يستخدم الضوء المرئي لنقل البيانات: مشروع بحثي لتحسين تقنيات شبكات الاتصالات اللاسلكية

نفذ فريق بحثي بالجامعة، يضم الدكتور سلام زمو (مشرف رئيسي) والدكتور أنس سلهب (مشرف مساعد) وطالب الدراسات العليا مهند عبيد، مشروعاً يقدم نظاماً جديداً لتحسين كفاءة شبكات الاتصال بالضوء المرئي نتج عنه تقديم أربع براءات اختراع إلى مركز نقل التقنية والابتكار في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن لتسجيلها في مكتب الولايات المتحدة الأمريكية للبراءات والعلامات التجارية، بالإضافة إلى نشر أربع أوراق بحثية في مجلات علمية مرموقة ومشاركة أربع أوراق بحثية في مؤتمرات علمية.

ترجع أهمية البحث إلى قدرة شبكات الاتصال بالضوء المرئي على دعم تطبيقات ذات معدلات نقل البيانات العالية جدا تصل لعدة جيجا بت في الثانية، كما تعد شبكات الاتصال بالضوء المرئي مرشحا قويا لاستخدامها في العديد من التطبيقات في حياتنا اليومية مثل المنازل والمستشفيات والشركات والمدارس والمكاتب، إشارات المرور، المناطق الرياضية، الأغراض العسكرية وغيرها من المجالات، مما جعل تخصيص الطاقة، وتشكيل الخلايا، وموازنة الأحمال مادة جاذبة وذات أهمية ملحوظة للعديد من مشغلي الاتصالات اللاسلكية ومقدمي الخدمات في المملكة وفي العالم، وسوف تفي البروتوكولات والخوارزميات الجديدة المقترحة بجودة خدمة المستخدمين المطلوبة مع ضمان جودة إضاءة كافية.

وفي الآونة الأخيرة، أصبح استخدام الـ Wifi أساسياً في المنزل ومكان العمل وكل تفاصيل حياتنا اليومية، ومع التطور المتزايد في مجال الاتصالات، لم تعد هذه التقنية هي الوسيلة الوحيدة التي بالإمكان استخدامها للاتصال اللاسلكي بشبكة الإنترنت، إذ تم تطوير تقنية جديدة تسمى «لاي فاي» أو«Li-Fi»، وهي تقنية اتصالات لاسلكية ضوئية عالية السرعة، تستخدم الضوء المرئي كوسيلة لنقل البيانات، وهو ما يعبر عنه اسمها الكامل Light Fidelity.

وستتطلب الخدمات والتطبيقات التي تتميز بمعدلات عالية لنقل البيانات في المستقبل القريب استخدام الضوء المرئي المتوافر وغير المستغل للاتصالات من أجل تلبية متطلبات الجيل الخامس من تقنيات الهواتف المحمولة.

وتعد شبكات تردد الراديو التقليدية قاصرة على تلبية الطلب على الخدمات التي تحتاج إلى معدلات عالية لنقل البيانات. وبرز الاتصال بالضوء المرئي (VLC) كأحد الحلول المحتملة القوية لاستبدال أو استكمال شبكات التردد الراديوي اللاسلكية الحالية، وذلك لدعم المتطلبات المتوقعة للاتصالات عالية البيانات، مقارنة بشبكات تردد الراديو التقليدية. وتوفر شبكات الاتصال بالضوء المرئي معدلات نقل بيانات أعلى، وكفاءة طاقة أكبر، واستهلاك أقل للبطارية، وزمن استجابة أقل. وعلى الرغم من هذه المزايا الكبيرة، تواجه شبكة الاتصال بالضوء المرئي العديد من التحديات مثل تقدير القنوات وتأثير الحجب (التظليل)، صغر منطقة التغطية، والضوضاء أو التداخل الذي يمكن أن تولدها أنظمة الإضاءة القريبة، والتي يجب أن تحل في المستقبل القريب لتحقيق اندماج كامل وأن تكون متوافقة مع أنظمة الاتصالات اللاسلكية المستقبلية.

وتتمثل الحلول المشتركة للتغلب جزئيا على تحديات تحسين معايير شبكات الاتصال بالضوء المرئي في استكمال شبكات الاتصال بالضوء المرئي بشبكات تردد الراديو، والنقل المتناسق.

وقال الباحث في عمادة البحث العلمي الدكتور أنس سلهب إن النظام المقترح يعمل على موازنة الحمل المشترك وتخصيص الطاقة للنظام المكون من الاتصال بالضوء المرئي وترددات الراديو، ويتكون هذا النظام من نقطة وصول واحدة (تردد الراديو) وعدة نقاط وصول (اتصال بالضوء المرئي).

وأوضح أنه تم تقديم خوارزميات مدمجة، في جزء آخر من المشروع، لتوزيع المستخدمين وتوزيع الطاقة على المستخدمين لزيادة كفاءة الطاقة في شبكات الاتصال بالضوء المرئي بشكل مستقل جنبا إلى جنب مع خوارزمية جديدة مدمجة وبسيطة لتوزيع المستخدمين على نقاط الوصول.

وتم، في المرحلة الأولى، تحسين شبكة النظام المكون من الاتصال بالضوء المرئي وترددات الراديو لتعزيز قدرة النظام بالإضافة لوضع نظام جديد لموازنة الحمل المشترك وتخصيص الطاقة وذلك في نظام يتكون من نقطة وصول واحدة (تردد الراديو) وعدة نقاط وصول (اتصال بالضوء المرئي).

وتم، في المرحلة الثانية للمشروع، دراسة شبكة اتصال بالضوء المرئي مستقلة يكون فيها عدد نقاط الوصول أكثر بكثير من عدد من المستخدمين، وذلك بوضع خوارزمية جديدة لتجمع المستخدمين ومن ثم ربط كافة نقاط الوصول بالتجمعات المختلفة للمستخدمين.

وتم تنفيذ هذا المشروع، بالتعاون مع الأستاذ محمد سليم علويني من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية والدكتور هيثم دحروج من جامعة عفت في جدة، ومن بين النتائج العلمية لهذا المشروع نشرت ورقة بحثية في مجلة ذات سمعة عالية لها معامل التأثير 22.97 وهي مجلة IEEE Communications Surveys & Tutorials. وتتطرق الورقة البحثية إلى جميع تقنيات التحسين، التي سبق ذكرها وغيرها من التقنيات الموجودة حالياً في قواعد بيانات المجلات العلمية، والتي تهدف إلى تحسين أداء شبكة الاتصال بالضوء المرئي.

للمزيد من المعلومات حول المشروع البحثي:

Joint optimization of power allocation and load balancing for hybrid VLC/RF networks

DC-Bias and Power Allocation in Cooperative VLC Networks for Joint Information and Energy Transfer

New Algorithms for Energy-Efficient VLC Networks With User-Centric Cell Formation