادی سیگنال‌های حامل استفاده می‌کند که هر کدام از این سیگنال‌های حامل، مسئول حمل داده‌های با نرخ بیت پایین هستند. این امر بدین معنی خواهد بود که مدولاسیون OFDM در مقابل محوشدگی گزینشی یا Selective Fading، تداخل و اثرات چند مسیری بسیار منعطف است و همچنین درجه کارایی طیفی بالایی دارد.

به طور کلی پردازش های مورد نیاز در این روش مدولاسیون برای سیستم‌های اولیه، نسبتا سنگین بود. اما  تکنولوژی رفته رفته پیشرفت کرد و مشکلات مدولاسیون OFDM در زمینه توان پردازش مورد نیاز تا حد زیادی کاهش یافت.  اما لازم است بدانید که روش مدولاسیون OFDM و مدولاسیون چند حاملی اخیرا استفاده می شوند. از روش مدولاسیون برای مخابرات وایرلس داده ها پلتفرم مناسبی را فراهم کرده است.

به‌ طورکلی OFDM یک سیگنال پرسرعت را به چندین سیگنال آهسته تقسیم می‌کند تا در انتهای گیرنده مقاوم‌تر باشد تا کانال‌های فرعی، بتوانند داده‌ها را بدون شدت انتقال دهند. بسیاری از این حامل‌های فرعی در گیرنده جمع می‌شوند و برای ایجاد یک انتقال سریع با سرعت بالاتر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یا مدولاسیون OFDM از تعداد بالایی سیگنال‌های حامل استفاده می‌کند که هرکدام از این سیگنال‌ها مسئول حمل داده‌های با نرخ بیت پایین هستند.

تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یکی از روش‌های مدولاسیون است که دارای ویژگی‌های مناسب در انتقال داده‌های دیجیتال است. OFDM در برخی از جدیدترین سیستم‌های وایرلس با نرخ داده بالا مانند، وای‌فای و مخابرات از راه دور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اصول کار OFDM چیست؟

همانطور که در تصویر مشاهده می کنید، یک سیگنال OFDM از تعدادی سیگنال حامل مدوله شده نزدیک به هم تشکیل شده است. زمانی که یک مدولاسیونی از هر نوع (صوت، تصویر، داده و …) را به یک سیگنال حامل اعمال کنیم، در همان زمان باندهای جانبی از هر طرف گسترده می‌شوند. برای یک گیرنده امری بسیار ضروری است که بتواند تمام سیگنال را به صورت کامل دریافت کند تا در نهایت سیگنال پیام اصلی را از طریق مدولاسیون سیگنال دریافتی بازسازی کند.

پش نتیجه می گیریم، هنگامی که سیگنال‌های نزدیک به یکدیگر ارسال می‌شوند، مدولاسیون باید به صورتی باشد که گیرنده بتواند آنها را با استفاده از یک فیلتر از یکدیگر تفکیک کند که برای این کار می‌توان از یک باند محافظتی بین هر کدام از آن‌ها استفاده کرد. اگرچه باندهای جانبی از هر حامل با یکدیگر همپوشانی دارند، اما باز هم می‌توان آن‌ها را بدون تداخل دریافت کرد، زیرا این سیگنال‌ها بر یکدیگر عمود هستند.

در مخابرات اگر انتقال یک سیگنال دیجیتال را در درون یک کانال غیر ایده‌آل در نظر بگیریم، مشاهده می‌کنیم که زمانی که هم‌ پاسخی سرعت سیستم یا reciprocal of the system rate تا حد زیادی کوچک‌تر از انتشار زمانی یا طول پاسخ ضربه، کانال غیر ایده‌آل باشد، این کانال موجب ایجاد تداخلات بین سمبلی یا Intersymbol Interference می‌شود. در چنین حالتی، یک برابر کننده یا اکوالایزر کانال در گیرنده اعمال می‌شود تا اعوجاجات کانال را جبران کند.

اگر کانال از نوع میان گذر با پهنای باند مشخص باشد، آن‌گاه سیگنال شامل اطلاعات، ممکن است در باند پایه تولید شود و سپس به فرکانس باند عبور انتقال یابد. بنابراین سیگنال شامل اطلاعات روی یک سیگنال حامل تکی منتقل می‌شود. نکته دیگری که وجود دارد این است که تداخلات بین سمبلی اکثرا موجب خرابی عملکرد می‌شوند، حتی در حالتی که در گیرنده از آشکارساز بهینه برای بازیابی سمبل‌های پیام استفاده شود.

یک راه دیگر برای طراحی یک سیستم مخابراتی با پهنای باند موثر در حضور کانال این است که پهنای باند کانال موجود را به تعدادی زیرکانال یا Subchannels با پهنای باندهای برابر تقسیم کنیم. نحوه تقسیم باند به این صورت است که باید پهنای باند هر زیر کانال به اندازه کافی باریک باشد تا مشخصه پاسخ فرکانسی زیرکانال‌ها تقریبا ایده‌آل شود.

OFDMA چیست؟

OFDMA یا Orthogonal frequency-division multiple access یک تکنولوژی OFDM چندکاربره است که کاربران از یک سری حامل های فرعی یا Subcarrier استفاده می کنند و این حامل های فرعی از نظر دامنه فرکانسی روی هم همپوشانی یا Overlapping دارند.

لازم به ذکر است که این حامل های فرعی طوری طراحی شده اند که با یکدیگر متعامد یا Orthogonal باشند به طوری که پهنای باند یکسانی را بدون هیچ تداخلی داشته باشند. مزیت این روش این است که دیگر نیازی به استفاده از Guard band نیست.

OFDMA ﺑﻪ روﺗﺮ اﺟﺎزه می‌دهد ﻫﺮ ﮐﺎﻧﺎﻟﻰ را ﮐﻪ ﺑﺮاى ارﺳﺎل سیگنال‌های ﺧﻮد در ﺑﺎﻧﺪ ﻓﺮﮐﺎﻧﺴﻰ 2,4 ﯾﺎ 5 ﮔﯿﮕﺎﻫﺮﺗﺰ اﺳﺘﻔﺎده می‌کند ﺑﻪ فرکانس‌های اختصاص‌یافته کوچک‌تر ﺑﻪﻧﺎم واﺣﺪﻫﺎى ﻣﻨﺎﺑﻊ ﯾﺎ RU ﺗﻘﺴــﯿﻢ ﮐﻨﺪ.

ویژگی‌های OFDMA:

• OFDMA از انتقال هم‌زمان داده‌های پایین از چندین کاربر هم‌زمان پشتیبانی می‌کند
• OFDMA دارای 1024 زیر حامل است.
• OFDMA از هرگونه کانال یا زیر حامل در شبکه پشتیبانی می‌کند.
• بهبود بیشتر OFDMA در محو شدن و تداخل از آنجا که می‌تواند با اجتناب از اختصاص کانال‌های بد، زیرمجموعه‌ای از subcarrier را برای هر کاربر اختصاص دهد.
• OFDMA از چندین کاربر از طریق TDMA یا FDMA یا هر دو به طور هم‌زمان پشتیبانی می‌کند.

مقایسه MU-MIMO و OFDMA:

هر دو MU-MIMO و OFDMA فن آوری هایی هستند که امکان دسترسی چند کاربر به یک کانال را به طور همزمان فراهم می کنند، اما هدف آنها متفاوت است. به طور کلی MU-MIMO به معنای چند خروجی، چند ورودی و چند کاربر است. پس همان‌طور که از معنای آن پیداست این قابلیت، اتصال چندین دستگاه به مودم را فراهم می‌کند و OFDMA از کانال های فرعی یا واحدهای منبع استفاده می کند به طوری که به راحتی و بدون کندی و قطع و وصل، می‌توانید از اینترنت استفاده کنید. به طور کلی، OFDMA یک روش دسترسی چندگانه کارآمدتر است.

ﻫﻤﺎﻧﻨــﺪ OFDMA ،MU-MIMO ﺑﻪ روﺗﺮ اﺟــﺎزه می‌دهد هم‌زمان ﺑﺎ ﭼﻨﺪ دﺳــﺘﮕﺎه ارﺗﺒﺎط ﺑﺮﻗﺮار ﮐﻨﻨﺪ، اﻣﺎ به‌جای ﺗﻘﺴــﯿﻢ کانال‌ها ﺑﻪ واﺣﺪﻫﺎى ﻣﻨﺒﻊ، MUMIMO ﺑﺮاى ﺗﻘﺴــﯿﻢ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﯿﻦ دستگاه‌ها از اﺧﺘﻼﻓﺎت ﻣﮑﺎﻧﻰ ﺑﯿﻦ آنﻫﺎ اﺳﺘﻔﺎده می‌کند.

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

این کار به شما امکان انتقال هم‌زمان سرعت این داده از چندین کاربر متفاوت را می‌دهد و همچنین از اختصاص به حامل‌های بد جلوگیری می‌کند. همچنین از سیستم‌های ثابت و تلفن همراه نقطه به چند استفاده از OFDMA و اکثر سیستم‌های مدرن از OFDMA مانند Mobile WiMAX و LTE استفاده می‌کنند.

مقایسه OFDMA و SC-FDMA:

در کنار تمام مزیت هایی که در رابطه با سیستم های مبتنی بر OFDM گفته شد همواره با دو چالش روبرو بوده اند:

ـ چالش اول: بالا بودن نسبت توان قله به توان متوسط سیگنال (papr) است. این مسئله بویژه در ارسال فراسو باعث کاهش سطح پوشش سلول، تقویت غیر خطی سیگنال و در نتیجه کاهش بازدهی پهنای باند می شود.

همچنین جهت papr در فرستنده ها نیاز است که از تقویت های گران قیمت با رنج دینامیکی بالا استفاده شود. اضافه شدن یک پیش کدگذار تبدیل فوریه گسسته به سیستم OFDMA میزان متوسط سیگنال را به شدت کاهش می دهد که به آن SC-FDMA گفته می شود و میزان آن را به حداقل می رسد. به همین جهت در ارسال LTE برای بهبود مشخصه های توانی سیگنال از SC-FDMA استفاده می شود.

ـ چالش دوم: چالش دوم سیستم های مبتنی بر OFDMA، حساسیت به انحراف های فرکانسی یا CFO است. این حساسیت بر اثر عدم انطباق اسیلاتور های گیرنده و فرستنده و همچنین اثر داپلر ایجاد شده و امکان حذف کامل به علت خطاهای همزمانسازی در کانال های متغیر با زمان وجود ندارد.

اثر CFO در سیگنال OFDM به صورت تداخل بین زیرحامل ها ظاهر می شود. این مسئله بویژه در ارسال، به علت تفاوت انحراف های فرکانسی کاربران مختلف موجب تداخل های بین کاربری شده و عملکرد سیستم را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. روش های مختلفی برای جبران CFO در سیستم های OFDMA و SC-FDMA پیشنهاد شده است که مشکل مشترک آنها پیچیدگی محاسباتی بسیار بالا است.

منبع : OFDMA چيست