Introduction to Power Control in CDMA

(ب) شبكات الوصول المتعدد الوسائط التابعة لشعبة التوقيت (CDMA) هي حجر الزاوية في الاتصالات اللاسلكية الحديثة، مما يتيح للمستعملين المتعددين تبادل الترددات في آن واحد، وخلافاً لنسبة الوصول المتعدد الوسائط لشعبة الترددات (TDMA) أو نظام التشغيل المتعدد الترددات (FDMA) يعتمد على رموز الانتشار الفريدة لتمييز المستخدمين، وهذا التصميم يجعل مراقبة الطاقة لا مجرد سمة مفضلة بل يتطلب أساساً لاستقرار الشبكة، وقدرتها، ونوعيتها.

(ب) إن مراقبة الطاقة في شبكات آلية التنمية النظيفة تنطوي على تعديل مستمر لطاقة نقل الأجهزة النقالة (الربط) ومحطات الأساس (الربطة الهاتفية) - إن الاتجاه الصعودي بالغ الأهمية بصفة خاصة لأن الأجهزة المحمولة لديها قدرة محدودة على البطاريات وتولد تدخلاً يؤثر على جميع المستعملين الآخرين في الخلية، كما يستخدم الاتجاه التنازلي التحكم في الطاقة لإدارة التدخل فيما بين الخلايا وضمان التوزيع العادل للموارد، وتوفر هذه المادة تحليلاً متعمقاً لآليات التحكم في الطاقة المستخدمة في نظم آلية آلية التنمية التابعة لآلية التنمية التابعة لآلية التنمية النظيفة، وتغطي أنواعها المختلفة.

مشكلة القوات القريبة من الأرض و لماذا التحكم في الطاقة أساسي

والمشكلة التي تقارب المسافات هي التحدي الرئيسي الذي تحله مراقبة الطاقة، ففي خلية تابعة لآلية التنمية النظيفة، يمكن لأي جهاز متنقل يقع بالقرب من محطة القاعدة أن يُنتج إشارة قوية تخفي الإشارات الأضعف للأجهزة بعيداً، وبدون مراقبة السلطة، لن تتمكن محطة القاعدة من فك الإشارات الأضعف لأن الإشارة القوية تحجب المدى الدينامي للمتلقي وتمنع التداخل السليم بين جميع مستخدمي شبكة الطاقة.

وبالإضافة إلى مشكلة الحد من الطاقة، فإن التحكم في الطاقة يخفف أيضاً من آثار التلاشي والظلال المتعددة المتعاطفة، وفي بيئة متنقلة، تذبذب قوة الإشارة بسبب العقبات والتفكيرات، وتتتبع مراقبة الطاقة بسرعة هذه التقلبات وتعوض عنها، وتحافظ على جودة وصل ثابتة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن مراقبة الطاقة تحد من التدخل في القنوات المشتركة من خلايا الجيران، وهو أمر أساسي للحفاظ على القدرة غير الماهرة ومعدلات النجاح في شبكات آلية التنمية النظيفة.

أنواع آليات مراقبة السلطة

وتنفذ شبكات آلية التنمية النظيفة طبقات متعددة من مراقبة الطاقة، وتعمل كل منها على نطاق زمني مختلف وتخدم غرضاً متميزاً، ففئتا الفئتين الرئيسيتين هما مراقبة الطاقة المفتوحة ومراقبة الطاقة المغلقة، وتوجد في موقع مغلق، أقسام فرعية أخرى مثل الحلقة الداخلية ومراقبة قدرة العوالق الخارجية، وتعمل هذه الآليات معاً لتوفير تسويات مسببة للتآكل والغرامة.

Open-Loop Power Control

أما التحكم في الطاقة المفتوحة فهو الشكل الأولي والأبسط لتسوية القوة، ويعتمد على الجهاز المحمول الذي يقاس قوة الإشارة الواردة من محطة الأساس (أو الإشارة النموذجية) لتقدير الخسائر في المسارات، ثم يحدد جهاز النقل الأولي الذي يستخدمه تناسبا مع قوة الإشارة المقيسة، وعلى سبيل المثال، إذا كشفت الحركة إشارة قوية من محطة الأساس، فإنه يشير إلى أن النقل المباشر للمحطة الأساسية يقترب من محطة الأساس وينقلها إلى نقطة ضعف.

أما التحكم في الطاقة المفتوحة فهو سريع لأنه لا يتطلب أي تعليقات من محطة الأساس، غير أنه غير دقيق في جوهره لأنه يفترض فقدان مسارات قياسية بين الوصلات ووصلات الوصل، وفي الواقع، فإن قنوات التصعيد والوصلات المتدنية تشهد ظروفا مختلفة من الانحراف، ولا سيما في نظم التقلبات التي تستخدم فيها الغرامة الثانية بعد انتهاء الخدمة، حيث تستخدم الاتجاهات المختلفة في عمليات الضبط الأولية للشحن.

تحكم السلطة المغلقة

أما التحكم في الطاقة المغلقة فهو آلية دينامية تستخدم التغذية المرتدة من محطة القاعدة لتعديل قوة النقل المتنقلة، وتقيس المحطة الأساسية باستمرار نظام SINR المتلقاة من كل إشارة متنقلة، وتقارنه بشبكة مستهدفة من نظام SINR، وإذا ما انخفضت القدرة المحسوبة على شبكة المعلومات الإدارية الداخلية إلى أدنى من الهدف، ترسل محطة القاعدة قيادة لتوليد الطاقة (تمثل في توجيه واحد من المدارات)؛ وإذا تجاوزت هذه الشبكة الهدف، يتم إرسال قيادة ثابتة من طراز ISB.

وفي نظم آلية التنمية النظيفة مثل IS-95، يبلغ معدل القيادة 800 Hz (أي 1.25 متر)، بينما يبلغ 1500 هرتز في WCDMA (أي 0.667 متراً) في حين أن هذه التسوية السريعة تسمح للشبكة بتعويض عن تزوير الرايلي، مما قد يسبب تغيرات في الإشارات تصل إلى 30 د.ب في إطار آلية الوصلات الألفية.

المراقبة الداخلية للطاقة

وكثيرا ما يُسمَّى التحكم في الطاقة المغلقة الوارد وصفه أعلاه بالحلقة الداخلية، وهو يعمل على نطاق زمني سريع ويستجيب للقياسات الفورية التي يجريها نظام المعلومات الخاص بالإنترنت، غير أن الهدف الذي يُستهدف نظام المعلومات الخاص بالشبكة هو نفسه غير ثابت؛ ويجب تعديله ببطء ليطابق نوعية الخدمة المطلوبة لكل صلة، ويُجرى هذا التعديل عن طريق مراقبة القوى الخارجية.

وتسير الحلقة الخارجية بوتيرة أبطأ بكثير (على نحو ما هو عليه الحال بالنسبة لعشرات إلى مئات الألف ثانية) وترصد معدل الخطأ الإطاري أو معدل الخطأ في الترميز في جهاز الاستقبال، وإذا كان معدل التداخل في حركة المرور أعلى من الحد المطلوب (مثل 1 في المائة للصوت)، فإن الحلقة الخارجية تزيد من مستوى الهدف المتمثل في شبكة المعلومات الخاصة، وإذا كان مستوى الانتقال إلى القطاع الخاص أقل من اللازم، فإن هذا الرقم القياسي لا يسمح بتكييفه.

مراقبة السلطة في معايير محددة لآلية التنمية النظيفة

وتختلف عمليات تنفيذ مراقبة الطاقة عبر مختلف المعايير القائمة على آلية التنمية النظيفة، حيث يستحدث كل منها صقلات وقدرات جديدة.

IS-95 (cdmaOne)

(ب) إن نظام المعلومات الإدارية المتكامل هو المعيار التجاري الأول لآلية التنمية النظيفة، الذي وضعته شركة Qualcomm في التسعينات، وهو يستخدم مزيجاً من التحكم في الطاقة المفتوحة والمغلقة على الرابط، ويوفر الموقع المفتوح القدرة الأولية على إنشاء المكالمات، ويحتفظ الموقع المغلقة بالربطة أثناء المكالمة، ويثبت حجم خط الاستواء عند جهاز سطو، ويرسل جهاز التحكم في الطاقة المحمول في 800 Hz.95.

cdma2000 (3G)

(ج) سيما 2000: تطور في شبكات الجيل الثالث (المجموعة 3 زاي)، ويحسن التحكم في الطاقة باستخدام خوارزميات أسرع وأكثر مرونة، ويدعم قياسات متغيرة للدرجات وقيادات للمراقبة المضافة، ويظل معدل الغلق 800 هرتز، ولكن حجم الخطوة يمكن أن يكون 0.25 د.ب إلى 1 دي.ب تبعاً لظروف القنوات.

WCDMA (3G UMTS)

وبالإضافة إلى ذلك، فإن آلية التحكم في الطاقة الكهربائية ذات النطاق الواسع هي واجهة الهواء في نظام إم تي، وهو معيار متنافس من المعايير 3G.

CDMA2000 1xEV-DO

وفيما يتعلق بالشبكات التي تم فتحها، يستخدم برنامج التنمية النظيفة لعام 2000 نهج الوصول المتعدد الأشكال (الشعبة الزمنية على الرابط الأمامي) ولكنه لا يزال يستخدم آلية التنمية النظيفة على الرابط العكسي، كما أن مراقبة السلطة في قانون التجارة الإلكترونية مماثلاً للنموذج Cdma2000 ولكن مع سمات إضافية للتحكم في حركة التفجيرات، وتستخدم الرابط العكسي مزيجاً من التدخل في مجمل محطات التشغيل المفتوحة، وتنظم الأنشطة الخارجية.

التحديات في مجال تنفيذ مراقبة السلطة

وعلى الرغم من نضج مراقبة قدرة آلية التنمية النظيفة، لا تزال هناك عدة تحديات عملية، وأصبحت هذه التحديات أكثر وضوحاً في الشبكات المتباينة والسيناريوهات العالية الحركة.

وجه سريع و دبلر شيفت

وفي سيناريوهات المركبات، تؤدي التحولات التي يقوم بها دوبلر إلى تغيير القناة بسرعة، ويجب أن تعمل مراقبة الطاقة المغلقة بسرعة كافية لتتبع هذه التغييرات، ويكفي معدل القيادة البالغ 1500 هرتز في WCDMA لتصل إلى حوالي 120 كيلومتراً/ساعة، ولكن في مراحل أعلى (مثل القطارات السريعة)، فإن التباينات في القنوات تتجاوز نطاق الترددات، مما يؤدي إلى انحراف نظم الأداء وتحدياتها.

التأخير في التغذية

ويشكل التأخير في التغذية بين قياس نظام المعلومات الخاص بالطاقة وتطبيق تسوية القوة عاملا حاسما في هذا الصدد، ففي المجلس الاقتصادي والاجتماعي، يبلغ التأخير في الدورة نحو 0.67 مترا (مرحلة واحدة) للحلقة الداخلية، غير أن التأخير في المرحلة التجريبية في نظم إدارة العمليات المالية، يشمل وقت التجهيز، والتشغيل، والبرمجة، وأي تأخير إضافي يؤدي إلى حدوث تأخير في المرحلة، مما قد يؤدي إلى تأخير في تنظيم محطات التحكم في الطاقة بحيث تصبح غير مستقرة أو غير فعالة.

Interference from Multiple Cells

وفي شبكة متعددة من نظم آلية التنمية النظيفة، تؤثر قرارات مراقبة الطاقة في خلية واحدة على الخلايا المتاخمة، وقد يُطلب من أحد المتنقلين على حافة الخلايا زيادة القدرة على تلبية جودة وصلاتها الخاصة، ولكن هذه الزيادة في الطاقة تؤدي إلى تدخل خلايا الجيران، وأصبح التنسيق بين الخلايا ضروريا، لا سيما في عمليات النشر ذات الحركة العالية والطيف المحدود، وتستخدم الآن في إدارة شبكات الموارد الخردة المتقدمة.

مراقبة الطاقة لخدمات البيانات

وتتطلب خدمات الصوت معدلاً ثابتاً وبطءاً منخفضاً، مما يجعل مراقبة الطاقة مباشرة نسبياً، غير أن خدمات البيانات لها متطلبات تتعلق بالحركة المفاجئة وبتغيير نظام تحديد الأسعار، ويجب أن تتكيف مراقبة السلطة مع مختلف معدلات البيانات وإعادة إرسال الطلبات التلقائية الهجينة، وفي العديد من النظم الحديثة لآلية التنمية النظيفة، تستكمل مراقبة الأسعار واتخاذ القرارات المتعلقة بتحديد مواعيدها، والتوازن بين سرعة تكييف الطاقة وتكييف الأسعار مع بعضها البعض.

تصميم المتلقي والمعايرة

وتعتمد مراقبة الطاقة الدقيقة على تقدير دقيق لنظام المعلومات الاقتصادية في جهاز الاستقبال، كما أن التأثيرات في مرحلة الاستلام، مثل قرار المحولات من نوع إلى الرقمي، وديناميات التحكم في المكسب الآلي، والضوضاء التدريجي، يمكن أن تحدث أخطاء، وعلاوة على ذلك، يجب أن يكون لدى جهاز التوسيع المتنقل القدرة ما يكفي من النطاق الدينامية والقابلية للرد على العناصر الحيوية للأداء الميداني.

فوائد مراقبة السلطة الآلية

وعند تنفيذ نظام مراقبة الطاقة بشكل صحيح، تحقق أجهزة التحكم في الطاقة فوائد كبيرة عبر الشبكة ولنهاية المستعملين.

  • Increased Capacity]: By minimizing each user’s transmit power, the total interference floor is reduced, this directly increases the number of concur users the network can support. Typical CDMA networks see a 60-80% capacity improvement over a no-power-control scenario.
  • Extended Battery Life]: Mobile devices transmit only the power needed to maintain the link. This reduces current drain from the batter, enabling longer talk times and standby times. Power control can extend bat life by 20 -40% compared to fixed transmit power.
  • Improved Call Quality and Coverage: Consistent SINR prevents dropped calls and reduces bit errors. Power control compensates for shadowing and fading, allowing seamless handoffs and maintaining voice clarity even at cell edges.
  • Reduced Outage Probability]: في شبكة لها سيطرة كاملة على الطاقة، يكون احتمال الخروج (الفرصة التي لا يمكن للمستعمل أن يفي بها شرط SINR) أقل بكثير، مما يؤدي إلى تحسين خبرة المستعملين وموثوقية الشبكات.
  • Better Support for Mixed Services]: With outer-loop power control, the network can allocate different SINR targets for voice, video, and data services, ensuring each receives its required quality without wasteting resources.

الاتجاهات الإيجابية والمقبلة في مجال مراقبة السلطة

ومع تطور التكنولوجيا اللاسلكية إلى ما بعد 3G و4G، تم تكييف وتوسيع مفاهيم مراقبة الطاقة من آلية التنمية النظيفة.

وفي النظم القائمة على آلية التنمية النظيفة التي لا تزال قيد التشغيل (مثل الشبكات الريفية والإرثية)، تركز البحوث الأخيرة على خوارزميات التعلم الآلي من أجل مراقبة الطاقة، ويمكن للشبكات الجديدة من أجل تعزيز التعلم أن تتنبأ باختلافات القنوات وتُحدّد أقصى ما يمكن من تعديلات في الطاقة دون نماذج واضحة، وهذه النُهج مفيدة بوجه خاص في الشبكات المتباينة التي بها خلايا الكلية والخلايا الصغرى والنسيجات.

وثمة اتجاه آخر يتمثل في إدماج مراقبة الطاقة في جمع الطاقة والاتصالات الخضراء، حيث أن محطات القاعدة والهواتف المحمولة مصممة بصورة متزايدة لجمع الطاقة من مصادر متجددة، ويجب أن تكون خوارزميات مراقبة الطاقة متغيرة في توافر الطاقة، مما يضيف بعدا آخر إلى مشكلة الاستخدام الأمثل للشبكة الخارجية.

خاتمة

وقد كانت آليات مراقبة السلطة العمود الفقري لأداء شبكة آلية التنمية النظيفة منذ نشرها تجارياً في أقرب وقت، ومن التعديل الأولي البسيط الذي تم على أساس الصوت إلى الحلقة الداخلية العالية السرعة والثغرة الخارجية التكييفية، تكفل هذه الخوارزميات التقليل إلى أدنى حد من التدخل، وتعظيم القدرة، ويتمتع المستعملون بخدمات موثوقة، ولا تزال هناك تحديات تتمثل في التزييف، والتدخل فيما بين الخلايا، ولكن هذه التحديات قد تم التصدي لها من خلال مزيج من التكيف

وللحصول على مزيد من القراءة بشأن مراقبة قدرة آلية التنمية النظيفة، انظر الكتاب المدرسي الكلاسيكي المعنون " CDMA: مبادئ الاتصال عن طريق الرش " الذي أعده أندرو ج. فيتربي، والمواصفات التي وضعها الفريق الثالث المعني بالشراكات العالمية لمكافحة التصحر في مجال مكافحة توليد الطاقة (TS 25-214). ويمكن الاطلاع على منظور الصناعة بشأن التحديات العملية في مجال مراقبة الطاقة في المنشور المعنون " مراقبة القوى في النظم الخلوية " من مجلة الاتصالات التابعة للمعهد.