الاتصالات اللاسلكية الضوئية OWC

أصبح الاتصال اللاسلكي بلا شك أداة أساسية في حياتنا اليومية، حيث تستعمل معظم أنظمة الاتصالات اللاسلكية الحالية تقنيات التردد اللاسلكي “RF” لنقل المعلومات.

ما هي الاتصالات اللاسلكية الضوئية OWC

تقنية الاتصالات اللاسلكية الضوئية “OWC”: هي نموذج محتمل في مجال الاتصالات، و مقارنة بأنظمة الاتصالات القائمة على التردد اللاسلكي “RF”، فإنّها قادرة على توفير أمان عالي وتكلفة منخفضة ومعدلات بيانات عالية.

ومع ذلك مع الطلب المتزايد باستمرار على البيانات اللاسلكية والتي تغذيها نماذج جديدة مثل الاتصال من نوع الآلة للأنظمة المستقلة، وكذلك الأجهزة الجديدة مثل النظارات الذكية التي تستخدم الواقع المعزز والواقع الافتراضي “VR”، هناك اتفاق عام على أن لن يكون طيف الترددات الراديوية كافياً للتواصل اللاسلكي في المستقبل، وبالتالي من الضروري النظر أيضاً في الطيف الضوئي للاتصالات اللاسلكية.

• “VR” هي اختصار لـ “virtual reality”.

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

• “OWC” هي اختصار لـ “Optical wireless communications”.

أساسيات الاتصالات اللاسلكية الضوئية OWC

على الرغم من استخدام “OWC” بشكل أكثر شيوعاً من معظم تقنيات الاتصال الكلاسيكية إلّا أنّ التحدي المتأصل الذي يحد من هذه التكنولوجيا هو إنشاء وصيانة روابط قريبة من خط البصر، حيث أنّ الإشارات الضوئية ذات اتجاهية عالية، كما يُعد الحفاظ على خط البصر “LOS” أمراً صعباً للغاية نظراً لحقيقة أنّه عندما تتعرض الإشارة للغلاف الجوي أو المحيط تحت الماء، فمن المتوقع أن تتشوه قوتها وبالتالي تؤثر على جودة الإرسال.

وللتغلب على هذا تم اقتراح التأشير والاستحواذ والتتبع “PAT” للحفاظ على خط البصر “LOS” للاتصالات اللاسلكية، كما يمكن اعتبار نظام “PAT” كنظام تحكم مغلق الحلقة، حيث يتم نشر أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم والمشغلات.

وتُعتبر أخطاء التوجيه الناتجة عن التأثيرات أو الاهتزازات الجوية ضارة بشكل خاص لوصلة الاتصال البصري بسبب زيادة احتمالية الخبو لمستوى الإشارة، حيث يؤدي تأثير هذه الظواهر إلى اختلال المحاذاة بين المرسل والمستقبل وانخفاض في الإشارة المستقبلة وزيادة معدل خطأ البتات “BER“، لذلك الهدف هو دراسة هذه التأثيرات واقتراح خوارزميات استراتيجيات تحكم فعالة يمكنها تقليل الاختلال.

يتيح الاتصال اللاسلكي البصري “OWC” الاتصال اللاسلكي باستخدام نطاقات الأشعة تحت الحمراء أو المرئية أو فوق البنفسجية، وبفضل ميزاته القوية مثل النطاق الترددي العالي والتكلفة المنخفضة والتشغيل في طيف غير منظم، يمكن أن يكون “OWC” في بعض التطبيقات بديلاً قوياً للتقنيات اللاسلكية الحالية ومكملاً لها في بعض التطبيقات.

كما إنّها واحدة من أكثر المجالات البحثية الواعدة حالياً مع إمكانات كبيرة لنتائج عالية التأثير والتي ستغير بشكل كبير السوق اللاسلكية، والتي تهيمن عليها في الغالب تقنيات التردد اللاسلكي “RF”.

• “LOS” هي اختصار لـ “line of sight”.

• “PAT” هي اختصار لـ “photo acoustic tomography”.

• “BER” هي اختصار لـ “Bit Error Rate”.

مبدأ عمل الاتصالات اللاسلكية الضوئية OWC

يعتبر الطيف الضوئي بالفعل عاملاً تمكينياً رئيسياً لشبكة الإنترنت العالمية، حيث لا تربط شبكات الاتصال بالألياف الضوئية جميع القارات فحسب، بل إنّها تشكل أيضاً العمود الفقري لشبكات الاتصالات الحديثة التي توفر وصولاً عالي السرعة للبيانات إلى العواصم والمدن والبلدات، وأيضًا بشكل متزايد إلى المنازل كما إنّ توسيع وسيط الألياف الضوئية ليشمل وسيط المساحة الحرة لاتصال الميل الأخير والوصول إلى الهاتف المحمول لا يبدو فقط خطوة طبيعية، ولكن أيضاً خطوة مباشرة نسبياً لاتخاذها.

لذلك كان هناك اهتمام متزايد بشكل كبير من الأوساط الأكاديمية والصناعية في تقنيات الاتصالات اللاسلكية الضوئية “OWC”، حيث يوجد أيضاً مجموعة واسعة من تقنيات “OWC” ونتيجة للعديد من حالات الاستخدام التي يمكن أن تخدمها.

تقنيات OWC

• الاتصالات الضوئية ذات المساحة الحرة “FSO”.

• اتصالات الضوء المرئي “VLC”.

• اتصالات الكاميرا الضوئية “OCC”.

• الشبكات اللاسلكية بالضوء والتي يشار إليها أيضاً باسم ليفي.

ملاحظة: “OCC” هي اختصار لـ “Optical Cable Corporation”.

ملاحظة:“VLC” هي اختصار لـ “Visible light communication”.

ملاحظة:“FSO” هي اختصار لـ “Free-space optical”.

تطور عمل الاتصالات اللاسلكية الضوئية OWC

يساهم العدد المتزايد من الأجهزة الذكية بأشكالها وقدراتها المختلفة جنباً إلى جنب مع التبني العالمي لتطبيقات الوسائط المتعددة المتقدمة في النمو الكبير لحركة البيانات المتنقلة، كما ستوفر شبكات التكنولوجيا اللاسلكية من الجيل الخامس “5G” وما بعده معدلات بيانات عالية جداً، أي تلبية الطلب الهائل على البيانات وزمن انتقال منخفض وموثوقية عالية وقابلية للتوسع وأجهزة مترابطة بشكل كبير، ممّا سيدعم إنترنت الأشياء الناشئ تطبيقات وخدمات “IoT”.

نظراً للضغط المتزايد على طيف التردد اللاسلكي المحدود “RF” يُعتقد أنّ أنظمة الاتصال اللاسلكي البصري “OWC” هي حل مكمل أو بديل لتقنيات التردد اللاسلكي في بعض مجالات التطبيق، حيث من خلال تقديم مزايا تقنية وتشغيلية كبيرة تحظى “OWC” باهتمام متزايد داخل مجتمع البحث، ومن المعتقد أنّ “OWC” واتصالات الضوء المرئي ستحدث ثورة في سوق الاتصالات التي تهيمن عليها حالياً تقنية الترددات اللاسلكية.

تستمر الاهتمامات والأنشطة البحثية في “OWC” التي تغطي النطاقات الثلاثة الرئيسية للأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء في النمو، مما يفتح تحديات البحث والتطوير التي تحتاج إلى معالجة من قبل المجتمع العلمي ككل، وكذلك تطورت الاتصالات اللاسلكية بشكل كبير في السنوات الأخيرة بسبب التكنولوجيا المتقدمة للهواتف الذكية والأجهزة المحمولة ونمو إنترنت الأشياء والصحة الإلكترونية والتجارة الإلكترونية وأنظمة النقل الذكية والشبكات الاجتماعية.

توقعت شركة Cisco أن تكون حركة مرور الهاتف المحمول اللاسلكية مهيمنة على شبكة البيانات بحلول عام 2017م، وقد كان مؤخراً استخدام الاتصالات اللاسلكية الضوئية “OWC” في الهواتف المحمولة كتقنية اتصال إضافية مثل الأنظمة الخلوية وشبكات “Wi-Fi” والبلوتوث، من أجل حل أزمة الطيف وتوفير معدلات بيانات عالية في البيئة الحضرية والمواقع المزدحمة.

تقدم “OWCs” العديد من المزايا مثل الترخيص المجاني وعرض النطاق الترددي الواسع والأمن المتأصل وعدم التداخل، وتمثل تقنية تكميلية لتقنيات الترددات الراديوية خاصة في شبكة الاتصالات اللاسلكية الناشئة القائمة على “5G”.

ومع ذلك فإنّ الانتشار الواسع لأنظمة “OWC” وهي الأشعة تحت الحمراء والاتصالات الضوئية المرئية “VLC”  يواجه عدداً من التحديات، مثل تأثير الطقس وتنظيم السلامة وأداء الجهاز والتوافق مع الأنظمة الحالية والتطبيق القاتل والتعقيد والتكلفة، وبالتالي الحاجة المستمرة لمزيد من البحث والتطوير من أجل معالجة هذه النقاط وكذلك القضايا الأخرى ذات الصلة.

• “IoT” هي اختصار لـ “Internet of Things”.

تطبيقات تطور الاتصالات اللاسلكية الضوئية OWC

• التوصيف والنمذجة وتحليل القدرات لقنوات “OWC”.

• أنظمة التشفير والتشكيل والمعادلة المتقدمة لأنظمة “OWC”.

• التقنيات المتقدمة لتصميم جهاز الإرسال والاستقبال عالي السرعة “OWC”.

• اتصالات الضوء المرئي “VLC” للتطبيقات الداخلية والخارجية.

• وصلات اتصال بصرية حرة “FSO” لمنصات عالية الحركة.

• تقنيات التأشير والاكتساب والتتبع الجديدة لوصلات “FSO”.

• الفضاء السحيق واتصالات “FSO” بين الأقمار الصناعية.

• أقمار صناعية هجينة عالية الإنتاجية مع وصلات تغذية “FSO”.

• نقل الضوء والطاقة في وقت واحد.

• أنظمة توزيع المفتاح الكمي “FSO”.

• “OWC” تحت الماء، وتوصيف القناة ونقل الإشارات وتصميم النظام.

• هجين “RF” أو وصلات بصرية أو صوتية.

• تقنيات التعريب الداخلي القائمة على “VLC”.

• اتصالات الكاميرا الضوئية.

• أنظمة “VLC” العضوية.

• تقنيات جديدة لتحسين الأمان المادي لروابط “OWC”.

• الأجهزة والمكونات الضوئية لـ “OWC”.

• “OWC” للاتصالات بين الشرائح وداخلها.

• روابط “OWC” فوق البنفسجية ونمذجة القنوات ونقل الإشارات.

• “OWC” لـ “IoT” أي الاتصالات من جهاز إلى جهاز والصحة الإلكترونية والتصنيع.

• “OWC” لشبكات “5G” و”B5G”.

• أنظمة “OWC” المعرفية.