اتصالات الضوء المرئي Visible Light Communication

أنظمة “VLC” عرضة للتداخلات مثل ضوء الشمس وأشكال الإضاءة الأخرى، ولهذا السبب تمت إضافة المرشحات الضوئية من أجل القضاء على الضوضاء من الإشارة المستقبلة، وفي حالة المستقبِلات الثابتة يتم استخدام الثنائيات الضوئية.

ما هي اتصالات الضوء المرئي Visible Light Communication؟

الاتصالات الضوئية المرئية “VLC”: هي تقنية ناشئة تستخدم تعديل الضوء المرئي والذي سيسهل بشكل أساسي في العالم الحديث اتصال الإنترنت عالي السرعة، كما تستخدم تقنية الضوء المرئي للاتصال لتسهيل اتصال الإنترنت عالي السرعة حصرياً في البيئة الداخلية.

• “VLC” هي اختصار لـ “Visible Light Communication”.

أساسيات الاتصالات الضوئية المرئية:

الاتصالات الضوئية المرئية هي قطعة ثورية من تكنولوجيا الاتصالات التي تستفيد من زيادة شعبية الإضاءة الصلبة لفتح العديد من القنوات الإضافية التي يمكن من خلالها نقل البيانات، ويتكون نظام “VLC” من المرسل والمستقبل، وفي “VLC” يستقبل جهاز استقبال الضوء المنبعث من ضوء “LED” المرسل من خلال تعديل الضوء السريع، والذي يترجم بعد ذلك إلى بيانات قابلة للاستخدام.

يمكن بعد ذلك فصل هذا إلى ثلاث طبقات وهي الطبقة المادية والتي تحدد بشكل أساسي العلاقة بين الجهاز والوسيط، وطبقة “MAC” التي تشير البيانات المستلمة والمعالجة إلى الاتجاه الذي يحتاجون إلى الذهاب إليه وطبقة التطبيق.

جنباً إلى جنب مع “LiFi” وأجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء يندرج “VLC” ضمن فئة الاتصال اللاسلكي البصري، وهو مصطلح يستخدم لوصف جميع أشكال الاتصالات الخفيفة التي لا تستخدم الكابلات والوسائط المادية الأخرى.

• “LED” هي اختصار لـ “”.

• “LiFi” هي اختصار لـ “Light Fidelity”.

• “MAC” هي اختصار لـ “media access control”.

خصائص اتصالات الضوء المرئي VLC:

1- حصر الإشارة:

تكمن طبيعة الضوء في عدم قدرته على المرور عبر الجدران غير الشفافة، وهذا يجعل من السهل حصر الإشارات داخل غرفة واحدة ممّا يزيد من مستوى أمان الشبكة.

2- عدم توفر خط البصر:

يعتقد الكثير أنّه نظراً لأنّ أنظمة “VLC” تستخدم الضوء فإنّ أي انسداد يمكن أن يعيق بشدة قدرتها على نقل البيانات، وهذا ليس هو الحال بالتأكيد لأنّه لا يعتمد على خط البصر، كما أظهرت الدراسات أنّه لا يزال بإمكانهم الأداء في الأماكن التي تتعرض لمشاكل شديدة.

3- آمن في البيئات الخطرة:

يمكن استخدام “VLC” كبديل عملي للمناطق التي يُنظر فيها إلى إشارات التردد اللاسلكي على أنّها خطر، وبصرف النظر عن استخدام تقنية غير “RF” لتوصيل البيانات فإنّ مصدر الضوء المستخدم في هذه الأنظمة ينبعث منه طاقات منخفضة، ممّا يضمن استخدامها الآمن، كما تشمل هذه البيئات “الخطرة” المستشفيات أو الطائرات أو المناجم.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.

هندسة أنظمة VLC:

يوجد جزءان لا يتجزأ من أنظمة “VLC” وهي المرسل والمستقبل، حيث تتكون هذه الأجزاء من ثلاث طبقات مشتركة وهي الطبقة المادية وطبقة “MAC” وطبقة التطبيق:

أولاً: المرسل:

أجهزة إرسال “VLC” تعني أساساً مصدر الضوء، كما أدى تطور إضاءة “LED” إلى جعل هذه التقنية ممكنة وجعلت إضاءة الحالة الصلبة أي الإضاءة التي لا تستخدم الشعيرات الكهربائية أو البلازما أو الغاز، وذلك لأنّ مصابيح “LED” تتجاوز بكثير مصادر الإضاءة المتوهجة والفلورية من حيث الموثوقية ومتطلبات الطاقة وكفاءة الإضاءة، كما تجعل كفاءة مصابيح “LED” بالإضافة إلى الضوء الأبيض الذي تنبعث منه ومحولات الطول الموجي ومصابيح “LED” الخيار الأفضل لمصدر ضوء “VLC”.

هناك العديد من الأطياف المختلفة التي يتم فيها إنتاج الضوء الأبيض بواسطة ضوء “LED”، والطريقة الأكثر شيوعاً لإنتاج الضوء الأبيض هي ثلاثية الألوان أي الأحمر والأخضر والأزرق، والمعروفة أكثر باسم “RGB” كما إنّها مفيدة لأنّها قادرة على إنتاج نطاقات تردد عالية ممّا يسمح بمعدلات بيانات أعلى، ومع ذلك فهي معقدة للغاية ويصعب تعديلها والطرق الأخرى لتوليد الضوء الأبيض هي ثنائي اللون أي أزرق وأصفر ورباعي اللون أي أزرق وسماوي وأخضر وأحمر.

• “RGB” هي اختصار لـ “Red Green Blue”.

2- المستقبل:

تتكون مستقبلات أنظمة “VLC” بشكل عام من مرشح بصري ومركزات بصرية ودائرة تضخيم، كما ينبعث الضوء من جهاز إرسال “VCL” لإعطاء بيانات الإرسال، ومع ذلك فإنّ هذا الضوء ضعيف بشكل عام بسبب اختلاف الحزمة لأنّ مصابيح “LED” تضيء بشكل عام المساحات الكبيرة.

يتم التقاط هذه الإشارة الأضعف بواسطة المكثف البصري وتضخيم الإشارة، ثم يتم الكشف عن الإشارة والتقاطها بواسطة الثنائي الضوئي والذي يتم تحويله إلى تيار ضوئي، كما تُستخدم الثنائيات الضوئية السيليكونية وثنائيات “PIN” والصمامات الضوئية الجليدية لأنظمة “VLC”.

تُستخدم مستشعرات التصوير للحالات التي تتطلب التنقل مثل أنظمة “VLC” في المركبات بسبب مجال الرؤية الأكبر، ومع ذلك فهي بطيئة وتستهلك الكثير من الطاقة، وهذا هو السبب في أنّه من الضروري إجراء مفاضلة بين التكلفة والسرعة والتعقيد عند التفكير في استخدام إمّا الثنائي الضوئي أو مستشعر التصوير.

• “PIN” هي اختصار لـ “Personal Identification Number”.

• “LED” هي اختصار لـ “Light-Emitting Diode”.

3- الطبقة المادية:

توفر الطبقة المادية المواصفات المادية لجهاز “VLC” بالإضافة إلى العلاقة بين الجهاز والوسيط المستخدم لنقل البيانات، كما أنّ التفاعلات التي تحدث داخل الطبقة المادية هي أنّها تمر بتات الإدخال لتدفق البيانات عبر سلسلة من العمليات قبل أن تصل إلى مصدر الضوء، كما يقوم مصدر الضوء هذا بعد ذلك بإصدار فوتونات عبر قناة ضوئية عبر إشارات ضوئية، ويتم استقبال هذه الإشارات بواسطة جهاز الثنائي الضوئي والذي يتم إعادة تشكيله ونسخه في بيانات الإخراج.

4- طبقة “MAC”:

تُعد طبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط “MAC” مسؤولة عن نقل حزم البيانات المستلمة من الشبكة وإليها، وتتمثل وظيفتها الأساسية في توفير وسيلة لكل عقدة داخل الشبكة للتواصل مع العقد الأخرى المتاحة، كما تقوم طبقة “MAC” بتوجيه حزم البيانات نحو الاتجاهات التي يحتاجون إليها للذهاب، وفي أنظمة “VLC” تتولى طبقة “MAC” المهام التالية:

• دعم التنقل.

• دعم يعتم.

• دعم أمني.

• دعم الرؤية.

• مخططات للتخفيف من الخفقان.

• دعم وظيفة اللون.

• إنشاء إشارات الشبكة إذا كان الجهاز منسقاً.

• دعم المجموعات وتفكك “VPAN”.

• توفير رابط موثوق به بين كيانات “MAC” النظيرة.

ملاحظة:“VPAN” هي اختصار لـ “virtual private network”.

المصطلحات المرتبطة بـ VLC:

1- ليفي “LiFi”:

“LiFi”: هو مصطلح يستخدم لوصف الشبكات عالية السرعة التي تستخدم الضوء المرئي لنقل البيانات ويستخدم  مصابيح “LED” لإصدار إشارات ضوئية لنقل البيانات، ويتم بعد ذلك استقبال هذه الإشارات بواسطة جهاز ثنائي ضوئي متصل بالجهاز لتوفير الوصول إلى البيانات، والتي يمكن أن تكون صوراً أو مقاطع فيديو أو مستندات أو الإنترنت.

تعتبر “LiFi” تقنية تكميلية لشبكة “Wi-Fi”، والتي يمكن استخدامها لتوفير الراحة للطيف الراديوي المزدحم بالفعل في توفير الوصول إلى الإنترنت لعامة الناس.

2- اتصالات الفضاء الحر البصري “FSO”:

على غرار “VLC” يتضمن الاتصال البصري في الفضاء الحر أيضاً استخدام الضوء في نقل البيانات، ومع ذلك فإنّ الضوء المستخدم في “FSO” لا يقتصر على الضوء المرئي فقط، ويقع استخدام الأشعة فوق البنفسجية “UV” والأشعة تحت الحمراء “IR” في الاتصالات أيضاً ضمن هذه الفئة، وعلى عكس “VLC” فإنّ الإضاءة غير مطلوبة، وهذا يعني أنّه بدلاً من مصابيح “LED” يتم استخدام حزم ضيقة من الضوء المركّز مثل ثنائيات الليزر للإرسال.

• “FSO” هي اختصار لـ “free-space-optics”.

• “UV” هي اختصار لـ “Ultraviolet”.

3- الاتصال اللاسلكي البصري “OWC”:

الاتصال اللاسلكي البصري “OWC”: هو مصطلح عام يستخدم للإشارة إلى جميع أنواع الاتصالات الضوئية دون استخدام الكابلات على سبيل المثال كابلات الألياف الضوئية، ووهذا يعني أنّ اتصالات الضوء المرئي و”LiFi” والاتصال البصري للمساحة الخالية وجهاز التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء كلها تندرج تحت “OWC”.

• “OWC” هي اختصار لـ “Optical-Wire-Communication”.