ما هي قناة الفضاء الحر في الاتصالات البصرية

يُعد الاتصال البصري للفضاء الحر “FSO” أحد أوضاع الاتصال البصري، حيث يتم إنشاء قناة نقل البيانات عبر المساحة الحرة بدلاً من استخدام الألياف الضوئية التقليدية في الاتصالات الضوئية، كما يستخدم الإرسال المساحة الحرة مثل الهواء كوسيط وتضخيم ضوئي منخفض الطاقة عن طريق انبعاث إشعاع محفز “LASER” كمرسل وأشباه موصلات كمستقبل.

ما هي قناة الفضاء الحر في الاتصالات البصرية

قناة الفضاء الحر في الاتصالات البصرية “FSO”: هي قناة لنوع من الاتصالات الضوئية، حيث يتم إرسال الإشارة في مساحة خالية بدلاً من كابلات الألياف، ولهذا السبب تخضع الإشارة لأنواع مختلفة من الانحطاط الذي يؤثر على جودتها، كما يساعد توقع هذه العيوب في التشخيص التلقائي للنظام وبناء شبكات بصرية تكيفية.

• “FSO” هي اختصار لـ “Free-space optical”.

أساسيات قناة الفضاء الحر في الاتصالات البصرية

تمت تغطية استخدام التعلم الآلي للتنبؤ بضعف الإشارة في الشبكات الضوئية على نطاق واسع خلال السنوات القليلة الماضية، ومع ذلك بالنسبة إلى روابط “FSO” لا يزال العمل في مهدهـ كما تم أخذ التنبؤ بثلاث معلمات للقنوات في روابط “FSO” تتعلق بضوضاء الانبعاث التلقائي المتضخم “ASE” والاضطراب وأخطاء التوجيه، كما إنّه الأول الذي يأخذ في الاعتبار التنبؤ بمعلمات قناة “FSO” تحت تأثير أكثر من ضعف واحد.

كما تم القيام بالإبلاغ عن أداء التنبؤ بمعلمات “FSO” باستخدام مخطط السعة غير المتزامن “AAH” وميزات الرسم البياني لأخذ عينات التأخير غير المتزامن “ADTS”، حيث تظهر النتائج أنّ ميزات الرسم البياني “ADTS” توفر دقة تنبؤ أفضل، وتم مقارنة أداء رجس آلة متجه الدعم “SVM” وشبكة الانحدار التلافيفي للشبكة العصبية “CNN” باستخدام ميزات الرسم البياني “ADTS”، وتظهر النتائج أن رجوع “CNN” يتفوق على أداء الانحدار “SVM” في بعض الحالات بينما في حالات أخرى لديهم أداء مشابه.

كما تم التحقيق في قدرة برنامج تراجع “CNN” على التنبؤ بمعلمات القناة لإرسالات مختلفة وأظهرت النتائج أنّ معامل الارتداد “CNN” لديه أداء جيد للتنبؤ بمعامل “OSNR”، وبغض النظر عن قيمة سرعة الإرسال ومع ذلك بالنسبة للاضطراب وأخطاء التوجيه، يكون التنبؤ في ظل النقل بسرعة منخفضة أكثر دقة من النقل عالي السرعة.

• “CNN” هي اختصار لـ “Cable News Network”.

• “OSNR” هي اختصار لـ “Optical Signal to Noise Ratio”.

• “ADTS” هي اختصار لـ “asynchronous delay samples”.

• “SVM” هي اختصار لـ “support vector machine”.

• “ASE” هي اختصار لـ “Amplified automatic emission”.

• “AAH” هي اختصار لـ “asynchronous amplitude”.

الفرق بين قناة اتصالات الألياف الضوئية وقناة اتصالات الفضاء الحر

نظرًا لاختلاف القنوات في اتصالات الألياف الضوئية “OFC” واتصالات “FSO”، فإنّ الخسائر والضوضاء تختلف أيضاً في كلتا الحالتين، كما تعتمد جودة نقل الإشارات الضوئية عبر اللاسلكي على خصائص الغلاف الجوي، مثل المطر والرياح وتساقط الثلوج والضباب ودرجة الحرارة وضوء الشمس والضوء من المصادر الأخرى والاضطراب.

والهدف هو نمذجة القناة للإشارات الضوئية عبر الهواء من خلال النظر في جميع الخسائر والضوضاء فوق الوسط، والضوضاء في جهاز الاستقبال على سبيل المثال وضوضاء التسديد والضوضاء الحرارية ويتم تحليلها باستخدام مفتاح التشغيل والإيقاف وطريقة الكشف المباشر، وقد أظهرت التأثيرات على إشارة الناتج الكهربائية.

يتم الحصول على معدل خطأ البتات “BER” مقابل المسافة مع مراعاة الضوضاء والخسائر عبر القناة وعند المستقبل، كما تتم محاكاة نظام “FSO” كامل عن طريق الجمع بين خسائر القناة والضوضاء عند المستقبِل، ويتم النظر في قدرة المعلومات الكلاسيكية المطلقة للاتصالات الضوئية ذات الوضع المكاني المتعدد والنطاق العريض في الفراغ بين تلاميذ الإرسال والاستقبال ذات الفتحة الناعمة، ويظهر أنّ السعة النهائية تتحقق من خلال ترميز الحالة المتماسكة والقياسات المشتركة عبر كلمات الشفرة بأكملها.

كما تتم مقارنة هذه السعة بالقدرات المحققة بنفس التشفير والكشف عن التجانس أو التغاير وهي قياسات تستخدم قناة واحدة، كما تُستخدم قيم الإشعاع الطيفي للخلفية الواقعية للحصول على حدود ضيقة على قدرة اتصالات الفضاء الحر ذات الوضع الفردي المكاني، والنطاق الضيق “1.55 ميكرومتر” في وجود ضوء الخلفية.

• “BER” هي اختصار لـ “bit error rate”.

• “OFC” هي اختصار لـ “Optical Fiber Communication”.

تطور قناة الفضاء الحر في الاتصالات البصرية

تعد تقنية الاتصال البصري للفضاء الحر حلاً محتملاً لمشكلة الوصول إلى النطاق العريض أو الميل الأخير كما يتم الاتصال البصري في الفضاء الحر التقليدي “FSO” عبر رابط واحد بين عقدتين، ويستكشف نظام اتصالات “FSO” متعدد القنوات باستخدام هوائيات ثنائية الأبعاد مدمجة وبحد أقصى قدم مربع مع روابط اتصال متعددة، وفيما بينها لتحقيق عرض نطاق ترددي إجمالي مرتفع للغاية “100 جيجابت في الثانية”.

ولكن يؤدي التغليف المحكم للقنوات الضوئية على المصفوفات إلى حدوث تداخل بين القنوات، ممّا يقلل من سعة كل قناة، كما يتم نمذجة الخطأ بسبب التداخل بين القنوات لمثل هذه الصفائف ونقدر سعة القناة، ومعالجة مشكلة التداخل متعدد القنوات من خلال تصميم المصفوفة ومن خلال استخدام الرموز المتعامدة الضوئية “OOCs” للاتصالات الضوئية في الفضاء الحر، وإظهار أنّه يمكن تحقيق عروض نطاق ترددي متعددة جيجابت في الثانية باستخدام مثل هذه المصفوفات.

يمكن أن تكون التطبيقات الممكنة لأنظمة “FSO” متعددة القنوات في شبكات الوصول إلى النطاق العريض متعدد القفزات أو الشبكات المعشقة وفي النقل الخلفي وربط المحطات الأساسية اللاسلكية، وأظهر الاتصال البصري في الفضاء الحر “FSO” القدرة على توفير طريقة لإنشاء روابط ذات نطاق ترددي عالٍ لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الاتصالات بين الأقمار الصناعية والإنترنت المحمولة جواً والاتصالات تحت الماء، والبناء الداخلي والاتصال الداخلي في المناطق الحضرية.

وبالإضافة إلى مزايا عرض النطاق الترددي يوفر اتصال “FSO” أيضاً مزايا في الأمان والاتصال بدون ترخيص والتوافق مع أنظمة الشبكات الخلوية وشبكات التردد الراديوي الأخرى “RF” الحالية، ولتصميم ونشر نظام “FSO” بكفاءة من الضروري تحديد خصائص قناة الوصلة وبالتالي تحليل سعة إرسال الوصلة لأي سيناريو معين.

وعلاوةً على ذلك لا يمكن استغلال طرق التشكيل الحالية المستخدمة في الوصلات “RF” في أنظمة “FSO” دون التكيف مع الاحتياجات والقيود الفريدة للأنظمة البصرية، كما تمثل الاتصالات الضوئية أو اللاسلكية الضوئية في الفضاء الحر تقنية جذابة لتحقيق الاتصالات اللاسلكية ذات النطاق الترددي العالي.

ومع ذلك بالنسبة للانتشار عبر الغلاف الجوي تختلف خصائص الإشارة الضوئية عن تلك الخاصة بالإشارات وعلى سبيل المثال القنوات الليفية أو القنوات اللاسلكية ذات التردد الراديوي، وبالتالي فإنّ خصائص الخطأ على هذه الوصلات مختلفة أيضاً، ولتقييم تقنيات تخفيف الخبو للاتصالات اللاسلكية الضوئية هناك حاجة إلى نموذج قناة يمكن استخدامه بسهولة من قبل مصممي البروتوكول.

تعتمد نماذج القنوات الحالية للاتصالات اللاسلكية الضوئية على نظرية الانتشار الجوي وبالتالي تتطلب فهماً فيزيائياً عميقاً للانتشار البصري عبر الغلاف الجوي، والهدف هو تطوير نهج مبسط لنمذجة ديناميات الطاقة المستقبلة للقناة الضوئية في الفضاء الحر في الغلاف الجوي، كما يتكون النموذج المقترح من مولد أرقام عشوائي ومرشح تمرير منخفض وبالتالي فهو سهل التنفيذ والاستخدام.

وهذا النهج صالح فقط للأنظمة التي تستخدم تعديل الكثافة مع الكشف المباشر ولكن هذا القيد مقبول لأنّ معظم الأنظمة المتاحة تجارياً تستخدم تنسيق التعديل هذا، وتم تطوير نموذج القناة بناءً على إحصائيات قياسات القدرة المستقبلة من وصلة متنقلة بحرية ووصلة أرضية متنقلة ووصلة هابطة ساتلية.

• “OOCs” هي اختصار لـ “orthogonal optical symbols”.

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