(د) تكنولوجيا الاتصال اللاسلكية غير المرئية التي تستخدم طيفات الضوء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء لنقل البيانات، خلافاً للواي فاي التقليدي الذي يعتمد على الموجات الإذاعية، تقدم شركة Li-Fi نقلاً كبيراً للبيانات مع تعزيز الأمن وتدخلاً كهرومغناطيسياً مخفضاً، ووسط تشغيل نظم الأشعة الليفيزيائية هي أجهزة استقبال مرئية.

فالمبدأ الذي يخلف لي - فاي هو مبدأ مستقيم: إذ يُعدّل مصدر لي دي أو ليزر كثافة خفيفة بسرعة عالية للغاية - أسرع بكثير من نظرة العين البشرية - ويلتقط مُعدّل للصور في نهاية الاستلام هذه التقلبات، ويُعتبر جهاز الاستقبال البصري هو العنصر الذي يُسدّد الصُعُد البصري والإلكتروني، ويحوّل الضوء المتحرك إلى تيارات الكهربائية التي يمكن أن تُضَعَعَرَ بها.

وتستكشف هذه المادة دور أجهزة الاستقبال البصرية في التكنولوجيات الناشئة في مجال تكنولوجيا اللي - فاي، من أنواع التصوير الأساسية إلى أوجه التقدم المتطورة مثل أجهزة الاستديوان الفوتوغرافية الوحيدة، وأجهزة الاستقبال المتكاملة التابعة لدائرة أمن الدولة، والصفائف المتعددة العناصر للتعددية المكانية، كما ندرس التحديات التي لا تزال قائمة والتوقعات المتعلقة بشركة لي - في بوصفها تكنولوجيا تكميلية أو بديلة لاسلكية في فترة 5G/6G.

ما هو الاستلام الضوئي؟

جهاز استقبال بصري هو جهاز يكشف الضوء ويحوله إلى إشارة كهربائية، وفي سياق لي - فاي، تكون هذه الأجهزة عادة من أجهزة التصوير شبه الموصلات المصممة للعمل في الطيف المرئي (400-700 نانو متر) أو شبه المزود بالأشعة تحت الحمراء (700-1000 نانو متر)، حيث توجد أجهزة متفجرة ذات قدرة عالية وأجهزة لاسترية.

  • PIN photodiodes] - خيار منخفض التكلفة ومستخدم على نطاق واسع مع حسن الاستجابة وسرعة متوسطة، ولدايوديوس PIN طبقة أساسية بين المناطق من نوع واحد، مما يقلل من القدرة على تحمل التكاليف ويمكِّن من الاستجابة بسرعة أكبر من مجرد الزلازل بين المناطق.
  • Avalanche photodiodes (APDs)] - Provide higher sensitivity by providing internal gain through impact ionization. APDs can detect weaker signals, extending link range, but require higher bias voltages and are more temperaturesensitive.
  • Phototransistors] - provide high gain but lower bandwidth, making them suitable for low —speed applications or closeens rather than Giabit Li‐Fi.
  • Single — photon avalanche diodes (SPADs) ] - emerging devices capable of detecting individual photons. SPAD صفائف يمكن أن تحقق درجة عالية من الحساسية وأن تسمح بالتغلب على القيود التي تُفرض على الطلقات، مما يمكّن ليفي من مسافات طويلة أو من خلال الإضاءة.

وتشمل أجهزة الاستقبال البصرية أيضا الدائرة المشابهة - وهي جهاز مضخم للتعبير عن النفس لتحويل صورة الفوتكيرنت إلى فولتاج، وهو جهاز يحد من القدرة على تكييف الإشارة، وغالبا ما يكون مرحلة التصفية لرفض التدخل في مجال الطيران المحيطي، ويحدد الجمع بين أجهزة التصوير الضوئي والإلكترونيات الأمامية نطاقات الصوتية الإجمالية للأداء، ومقاييس الأداء المستجيبة:

وفي نظم ليفي، يجب أن يكون جهاز الاستقبال البصري قادرا على اتباع أساليب الضبط السريع للكثافة، التي يمكن أن تتراوح بين عشرات الميغاهرتز من أجل تحديد مفتاح بسيط (OOK) إلى مئات من الميغاهرتز لنظم التكتل المتعدد الترددات في الشعائر، وبالتالي فإن نطاق الترددات في جهاز الاستقبال وضمادات التردد 1 يقيدان مباشرة معدل البيانات المتطورة.

الدور الحاسم للمستقبلات البصرية في لي - فاي

كشف الإشارة وعزلها

وتتمثل الوظيفة الرئيسية للمستقبل البصري في الكشف عن الإشارة الخفيفة المتحركة التي يصدرها جهاز إرسال من طراز LiFi، ويورد بيانات جهاز الإرسال باختلاف كثافة الضوء - عادة ما يستخدم نظام OOK، أو تعديل النبض، أو متعدد الأطقم، ويضطر المتلقي إلى التقاط هذه التباينات بواقعية عالية، وفي الممارسة العملية، يقوم جهاز الاستلام بتحويل الطاقة البصرية الواردة إلى جهاز معالجة مضلل للصور.

ونظرا لأن لي - فيي تستخدم أسلوبا في الضبط (لا الكشف المتسق)، فإن جهاز الاستقبال لا يحتاج إلى استعادة مرحلة أو تواتر الناقل البصري، وتبسيط التصميم، غير أن شرط النطاق الترددي الواسع النطاق والشديد الدينامية لا يزال قائما، فعلى سبيل المثال، يتطلب وجود وصلة واحدة من نوع Gbps OOK تحديد النطاق الترددي لا يقل عن 1 GHz، في حين قد يحتاج وجود صلة بين الترددات المتوسطة والصغيرة إلى حد أدنى بقليل، ولكن يفرض على هذا الخط.

حقنة الضوء المحيط

ومن أهم التحديات التي تواجه أجهزة الاستقبال البصرية وجود ضوء مشرق قوي - من ضوء الشمس أو المصابيح غير المستقرة أو المصابيح الفلورية - يضيف الضوء المحيط صورة ثابتة )أو متفاوتة ببطء( يمكن أن تشبع الحساسية المتطورة في الواجهة وتزيد الضوضاء، ولمكافحة هذا، فإن أجهزة كشف البيانات الفوقية تتضمن تكييفاً آلياً عالياً للأجهزة.

ويمكن أيضاً لمرشحات الطرق الضوئية التي توضع مباشرة على محرك التصوير أن تمنع الضوء البعيد المدى للشبكة، وأن تحسن نسبة الإشارة إلى الأنظار، غير أن المرشّحين يضيفون التكلفة ويقللون من الطاقة البصرية المتلقاة للتطور الموجي المنشود، وتشمل الحلول الناشئة التصفير الرقمي التكيّف بعد تحويل الصوتي إلى الرقمي، حيث يتعلم المتلقي النمط الرقمي المستعصي.

السرعة والتفاوت

ويُعدّ نطاق الترددات في جهاز الاستقبال عاملاً رئيسياً في تحقيق معدلات عالية للبيانات، إذ إنَّ التأهل المُعدَّل للتصوير الضوئي، إلى جانب التلاعب في مدخلات الهيئة، يشكلان نموذجاً محدوداً للشبكة، كما أنَّ التقدم في تكنولوجيا شبه الموصلات، مثل استخدام جهاز تحديد النطاقات في الغاليوم (InGaAs) بدلاً من جهاز كشف السيليثور (Cilithwid).

ويمكن أن يؤدي تعدد البيانات المكاني - باستخدام أجهزة إرسال متعددة ومستقبلات في تشكيلة متعددة من أجهزة الرصد والتحقق والتفتيش - إلى مضاعفة معدل البيانات الإجمالية دون الحاجة إلى عرض أوسع نطاقاً لكل جهاز استقبال، وفي هذه النظم، يجب أن يكون لكل جهاز استقبال بصري مجال ضيق من وجهات النظر لفصل الإشارات عن أجهزة إرسال مختلفة، ويجب أن يكون صفائف الاستقبال متناسقاً بعناية.

التكنولوجيات والتحسينات الناشئة

Avalanche Photodiodes and SPAD Arrays

وتوفر هذه البرامج مكاسب داخلية )التكرارات المتكررة( تتيح لها اكتشاف إشارات ضعيفة - حاسمة لزيادة المسافة بين الشبكات أو العمل في ظروف شديدة اللبس، غير أن الأجهزة التقليدية المضادة للمركبات تعاني من ضوضاء زائدة بسبب الطابع المتين لعملية الانفلانشي، وقد تركز العمل الأخير على هياكل " الوصول " للأجهزة الاصطناعية واستخدام مواد مثل الضوضاء الزجرية - الصوتية الأدنى )GeonS(.

وتمثل أجهزة الاستديوهات ذات الترددات الفونية الواحدة تقدماً أكثر جذرية: فهي تستطيع اكتشاف صور فردية، مما يعطيها حساسية هائلة، وتعمل هذه الأجهزة في طريقة جيجر، حيث تؤدي صورة واحدة إلى نبضات في الوقت الراهن، وعندما تكون مرتبة في صفائف (صفائف سبايد)، يمكن استخدامها في استشعار عمق الضوء أو في شكل إشارات مصورة عالية.

ومن التحديات التي تواجه هذه المراكز وقت الوفاة بعد كل اكتشاف مصور (مثلاً عشرات من الثانية النانو) الذي يحد من معدل العد الأقصى، غير أنه باستخدام العديد من عناصر برنامج سبايد في موازاة ودمج الكشف عن الوقت، حقق الباحثون معدلات متعددة الأطقم.() وأفادت ورقة من جامعة أوكسفورد عن وجود صلة ثلاثية بين Gbps Li-Fi باستخدام صفيفة رقمية من 256 إلى 8 في المائة.

جهاز استقبال متكامل تابع للمنظمة البحرية الدولية

وفي إطار الانتقال إلى التكامل الاحتكاري، يقوم باحثون كثيرون بتصميم أجهزة استقبال بصرية تماما في عمليات النظام الموحد للرصد والتحقق والتفتيش، ويتيح هذا النهج للمحرر التصويري (الذي غالبا ما ينفذ في إطار الاستراتيجية الفرعية لشبكة السيليكون) ووكالة TIA والتجهيز الرقمي والإلكترونيات البينية للإقامة على رقاقة واحدة، وتشمل الفوائد انخفاض التكلفة، وانخفاض استهلاك الطاقة الكهربائية، وعوامل النموذج الأصغر - وهي كلها عوامل أساسية بالنسبة لأجهزة المستهلكين مثل الهواتف الذكية.

وتستخدم أجهزة استقبال مجهزة بالشبكة عادة هيكلا " للتنوع المكاني " : مصفوفة من أجهزة التصوير الضوئي الصغيرة التي يملك كل منها فوتوغرافيا ضيقة، مقترنة بتجهيز إشارات رقمية على الهواء لإعادة بناء نمط الضوء الحادثي، كما يساعد هذا التصميم على تخفيف آثار الظل وسوء الترتيب، وهناك شركات عديدة، منها شركة PureLiFi وVLNComm، تقوم حاليا بشحن مجموعة متكاملة من مجموعات أجهزة التصوير الضوئي

Receiver — Side MIMO and Angle Diversity

ولزيادة الإنتاج دون الحاجة إلى عناصر ذات فتحات فوق الصوت، تعتمد نظم ليفي تقنيات الرصد المتعدد الوسائط، وفي تركيبة تصويرية من طراز MIMO، يكون جهاز الاستقبال مجموعة من أجهزة التصوير الضوئي، وكل موقع يلتقط منطقة مكانية مختلفة، وبوجود عناصر استقبال أكثر من عناصر الإرسال، يمكن أن يسوي النظام التدخل ويحسن موثوقية الربط.

ويمكن أيضا لمستقبلي التنوع الأغبياء - حيث يتجه المحركات الضوئية إلى زوايا مختلفة من الزوايا المائلة - أن يحسن التغطية، مثلا، يمكن للمستقبل الذي يحمل خمسة أجهزة تصوير مرسلة في اتجاهات مختلفة أن يحافظ على اتصال حتى لو تحرك المستخدم أو يصفع الجهاز، وهذه التصميمات حاسمة بالنسبة لتطبيقات ليفي المحمولة، مثل القطارات أو المركبات المستقلة.

التطبيقات العالمية الحقيقية للمستقبلات البصرية المتقدمة

شبكة داخلية سريعة

أما تطبيق نظام " ليفي " الأكثر وضوحاً في مجال الاتصالات اللاسلكية الداخلية، التي توفر بديلاً أو مكملاً لشبكة وي - فاي، حيث يمكن للمستقبلين البصريين أن يرتفعوا إلى 1-10 غبزاً، فإن " لي - في " يمكن أن يقدموا معدلات بيانات عالية الجودة في المكاتب والمستشفيات والمصانع، وفي البيئات التي يكون فيها التدخل في الترددات اللاسلكية أمراً إشكالياً - مثل أجنحة التي تستخدم فيها أجهزة تصوير بالرنين بالطائرة أو كبليوكتين الجذابة أو متحركة، أو نبات ليروكين.

ويمكِّن جهاز استقبال مدمج تابع للدائرة من الوصول إلى نقاط الوصول ذات الحد الأقصى، ويُستخدم أجهزة استقبال ملحقة من طراز USB للحواسيب المحمولة، وعلى سبيل المثال، يستخدم نموذج " PureLiFi XC Li‐Fi " جهازاً ملتقطاً للصور الفوتوغرافية تابعاً للشركة، ويُصدَّق على استخدامه تجارياً، كما استحدث جهازاً ليف (فيليب ليفي) للبث.

الاتصالات تحت سطح الماء

(أ) تُستوعب موجات الراديو بدرجة كبيرة في المياه، مما يجعل الاتصالات اللاسلكية تحت الماء غير عملية.() وتُستخدم الموجات الضوئية في الجزء المرئي والزرقي من الطيف، الذي يخترق المياه ذات التكثيف المنخفض نسبياً، ويجب أن تكون أجهزة الاستقبال الضوئية المصممة لشبكة المياه الجوفية تحت الماء حساسة إزاء الموجات الزرقاء (حوالي 470 نانو متراً) وكثيراً ما تستخدم الصور المزروعة.

وقد حققت التجارب الأخيرة معدلات بيانات تبلغ 500 ميغابايت على عدة أمتار في المياه النظيفة، باستخدام أجهزة استقبال للبيوتادايين السداسي الكلور ذات المصفوف الزرقاء، وبالنسبة للمياه الأعمق أو المضطربة، فإن أجهزة استقبال البرنامج الفرعي للأخشاب ذات الدوائر العاملة في مجال التسريح لا تزال قادرة على كشف الإشارات على مستوى الفوتوني الوحيد، مما يتيح وصلات تصل إلى 100 متر في مياه المحيط النظيفة.

مركبة إلى كل مركبة (V2X)

(د) أن يستخدم جهازاً لاسلكياً أو أضواء للسيارات كأجهزة إرسال يمكن أن يدعم الاتصالات المتحركة من أجل تجنب الاصطدام، وإدارة المرور، والفصيل، ويجب على المتلقين الضوئيين في هذا السيناريو أن يتعاملوا مع الحركة السريعة السرعة، والضوء الشمسي القوي، والمسافات المختلفة، وكثيراً ما تستخدم تصميمات جهاز استقبال السيارات صفائف من أجهزة الاستديوكتار الضوئية ذات الظروف الضيقة (لتأ)

وأظهرت البحوث التي أجريت من جامعة ستراثكليد وجود وصلة بين 100 ميغابايت و100 ميغابايت من طراز Li‐Fi ذات مجموعة من 50 متراً باستخدام صفيفة من طراز ×4، ومسح من طراز دى دي أم، المصدر: - عرض تجريبي لنظام اتصالات سلكية مرئية قوامه 100 ميغابايت V2X .]

الرعاية الصحية والبيئة الحساسة

وكثيرا ما تقيد المستشفيات والمختبرات استخدام شبكة وي - فاي بسبب التدخل الكهرومغناطيسي في المعدات الحساسة، ونظرا لأن هذه المركبات لا تنتج انبعاثات من هذا النوع، مما يجعلها مثالية لهذه الظروف، فلا بد أن يكون المتلقين البصري في الأجهزة الطبية ذات التردد العالي صغيرا، وقادرة على التشغيل الموثوق به في ضوء الجراحة المشرقة، ويمكن للمستقبلين المتطورين في مجال الاستشعار عن بعد أن يرفضوا المجرى المكثف للمصابين.

التحديات والتوقعات المستقبلية

ضوء الأمانة والاضطرابات

وعلى الرغم من التصفيق وضوء الشمس القوي يمكن أن يشبع حتى أجهزة استقبال متقدمة، وفي ضوء الشمس المباشر في الهواء الطلق، يمكن أن تكون الصورة الفوتوغرافية من جهاز التصوير الضوئي السيليكون عشرات المصابيح، التي تطغى على النطاق الدينامي لوكالة TIA، وتشمل الحلول قيد التحقيق استخدام أجهزة الموجات فوق البنفسجية أو التي تستخدم الموجات المتحركة التي ترتفع فيها سرعة الشمس، مع تكييفها.

Shadowing and Blocking

(أ) " لي " (Le) " ، أو بالقرب من " LOS " بين جهاز الإرسال والاستقبال، وإذا كان جهاز الاستلام مشمولاً بيد أو كتاب أو حتى بورقة، فإن هذه الصلة يمكن أن تضيع، ويمكن للمتلقين ذوي الاختلاف في المسارات (اللوحات الضوئية المتعددة الأطراف التي تشير إلى اتجاهات مختلفة) أن يحتفظوا بصلة إذا ما تدور الجهاز، ولكن لا يمكنهم أن يتعاملوا مع مجموعة كاملة من المصادر "

استهلاك الطاقة وهبة الطاقة

ويمكن للمتلقين البصري السريعين، ولا سيما الذين يستخدمون أقراص منع الحمل تحت التحيز الشديد، أن يستهلكوا قوة كبيرة، وفي أجهزة متنقلة تعمل بالبطارية، وفي كل مادة من مواد الألفوات، تقوم تصميمات المستقبل باستكشاف أجهزة استرجاع ذات قدرة منخفضة (تعمل تحت 10 درجات مئوية)، وتتلقى أجهزة قياس ذات مكامن صغيرة لا تستهلك إلا عند اكتشاف بعض أنواع الطاقة المتطرفة تحت سطح الأرض.

توحيد المعايير والنمو في النظم الإيكولوجية

ولكي يصبح نظام ليفي شاملاً، سيكون من الضروري وجود نظام إيكولوجي قوي للمستقبل البصري والمرسلين والحزم المراسم، ويحدد معيار IEE 802.11bb المواصفات المادية للمصابين بمرض الليفي، بما في ذلك مخططات التحوّل، وسلاسل الترددات، ومتطلبات حساسية المتلقين، ويحدد استخدام مقياس OOK ومقياس الحد الأدنى من الانبعاثات عند الترددات إلى 320 ميغاهيرتز

أما الشركات مثل شركة PureLiFi, Oledcomm, and Signify فهي بالفعل تشحن منتجات تمتثل لمشروع المعيار، حيث أن المزيد من الكترونيات المستهلكين تدمج أجهزة نقل ليفي - بدءا بالحواسيب المحمولة والأقراص، ثم تنتقل إلى الهواتف الذكية - الطلب على الأداء العالي، والمستقبلات الضوئية المنخفضة التكلفة ستزداد حدة، وفي الأجل الطويل، يمكن أن تُدرج أجهزة استقبال ليفي في إطار أجهزة استقبال

التكامل مع 5G/6G والاتصالات الخفيفة المرهقة

ولا يُستعاض عن شبكة " وي - في " أو شبكة خلوية بل هي تكنولوجيا تكميلية يمكن أن تفرغ حركة المرور في بيئات كثيفة وتوفر الاتصال حيث تكون هذه الشبكة غير مرغوب فيها، وفي شبكات " جي - ٦ " يمكن للمتلقين البصري أن يكون " الجانب الخفي " لشبكة غير متجانسة، مع آليات تسليم تنسقها الشبكة الأساسية، ويقوم الباحثون بالفعل بتصميم " ملامح " التي يمكن أن تدعم عملية التقارب " .

وفي المستقبل، قد يتطور جهاز استقبال البصري لـ " لي - في " ليس فقط للكشف عن كثافة الوصول بل أيضاً لزاوية الوصول، مما يتيح الاتصال الكامل بل وحتى الموقع، مع التقدم في الميثاماتيريات وعلم النانوفوتون، يمكن أن تكون أجهزة استقبال مسطحة ومتحررة من العضلات وقادرة على فصل الضوء عن طريق الموجات أو اللحظات، وبالتالي تقترب من القدرة النظرية للتواصل الخفيف.

وباختصار، فإن أجهزة الاستقبال البصرية هي حجر الزاوية في تكنولوجيا لي - فاي، فمن أجهزة الاستديوديوهات الضوئية البسيطة إلى صفائف معقدة من نظام سبايد، يحدد أداءها سرعة وصلات اللاسلكية الخفيفة ونطاقها وموثوقيتها، وحيث أن التصميمات الناشئة ستدفع حدود الحساسية، وضمادات النطاق، والتكامل، فإن شركة لي - في ستنتقل من التطبيقات الكيمائية إلى سمة قياسية من سمات حياتنا الرقمية.