نظرة عامة على أنظمة الاتصالات بالضوء المرئي - الأساسيات، التحديات والتطبيقات

1. المقدمة

تمثل الاتصالات بالضوء المرئي (VLC) نقلة نوعية في مجال الاتصالات اللاسلكية، حيث تستفيد من الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) لغرض مزدوج: الإضاءة ونقل البيانات. تعالج هذه التقنية عنق الزجاجة الحرج في الاتصال "للمتر الأخير" من خلال استخدام نطاق ترددي غير منظم يبلغ 200 تيراهيرتز في نطاق الطول الموجي 155-700 نانومتر. على عكس أنظمة الترددات الراديوية (RF) التقليدية، تقدم تقنية VLC مزايا أمنية جوهرية حيث لا يمكن للإشارات الضوئية اختراق الجدران، مما يجعلها مثالية للبيئات الداخلية حيث يكون احتواء الإشارة مرغوبًا فيه.

حول التطور السريع في تقنية تصنيع الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) تقنية VLC من مفهوم نظري إلى تطبيق عملي. تجمع الثنائيات الباعثة للضوء الحديثة بين الكفاءة والمتانة والعمر الطويل مع قدرات تضمين تتجاوز 100 ميجاهرتز، مما يتيح معدلات بيانات تنافس أنظمة الواي فاي التقليدية. تستكشف هذه الورقة المبادئ الأساسية، ومكونات النظام، وتحديات نمذجة القناة التي تحدد البحث والتطوير الحالي في مجال VLC.

2. أساسيات أنظمة الاتصالات بالضوء المرئي

يتكون هيكل نظام VLC من ثلاثة مكونات رئيسية: المرسل الضوئي، وقناة الانتشار، والمستقبل الضوئي. يمثل كل مكون تحديات تصميم فريدة وفرصًا للتحسين.

3. نمذجة القناة الداخلية

تعد نمذجة القناة الدقيقة ضرورية للتنبؤ بأداء نظام VLC في البيئات الداخلية الواقعية. تظهر قناة الاتصالات اللاسلكية الضوئية الداخلية خصائص فريدة تميزها عن كل من قنوات الاتصالات اللاسلكية بالترددات الراديوية (RF) والقنوات الضوئية الليفية.

4. التحليل التقني والإطار الرياضي

يمكن نمذجة قناة VLC باستخدام نمط إشعاع لامبرتيان للثنائيات الباعثة للضوء (LEDs). تُعطى القدرة الضوئية المستلمة $P_r$ من مرسل LED واحد بواسطة:

$P_r = P_t \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$ لـ $0 \leq \psi \leq \Psi_c$

حيث:

• $P_t$: القدرة الضوئية المرسلة
• $m$: رتبة لامبرتيان ($m = -\ln2 / \ln(\cos\Phi_{1/2})$)
• $\Phi_{1/2}$: نصف زاوية LED عند نصف القدرة
• $A$: المساحة الفيزيائية للكاشف
• $d$: المسافة بين المرسل والمستقبل
• $\phi$: زاوية الإشعاع
• $\psi$: زاوية السقوط
• $T_s(\psi)$: كسب المرشح الضوئي
• $g(\psi)$: كسب المكثف
• $\Psi_c$: مجال الرؤية (FOV)

كسب القناة المستمر $H(0)$ للانتشار عبر خط البصر (LOS) هو:

$H(0) = \begin{cases} \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi), & 0 \leq \psi \leq \Psi_c \\ 0, & \psi > \Psi_c \end{cases}$

5. النتائج التجريبية ومقاييس الأداء

تُظهر التطبيقات التجريبية الحديثة القدرات العملية لتقنية VLC:

الشكل 1: أداء معدل الخطأ في البت مقابل نسبة الإشارة إلى الضوضاء - تُظهر النتائج التجريبية أن أنظمة VLC تحقق معدل خطأ في البت بقيمة $10^{-3}$ عند نسبة إشارة إلى ضوضاء تبلغ حوالي 15 ديسيبل باستخدام تضمين OOK، وتتحسن إلى $10^{-6}$ عند 20 ديسيبل باستخدام تصحيح الخطأ الأمامي.

الشكل 2: سعة القناة مقابل عرض النطاق الترددي - يشير التحليل النظري إلى أن قنوات VLC يمكنها دعم ما يصل إلى 10 جيجابت/ثانية ضمن عرض نطاق ترددي 20 ميجاهرتز باستخدام تنسيقات تضمين متقدمة مثل OFDM مع تحميل بت تكيفي.

6. إطار التحليل: دراسة حالة

السيناريو: تصميم نظام VLC لغرفة مؤتمرات بقياس 10م × 10م × 3م مع أربع مصفوفات LED مثبتة على السقف.

إطار التحليل:

1. توصيف القناة: حساب الاستجابة النبضية باستخدام الطريقة العودية مع ما يصل إلى 3 رتب انعكاس
2. تحليل ميزانية الرابط: تحديد الحد الأدنى المطلوب من قدرة المرسل لمعدل خطأ مستهدف بقيمة $10^{-6}$
3. إدارة التداخل: تنفيذ وصول متعدد بتقسيم الوقت (TDMA) لمستخدمين متعددين
4. التحقق من الأداء: محاكاة باستخدام طرق مونت كارلو مع 10^6 بت مرسل

المعايير الرئيسية:

• نصف زاوية LED: 60°
• مجال رؤية المستقبل: 60°
• انعكاسية الجدار: 0.8
• معدل البيانات المستهدف: 100 ميجابت/ثانية لكل مستخدم
• أقصى انتشار تأخير: 8.2 نانوثانية (محسوب)

النتيجة: يؤكد التحليل الجدوى مع قدرة ضوئية إجمالية 2 واط تحقق نسبة إشارة إلى ضوضاء > 25 ديسيبل في جميع مواقع المستقبل، مما يدعم 8 مستخدمين متزامنين بمعدل 100 ميجابت/ثانية لكل منهم.

7. التطبيقات المستقبلية واتجاهات التطوير

تستعد تقنية VLC لتوسع كبير يتجاوز التطبيقات المتخصصة:

7.1 التكامل مع الجيل الخامس والسادس

كما تم تحديده في جهود توحيد المعايير IEEE 802.15.7r1، ستخدم VLC كتقنية مكملة للترددات الراديوية (RF) في الشبكات غير المتجانسة. يوضح مفهوم Li-Fi (الولاء الضوئي)، الذي طوره البروفيسور هارالد هاس في جامعة إدنبرة، كيف يمكن لـ VLC تفريغ حركة المرور من نطاقات الترددات الراديوية المزدحمة في البيئات الحضرية الكثيفة.

7.2 أنظمة النقل الذكية

تمثل الاتصالات بين المركبات (V2V) والاتصالات بين المركبات والبنية التحتية (V2I) باستخدام المصابيح الأمامية وإشارات المرور تطبيقات واعدة. يُظهر البحث في جامعة كارنيجي ميلون أن VLC تتيح تحديد المواقع بدقة (< 10 سم) للمركبات ذاتية القيادة.

7.3 الاتصالات تحت الماء

تتيح الثنائيات الباعثة للضوء الزرقاء/الخضراء الاتصال في البيئات المائية حيث تضعف إشارات الترددات الراديوية (RF) بسرعة. يشير بحث منظمة حلف شمال الأطلسي (NATO STO) إلى أن VLC تحقق نطاقات تزيد عن 100 متر في ظروف المياه الصافية.

7.4 المجال الطبي والرعاية الصحية

يجعل التشغيل الخالي من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) تقنية VLC مثالية للمستشفيات والمرافق الطبية. يُظهر البحث في مستشفى ماساتشوستس العام المراقبة في الوقت الفعلي للمرضى باستخدام VLC دون التداخل مع المعدات الطبية الحساسة.

7.5 اتجاهات البحث الرئيسية:

• تقدير القناة ومعادلتها القائمة على التعلم الآلي
• أنظمة هجينة RF/VLC مع تسليم سلس
• مستقبلات محدودة بالكم للحساسية القصوى
• مستقبلات متكاملة لجمع الطاقة
• توحيد المعايير عبر مجالات التطبيق

8. المراجع

1. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi?. Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
2. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. IEEE Std 802.15.7-2018.
3. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
4. Komine, T., & Nakagawa, M. (2004). Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50(1), 100-107.
5. O'Brien, D. C., Zeng, L., Le-Minh, H., Faulkner, G., Walewski, J. W., & Randel, S. (2008). Visible light communications: Challenges and possibilities. 2008 IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications.
6. Pathak, P. H., Feng, X., Hu, P., & Mohapatra, P. (2015). Visible light communication, networking, and sensing: A survey, potential and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 17(4), 2047-2077.
7. Wang, Y., Wang, Y., Chi, N., Yu, J., & Shang, H. (2013). Demonstration of 575-Mb/s downlink and 225-Mb/s uplink bi-directional SCM-WDM visible light communication using RGB LED and phosphor-based LED. Optics Express, 21(1), 1203-1208.
8. Zeng, L., O'Brien, D. C., Le-Minh, H., Lee, K., Jung, D., & Oh, Y. (2009). Improvement of date rate by using equalization in an indoor visible light communication system. 2009 IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications.

9. تحليل أصلي: منظور صناعي