نحو أنظمة MIMO-NOMA واسعة النطاق موفرة للطاقة باستخدام محولات ADC بنظام سيغما–دلتا وكشف إلغاء التداخل بالمجموعات

لماذا يهم ضغط المزيد من الإشارات في الهواء

في كل عام نطالب شبكاتنا اللاسلكية بالمزيد: توصيل مزيد من الهواتف والسيارات والمستشعرات، تقديم سرعات بيانات أعلى، وفي الوقت نفسه استهلاك طاقة أقل. تلبية هذه المتطلبات للاجتهادات 5G و6G تتطلب ليس فقط طيفًا راديويًا جديدًا بل أيضًا طرقًا أذكى لاستخدام الأجهزة الحالية. تستكشف هذه الورقة كيف يمكن لمحطة قاعدة خلوية أن تستمع إلى many مستخدمين في آن واحد باستخدام مصفوفة هوائيات كبيرة جدًا وإلكترونيات بسيطة ومنخفضة الطاقة للغاية، مع الحفاظ على الاتصالات سريعة وموثوقة.

آذان كثيرة تستمع لأصوات عديدة

تتركز الدراسة على سيناريو الصعود (uplink)، حيث ترسل العديد من أجهزة المستخدمين بيانات إلى محطة قاعدة واحدة. المحطة مجهزة بمصفوفة «هائلة» من الهوائيات، المعروفة باسم MIMO واسعة النطاق، وتستخدم أسلوب تعدد الوصول غير المتعامد (NOMA). بدلًا من تخصيص حيز زمني أو ترددي لكل مستخدم، يسمح NOMA لعدة مستخدمين بمشاركة نفس موارد الراديو ويفصل بينهم بناءً على اختلافات في القوى المستقبلة والمعالجة الذكية للإشارة. يزيد هذا النهج بشكل كبير من كمية المعلومات التي يمكن حملها لكل وحدة طيف، لكنه يجعل مهمة المستقبل أصعب، لأن إشارات المستخدمين المختلفة تتداخل مع بعضها البعض.

محولات بسيطة مع تشكيل ذكي للضوضاء

تتمثل إحدى التحديات الرئيسية في MIMO واسعة النطاق في استهلاك الطاقة: فكل هوائي يحتاج إلى محول تناظري-إلى-رقمي (ADC) يحول الموجات الراديوية الواردة إلى عينات رقمية. محولات الدقة العالية تستهلك طاقة كبيرة وتكلفتها مرتفعة، خاصة عندما يكون هناك مئات الهوائيات. تفحص الورقة استخدام محولات منخفضة الدقة للغاية—بمعدل بت واحد أو بتين لكل عينة—لتقليل الطاقة والتكلفة. بمفردها، هذه المحولات الخشنة تُدخِل تشويهاً قوياً. للتغلب على ذلك، يستخدم المؤلفون بنية مكانية من نوع سيغما–دلتا: يُغذى خطأ التحويل من هوائي إلى التالي مع إزاحة طور مُتحكم بها. يعيد هذا التغذية تشكيل التشويه بحيث يتم دفع معظمها إلى اتجاهات لا تتواجد فيها المستخدمون المقصودون، محافظًا على جودة الإشارة في الاتجاهات ذات الأهمية.

فهم العديد من الإشارات المتداخلة

حتى مع المحولات منخفضة الدقة ومشكّلة الضوضاء، يجب على محطة القاعدة فصل العديد من المستخدمين الذين يرسلون في آن واحد. تدرس الورقة عدة أنواع من المستقبِلات: الجمع الخطي البسيط، وإلغاء التداخل التتابعي التقليدي (SIC) الذي يفك ترميز المستخدمين واحدًا تلو الآخر، ونوع أكثر مرونة هو إلغاء التداخل بالمجموعات (GSIC) الذي يعالج مجموعات صغيرة من المستخدمين معًا. داخل كل مجموعة، تعزز طريقة جمع منخفضة التعقيد (الجمع بأقصى نسبة أو الإلغاء الصفري) الإشارات المرغوبة وتقلل التداخل. يطوّر المؤلفون إطارًا تحليليًا يستخدم أداة رياضية تسمى تقسيم بوسبنج (Bussgang decomposition) لتقريب سلوك المحولات الخشنة كنظام خطي مع ضوضاء إضافية. هذا يمكّنهم من استنتاج صيغ مغلقة لنسبة الإشارة إلى التداخل زائد الضوضاء وكفاءة الطيف تحت ظروف قناة لاسلكية مختلفة، بما في ذلك بيئات بها وبدون مسار رؤية مباشر قوي.

كم عدد الهوائيات، وكم الطاقة؟

بوجود هذه الصيغ، تستكشف الدراسة كيف تتدرج أداء النظام مع اختيارات التصميم الأساسية: عدد الهوائيات في محطة القاعدة، دقة محولات ADC، قوة مكون مسار الرؤية المباشرة، وعدد مجموعات المستخدمين المستخدمة في GSIC. أحد النتائج المركزية هو قانون مقياس القدرة: مع ازدياد عدد الهوائيات، يمكن تقليل قدرة الإرسال لكل مستخدم تقريبًا بالتناسب مع معكوس عدد الهوائيات، مع الحفاظ على نفس معدل البيانات. هذا يعني أن إضافة مزيد من الهوائيات يمكن أن تزيد المتانة وتسمح للأجهزة بالإرسال بطاقة أقل بكثير. تُظهر التحليلات أيضًا أنه للمصفوفات الضخمة جدًا، تميل جميع أنواع المستقبلات إلى تحقيق كفاءة طيفية متشابهة، لكن لأحجام مصفوفات عملية ومعتدلة، يتفوق GSIC مع الإلغاء الصفري بوضوح على طرق الجمع الأبسط مع الاستمرار في تجنب تعقيد فك ترميز كل مستخدم على حدة.

موازنة الكفاءة والتعقيد والموثوقية

نظرًا لأن محطات القاعدة يجب أن تلبي متطلبات جودة الخدمة لعديد من المستخدمين في آن واحد، يصمم المؤلفون مخطط تخصيص طاقة منخفض التعقيد يَختار قوى إرسال المستخدمين بحيث تكون كافية للوصول إلى معدلات بيانات مستهدفة. باستخدام أدوات من نظرية المصفوفات العشوائية، يقدمون صيغًا تقريبية مغلقة لهذه القوى، والتي تكشف أن المستقبلات التي تستخدم SIC أو GSIC تحتاج إلى طاقة إرسال أقل بكثير من المخططات الخطية الأساسية. تؤكد محاكيات واسعة النطاق، تغطي بيئات تلاشي مختلفة، ومسارات متعددة الكثافة، والارتباط المكاني، وحتى سيناريوهات حركة السيارات عالية السرعة، التنبؤات التحليلية. تُظهر النتائج أن استخدام محولات سيغما–دلتا مكانية بعمق 2 بت، مع GSIC وعدد معتدل من مجموعات المستخدمين، يمكن أن يحقق كفاءات طيفية وطاقية قريبة جدًا من أنظمة الدقة الكاملة المثالية، ولكن مع استهلاك طاقة أجهزة أقل بكثير وتعقيد معالجة يمكن التحكم فيه.

ماذا يعني هذا لشبكات الاتصالات المستقبلية

بعبارات بسيطة، تُظهر الورقة أنه يمكننا تبسيط وخفض طاقة «آذان» محطة قاعدة MIMO واسعة النطاق بشكل كبير دون التضحية كثيرًا بالسرعة أو الموثوقية. من خلال الجمع بين محولات منخفضة الدقة ومشكّلة للضوضاء وتقسيم ذكي وإلغاء للتداخل، يمكن للنظام خدمة العديد من المستخدمين في آن واحد باستخدام قدرة أقل في كل من محطة القاعدة وأجهزة المستخدمين. هذا يجعل النهج جذابًا بشكل خاص لشبكات ما بعد 5G و6G التي يجب أن تربط حشودًا كثيفة من الأجهزة، تدعم تطبيقات متطلبة، وتظل موفرة للطاقة وميسورة النشر.

الاستشهاد: Farghaly, S.I., Khafaga, M.M. & Khamis, S. Towards energy-efficient massive MIMO-NOMA systems with sigma–delta ADCs and group SIC detection. Sci Rep 16, 14025 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49425-y

الكلمات المفتاحية: MIMO واسعة النطاق, NOMA, محول ADC سيغما–دلتا, إلغاء التداخل بالمجموعات, اتصالات لاسلكية موفرة للطاقة