نظام الراديو عبر الألياف RoF

في السنوات الأخيرة تم تكريس اهتمام كبير لدمج تقنيات الراديو عبر الألياف “RoF” مع توزيع إشارة نطاق الموجات المليمترية، كما يتمتع هذا النوع من الأنظمة بإمكانيات كبيرة لدعم وصول المركبات أو المحمول أو اللاسلكي الآمن والفعال، من حيث التكلفة وعالي السعة من أجل التزويد المستقبلي لخدمات النطاق العريض والتفاعلية والوسائط المتعددة عبر الوسائط اللاسلكية.

ما هي نظام الراديو عبر الألياف RoF

نظام الراديو عبر الألياف “RoF”: هي التقنية التي يتم من خلالها تعديل الإشارة الضوئية بواسطة إشارة الراديو، ويتم إرسال هذه الإشارة المعدلة عبر ارتباط بصري لتوسيع الوصول اللاسلكي وتم التخطيط لنظام “RoF” من أجل الأداء المتقدم لنظام الراديو ذي النطاق الترددي العالي للاتصالات المتنقلة.

تتمتع هذه الأنظمة بالعديد من المزايا بما في ذلك التوهين المنخفض مقارنة بالكابل المحوري، كما تتمتع أنظمة “RoF” بنطاق ترددي أعلى ومناعة ضد تداخل التردد اللاسلكي.

• “RoF” هي اختصار لـ “Radio over fiber”.

أساسيات نظام الراديو عبر الألياف RoF

الاتجاهات الحالية في الشبكات الخلوية هي:

• تقليل حجم الخلية لاستيعاب المزيد من المستخدمين.

• التشغيل في نطاقات تردد الموجات الميكروية أو المليمترية أي موجة مم و”26 جيجاهرتز” – “100 جيجاهرتز”؛ لتجنب الازدحام الطيفي في نطاقات التردد المنخفضة “2.4 جيجاهرتز” أو “5 جيجاهرتز”.

• تقلل خسائر انتشار التردد الراديوي الأكبر في نطاقات الموجات مم من حجم الخلية التي تغطيها محطة قاعدة واحدة “BS”، وتسمح بزيادة عامل إعادة استخدام التردد لتحسين كفاءة استخدام الطيف.

ومن ناحية أخرى يتطلب هذا النوع من الشبكات عدداً كبيراً من “BS” لتغطية منطقة خدمة وتعتبر “BSs” الفعالة من حيث التكلفة هي مفتاح النجاح في السوق، وبالتالي يجب تصميم “BSs” مستقرة وفعالة من حيث التكلفة بهندسة بسيطة وفعالة، وهناك ثلاث تقنيات ممكنة لنقل الإشارات اللاسلكية ذات الموجة الملليمترية عبر الألياف الضوئية:

• الترددات الراديوية فوق الألياف.

• التردد المتوسط ​​”IF” فوق الألياف.

• النطاق الأساسي فوق الألياف.

ومن بين المخططات فإن مخطط النقل عبر الألياف “RF” لديه القدرة على تبسيط تصميم “BS”، ومع ذلك فإنّ أحد عيوبها الرئيسية هو الحاجة إلى مكونات بصرية عالية السرعة وتقنيات تعديل وكشف، وأدى هذا المطلب إلى تطوير معماريات النظام، حيث يتم تنفيذ وظائف مثل توجيه أو معالجة الإشارة والتسليم وتوزيع التردد في محطة مركزية “CS”، بدلاً من المحطة القاعدة.

ملاحظة:“BS” هي اختصار لـ “Base Station”.

ملاحظة:“CS” هي اختصار لـ “central station”.

ملاحظة:“IF” هي اختصار لـ ” Intermediate Frequency”.

مبدأ عمل نظام الراديو عبر الألياف RoF

يمكن لشبكات الجيل الخامس المستقبلية تعزيز سعتها اللاسلكية وسرعتها من خلال استخدام موجات ملليمتر عالية التردد بفاعلية، والراديو فوق الألياف “RoF” هو تقنية واعدة لتقديم موجات ملليمتر عبر الألياف الضوئية لأنّها تدمج مجال الراديو مع المجال اللاسلكي، واستخدمت الدراسة مخطط عدم العودة إلى الصفر الفعال من حيث التكلفة لتشفير البيانات بسرعة “10 جيجابت في الثانية” – “60 جيجاهرتز” ومخطط تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي لإرسال أربع قنوات عبر وصلة ألياف بصرية بطول “60 كم”.

نظراً لسعته الكبيرة واستهلاكه المنخفض للطاقة يلعب نظام القطار عالي السرعة “HST” دوراً مهماً للغاية في النقل الجماعي، كما تم نشر أنظمة اتصالات مختلفة لـ “HST” بشكل أساسي للتحكم في القطار ولأغراض السلامة، ويتطلب تزايد الطلب على الاتصالات اللاسلكية ذات النطاق العريض للركاب في القطار تقنية جديدة لنقل البيانات مناسبة لبيئة المستخدم عالية السرعة والكثيفة، كما تم تقديم أنظمة الهوائيات الموزعة “DASs” مع مزيج من الاتصالات ذات النطاق الواسع المليمتر وتكنولوجيا الراديو عبر الألياف (RoF).

يمكن لنظام الاتصالات أن يتجنب بشكل أساسي انخفاض معدل الإرسال بسبب التسليم باستخدام بنية توزيع الإشارة القائمة على “RoF”، ونظراً لأنّ قطاع الاتصالات الراديوية قد خصص نطاقات تردد واسعة النطاق “92.0 جيجاهرتز” – “94.0 جيجاهرتز” و”94.1 جيجاهرتز” – “100.0 جيجاهرتز”، و”102 جيجاهرتز” – “109.5 جيجاهرتز” للنظام المتنقل وخسارة انتشار منخفضة نسبياً لنطاقات التردد، ومعدل نقل بيانات مرتفع يزيد عن “1 جيجابت / ثانية” لكل قطار وتكلفة يمكن تحقيق نظام فعال.

تشمل التحديات التقنية في توفير أنظمة الاتصالات القائمة على “DAS” لـ “HSTs” هندسة النظام وتصميم نظام “RF” وقضية انتشار تردد النطاق W في بيئة السكك الحديدية، كما تم التحقيق في دراسات الانتشار في بيئة السكك الحديدية المحددة مثل الأنفاق والقطع والجسور، وتعتبر الموجة الحاملة الوحيدة ذات النطاق العريض و”OFDM” والموجة الحاملة الوحيدة القناة الفرعية مرشحة للنظام.

• “HST” هي اختصار لـ “High Speed ​​​​Train”.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency division multiplexing”.

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

• “DAS” هي اختصار لـ “Distributed Antenna System”.

تطور نظام الراديو عبر الألياف RoF

تدخل الاتصالات اللاسلكية المتنقلة في عصر تقنية “5G” بسرعة كبيرة، ويرجع هذا الطلب المتزايد على الاتصالات اللاسلكية بشكل أساسي إلى سهولة التركيب، والصيانة مقارنة بتقنيات الشبكات السلكية الأخرى، لذلك فإنّ الطلب المتزايد بسرعة على الاتصالات المتنقلة ذات النطاق العريض وعالي السرعة يتطلب شبكة عالية السرعة، وتلبي جميع متطلبات الخدمات اللاسلكية ذات النطاق العريض المتزايدة.

والحل الوحيد الواعد للاتصالات المتنقلة اللاسلكية عالية السرعة في المستقبل هو إرسال إشارات التردد اللاسلكي “RF” على الألياف الضوئية، كما ينتج عن هذا شبكة عالية السرعة تسمى شبكة الراديو عبر الألياف “RoF” والتي هي في الأساس مزيج من الشبكة السلكية والخدمات اللاسلكية، زالتي يتم فيها إرسال إشارة التردد اللاسلكي عبر الألياف الضوئية عن طريق تعديل الضوء بإشارة التردد اللاسلكي التي تحتوي على المعلومات المطلوبة.

أصبحت تقنية “ROF” العمود الفقري لشبكة “5G” اللاسلكية ذات النطاق العريض في المستقبل، أمّا بالنسبة لبنية “ROF” يُعد تحسين أداء ارتباط “ROF” من أكثر الميزات تحدياً، كما يتزايد الطلب على نقل البيانات بشكل مكلف لتطبيقات بيانات أجهزة الاستشعار الطبية الحيوية وتقنيات الوسائط المتعددة وتدفق الفيديو عبر الإنترنت عالي الدقة.

تتطلب مثل هذه التطبيقات نطاقاً ترددياً أكبر مع أدنى حد من زمن الانتقال وتقديم خدمة سلسة، كما يعتبر الراديو فوق الألياف “RoF” المدمج مع تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي “WDM” إحدى التقنيات الواعدة، ومع ذلك فإنّ تكامل الألياف الضوئية والاتصال اللاسلكي يولد أيضاً تأثيرات غير خطية عندما يزداد عدد المستخدمين، وينتج عن ذلك إدخال ضوضاء الإشارة والترددات غير المرغوب فيها وانخفاض جودة الإشارات وزيادة زمن الوصول.

كما تمت محاكاة وتقييم نظام “RoF” ذي “16 قناة” بمعدل “160 جيجابت في الثانية” المستند إلى “WDM” للأداء الأمثل عند مستوى طاقة إدخال متغير، من “5 ديسيبل ميلي واط” إلى “-15 ديسيبل ميلي واط “، ومع تطبيق ألياف تعويض التشتت “DCF” ومقضب الألياف الزجاجية “FBG” مع تباعد قناة “50 جبجاهرتز” و”100 جيجاهرتز”.

يتم تقييم أداء النظام باستخدام نظام “WDM-RoF” الحالي، ومعلمات مقاييس الأداء المختارة للتقييم هي معدل خطأ البت “BER”، وعامل الجودة “Q-factor” ومخططات العين والمحاكاة على محاكي النظام البصري، وقد لوحظ الأداء الأمثل عند مستوى قدرة “5 ديسيبل” لكل معلمات التقييم الظاهرة وقد لوحظ أيضاً أنّه بالنسبة لتباعد القنوات البالغ “100 جيجاهرتز” كان أداء الشبكة أفضل مقارنةً بـ “50 جيجاهرتز”.

• “WDM” هي اختصار لـ “Wavelength Division Multiplexing”.

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

• “FBG” هي اختصار لـ “fiber Bragg grating”.

• “DCF” هي اختصار لـ “dispersion compensation fibers”.