الاتصالات البصرية في الفضاء الحر FSO

حاليا تُعد “FSO” قادرة على عدة جيجابت في الثانية من اتصالات البيانات والصوت والفيديو عبر الهواء، ممّا يسمح بالاتصال البصري دون الحاجة إلى كابل الألياف الضوئية أو تأمين تراخيص الطيف.

ما هي الاتصالات البصرية في الفضاء الحر FSO؟

الاتصالات البصرية في الفضاء الحر “FSO”: هي تقنية خط رؤية تستخدم الليزر لتوفير اتصالات النطاق الترددي البصري أو هي تقنية اتصال بصري تنشر الضوء في الفضاء الحر وتعني الهواء أو الفضاء الخارجي أو الفراغ أو شيء مشابه لنقل البيانات لاسلكياً للاتصالات السلكية واللاسلكية والكمبيوتر الشبكات.

• “FSO” هي اختصار لـ “Free Space Optics”.

أساسيات اتصالات FSO:

تعمل الروابط عادةً بين نطاقات الأطوال الموجية “780 نانومتر ” – “1600 نانومتر” وتستخدم محولات “O / E” و”E / O”، كما يتطلب “FSO” الضوء والذي يمكن التركيز عليه باستخدام الثنائيات الباعثة للضوء “LED” أو الليزر أي تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع، كما يُعد استخدام الليزر مفهوماً بسيطاً مشابهاً للإرسال البصري باستخدام كابلات الألياف الضوئية والاختلاف الوحيد هو وسائط النقل.

ينتقل الضوء عبر الهواء أسرع ممّا ينتقل عبر الزجاج لذلك من العدل تصنيف “FSO” على أنّها اتصالات بصرية بسرعة الضوء، كما يُعتبر اتصال “FSO” بديلاً لأنظمة اتصالات خط البصر “LOS” لوصلة الترحيل الراديوي، كما يمكن أن توفر اتصالات “FSO” معدلات بيانات عالية في نطاقات “Gbit / s” عبر الغلاف الجوي لنطاقات تتراوح من بضع مئات من الأمتار إلى بضعة كيلومترات، وتتضمن روابط “FSO” ما يلي:

• اتصال من رقاقة إلى شريحة.

• الأشعة تحت الحمراء الداخلية “IR” أو “VLC”.

• التواصل بين المباني.

• اتصالات الليزر في الفضاء الحر بما في ذلك المهام المحمولة جواً والمحمولة في الفضاء والبعثات الفضائية السحيقة

تتكون مكونات “FSO” من ثلاث مراحل، وهي جهاز إرسال لإرسال إشعاع ضوئي عبر الغلاف الجوي يخضع لقانون “Beer-Lamberts”، وقناة نقل فضائية حرة، حيث توجد الدوامات المضطربة أي سحابة ومطر ودخان وغازات وتغيرات درجة الحرارة وضباب، وجهاز الاستقبال لمعالجة الإشارة المستقبلة، كما تتراوح الوصلات النموذجية بين “300 متر” و”5 كيلومترات”، على الرغم من إمكانية نشر مسافات أطول مثل “8 كيلومتراً” – “11 كيلومتراً” اعتماداً على السرعة والتوافر المطلوب.

• “O / E” هي اختصار لـ “optical-to-electrical”.

• “E / O” هي اختصار لـ “electrical-to-optical”.

• “LED” هي اختصار لـ “Light Emitting Diode”.

• “LOS” هي اختصار لـ “Line of sight”.

• “IR” هي اختصار لـ “Infrared”.

• “VLC” هي اختصار لـ “Visible light communication”.

تطور عمل اتصالات FSO:

تُعد زيادة الطلب على نقل كمية كبيرة من البيانات وزيادة التطبيقات العسكرية من العوامل الرئيسية التي تدفع نمو سوق اتصالات البصريات في الفضاء الحر، ومن المتوقع أن يزداد الطلب على استخدام النطاق الترددي خلال فترة التنبؤ.

وتعد تقنية الاتصالات هذه طريقة مجدية للعديد من التطبيقات العسكرية، بما في ذلك الاتصالات من السفن إلى الشاطئ والشحن إلى السفن، ومن المتوقع أن تؤدي شبكات “3G” و”4G” المدمجة مع هذه التقنية والتكلفة المنخفضة المرتبطة بهذه التكنولوجيا إلى دفع نمو سوق اتصالات البصريات في الفضاء الحر.

تعتبر التطورات في مجال اتصالات بصريات الفضاء الحر ونمو الاقتصادات الناشئة من العوامل التي ستوفر فرص النمو، ويمكن التخفيف من آثار التوهين الجوي على إشارات “FSO” بمساعدة التطورات التكنولوجية وأحد الاتجاهات الرئيسية للسوق هو التطبيق المتزايد لاتصالات بصريات الفضاء الحر في صناعات المستخدم النهائي.

وعلى سبيل المثال تم تقديم نظام قائم على البصريات للفضاء الحر بمعدل بيانات “10 جيجابت / ثانية” بواسطة “MRV Communications” في عام 2008م، وفي عام 2013م نظام اتصالات لاسلكي والذي كان معدل بياناته “10 جيجابت / ثانية” ونطاق من تم إنتاج مسافة تصل إلى “2.5 كم” بواسطة “MOSTCOM”.

تطبيقات اتصالات FSO:

• الاتصالات وشبكات الكمبيوتر.

• روابط “LOS” من نقطة إلى نقطة.

• التثبيت المؤقت للشبكة للأحداث أو لأي غرض آخر مثل التعافي من الكوارث.

• للاتصالات بين المركبات الفضائية، بما في ذلك عناصر كوكبة الأقمار الصناعية.

• تطبيقات الأمن.

• التطبيق العسكري أي احتمال انبعاث كهرومغناطيسي منخفض عند نقل البيانات الحساسة للقوات الجوية.

• امتدادات شبكة المترو، ويمكن لشركات الاتصالات نشر “FSO” لتوسيع حلقات الألياف الموجودة في منطقة العاصمة ولتوصيل شبكات جديدة.

• اتصال المؤسسة، السهولة التي يمكن بها تثبيت روابط “FSO” تجعلها طبيعية لربط أجزاء شبكة المنطقة المحلية التي توجد في مبان مفصولة بشوارع عامة أو غيرها من ممتلكات حق الطريق.

• النسخ الاحتياطي للألياف، ويمكن أيضاً نشر “FSO” في روابط زائدة عن الحاجة إلى الألياف الاحتياطية بدلاً من ارتباط ليفي ثانٍ.

• “Backhaul” أي يمكن استخدام “FSO” لنقل حركة الهاتف الخلوي من أبراج الهوائيات إلى المرافق المتصلة بشبكة الهاتف العمومية المحولة.

• تسريع الخدمة، ويمكن أيضا ًاستخدام “FSO” لتقديم خدمة فورية لعملاء الألياف الضوئية أثناء وضع البنية التحتية للألياف الضوئية.

• الوصول إلى الميل الأخير، لا تتمتع أكثر من “95%” من المباني بإمكانية الوصول إلى البنية التحتية للألياف الضوئية بسبب تطوير أنظمة الاتصالات بعد المناطق الحضرية، وتبدو تقنية “FSO” حلاً واعداً لتوصيل المستخدمين النهائيين بمزودي الخدمة أو بالشبكات الموجودة الأخرى وعلاوةً على ذلك يوفر “FSO” اتصالاً عالي السرعة يصل إلى جيجابت في الثانية، وهو ما يتجاوز بكثير الأنظمة البديلة.

مزايا اتصالات FSO:

• مسافات طويلة تصل إلى “8 كم”.

• معدلات سرعة عالية لمعدلات البت، وقدرة النطاق الترددي العالي للألياف الضوئية من “2.5 جيجابت في الثانية” إلى “10 جيجابت في الثانية” التي تم تحقيقها من خلال مضاعفة تقسيم الطول الموجي “WDM” كما يمكن للأنظمة الحديثة التعامل مع ما يصل إلى “160 إشارة” وبالتالي يمكنها توسيع نظام أساسي بسرعة “10 جيجابت / ثانية” عبر زوج ألياف إشارة إلى أكثر من “1.6 تيرا بت / ثانية”.

• مناعة من التداخل الكهرومغناطيسي، ولا يمكن الكشف عن الأمان باستخدام مقياس التردد اللاسلكي أو محلل الطيف والحزم الضيقة جداً والاتجاهية.

• غير مرئية وآمنة للعين ولا توجد مخاطر صحية لذا يمكن لأي شيء أن يطير سالماً عبر شعاع.

• معدلات خطأ بت منخفضة “BER”.

• عدم وجود الفصوص الجانبية.

• نشر أنظمة “FSO” بسرعة وسهولة.

• لا توجد منطقة فرينل ضرورية.

• صيانة منخفضة أي عملي.

• انخفاض التكاليف مقارنة بشبكات الألياف أي تكاليف “FSO” منخفضة تصل إلى “1/5” من تكاليف شبكة الألياف.

• تشغيل بعيد المدى بدون ترخيص وعلى عكس الاتصالات اللاسلكية.

ملاحظة:“WDM” هي اختصار لـ “Wavelength Division Multiplexing” و”BER” هي اختصار لـ “Bit Error Rate”.

عيوب اتصالات FSO:

بالنسبة للتطبيقات الأرضية، فإنّ العوامل المحددة الرئيسية هي تشتت الحزمة وامتصاص الغلاف الجوي والمطر والضباب والثلج والتداخل من مصادر الضوء الخلفية بما في ذلك الشمس والتظليل وثبات التأشير في الرياح والتلوث.

الفرق بين FSO والألياف الضوئية والتقنيات الأخرى:

• البصريات هي دراسة سلوك وخصائص الضوء.

• يمكن أن تحمل الألياف الضوئية شعاع الليزر لمسافات طويلة.

• تم توجيه معظم الجهود الكبيرة التي بذلت مؤخراً لحفر الأرض ووضع ألياف جديدة نحو توسيع العمود الفقري للألياف الضوئية إلى مكاتب مركزية جديدة، وليس مد الألياف مباشرة إلى العميل.

• مثل الألياف تستخدم “FSO” أشعة الليزر لنقل البيانات، ولكن بدلاً من إحاطة تدفق البيانات في ألياف زجاجية يتم نقلها عبر الهواء.