ترميز البيانات المعتمد على الطاقة لإرسالها عبر مسار الاتصالات البصرية

يتم تكوين نظام لإرسال البيانات عبر مسار اتصال بصري ولاستقبال البيانات المراد ترميزها في تدفق بتات ولإرسالها باستخدام مسار اتصال ضوئي وتشفير البيانات المستلمة للحصول على تدفق بتات، كما يتم تكوين النظام بشكل إضافي لتحديد أنّ تدفق البتات يتضمن سلسلة من البتات المتتالية، والحصول على مستوى طاقة يتم عنده إرسال جزء من تدفق البتات بناءً على عدد البتات المتتالية في التسلسل.

أساسيات ترميز البيانات المعتمد على الطاقة لإرسالها عبر مسار الاتصالات البصرية

قد يتم تكوين النظام لتنشيط مصدر الضوء بشكل انتقائي عند مستوى القدرة وفقاً لمخطط التعديل لإرسال جزء من تدفق البتات ضوئياً عند مستوى القدرة، كما يستخدم الاتصال البصري الضوء للتواصل بين جهاز إرسال بصري وجهاز استقبال بصري وعلى سبيل المثال جهاز كشف ضوئي، ويستخدم الاتصال البصري بشكل أساسي في الاتصالات السلكيةواللاسلكية لتوصيل كميات كبيرة من البيانات، وعلى سبيل المثال حركة الصوت وحركة مرور الشبكة عبر مسافات كبيرة بين نقطتين.

قد يحمل مسار الاتصال البصري مثل الألياف الضوئية حركة مرور الشبكة الضوئية لمئات أو آلاف الأجهزة ومع زيادة عدد الأجهزة يزداد أيضاً الطلب على النطاق الترددي للاتصالات الضوئية، ومع زيادة الطلب على النطاق الترددي للاتصالات الضوئية، هناك أيضاً حاجة إلى طرق جديدة ومحسنة لترميز حركة مرور الشبكة الضوئية.

من خلال استخدام مخططات ترميز بصرية مختلفة يمكن تحسين مسار الاتصال البصري لحمل حركة مرور إضافية للشبكة الضوئية دون الحاجة إلى تغيير مسار الاتصال البصري فعلياً، ويوفر هذا أنظمة وطرق للضغط البصري لتيار البتات المرمزة بناءً على ناتج الطاقة لمصدر الضوء، وتنشيط مصدر الضوء بشكل انتقائي لنقل تدفق البتات المضغوط.

كما يوفر هذا النظام أيضاً أنظمة وطرق للكشف البصري عن إرسال تدفق البتات المضغوط وإلغاء ضغط تدفق البتات المضغوط للحصول على تدفق البتات المرمزة، وتحصل الأنظمة والطرق على تدفق البتات المرمزة عن طريق ترميز البيانات ليتم إرسالها بصرياً باستخدام تقنية ترميز المصدر، مثل ترميز (Huffman) أو ترميز (Lempel-Ziv) أو ترميز (Shannon-Fano) أو أي تقنية أخرى لترميز المصدر أو توليفات منها .

مبدأ ترميز البيانات المعتمد على الطاقة لإرسالها عبر مسار الاتصالات البصرية

يتم حذف أو تجاوز ترميز المصدر على البيانات التي سيتم إرسالها، كما يمكن بعد ذلك إجراء تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) على تدفق البتات المرمز للحفاظ على المعلومات، والتي قد تُفقد أثناء الإرسال وتتضمن أمثلة تقنيات تشفير تصحيح الأخطاء التي يمكن تطبيقها على تدفق البتات المرمز شفرات هامنج وشفرات ريد سولومون وتقنيات ترميز تصحيح الأخطاء الأخرى.

ونتيجة (FEC) الذي يتم إجراؤه على تدفق البتات المرمزة هو تدفق البتات المرمزة جنباً إلى جنب مع البتات الزائدة عن الحاجة لاستعادة واحدة أو أكثر من بتات تدفق البتات المرمزة، ويتم بعد ذلك تنفيذ خوارزمية تشكيل الطاقة أو الضغط المستند إلى الطاقة على تدفق البتات المرمزة، بما في ذلك جزء البيانات من تدفق البتات المرمزة والبتات الزائدة التي تمت إضافتها إلى تدفق البتات المرمزة بواسطة تشفير تصحيح الخطأ.

كما يمكن إجراء واحد أو أكثر من خوارزميات تشكيل الطاقة أو خوارزميات الضغط القائمة على الطاقة على تدفق البتات المرمزة؛ لزيادة إنتاجية الإرسال دون تغييرات مادية في مسار الاتصال البصري الذي يتم فيه إرسال تدفق البتات المرمزة، حيث تقوم خوارزمية ضغط تعتمد على الطاقة بتعيين حرف ثنائي من تدفق بتات مرمزة إلى طاقة ناتج لمصدر ضوء ينقل تدفق البتات المرمزة عبر مسار الاتصال البصري.

بعد ذلك تبحث خوارزمية الضغط المعتمد على الطاقة عن مثيلات متكررة للحرف الثنائي في تدفق البتات المرمزة وتستبدل المثيلات المتكررة بمثيل واحد من الحرف الثنائي، ومع ذلك يتم تعيين الحرف الثنائي البديل ليتم إرساله بمستوى طاقة متزايد يحل محل الأحرف الثنائية الفردية، والتي يحل محلها الحرف الثنائي البديل.

وبالتالي فإنّ خوارزمية الضغط السابقة القائمة على القدرة هي مثال على طريقة واحدة يمكن من خلالها ضغط الأحرف الثنائية وتمثيلها بواسطة ناتج الطاقة لحزمة إرسال واحدة، كما تشمل الاختلافات على سبيل المثال حساب الحد الأقصى من ناتج طاقة النقل بواسطة مصدر الضوء، وتحسين عدد الحزم التي يمكن إرسالها عند مستوى طاقة أقل من الحد الأقصى لقدرة الإرسال، والطريقة التي يتم بها مستوى الطاقة ليتم تحديد رزمة إرسال على شكل قدرة، وغيرها من الاختلافات أو التوليفات الأخرى من هذا القبيل.

ثم يتم إجراء عمليات إضافية على تيار البتات المشفر على شكل قدرة قبل الإرسال بواسطة مصدر الضوء وتشمل هذه العمليات تطبيق مخطط تشكيل لتعديل تدفق البتات المرمزة على شكل قدرة بموجة حاملة محددة مسبقاً وتحويل الإشارة المشكلة إلى تردد مناسب للإرسال عبر مسار الاتصال البصري.

• “FEC” هي اختصار لـ “Forward error correction”.

كيفية ترميز البيانات المعتمد على الطاقة لإرسالها عبر مسار الاتصالات البصرية

يتم إجراء عمليات مماثلة بواسطة جهاز استقبال يتلقى الإشارة المشكلة من المرسل، وتشمل هذه العمليات تحويل الإشارة المعدلة المستقبلة إلى تردد موجة الموجة الحاملة، وإزالة تشكيل تيار البتات المرمز على شكل طاقة من موجة الموجة الحاملة، وفك ضغط تيار البتات المرمز على شكل طاقة باستخدام خوارزمية فك الضغط المعتمدة على الطاقة.

تتضمن العمليات الإضافية تطبيق تقنية فك تشفير المصدر على سبيل المثال فك ترميز هوفمان للحصول على البيانات التي تم فك ترميزها، ثم تخزين البيانات التي تم فك ترميزها في جهاز تخزين يمكن قراءته بواسطة الكمبيوتر، كما قد يتضمن تخزين البيانات التي تم فك ترميزها تخزين البيانات التي تم فك ترميزها في ذاكرة قصيرة المدى، مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أو في ذاكرة طويلة المدى مثل محرك الأقراص الثابتة وعلى سبيل المثال قرص مغناطيسي أو قرص ذاكرة فلاش، وقرص ضوئي أو ذاكرة أخرى طويلة المدى.

هناك تقنية إضافية وهي أنّه يمكن تدريب جهاز الاستقبال عبر تقنية واحدة أو أكثر من تقنيات التعلم الآلي للتعرف على ما إذا كانت حزمة الإرسال، والمرسلة بواسطة المرسل البصري تمثل حرفاً ثنائياً واحدا ًأو أكثر من حرف ثنائي واحد، وأحد الأمثلة على تقنية التعلم الآلي التي يمكن أن يستخدمها جهاز الاستقبال البصري هو انحدار بواسون، والذي تم الكشف عنه في المقالة على الإنترنت “انحدار التقدم” الذي نشرته شركة (Microsoft).

تساعد تقنية التعلم الآلي المستقبل في تعلم مستويات طاقة حزم الإرسال التي يرسلها المرسل والتعرف على متى تمثل سلسلة من الفوتونات، والمستلمة عند مستوى طاقة معين أو مستوى تقريبي للقدرة حزمة إرسال مرسلة بواسطة المرسل البصري، كما تم تطوير توزيع بواسون لجهاز الإرسال البصري، حيث يتم تطوير توزيع بواسون لواحد أو أكثر من مستويات قدرة الإرسال من خلال المرسل البصري، والذي يستخدم بعد ذلك لمطابقة حزم الإرسال المنبعثة من المرسل البصري.

• “RAM” هي اختصار لـ “Random access memory”.