چگونه فناوری OFDM از تداخل چندمسیره در وای‌فای و 5G جلوگیری می‌کند؟

برای دپارتمان‌های بازاریابی که روترهای وای‌فای ۷ و بسته‌های اینترنت 5G می‌فروشند، طیف بی‌سیم یک لوله نامرئی و بی‌نقص است؛ یک مجرای مستقیم و بدون اصطکاک که می‌تواند گیگابیت‌ها داده را بدون هیچ وقفه‌ای مستقیماً به گوشی شما بتاباند. اما برای مهندسان فرکانس رادیویی که وظیفه ساخت واقعی این شبکه‌ها را بر عهده دارند، هوا محیطی پرآشوب و متخاصم است که در آن هر سیگنال ارسالی به هزاران پژواک سرگردان خرد می‌شود، به دیوارها، درختان و ماشین‌های در حال عبور برخورد می‌کند و در زمان‌های مختلف به گیرنده کوبیده می‌شود. مصرف‌کننده انتظار یک پخش بی‌نقص و آنی از ویدیوی 4K را دارد؛ در حالی که فیزیکدان می‌داند سیگنال در طول مسیر، به دلیل پدیده‌ای به نام تداخل چندمسیره (Multipath interference)، در حال نابود کردن خود است. این دو واقعیت اساساً با هم ناسازگارند و حل این تضاد به چیزی فراتر از پخش یک سیگنال قوی‌تر نیاز دارد. پل ارتباطی میان وعده اتصال بی‌نقص و واقعیت فیزیکی تخریب سیگنال، یک ترفند ریاضی به نام تسهیم‌سازی متعامد با تقسیم فرکانس یا همان OFDM است.[7]

فناوری OFDM که در سال ۱۹۶۶ توسط رابرت دبلیو. چانگ در آزمایشگاه‌های بل (Bell Labs) معرفی شد، همان فناوری انتقال بنیادینی است که ارتباطات بی‌سیم مدرن را ممکن می‌سازد. به جای تلاش برای عبور دادن زوری یک جریان داده عظیم و پرسرعت از میان امواج پرآشوب هوا، OFDM این انتقال را به صدها یا هزاران جریان کندتر و موازی خرد می‌کند. با فاصله‌گذاری این زیرحامل‌ها در فواصل دقیق ریاضی، سیستم تضمین می‌کند که آن‌ها متعامد (Orthogonal) باقی بمانند؛ به این معنی که حتی زمانی که فرکانس‌هایشان هم‌پوشانی دارند، با یکدیگر تداخل پیدا نمی‌کنند. همان‌طور که ویکی‌پدیا اشاره می‌کند، این روش اجازه می‌دهد تا چندین بیت به صورت موازی منتقل شوند و در حالی که نرخ کل داده‌ها مشابه طرح‌های مدولاسیون تک‌حامل سنتی حفظ می‌شود، آسیب‌پذیری در برابر تداخلات محیطی به شدت کاهش می‌یابد.[5]

درک نحوه کارکرد OFDM نیازمند عبور از هیاهوی تبلیغاتی سرعت‌های گیگابیتی و بررسی مکانیسم واقعی انتقال داده است. در یک سیستم تک‌حامل سنتی، داده‌ها به صورت متوالی ارسال می‌شوند. اگر یک سیگنال به ساختمانی برخورد کند و کسری از میکروثانیه دیرتر برسد، با قطعه بعدی داده در این توالی برخورد می‌کند. این پدیده به عنوان تداخل میان‌نمادی (ISI) شناخته می‌شود و در نرخ‌های بالای داده، فاجعه‌بار است. فناوری OFDM با کند کردن نرخ انتقال هر زیرحامل به صورت مجزا و در عین حال ارسال هزاران مورد از آن‌ها به طور همزمان، این مشکل را دور می‌زند. به عنوان مثال، در وای‌فای ۶، یک کانال استاندارد ۲۰ مگاهرتزی به ۲۵۶ زیرحامل مجزا تقسیم می‌شود که دقیقاً ۷۸.۱۲۵ کیلوهرتز از هم فاصله دارند. با این کار، یک تاخیر ساده دیگر کل جریان را از بین نمی‌برد؛ بلکه تنها بخش کوچکی از داده‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد که گیرنده به راحتی می‌تواند آن را اصلاح کند.

با این حال، نبوغ واقعی OFDM در ویژگی خاصی به نام پیشوند حلقوی (Cyclic prefix) نهفته است که در سال ۱۹۷۱ توسط واینستین و ابرت معرفی شد. همان‌طور که رسانه NXG Connect توضیح می‌دهد، پیشوند حلقوی اساساً یک منطقه حائل است؛ یک کپی از انتهای یک نماد OFDM که به ابتدای همان نماد اضافه می‌شود. هنگامی که سیگنال از یک محیط چندمسیره عبور می‌کند، پژواک‌های تاخیری نماد قبلی به جای مخدوش کردن داده‌های اصلی، به این منطقه حائل نشت می‌کنند. تا زمانی که گستردگی تاخیر (تفاوت زمانی بین اولین سیگنال دریافتی و آخرین پژواک بازتاب‌یافته) کوتاه‌تر از پیشوند حلقوی باشد، گیرنده می‌تواند به سادگی این حائل را دور بیندازد و نماد تمیز را پردازش کند.[1][5]

این مکانیسم به شدت به ریاضیات تبدیل فوریه سریع (FFT) متکی است. به گفته MathWorks، فرستنده از یک FFT معکوس برای تبدیل داده‌ها به امواج سینوسی هم‌پوشان و متعامد در حوزه زمان استفاده می‌کند که توسط معادله x(n) = ۱/N Σ X(k) e^(i۲πkt/N) کنترل می‌شود. در سمت گیرنده، یک FFT استاندارد سیگنال را دوباره به حوزه فرکانس برمی‌گرداند. پیشوند حلقوی در اینجا نقش حیاتی ایفا می‌کند: همان‌طور که DSPIllustrations اشاره می‌کند، این پیشوند گیرنده را فریب می‌دهد تا کانولوشن خطی کانال چندمسیره را به عنوان یک کانولوشن دایره‌ای در نظر بگیرد. همان‌طور که این نشریه توضیح می‌دهد، «تنها با یک کانولوشن دایره‌ای است که می‌توانیم از یکسان‌سازی تک‌تپ (Single-tap equalization) که OFDM به خاطر آن بسیار مشهور است، استفاده کنیم.» این تبدیل ریاضی همان چیزی است که به گیرنده اجازه می‌دهد داده‌ها را بدون نیاز به قدرت پردازشی عظیم بازیابی کند.[3][4]

با وجود فراگیری گسترده، OFDM یک راهکار جادویی نیست و ادعاهای بازاریابی مبنی بر ظرفیت بی‌نهایت، اغلب محدودیت‌های فیزیکی آن را نادیده می‌گیرند. پیشوند حلقوی، با وجود اینکه برای جلوگیری از تداخل ضروری است، ذاتاً هدردهنده منابع است. این پیشوند در واقع داده‌های اضافی است که زمان ارزشمند پخش را مصرف کرده و ظرفیت کلی شبکه را کاهش می‌دهد. در 5G NR، فاصله زیرحامل‌ها می‌تواند به صورت پویا از ۱۵ کیلوهرتز تا ۱۲۰ کیلوهرتز مقیاس‌بندی شود، اما فاصله بیشتر به طور متناسب مدت زمان نماد را کاهش می‌دهد و زمان کمتری برای پیشوند حلقوی باقی می‌گذارد. علاوه بر این، OFDM به خطاهای همگام‌سازی فرکانس بسیار حساس است. اگر فرستنده و گیرنده نسبت به یکدیگر در حال حرکت باشند (مانند کاربری در یک قطار سریع‌السیر)، اثر داپلر می‌تواند فرکانس‌ها را جابه‌جا کند، تعامد زیرحامل‌ها را از بین ببرد و باعث تداخل میان‌حاملی (ICI) شود.[2]

برای جبران این آسیب‌پذیری‌ها و پشتیبانی از محیط‌های متراکم‌تر، استانداردهای مدرنی مانند وای‌فای ۶ و 5G فناوری دسترسی چندگانه با تقسیم فرکانس متعامد (OFDMA) را معرفی کرده‌اند. همان‌طور که سیسکو (Cisco) بیان می‌کند، OFDMA بر پایه OFDM بنا شده و به شبکه اجازه می‌دهد تا زیرحامل‌های خاصی را (که در واحدهای منبع گروه‌بندی شده‌اند) به صورت پویا و همزمان به کاربران مختلف اختصاص دهد. برای مثال، این فناوری کانال‌ها را به ۶۴ زیرحامل ۳۱۲.۵ کیلوهرتزی تقسیم می‌کند و به یک نقطه دسترسی اجازه می‌دهد همزمان با چندین کلاینت ارتباط برقرار کند. این کار مانع از آن می‌شود که یک دستگاه کل کانال را در انحصار خود درآورد و کارایی را در مناطق شلوغی مانند استادیوم‌ها و ساختمان‌های آپارتمانی بهبود می‌بخشد.[6]

تکامل فناوری بی‌سیم اغلب به عنوان یک حرکت پیوسته به سمت پهنای باند نامحدود به تصویر کشیده می‌شود، اما واقعیت OFDM نشان‌دهنده یک مذاکره دائمی با قوانین فیزیک است. امواج رادیویی هرگز آن لوله‌های تمیز و بدون اصطکاکی که در بروشورهای بازاریابی وعده داده می‌شوند، نخواهند بود. در عوض، آن‌ها یک محیط متلاطم باقی خواهند ماند که در آن داده‌ها تنها به این دلیل زنده می‌مانند که با دقت خرد شده، حائل‌گذاری شده و از نظر ریاضی تغییر شکل یافته‌اند تا در برابر پژواک‌های خودشان مقاومت کنند. نسل بعدی استانداردهای بی‌سیم بدون شک فرکانس‌ها را بالاتر برده و کانال‌ها را عریض‌تر خواهند کرد، اما همچنان به همان اصل بنیادین متکی خواهند بود: تنها راه غلبه بر آشوب هوا، طراحی سیگنالی است که انتظار این آشوب را داشته باشد.[7]