نظام تعدد الإرسال المتعامد بتقسيم التردد البصري المتماسك CO-OFDM

يُعد “OFDM” هو اختصاراً لتعدد الإرسال المتعامد بتقسيم التردد، وهو وسيلة لتشفير البيانات على ترددات حاملة متعددة.

ما هو نظام تعدد الإرسال المتعامد بتقسيم التردد البصري المتماسك CO-OFDM؟

نظام تعدد الإرسال المتعامد بتقسيم التردد البصري المتماسك “CO-OFDM”: هو بيانات “OFDM” التي يتم تشكيلها على تردد الضوء ويتم اكتشافها بطريقة متماسكة، وعلى الرغم من توحيد “OFDM” في الاتصالات اللاسلكية على سبيل المثال “IEEE 802.11” لفترة طويلة وتم اقتراحها في حوالي عام 2008م وهو مفهوم جديد نسبياً لنقل الألياف الضوئية.

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

• “CO-OFDM” هي اختصار لـ “coherent optical Orthogonal frequency-division multiplexing”.

ميزات نظام CO-OFDM:

يجمع تنسيق التعديل الجديد هذا بين تقنيتين قويتين في الاتصالات الضوئية والكشف المتماسك و”OFDM”، كما يحمل تنسيق التعديل قدرة على تقديم كفاءة طيفية كهربائية وبصرية عالية وحساسية المستقبل ومرونة التشتت البصري، وعلى هذا النحو ظهر “CO-OFDM” كواحد من الأساليب المعتمدة لنقل إيثرنت بسرعة “100 جيجابت / ثانية” و”1 تيرابايت / ثانية”.

أولاً: كفاءة طيفية عالية:

على عكس تعديل الموجة الحاملة الفردية التقليدية الذي له طيف واسع ومتسرب وعلى سبيل المثال شكل جيب التمام المرتفع مع عامل زائد معين، فإنّ طيف تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد هو مستطيل، وتقريباً كل الطاقة محصورة داخل الطيف المستطيل ولا يترك سوى القليل في الخارج، وهذا يعني أنّ الطيف المشغول أضيق بكثير مقارنة بتشكيل الموجة الحاملة الفردية التقليدية، كما يمكن تحقيق كفاءة طيفية عالية.

ثانياً: مرونة في الإضافة أو الإسقاط:

يوفر “CO-OFDM” مرونة جيدة لإضافة وإسقاط الإشارة الضوئية، كما يوفر التعامد والطيف المستطيل الكثير من الراحة والإضافة أو الإسقاط المرن أحدهما، كما يمكن دمج الإشارات مع نطاق واقي ضيق وسيكون واحداً أو اثنين جيجاهرتز كافيين، ويمكن إسقاط كل منها بكفاءة باستخدام المرشحات المناسبة.

عيوب نظام CO-OFDM:

• تحتوي إشارات “OFDM” على نسبة ذروة إلى متوسط ​​قدرة عالية “PAPR”.

• تتطلب عادةً مكونات ترددات راديوية أفضل مثل مكبرات الصوت في جانب مرسل الإشارة.

• يكون “CO-OFDM” أيضاً عرضة لضوضاء طور الليزر، نظراً لأنّ الرمز طويل نسبياً وهو إشارة مجال تردد.

ملاحظة:“PAPR” هي اختصار لـ “peak average power ratio”.

أساسيات نظام CO-OFDM:

تم اقتراح “OFDM” البصري المتماسك “CO-OFDM” مؤخراً وأظهرت تجارب إرسال إثبات المفهوم قوتها الشديدة ضد التشتت اللوني وتشتت أسلوب الاستقطاب، حيث يتم تمثيل نموذج القناة الخاص به في تمثيل “2 × 2 MIMO-OFDM“، كما تتوفر أيضاً خيارات تصميم مختلفة لأنظمة “CO-OFDM” وتقوم بإجراء التحليل اللاخطي لمحول الترددات الراديوية إلى البصرية.

كما يتم معالجة الإشارات الرقمية المستندة إلى المستقبِل للتخفيف من تعديل الطور الذاتي “SPM” وضوضاء طور “Gordon-Mollenauer” وهو ما يعادل اقتران المرحلة المتوسطة المدى، كما تم وضع مخطط بسيط ومنخفض التكلفة لتقليل التشوهات في نظام تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد البصري “CO-OFDM”.

يمكن اعتبار إجمالي ضوضاء القناة اللاسلكية والتشوهات في المستقبل بمثابة نموذج ضوضاء غاوسي أبيض مضاف، ويمكن تقليل جميع التشوهات باستخدام معادلات تقدير تسلسل الاحتمالية القصوى “MLSE”، كما يتم تحليل أداء “CO-OFDM” لأطوال مختلفة من الألياف وقوى الليزر وتظهر النتائج أنّ النظام المعادل لـ “MLSE” يمكن أن يتفوق مع عامل “Q” أعلى من “8 ديسيبل” من نظام “CO-OFDM” التقليدي.

يُعتبر تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد البصري المتماسك “CO-OFDM” حلاً رئيسياً لأنظمة اتصالات الألياف الضوئية طويلة المدى بفضل كفاءتها الطيفية العالية وقوتها ضد التشتت اللوني، وتم وضع بحوث في “CO-OFDM” استناداً إلى مفتاح إزاحة الطور التربيعي “QPSK OFDM” و”16QAM OFDM” على مدى “500 كيلومتر” من وصلات الألياف غير المعوّضة، وتظهر نتائج المحاكاة أنّ النظام هو حل واعد لتلبية متطلبات معدل البيانات الإجمالية بشكل فعال من حيث التكلفة في أنظمة الاتصالات الضوئية عالية السرعة في المستقبل.

• “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input/Multiple Output”.

• “QAM” هي اختصار لـ “quadrature-amplitude-modulation”.

• “QPSK” هي اختصار لـ “quadrature phase shift keying”.

• “MLSE” هي اختصار لـ “Maximum likelihood sequence estimation”.

• “SPM” هي اختصار لـ “Self Phase Modulation”.

آلية عمل نظام CO-OFDM:

تتضمن الطريقة إحداث تداخل بين إشارة “OFDM” بصرية مستلمة وحامل بصري مستخرج من إشارة “OFDM” الضوئية المستقبلة لتوفير كشف متماسك بصري لإشارة “OFDM” البصرية المستقبلة، وعلى نحو مفضل يشمل إنتاج التداخل التقسيم البصري لإشارة “OFDM” الضوئية المستقبلة إلى جزء أول يتم ترشيحه لاستخراج الموجة الحاملة من إشارة “OFDM” الضوئية المستقبلة وجزء ثانٍ مشابه للإشارة البصرية “OFDM” المستقبلة.

تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد “OFDM” هو مخطط تعديل رقمي شائع في الاتصالات اللاسلكية للترددات الراديوية “RF”، ومن حيث المبدأ يستخدم تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد “OFDM” موجات حاملة فرعية متعامدة متقاربة ومتقاربة، ويتم تشكيل كل موجة حاملة فرعية بمعدل رمز منخفض نسبياً.

من الناحية العملية يتم تنفيذ “OFDM” باستخدام خوارزميات تحويل فورييه السريع “FFT”، كما يتم تعزيز تقنيات معالجة الإشارات لتحسين أداء نظام “OFDM”، وثبت أنّ تعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد “OFDM” يتمتع بقدرة قوية على التعامل مع ظروف القناة القاسية، مثل قنوات التردد الراديوي ذات تأثير الخبو الكبير متعدد المسارات ولها كفاءة طيفية عالية.

تم تطبيق “OFDM” في أنظمة “WiMAX” والشبكات المحلية اللاسلكية و”ADSL” والراديو الرقمي وأنظمة بث الفيديو وتم اختياره كتقنية مرشحة في معايير “4G” اللاسلكية، وفي الآونة الأخيرة استعمل “OFDM” عبر نقل الألياف الضوئية الكثير من الاهتمام، ولقد ثبت أنّ أنظمة “OFDM” الضوئية تتمتع بقدرة فائقة على تحمل الألياف الضوئية “CD” و”PMD”.

وبالمقارنة مع “OFDM” البصري غير المتماسك يمكن أن يكون لـ “OFDM” البصري المتماسك حساسية أعلى للمستقبل وأداء إرسال أفضل، ومع ذلك تأخذ مستقبلات “OFDM” الضوئية المتماسكة العديد من المشكلات التي تواجه نظام اتصال بصري تقليدي متماسك، بما في ذلك الحاجة إلى مذبذب بصري محلي إضافي أي ليزر وضوضاء الطور وانحراف التردد لليزر المحلي ودورات الاستقطاب العشوائية للوارد إشارات.

وعلى الرغم من أنّ بعض خوارزميات معالجة الإشارات قد تم اقتراحها وإثباتها للتخفيف بشكل فعال من ضوضاء الطور وقضايا دوران الاستقطاب في المجال الكهربائي، فإنّ طلبها على معالجة الإشارات عالية السرعة وقوة الحساب يصبح مرتفعاً بشكل متزايد ويجعل من الصعب للغاية تنفيذ نظام في الوقت الحقيقي عند السرعة القصوى.

وأيضاً يعتمد أداء نظام إرسال إشارة “OFDM” الضوئية عبر الألياف اعتماداً كبيراً على معالجة الإشارات الرقمية المعقدة “DSP“، حيث عندما يتجاوز معدل بتات النظام “40 جيجابت / ثانية” فإنّ سرعة معالجة “DSP” الحالية وقوة الحساب تتخلف كثيراً عمّا يتطلبه نظام “OFDM” البصري، لذلك من المهم تصميم معماريات جديدة لأنظمة “OFDM” البصرية وتبسيط النظام وتقليل المتطلبات على دارات “DSP”.

تتضمن الطريقة إحداث تداخل بين إشارة “OFDM” بصرية مستلمة وحامل بصري مستخرج من إشارة “OFDM” البصرية المستقبلة لتوفير كشف متماسك بصري لإشارة “OFDM” البصرية المستقبلة، وعلى نحو مفضل يشمل إنتاج التداخل التقسيم البصري لإشارة “OFDM” الضوئية المستقبلة إلى جزء أول يتم ترشيحه؛ لاستخراج الموجة الحاملة من إشارة “OFDM” الضوئية المستقبلة وجزء ثانٍ مشابه للإشارة البصرية “OFDM” المستقبلة.

• “RF” هي اختصار لـ “radio frequency” و”FFT” هي اختصار لـ “fast Fourier transform”.

• “ADSL” هي اختصار لـ “Asymmetric Digital Subscriber Line” و”DSP” هي اختصار لـ “Digital Signal Processing”.

• “WiMAX” هي اختصار لـ “Worldwide Interoperability for Microwave Access” و”PMD” هي اختصار لـ “Polarization Mode Dispersion”.