⚡ electrical engineering

Comparison of OTFS and OFDM for RIS-aided Systems in the Presence of Phase Noise

تقترح هذه الورقة تقنية لتقدير مشترك لقناة الأسطح العاكسة الذكية (RIS) وضجيج الطور باستخدام مرشح وينر، لتثبت أن أنظمة OTFS المعززة بـ RIS تتفوق بشكل كبير على أنظمة OFDM المعززة بـ RIS في وجود ضجيج طور المذبذب، محققة تحسناً يصل إلى 3 ديسيبل في معدل خطأ البت.

المؤلفون الأصليون: Stephen McWade, Arman Farhang

نُشر 2026-02-16

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Stephen McWade, Arman Farhang

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

الصورة الكبيرة: حفلة مرايا عالية السرعة

تخيل أنك تحاول إرسال رسالة سرية إلى صديق عبر غرفة مزدحمة وصاخبة. لا يمكنك الصراخ مباشرة لأن الجدران تعترض طريقك. لذا، تستخدم سطحاً ذكياً قابلاً لإعادة التشكيل (RIS). فكر في الـ RIS كجدار ضخم مكون من آلاف المرايا الصغيرة والذكية. يمكن لهذه المرايا أن تميل وتلتوي لتعكس إشارتك بدقة نحو صديقك، متجاوزةً الجدران لتجعل الاتصال قوياً للغاية.

ومع ذلك، هناك مشكلة: المعدات التي تولد الإشارة (المرسل) والمعدات التي تستقبلها (المستقبل) ليست مثالية. لديها "تذبذب" طفيف في توقيتها، وهو ما يُعرف بـ ضجيج الطور (Phase Noise).

التشبيه: تخيل أنك تحاول غناء نوتة موسيقية مثالية بينما تقف على قارب مهتز. حتى لو كنت تعرف النوتة الصحيحة، فإن تمايل القارب يجعل صوتك يتذبذب. من الناحية التقنية في الاتصالات اللاسلكية، هذا "التذبذب" يشتت الإشارة، محولاً رسالتك الواضحة إلى ضجيج.

يسأل هذا البحث سؤالاً بسيطاً: أي طريقة لإرسال الرسالة تتعامل بشكل أفضل مع مشكلة "القارب المهتز" هذه؟

OFDM: المعيار الحالي (المستخدم في الجيل الرابع 4G والجيل الخامس 5G).
OTFS: موجة جديدة مستقبلية مصممة للبيئات عالية السرعة والفوضوية.

المرسلان: OFDM مقابل OTFS

1. OFDM: قطع الدومينو المتراصة

كيف يعمل: يرسل OFDM البيانات مثل صف من قطع الدومينو الواقفة جنباً إلى جنب. كل قطعة دومينو تمثل تردداً معيناً. وهي مصفوفة بجانب بعضها البعض بدقة شديدة لتكون فعالة.
المشكلة: نظرًا لأن قطع الدومينو قريبة جداً من بعضها، فإذا اهتز "القارب المهتز" (ضجيج الطف) ولو قليلاً، ستبدأ قطع الدوميدو بالاصطدام ببعضها البعض. وهذا ما يسمى التداخل بين الحوامل (Inter-Carrier Interference). تصبح الإشارة فوضوية، وتضيع الرسالة.
ما وجده البحث: عندما تضيف الـ RIS (جدار المرايا) إلى هذا الإعداد المهتز، تزداد المشكلة سوءاً. المرايا تضخم الإشارة، لكنها تضخم أيضاً الفوضى الناتجة عن التذبذب.

2. OTFS: الشبكة المنتشرة

كيف يعمل: يختلف OTFS عن غيره. فبدلاً من إرسال البيانات في صف ضيق، يقوم بنشر الرسالة عبر الزمن والتردد، مثل إلقاء شبكة صيد واسعة. إنه يرسل البيانات في نمط شبكي قوي جداً ضد الحركة والتغيرات.
الميزة: نظرًا لأن الرسالة منتشرة، فإن التذبذب البسيط (ضجيج الطور) لن يؤدي إلى إسقاط الشيء بأكمله. الأمر يشبه أنه إذا سقطت قطعة دومينو واحدة في الشبكة، فإن بقية الشبكة ستحافظ على تماسك الرسالة.
ما وجده البحث: يتميز OTFS بطبيعته بقدرة أفضل بكثير على التعامل مع "القارب المهتز" مقارنة بـ OFDM.

القطعة المفقودة: "الفلتر الذكي"

أدرك المؤلفون أنه على الرغم من تفوق OTFS، إلا أنه لا يزال بحاجة إلى مساعدة. لا يمكنك افتراض أن المستقبل يعرف بالضبط كيف تتذبذب الإشارة.

المشكلة: حاولت الطرق الموجودة تخمين التذبذب باستخدام حيل قديمة (مثل رسم خط سلس عبر بعض النقاط، ويسمى "Spline" أو "Basis Expansion"). لكن ضجيج الطور جامح وغير قابل للتنبؤ؛ إنه يشبه محاولة التنبؤ بالمسار الدقيق لشخص مخمور يسير وسط حشد. الطرق القديمة فشلت عندما أصبح التذبذب شديداً.

الحل: اقترح المؤلفون تقنية تقدير مشتركة باستخدام مرشح وينر (Wiener Filtering).

التشبيه: تخيل أنك تحاول تتبع صديق يركض عبر حديقة ضبابية. أنت تعرف شيئين:
1. كيف يركض عادةً (انتشار دوپلر - Doppler spread).
2. كيف يتحرك الضباب عادةً (الطبيعة الإحصائية لضجيج الطور).
بدلاً من مجرد التخمين أين هو بناءً على آخر مرة رأيته فيها، أنت تستخدم "فلتر ذكي" يجمع بين معرفتك بأسلوب ركضه وسلوك الضباب للتنبؤ بمكانه بدقة في هذه اللحظة، حتى لو لم تتمكن من رؤيته بوضوح.

تقوم هذه التقنية بتقدير كل من القناة (المسار الذي تسلكه الإشارة) وضجيج الطور (التذبذب) في نفس الوقت، عينة بعينة، لتنقية الإشارة قبل فك تشفيرها.

النتائج: من فاز في السباق؟

أجرى المؤلفون آلاف المحاكاة الحاسوبية لمعرفة كيف ستسير الأمور. إليكم ما وجدوه:

OTFS مقابل OFDM: في وجود ضجيج الطور، سحق OTFS نظام OFDM.
- النتيجة: كان OTFS أفضل بما يصل إلى 100 ضعف (رتبتين عشريتين) في إيصال الرسالة دون أخطاء. إنه يشبه مقارنة دبابة تمر عبر عاصفة بدراجة هوائية؛ الدبابة (OTFS) تستمر في التقدم، بينما تسقط الدراجة (OFDM).
الفلتر الجديد مقابل الطرق القديمة: كان "الفلتر الذكي" الجديد (نهج وينر) هو الفائز أيضاً.
- النتيجة: لقد حسن معدل الخطأ بنحو 3 ديسيبل (3 dB) مقارنة بالطرق الموجودة. في عالم الاتصالات اللاسلكية، مكسب 3 ديسيبل هو أمر ضخم — فهو يعني ببساطة أنه يمكنك مضاعفة سرعة بياناتك أو مضاعفة مداك دون فقدان الجودة.

الخلاصة

يثبت هذا البحث أنه إذا أردنا استخدام تقنية "الجدار الذكي" (RIS) المذهلة في بيئة واقعية حيث المعدات ليست مثالية (تعاني من ضجيج الطور)، فلا ينبغي لنا التمسك بالمعيار القديم (OFDM).

بدلاً من ذلك، يجب أن ننتقل إلى OTFS، وهو موجة أكثر قوة، ونستخدم هذا الفلتر الذكي لتنقية الإشارة. هذا المزيج يضمن أنه حتى مع وجود أجهزة مهتزة وأهداف متحركة، ستظل اتصالاتنا اللاسلكية سريعة، واضحة، وموثوقة.

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان "مقارنة بين OTFS وOFDM في الأنظمة المدعومة بأسطح الانعكاس الذكية (RIS) في ظل وجود ضوضاء الطور" من إعداد ستيفن مكويد وآرمان فرحان.

1. بيان المشكلة

تتناول الورقة فجوة حرجة في الأدبيات المتعلقة بأنظمة الاتصالات اللاسلكية المدعومة بـ الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل (RIS) والتي تعمل في ظل وجود ضوضاء طور المذبذب (PN).

السياق: تعد تقنية RIS بفوائد كبيرة في التغطية وكفاءة الطيف الترددي. ومع ذلك، تعاني أنظمة RIS العملية من عيوب في الترددات الراديوية (RF)، وتحديداً ضوضاء الطور الناتجة عن المذبذبات المحلية عند المرسل والمستقبل.
قصور تقنية OFDM: تُعد تقنية تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM)، وهي المعيار للأنظمة الحالية المدعومة بـ RIS، حساسة للغاية لضوضاء الطور. وتسبب هذه الحساسية تداخلاً بين الحاملات (ICI)، مما يؤدي إلى تدهور شديد في معدل خطأ البت (BER)، وهو ما قد يلغي فوائد تقنية RIS.
إمكانات تقنية OTFS: تعمل تقنية تعديل الفضاء الزمني والترددي المتعامد (OTFS) في نطاق التأخير-دوپلر (delay-Doppler domain)، وتشتهر بمتانتها ضد القنوات متغيرة الزمن. وبينما تسبب ضوضاء الطور سلوكاً خطياً متغيراً مع الزمن (LTV) (مشابه لانتشار دوپلر)، إلا أن الأدبيات الحالية لم تحلل بشكل كامل تأثير ضوضاء الطور على OTF، ولم تقترح تقنيات تقدير لأنظمة OTFS المدعومة بـ RIS تحت هذه الظروف.
الفجوة: تفترض الأعمال الحالية إما أجهزة مثالية، أو معرفة مثالية بضوضاء الطور عند المستقبل، أو تفشل في مراعاة التفاعل المحدد بين RIS وOTFS وضوضاء الطور.

2. المنهجية

يقترح المؤلفون إطار عمل شاملاً يتضمن نمذجة النظام، وتقنية تقدير مبتكرة، وتحليلاً عددياً دقيقاً.

أ. نمذجة النظام

تنمذج الورقة نظاماً عاماً مدعوماً بـ RIS حيث يكون مسار خط البصر المباشر محجوباً. تنتقل الإشارة من المرسل إلى RIS، ثم تنعكس، وتنتقل إلى المستقبل.

نمذجة ضوضاء الطور: يفترض النظام حدوث ضوضاء الطور عند المستقبل (ما يعادل الضوضاء المجمعة للمرسل والمستقبل). يتم نمذجة ضوضاء الطور المستمرة $\theta(t)$ كعملية متغيرة مع الزمن.
التمثيل المنفصل: يتم نمذجة الإشارة المستلمة في نطاق التأخير-الزمن، مع دمج معاملات انعكاس RIS، والقناة المتتالية (من المرسل إلى RIS ومن RIS إلى المستقبل)، ومصفوفة ضوضاء الطور القطرية $\Phi_{DT}$ .
مقارنة الموجات:
- OTFS: يتم تعديل الإشارات في نطاق التأخير-دوپلر، ثم تُحول إلى النطاق الزمني عبر تحويل فوريه الرقمي العكسي (IDFT). وتظهر مصفوفة ضوضاء الطور في نطاق التأخير-دوپلر ( $\Phi_{DD}$ ) بنية دائرية كتلية (block-circulant).
- OFDM: يتم تعديل الإشارات في النطاق الترددي. ويتم اشتقاق مصفوفة ضوضاء الطور ( $\Phi_{tf}$ ) بطريقة مماثلة ولكنها تؤثر على الحاملات بشكل مختلف، مما يسبب تداخلاً بين الحاملات (ICI).

ب. تقنية التقدير المقترحة

المساهمة الجوهرية هي تقنية تقدير مشتركة لقناة RIS وضوضاء الطور باستخدام مرشح وينر (Wiener filtering). تعمل هذه التقنية على مرحلتين:

المرحلة الأولى: التقدير الجزئي للقناة (نبضات الاختبار - Impulse Pilots):
- تستخدم أنماط نبضات اختبار معروفة في نطاق التأخير-الزمن (خاصة بهياكل OTFS وOFDM).
- تقوم بتقدير استجابة نبضة القناة فقط عند مؤشرات النبضات باستخدام طريقة قائمة على العتبة.
- القصور: يترك هذا فجوات في تقدير القناة بين عينات النبضات بسبب التغيرات السريعة الناتجة عن ضوضاء الطور وانتشار دوپلر.
المرحلة الثانية: التقدير الكامل للقناة (مرشح وينر):
- يتم تصميم مرشح وينر لاستكمال عينات القناة المفقودة بين النبضات.
- الاستغلال الإحصائي: تُشتق أوزان المرشح بناءً على الخصائص الإحصائية لعمليتين مستقلتين:
  - انتشار دوپلر: يتم نمذجته باستخدام نموذج جيكس (Jakes model) (عبر الارتباط الذاتي باستخدام دالات بيسل).
  - ضوضاء الطور: تُنمذج كعملية وينر (للمذبذبات ذات التشغيل الحر) أو عملية أورنستين-أولينيك (للمذبذبات ذات حلقة تتبع الطور - PLL).
- يعمل المرشح على تقليل متوسط مربع الخطأ (MSE) بين القناة المقدرة والقناة الفعلية الفعالة.
- الميزة الرئيسية: يتم إجراء حساب مصفوفة المرشح خارجياً (offline) بناءً على الإحصائيات ولا يتوسع حجم الحساب مع عدد عناصر RIS، مما يجعله فعالاً من الناحية الحسابية.

3. المساهمات الرئيسية

أول تحليل لـ RIS-OTFS تحت ضوضاء الطور: تعد هذه الورقة الأولى التي تحلل التأثيرات المحددة لضوضاء الطور على أنظمة OTFS المدعومة بـ RIS، مع تسليط الضوء على أنه بينما تعد OTFS أكثر متانة من OFDM، إلا أنها ليست محصنة ضد ضوضاء الطور الشديدة.
خوارزمية تقدير مشتركة مبتكرة: تقترح تقنية تعتمد على مرشح وينر لتقدير القناة الفعالة (بما في ذلك معاملات RIS، ودوپلر، وضوضاء الطور) دون الحاجة إلى عبء زائد من نبضات الاختبار.
النمذجة الإحصائية لضوضاء الطور: تشتق الورقة صراحةً مصفوفات الارتباط الذاتي لضوضاء الطور تحت نوعين شائعين من المذبذبات (التشغيل الحر وPLL)، مما يسمح بنمذجة أكثر واقعية للنظام.
مقارنة شاملة للأداء: توفر مقارنة جنباً إلى جنب بين OTFS وOFDM في سيناريوهات RIS تحت مستويات مختلفة من ضوضاء الطور، وانتشار دوپلر، وعدد عناصر RIS.

4. النتائج العددية

أجرى المؤلفون محاكاة مونت كارلو (بمتوسط $10^5$ حالة قناة) باستخدام نماذج قنوات 5G NR TDL-C، وتردد حامل 5.9 جيجاهرتز، ومخططات تعديل متنوعة (4-QAM, 16-QAM).

دقة التقدير (NMSE):
- تتفوق تقنية مرشح وينر المقترحة بشكل كبير على الطرق الموجودة (نموذج توسيع الأساس - BEM والتدخل بالشرائح - Spline interpolation).
- مع زيادة عرض نطاق ضوضاء الطور، يتدهور أداء BEM بشدة لأنه لا يستطيع التقاط التغيرات من عينة إلى أخرى. أما الطريقة المقترحة فتحافظ على متوسط مربع خطأ معيارى (NMSE) منخفض.
أداء معدل خطأ البت (BER) (OTFS مقابل OFDM):
- ضوضاء الطور المنخفضة/المتوسطة: تتفوق OTFS بشكل كبير على OFDM.
- ضوضاء الطور العالية: يتدهور كلا النظامين، لكن OTFS تحافظ على ميزة واضحة.
- توسع RIS: مع زيادة عدد عناصر RIS (حتى 100)، توفر RIS-OTFS تحسناً بمقدار رتبتين من القدر (order of magnitude) في BER مقارنة بـ RIS-OFDM.
مكسب التقدير المقترح:
- تحقق تقنية التقدير المقترحة مكاسب في BER تصل إلى 3 ديسيبل مقارنة بطرق BEM والشرائح (Spline).
- في الأنظمة المرمزة (16-QAM مع ترميز تلاففي)، توفر RIS-OTFS مع الطريقة المقترحة تحسناً بمقدار رتبة قدر واحدة على الأقل مقارنة بـ RIS-OFDM.

5. الأهمية والخاتمة

التحقق من فعالية OTFS لـ RIS: تؤكد الورقة أن OTFS هي موجة أفضل للأنظمة المدعومة بـ RIS في البيئات عالية الحركة أو البيئات ذات العيوب في الأجهزة حيث تكون ضوضاء الطور موجودة.
التنفيذ العملي: تسد تقنية التقدير المقترحة الفجوة بين المكاسب النظرية لـ RIS والقيود العملية للأجهزة. من خلال التخفيف الفعال من ضوضاء الطور دون زيادة عبء نبضات الاختبار، تجعل هذه التقنية أنظمة RIS-OTFS أكثر جدوى للانتشار في العالم الحقيقي.
الاتجاه المستقبلي: يضع هذا العمل أساساً لتصميم أنظمة RIS قوية يمكنها العمل مع أجهزة غير مثالية، مما يشير إلى أن شبكات 6G المستقبلية قد تحتاج إلى اعتماد OTFS وتقنيات التقدير الإحصائي المتقدمة للاستفادة الكاملة من إمكانات RIS.

باختصار، تثبت الورقة أنه بينما تمثل ضوضاء الطور تحدياً كبيراً لأنظمة RIS، فإن الجمع بين تعديل OTFS وتقنية تقدير تعتمد على مرشح وينر إحصائي يمكن أن يتغلب على هذه القيود، مما يوفر مكاسب أداء كبيرة مقارنة بنهج OFDM التقليدي.