ما هي تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت TDMA

ينبع اختناق الشبكات وانقطاع الاتصالات بشكل مباشر من التخصيص غير الفعال للطيف الترددي في الاتصالات الخلوية الرقمية. يحل بروتوكول الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA) مشكلة عنق الزجاجة في النطاق الترددي عبر تقسيم تردد راديوي (RF) واحد إلى فترات زمنية متميزة ومتناوبة. وتسمح هذه البنية المحددة لعدة مستخدمين بمشاركة نفس التردد في وقت واحد دون التسبب في تداخل الإشارات، مما يزيد بشكل كبير من السعة الإجمالية لنقل البيانات.

ومن خلال تخصيص مقادير منفصلة من النطاق الترددي للمستخدمين الأفراد في تتابع سريع، يخلق البروتوكول وهماً بأن كل مستخدم يمتلك قناة تردد راديوي مخصصة له بالكامل. وتعتبر هذه الآلية أساسية لجميع الأنظمة الخلوية من الجيل الثاني (2G) تقريباً. وتشمل التطبيقات البارزة النظام العالمي للاتصالات المتنقلة (GSM)، ونظام الخلوي الرقمي الشخصي (PDC)، والشبكة الرقمية المحسنة المتكاملة (iDEN).

على الرغم من الخلط المتكرر بينهما، يعمل بروتوكول تعدد الإرسال بالتقسيم الزمني (TDM) وتقنية TDMA بموجب قواعد تخصيص مختلفة تماماً. في بيئة بروتوكول TDM القياسية، يتم تخصيص فترة زمنية محددة بشكل دائم للمستخدم، بغض النظر عما إذا كان يرسل بيانات بنشاط أم لا. علاوة على ذلك، تنشأ الإشارات متعددة الإرسال في نظام TDM عادة من نفس العقدة المتنقلة بالضبط.

وعلى العكس من ذلك، يستخدم بروتوكول TDMA آلية تحرير ديناميكية. فبمجرد أن ينتهي المستخدم من الإرسال خلال فترته المخصصة، يتم تحرير الفترة الزمنية على الفور للآخرين، مما يجبر المستخدم الأصلي على انتظار دور جديد. بالإضافة إلى ذلك، قد تتغير الفترة الزمنية المخصصة ديناميكياً في كل مرة يصل فيها المستخدم إلى الشبكة الخلوية، مما يدير بشكل فعال الإشارات الصادرة من أجهزة إرسال مختلفة تماماً.

يتطلب فهم تصميم الشبكة الخلوية تقييم كيفية تقسيم البروتوكولات المختلفة لطيف التردد الراديوي المحدود. يفصل بروتوكول الوصول المتعدد بتقسيم التردد (FDMA) القنوات حسب التردد بدلاً من الوقت، ويخصص نطاق تردد مخصص لكل محطة. ولمنع التداخل، يستخدم بروتوكول FDMA نطاقات حراسة صغيرة غير مستخدمة، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الطاقة الإجمالية على الرغم من عدم تطلبه لأي مزامنة.

وبدلاً من ذلك، يسمح بروتوكول الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA) لجميع المحطات بالإرسال في وقت واحد عبر النطاق الترددي المخصص بأكمله. يوفر هذا النهج معدلات بيانات مرنة للغاية دون الحاجة إلى مزامنة دقيقة. ومع ذلك، ونظراً لأن المستخدمين يتشاركون في كل من الوقت والنطاق الترددي، فإن أنظمة CDMA تتطلب أوقات ونطاقات حراسة معقدة لتعمل بشكل صحيح.

البروتوكول	طريقة التقسيم الأساسية	متطلبات المزامنة	الخصائص الأساسية
بروتوكول TDMA	فترات زمنية (Time Slots)	تتطلب مزامنة دقيقة للغاية	إرسال متدفق، تخصيص ديناميكي للفترات، معدلات بيانات مرنة.
بروتوكول FDMA	نطاقات التردد (Frequency Bands)	لا تتطلب أي مزامنة	يستخدم نطاقات حراسة، كفاءة طاقة أقل، ترددات مخصصة.
بروتوكول CDMA	شفرات رياضية (Codes)	لا تتطلب أي مزامنة	إرسال متزامن، معدلات بيانات عالية، تتطلب أوقات ونطاقات حراسة.

تعتمد الاتصالات الحديثة على أنظمة متعددة الموجات الحاملة منظمة للغاية لإدارة أحمال حركة المرور الضخمة. على سبيل المثال، يتم تقسيم نطاق التردد القياسي البالغ مساحته 25 ميجاهرتز إلى عدد 124 تردد موجة حاملة فردية بالضبط، مع تباعد كل موجة حاملة بمقدار 200 كيلو هرتز بالضبط. وداخل كل من هذه الترددات المحددة، يدعم النظام عدد 8 قنوات محادثة متميزة بتقنية TDMA.

تُترجم هذه البنية إلى قنوات مادية حيث ترسل المحطات المتنقلة حزم البيانات في تدفقات سريعة. ويوفر البروتوكول معدلات ترخيص مرنة للغاية بناءً على هذه الفترات. ويحقق المستخدم المخصص له فترة زمنية واحدة سرعة إرسال تبلغ 32 كيلوبت في الثانية، بينما يؤدي تخصيص فترتين لكل إطار إلى مضاعفة السعة لتصل إلى سرعة 64 كيلوبت في الثانية.

توفر بنية تقنية TDMA مرونة تشغيلية كبيرة، لا سيما قدرتها على تحمل حركة مرور الشبكة المتدفقة أو المتغيرة للغاية. يمكن للنظام تغيير عدد الفترات المخصصة ديناميكياً إطاراً بإطار، حيث يخصص فترتين في الإطار الأول، وثلاث فترات في الثاني، ولا يخصص أياً منها في الإطار الثالث. علاوة على ذلك، لا تتطلب تطبيقات النطاق العريض لهذا البروتوكول نطاقات حراسة مقيدة أو مرشحات ضيقة النطاق.

ومع ذلك، تقدم هذه الكفاءة الهيكلية تعقيدات شديدة في الأجهزة. تتطلب معدلات البيانات العالية معادلة متقدمة ومعالجة معقدة للإشارات للحفاظ على المزامنة عبر فترات زمنية قصيرة للغاية. ويتطلب وضع الإرسال المتدفق عدداً كبيراً من البتات الإضافية المخصصة للإشراف والتوقيت بشكل صارم. وأخيراً، تؤدي الإلكترونيات عالية السرعة اللازمة لمعالجة معدلات البت هذه إلى زيادة استهلاك الطاقة الإجمالي للجهاز المحمول بشكل كبير.

في حين انتقلت صناعة الهواتف المحمولة بقوة عبر عصور شبكات الجيل الرابع (4G LTE) وشبكات الجيل الخامس (5G)، فإن تحليل بنية النطاق الترددي البالغة 25 ميجاهرتز والأساسية لشبكات الجيل الثاني (2G GSM) يقدم درساً احترافياً في كفاءة الطيف الترددي. إن حقيقة نجاح المهندسين في تعبئة عدد 124 تردد موجة حاملة وعدد 8 قنوات محادثة في مثل هذا النطاق الضيق، تثبت أن الإدارة الذكية للفترات الزمنية يمكن أن تتغلب على القيود المادية الشديدة للأجهزة. وقد مهد هذا الاعتماد المبكر على التخصيص الديناميكي للفترات الطريق مباشرة للشبكات الحديثة القائمة على تحويل الحزم (Packet-switched networks).

علاوة على ذلك، تظل المقايضات الهندسية المحددة في بروتوكول TDMA ذات صلة وثيقة اليوم. إن الصراع المستمر بين تعظيم إنتاجية البيانات وتقليل استهلاك بطارية الهاتف المحمول، والناتج عن الإلكترونيات عالية السرعة المطلوبة للإرسال المتدفق، هو نفس عنق الزجاجة الذي يواجهه مطورو الأجهزة مع أجهزة مودم شبكات 5G mmWave الحديثة. ويكشف فهم كيفية قيام تقنية TDMA بتغيير تخصيصات الفترات ديناميكياً إطاراً تلو الآخر، أن الإدارة التكيفية للنطاق الترددي كانت دائماً المفتاح النهائي لمنع انهيار الشبكات.