اقرأ في هذا المقال
- ما هي أساسيات الاتصالات اللاسلكية الضوئية
- تطور عمل الاتصالات اللاسلكية الضوئية
- الاتصالات اللاسلكية الضوئية ونظام GPS
تمت دراسة تقنية الاتصالات اللاسلكية الضوئية “OWC” على نطاق واسع لتوفير اتصالات عالية السرعة في البيئات الداخلية، كما أنّ وظيفة تحديد المواقع الداخلية القائمة على “OWC” مطلوبة بشدة وقد اجتذبت طريقة قوة الإشارة المستقبلة “RSS” اهتمامات مكثفة، حيث يتم استخدام أجهزة إرسال متعددة ويتم توفير معلومات تحديد الموقع عن طريق تقدير كسب القناة من كل جهاز إرسال له موقع معروف.
ما هي أساسيات الاتصالات اللاسلكية الضوئية
تتطلب عملية تحديد الموقع عن طريق تقدير كسب القناة عادةً فترات زمنية مخصصة لتحديد المواقع أو موجات حاملة للترددات الراديوية أو كلمات مشفرة ممّا يحد من معدل بيانات النظام والإنتاجية، ولحل هذا القيد يتم استخدام مخطط تحديد موضع “OWC” داخلي محسّن بالفلتر، حيث يتم تطبيق مرشحات تشكيل شكل الموجة المكانية على أجهزة الإرسال، ممّا يتيح فصل الإشارات من أجهزة الإرسال المختلفة عبر المرشحات المتطابقة في جانب المستقبل.
ومن ثم فإنّ هذا النهج يسمح بالحصول على معلومات “RSS” من إشارة الاتصال اللاسلكي مباشرة وإدراك وظيفة تحديد المواقع دون التأثير على معدل بيانات الاتصال اللاسلكي أو الإنتاجية، وبالإضافة إلى ذلك نظراً لأنّ تحديد المواقع يتحقق باستخدام إشارة الاتصال يمكن تحقيق تحديد الموقع المستمر للتتبع في الوقت الفعلي، كما تم إنتاج مخطط تحديد المواقع المُحسّن بالمرشح بشكل تجريبي في نظام “OWC” الداخلي القريب من الأشعة تحت الحمراء مع أجهزة إرسال الليزر.
ممّا أظهرت أنّ متوسط دقة تحديد المواقع يبلغ “5.41 سم” و”2.5 جيجابت / ثانية” من الاتصالات اللاسلكية يتم تحقيقها في وقت واحد، كما يمكن أيضاً تطبيق مخطط تحديد المواقع المعزز بالمرشح في أنظمة اتصالات الضوء المرئي “VLC” مع أجهزة إرسال “LED” ويتم التحقق من الجدوى عبر عمليات المحاكاة، كما يوفر المخطط المعزز بالفلتر المقترح طريقة واعدة لتحديد المواقع في أنظمة “OWC” الداخلية دون التأثير على اتصالات البيانات اللاسلكية.
- “OWC” هي اختصار لـ “Optical-wireless-communication”.
- “RSS” هي اختصار لـ “Really-Simple-Syndication”.
- “LED” هي اختصار لـ “Light-Emitting-Diode”.
“VLC” هي اختصار لـ “Visible-light-communication”.
تطور عمل الاتصالات اللاسلكية الضوئية
اجتذبت تقنية الاتصالات اللاسلكية الضوئية “OWC” اهتمامات مكثفة خلال السنوات الماضية كمرشح واعد لتوفير اتصالات لاسلكية عالية السرعة في البيئات الداخلية، وبالمقارنة مع الاتصالات اللاسلكية التقليدية ذات التردد اللاسلكي “RF”، تستخدم “OWC”الطيف البصري الخالي من الترخيص ولديها نطاق ترددي واسع متاح.
لذلك تم اعتبار تقنية “OWC” كأحد الحلول الممكنة للاتصالات الناشئة ما بعد “5G B5G” لتحقيق معدل بيانات فائق الارتفاع وزمن انتقال منخفض للغاية وقدرة كبيرة جداً، وبالإضافة إلى ذلك فإنّ نظام “OWC” خالي أيضاً من التداخل الكهرومغناطيسي التقليدي “EMI” ولديه أمان اتصالات عالي.
في أنظمة “OWC” الداخلية بما في ذلك أنظمة الاتصال بالضوء المرئي “VLC” وأنظمة “OWC” بالأشعة تحت الحمراء، يمكن استكشاف ارتباطات خط البصر “LOS” وغير خط البصر “NLOS” للاتصالات اللاسلكية بالمقارنة مع ارتباط “NLOS”، تُفضل روابط “LOS” عادةً بسبب كفاءة الطاقة العالية والحد الأدنى من التشتت متعدد المسارات، ومع ذلك يلزم وجود محاذاة جيدة بين المرسل والمستقبل.
بالإضافة إلى ذلك يمكن أن تكون قدرة الإرسال لأنظمة “OWC” الداخلية محدودة بسبب لوائح السلامة خاصة لأنظمة “OWC” بالأشعة تحت الحمراء، لذلك فإنّ معرفة موقع المستخدمين وتوفير اتصالات “LOS OWC” في المقابل أمر مرغوب فيه للغاية، كما أنّ تحديد موقع المستخدم الداخلي مطلوب بشدة للتطبيقات الأخرى في أنظمة “B5G” المتوقعة، مثل تحقيق الخدمات الذكية وتوفير الصحة الإلكترونية أو الإعلانات المستندة إلى الموقع.
- “RF” هي اختصار لـ “radio frequency”.
- “LOS” هي اختصار لـ “Line of Sight”.
- “EMI” هي اختصار لـ “Electromagnetic-interference”.
الاتصالات اللاسلكية الضوئية ونظام GPS
تم استخدام تقنية “GPS” على نطاق واسع في تطبيقات تحديد المواقع الخارجية، ومع ذلك فهي ليست مناسبة لتحديد المواقع في الأماكن المغلقة، وقد تمت دراسة عدد من التقنيات البديلة لتلبية الطلب على تحديد المواقع في الأماكن المغلقة، وتم استخدام “RF” مثل المستندة إلى “Wi-Fi” والمستندة إلى “Zigbee” وعرضها، ومع الحصول على تحديد الموقع الداخلي باستخدام قوة الإشارة المستقبلة “RSS” أو وقت الوصول “TOA” أو زاوية معلومات الوصول “AOA”.
ومع ذلك عادةً ما تعاني أنظمة تحديد المواقع الداخلية القائمة على الترددات الراديوية من التداخل الكهرومغناطيسي ومستوى عالٍ من انحراف الإشارة وانعكاساتها، وبالتالي فإنّ دقتها محدودة، وبالإضافة إلى الحلول القائمة على الترددات الراديوية تم استخدام تقنية “OWC” أيضاً على نطاق واسع لوظيفة تحديد المواقع في الأماكن المغلقة، وتم فحص كل من الأطوال الموجية المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء.
تم استكشاف معلومات “RSS” و”TOA” و”AOA” في أنظمة تحديد المواقع الداخلية الخاصة بـ “OWC” كما تم إثبات دقة تحديد المواقع بمقياس السنتيمتر، لذلك يمكن تحقيق كل من التوصيلات اللاسلكية عالية السرعة وتحديد المواقع بدقة باستخدام نفس بنية النظام.
وبالمقارنة مع الطرق المستندة إلى “TOA” و”AOA” فإنّ طريقة تحديد موضع “OWC” الداخلي المستندة إلى “RSS” عادةً ما تكون أسهل في التنفيذ؛ لأنّها لا تتطلب مزامنة دقيقة لجهاز الإرسال والاستقبال أو جهاز استقبال قادر على اكتشاف زاوية السقوط، لذلك اعتمد جزء كبير من الدراسات السابقة على الحل القائم على “RSS”.
في أنظمة تحديد المواقع الداخلية “OWC” القائمة على “RSS” يتم استخدام أجهزة إرسال متعددة ويتم تحديد الموقع من خلال مراقبة إشارة الضوء من كل جهاز إرسال مع موقع معروف، واستخدام نموذج فقدان المسار البصري، ومن أجل التمييز بين الإشارات من أجهزة الإرسال المختلفة فإنّ الطريقة المستخدمة على نطاق واسع هي تعدد الإرسال بتقسيم الوقت “TDM“، حيث يرسل كل جهاز إرسال إشارة تحديد الموقع بشكل فردي ضمن الفاصل الزمني المخصص لتحديد المواقع لتجنب تداخل “RSS”.
ومع ذلك يجب إيقاف الاتصال اللاسلكي مؤقتاً لإرسال إشارات تحديد المواقع المخصصة وهذا يقلل من معدل بيانات “OWC” الفعال ويحد من سعة الاتصال الإجمالية، خاصةً عندما يكون عدد أجهزة الإرسال كبيراً، وبالإضافة إلى ذلك نظراً لأنّ وظيفتي تحديد المواقع والاتصال اللاسلكي تشتركان في نفس النظام فلا يمكن الحصول على تحديد موقع المستخدم إلّا في فترات زمنية منفصلة لتحديد المواقع ولا يمكن توفير تحديد المواقع بشكل مستمر.
لحل هذه المشكلات تم اقتراح عدد من التقنيات المتقدمة، وتمت دراسة استخدام الموجات الحاملة للترددات الراديوية، حيث تم تخصيص موجة حاملة “RF” مخصصة لكل مرسل ويمكن فصل إشارات تحديد الموقع من أجهزة إرسال مختلفة عن طريق ترشيح ترددات موجات حاملة مختلفة.
وقد تم توسيع المفهوم باستخدام تعدد الإرسال المتعامد لتقسيم التردد “OFDM” للاتصالات اللاسلكية الضوئية، حيث يتم تخصيص ناقل فرعي “OFDM” مخصص لكل مرسل لغرض تحديد الموقع، ومع ذلك تتطلب هذه الطريقة موجات حاملة أو موجات حاملة فرعية مخصصة لنقل إشارات تحديد الموقع، وهذا يقلل من عرض النطاق الترددي القابل للاستخدام لكل جهاز إرسال.
وبالتالي يؤثر على معدل بيانات الاتصال وسعة النظام، كما تم التحقيق في استخدام مبدأ الوصول لتقسيم الكود البصري وتعدد الإرسال “OCDMA” في أنظمة تحديد المواقع داخل “OWC”، مثل استخدام الرموز المتعامدة البصرية.
- “GPS” هي اختصار لـ “global positioning system”.
- “OCDMA” هي اختصار لـ “optical code-division multiple access”.
- “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency division multiplexing”.
- “TDM” هي اختصار لـ “Time-division multiplexing”.
