نظام ترميز البيانات المعتمد على الطاقة في الاتصالات البصرية

يتم تكوين نظام لنقل البيانات عبر مسار اتصال بصري لاستقبال البيانات المراد تشفيرها في تدفق بتات لإرسالها باستخدام مسار اتصال ضوئي وتشفير البيانات المستلمة للحصول على تدفق بتات، كما يتم تكوين النظام بشكل إضافي لتحديد أن 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 نظام ترميز البيانات المعتمد على الطاقة في 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، وكما يستخدم الاتصال البصري الضوء للتواصل بين جهاز إرسال بصري وجهاز استقبال بصري وعلى سبيل المثال جهاز كشف ضوئي، بحيث يستخدم الاتصال البصري بشكل أساسي في الاتصالات السلكية واللاسلكية 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 لتشفير حركة مرور الشبكة الضوئية، ومن خلال استخدام مخططات تشفير بصرية مختلفة يمكن تحسين مسار الاتصال البصري لحمل حركة مرور إضافية للشبكة الضوئية دون الحاجة إلى تغيير مسار الاتصال البصري فعلياً.

لمعالجة هذه المشاكل وغيرها التي تنشأ في مجال الاتصالات الضوئية يتم توفير العديد من مخططات التشفير البصري التي تستفيد من ناتج طاقة النقل لتشفير واحد أو أكثر من الأحرف الثنائية،كما يمكن تعيين خرج قدرة الإرسال الأولي إلى حرف ثنائي معين، ويمكن تعيين مثيلات متكررة للحرف الثنائي المعين لمخرجات طاقة إرسال أعلى.

كما يمكن استخدام مخططات تقسيم مختلفة لتقسيم سلسلة من الأحرف الثنائية بكفاءة إلى حزمة إرسال واحدة أو أكثر بحيث يتم تقليل حزم الإرسال هذه خلال فترة زمنية محددة مسبقاً، وتوفر أنظمة وطرق للضغط البصري لتيار البتات المشفر بناءً على ناتج الطاقة لمصدر الضوء وتنشيط مصدر الضوء بشكل انتقائي لنقل تدفق البتات المضغوط، ويوفر أنظمة وطرق للكشف البصري عن إرسال تدفق البتات المضغوط وإلغاء ضغط تدفق البتات المضغوط للحصول على تدفق البتات المشفر.

مبدأ عمل نظام ترميز البيانات المعتمد على الطاقة في الاتصالات البصرية

تحصل الأنظمة على تدفق البتات المشفر عن طريق تشفير البيانات ليتم إرسالها بصرياً باستخدام تقنية تشفير المصدر مثل تشفير (Huffman) أو تشفير (Lempel-Ziv) أو تشفير (Shannon-Fano)، أو أي تقنية أخرى لتشفير المصدر أو توليفات منها ويتم حذف أو تجاوز تشفير المصدر على البيانات التي سيتم إرسالها، ويمكن بعد ذلك إجراء تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) على تدفق البتات المشفر للحفاظ على المعلومات التي قد تُفقد أثناء الإرسال.

تتضمن تقنيات تشفير تصحيح الأخطاء التي يمكن تطبيقها على تدفق البتات المشفر شفرات هامنج وشفرات ريد سولومون وتقنيات تشفير تصحيح الأخطاء الأخرى، نتيجة (FEC) الذي يتم إجراؤه على تدفق البتات المشفر هو تدفق البتات المشفر جنباً إلى جنب مع البتات الزائدة عن الحاجة لاستعادة واحدة أو أكثر من بتات تدفق البتات المشفر.

يتم بعد ذلك تنفيذ خوارزمية تشكيل الطاقة أو الضغط المستند إلى الطاقة على تدفق البتات المشفر بما في ذلك جزء البيانات من تدفق البتات المشفر والبتات الزائدة، والتي تمت إضافتها إلى تدفق البتات المشفر بواسطة تشفير تصحيح الخطأ، كما يمكن إجراء واحد أو أكثر من خوارزميات تشكيل الطاقة أو خوارزميات الضغط القائمة على الطاقة على تدفق البتات المشفر؛ لزيادة معدل نقل البيانات دون تغييرات مادية في مسار الاتصال البصري الذي يتم فيه إرسال تدفق البتات المشفر.

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

تطور عمل نظام ترميز البيانات المعتمد على الطاقة في الاتصالات البصرية

تقوم خوارزمية ضغط تعتمد على الطاقة بتعيين حرف ثنائي من تدفق بتات مشفر إلى طاقة ناتج لمصدر ضوء ينقل تدفق البتات المشفر عبر مسار الاتصال البصري، وبعد ذلك تبحث خوارزمية الضغط المعتمد على الطاقة عن مثيلات متكررة للحرف الثنائي في تدفق البتات المشفر، وتستبدل المثيلات المتكررة بمثيل واحد من الحرف الثنائي، ومع ذلك تم تعيين الحرف الثنائي البديل ليتم إرساله بمستوى طاقة متزايد يحل محل الأحرف الثنائية الفردية التي 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 من خلال 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 حزمة 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 المشفر على شكل قدرة بموجة حاملة محددة مسبقاً، وتحويل الإشارة المشكلة إلى تردد مناسب للإرسال عبر مسار الاتصال البصري.

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

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

قد يشتمل جهاز الحوسبة على هاتف محمول أو كمبيوتر مكتبي أو كمبيوتر محمول أو مساعد رقمي محمول (PDA) أو هاتف ذكي أو جهاز لوحي، أو كتاب ألترا أو كمبيوتر محمول أو كمبيوتر محمول أو نظام متعدد المعالجات أو قائم على المعالجات الدقيقة أو جهاز إلكتروني استهلاكي قابل للبرمجة، أو أي جهاز اتصال آخر قد يستخدمه المستخدم لأداء مهام الحوسبة المختلفة وعلى سبيل المثال الوصول إلى الإنترنت، وإجراء مكالمة هاتفية وإجراء مؤتمر عبر الفيديو.

قد يشتمل جهاز الحوسبة على وحدة عرض لعرض المعلومات وعلى سبيل المثال في شكل واجهات مستخدم، وكما قد يشتمل جهاز الحوسبة على واحدة أو أكثر من شاشات اللمس ومقاييس التسارع والجيروسكوبات والكاميرات والميكروفونات وأجهزة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

• “PDA” هي اختصار لـ “Personal Digital Assistant”.

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

• “GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.