DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0343564
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41812131
تاريخ النشر: 2026-03-11
المؤلف: Maha Sliti وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الاتصالات الضوئية اللاسلكية
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية نظام ترحيل بصري هجين يستخدم الطائرات بدون طيار (UAVs) الذي يدمج تقنيات الاتصالات البصرية في الفضاء الحر (FSO) والاتصالات الضوئية المرئية (VLC) لتحقيق إنتاجية من فئة الجيجابت في ظروف جوية صعبة. يعالج النظام المقترح قيود تصميمات التكنولوجيا الواحدة من خلال استخدام نموذج تحليلي موحد يأخذ في الاعتبار مختلف العوائق، بما في ذلك فقدان المسار وفقًا لقانون بير-لامبرت، والتألق الناتج عن الاضطراب، واهتزاز التوجيه. تظهر محاكاة MATLAB أنه تحت ظروف غبار الصحراء الخفيف، يحتفظ مكون FSO بحوالي 70.5% من الطاقة المنقولة عند 1 كم، بينما يحافظ مكون VLC على نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) لا تقل عن 30 ديسيبل للارتفاعات أقل من 150 م مع مجال رؤية المستقبل (FOV) يبلغ 20 درجة أو أقل.
تشير النتائج إلى أن النظام الهجين يعزز بشكل كبير من مرونة الاتصال، خاصة خلال تدهور أداء FSO بسبب تقلبات الرؤية والاضطراب. تم تحديد معلمات رئيسية مثل تباعد الشعاع، ومجال رؤية المستقبل، واهتزاز التوجيه كعوامل حاسمة للحفاظ على احتمال محاذاة عالية ومعدلات خطأ بت منخفضة. تقدم الدراسة إرشادات عملية لتكوين حمولات الطائرات بدون طيار والتكيف مع الظروف البيئية، مع التأكيد على الحاجة إلى آليات توجيه سريعة واستقرار. ستركز الأعمال المستقبلية على دمج استشعار جوي في الوقت الحقيقي والتحكم التنبؤي لتحسين أداء النظام بشكل أكبر عبر سيناريوهات تشغيل متنوعة.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة البحثية الضوء على الطلب الملح على تقنيات الاتصالات اللاسلكية المتقدمة في سياق المدن الذكية، وأنظمة إنترنت الأشياء، وشبكات استعادة الكوارث. تواجه تقنيات الترددات الراديوية التقليدية (RF) تحديات متزايدة بسبب ازدحام الطيف، والتداخل، والقيود التنظيمية، مما يدفع لاستكشاف الاتصالات اللاسلكية البصرية (OWC) كبديل قابل للتطبيق. تشمل OWC روابط FSO وأنظمة VLC، وكلاهما يستفيد من الطيف البصري غير المرخص. بينما يُلاحظ أن FSO يتمتع بقدرات طويلة المدى وعالية السعة، إلا أنه عرضة للعوامل البيئية مثل ظروف الطقس والاضطراب الجوي، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على موثوقية الرابط. من ناحية أخرى، تقدم VLC اتصالًا قصير المدى ولكن تواجه قيودًا تتعلق بمحاذاة المستقبل والحركة، خاصة في التطبيقات الجوية الديناميكية التي تشمل الطائرات بدون طيار (UAVs).
تؤكد الورقة على إمكانية الطائرات بدون طيار لتسهيل نشر الروابط البصرية بسرعة في البيئات الصعبة، مما يعزز الاتصال حيث تكون الخيارات الأرضية محدودة. ومع ذلك، تواجه الأنظمة البصرية المثبتة على الطائرات بدون طيار مشكلات موثوقية بسبب أخطاء التوجيه والتقلبات الجوية. تناولت الأبحاث السابقة جوانب مختلفة من الاتصالات البصرية المدعومة بالطائرات بدون طيار، ومع ذلك، فإن الإطار الشامل الذي يدمج العوائق الجوية وعدم استقرار خط الرؤية الناتج عن الطائرات بدون طيار مفقود. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال تطوير نموذج تحليلي موحد لترحيل FSO/VLC الهجين، تم التحقق منه من خلال محاكاة MATLAB تحت ظروف رؤية صحراوية محددة. يتم نمذجة القناة الجوية باستخدام مكونات مثبتة، مما يسمح برؤى تصميم واضحة مع الاعتراف بإمكانية استخدام أساليب النمذجة التنبؤية المستقبلية.
النتائج
تشير نتائج المحاكاة إلى أن النطاق الفعال لروابط الفضاء الحر البصري (FSO) يتأثر بشكل كبير بظروف الرؤية الجوية، مع عتبات حرجة لقوة الاستقبال تتغير من حوالي 900 م تحت الضباب (κ ≈ 0.7 كم⁻¹) إلى حوالي 1600 م في ظروف الغبار الخفيف (κ ≈ 0.35 كم⁻¹). تتيح هذه النتيجة إنشاء جدول بحث للميزانية الزمنية للرابط في الوقت الحقيقي بناءً على الرؤية المقاسة. تظهر النتائج أيضًا أنه بينما تحافظ تقنية التشفير على/إيقاف (OOK) على معدل خطأ بت (BER) أقل من \(10^{-3}\) حتى 300 م، فإن التلاشي الناتج عن الاضطراب يزيد من BER إلى \(10^{-2}\) عند مسافات من 1.5-2 كم، مما يتطلب استراتيجيات تخفيف مثل زيادة الطاقة المنطلقة أو أنظمة VLC/RF الهجينة لمسافات أطول.
بالإضافة إلى ذلك، يكشف العلاقة بين نصف زاوية التقاط المستقبل واهتزاز التوجيه أن الزوايا الأكبر تعزز التسامح مع الاهتزاز، مع انخفاض حاد في احتمال الحفاظ على محاذاة خط الرؤية (LoS) للزوايا الأضيق. على سبيل المثال، مع زاوية التقاط تبلغ 10 ميكروراد، ينخفض احتمال المحاذاة إلى أقل من 50% عند حوالي 12 ميكروراد اهتزاز، بينما تحافظ زاوية 20 ميكروراد على احتمال محاذاة مرتفع (>90%) لقيم الاهتزاز أقل من 10 ميكروراد. تؤكد النتائج على التوازن بين تصميم المستقبل البصري والتحكم في التوجيه، مما يشير إلى أنه بالنسبة للروابط ذات التوافر العالي، من المستحسن الحفاظ على الاهتزاز أقل من 10 ميكروراد. علاوة على ذلك، تشير تحليل الاتصالات الضوئية المرئية (VLC) إلى أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) تنخفض مع زيادة مجال الرؤية (FOV)، مع تقديم توصيات لمجالات الرؤية المثلى لارتفاعات مختلفة لضمان اتصالات عالية السرعة موثوقة. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم أداء روابط FSO وVLC تحت ظروف بيئية ومعلمات تصميم متغيرة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على ظهور ترحيلات هجينة من الاتصالات البصرية في الفضاء الحر (FSO) والاتصالات الضوئية المرئية (VLC) كحل واعد لتعزيز موثوقية الاتصالات في الأنظمة المدعومة بالطائرات بدون طيار. تستفيد هذه الترحيلات من القدرات طويلة المدى لـ FSO مع المزايا عالية الإنتاجية وقصيرة المدى لـ VLC. يصنف المؤلفون الأبحاث الحالية إلى ثلاثة محاور رئيسية تؤثر على موثوقية البصريات الهجينة: الانقراض الجوي والاضطراب، وصيانة التوجيه والمحاذاة أثناء حركة الطائرات بدون طيار، وقيود الوصول إلى VLC. يشيرون إلى أن الدراسات السابقة غالبًا ما تركز على العوائق المعزولة بدلاً من آثارها المجمعة، وهو ما تهدف هذه الورقة إلى معالجته من خلال نموذج تحليلي موحد.
يدمج النموذج المقترح عوامل جوية رئيسية مثل انقراض بير-لامبرت، والاضطراب غاما-غاما، واهتزاز التوجيه الغاوسي، مما يؤدي إلى تعبيرات مغلقة لشروط الانقطاع وتوافر الروابط الهجينة. يستخرج المؤلفون عتبات مؤشرة للرؤية للنطاق الفعال وسياسات التبديل بين أوضاع FSO وVLC، مما يوفر إرشادات قابلة للتنفيذ لنشر ترحيلات الطائرات بدون طيار. تؤكد الورقة أيضًا على أهمية الارتفاع وتوازنات VLC في تعظيم التوافر الهجين، خاصة تحت ظروف بيئية متغيرة. بشكل عام، تسهم الأبحاث في هذا المجال من خلال تقديم إطار شامل يعزز الفهم والتطبيق العملي لأنظمة الاتصالات البصرية الهجينة في السيناريوهات الصعبة.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0343564
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41812131
Publication Date: 2026-03-11
Author(s): Maha Sliti et al.
Primary Topic: Optical Wireless Communication Technologies
Overview
This research paper presents a hybrid optical relay system utilizing unmanned aerial vehicles (UAVs) that integrates free-space optical (FSO) and visible light communication (VLC) technologies to achieve gigabit-class throughput in challenging atmospheric conditions. The proposed system addresses the limitations of single-technology designs by employing a unified analytical model that accounts for various impairments, including Beer-Lambert path loss, turbulence-induced scintillation, and pointing jitter. MATLAB simulations demonstrate that under light desert dust conditions, the FSO component retains approximately 70.5% of transmitted power at 1 km, while the VLC component maintains a signal-to-noise ratio (SNR) of at least 30 dB for altitudes below 150 m with a receiver field of view (FOV) of 20 degrees or less.
The findings indicate that the hybrid system significantly enhances connectivity resilience, particularly during FSO performance degradation due to visibility and turbulence fluctuations. Key parameters such as beam divergence, receiver FOV, and pointing jitter are identified as critical for maintaining high alignment probability and low bit error rates. The study provides practical guidelines for configuring UAV payloads and adapting to environmental conditions, emphasizing the need for fast steering and stabilization mechanisms. Future work will focus on incorporating real-time atmospheric sensing and predictive control to further optimize the system’s performance across diverse operational scenarios.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing demand for advanced wireless communication technologies in the context of smart cities, IoT ecosystems, and disaster recovery networks. Traditional radio-frequency (RF) technologies are increasingly challenged by spectrum congestion, interference, and regulatory constraints, prompting the exploration of optical wireless communication (OWC) as a viable alternative. OWC encompasses free-space optical (FSO) links and visible light communication (VLC) systems, both of which leverage the unlicensed optical spectrum. While FSO is noted for its long-range and high-capacity capabilities, it is susceptible to environmental factors such as weather conditions and atmospheric turbulence, which can significantly impact link reliability. Conversely, VLC offers short-range connectivity but faces limitations related to receiver alignment and mobility, particularly in dynamic aerial applications involving unmanned aerial vehicles (UAVs).
The paper emphasizes the potential of UAVs to facilitate rapid deployment of optical links in challenging environments, enhancing connectivity where terrestrial options are limited. However, UAV-mounted optical systems encounter reliability issues due to pointing errors and atmospheric variations. Previous research has addressed various aspects of UAV-assisted optical communication, yet a comprehensive framework that integrates atmospheric impairments and UAV-induced line-of-sight instability is lacking. This study aims to fill that gap by developing a unified analytical model for a hybrid FSO/VLC UAV relay, validated through MATLAB simulations under specific desert-visibility conditions. The atmospheric channel is modeled using established components, allowing for clear design insights while acknowledging the potential for future predictive modeling approaches.
Results
The simulation results indicate that the effective range of free-space optical (FSO) links is significantly influenced by atmospheric visibility conditions, with critical thresholds for received power shifting from approximately 900 m under haze (κ ≈ 0.7 km⁻¹) to about 1600 m in light-dust conditions (κ ≈ 0.35 km⁻¹). This finding allows for the creation of a lookup table for real-time link budgeting based on measured visibility. The results also demonstrate that while on-off keying (OOK) transmission maintains a bit error rate (BER) below \(10^{-3}\) up to 300 m, turbulence-induced fading increases the BER to \(10^{-2}\) at distances of 1.5-2 km, necessitating mitigation strategies such as increased launch power or hybrid VLC/RF systems for longer ranges.
Additionally, the relationship between receiver capture half-angle and pointing jitter reveals that larger capture angles enhance tolerance to jitter, with a sharp decline in the probability of maintaining line-of-sight (LoS) alignment for narrower angles. For instance, with a capture angle of 10 µrad, the alignment probability drops below 50% at around 12 µrad jitter, while a 20 µrad angle maintains a high alignment probability (>90%) for jitter values below 10 µrad. The results emphasize the trade-off between optical receiver design and pointing control, suggesting that for high-availability links, maintaining jitter below 10 µrad is advisable. Furthermore, the analysis of visible light communication (VLC) indicates that the signal-to-noise ratio (SNR) decreases with increasing field of view (FOV), with optimal FOV recommendations provided for various altitudes to ensure reliable high-speed communication. Overall, these findings contribute to the understanding of FSO and VLC link performance under varying environmental conditions and design parameters.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the emergence of hybrid Free-Space Optical (FSO) and Visible Light Communication (VLC) relays as a promising solution for enhancing communication reliability in UAV-assisted systems. These relays leverage the long-range capabilities of FSO combined with the high-throughput, short-range advantages of VLC. The authors categorize existing research into three main axes affecting hybrid optical reliability: atmospheric extinction and turbulence, maintenance of pointing and alignment during UAV motion, and VLC access constraints. They note that prior studies often focus on isolated impairments rather than their combined effects, which this paper aims to address through a unified analytical model.
The proposed model integrates key atmospheric factors such as Beer-Lambert extinction, Gamma-Gamma turbulence, and Gaussian pointing jitter, leading to closed-form expressions for outage and hybrid link availability. The authors derive visibility-indexed thresholds for effective range and switching policies between FSO and VLC modes, providing actionable guidelines for UAV relay deployment. The paper also emphasizes the importance of altitude and VLC trade-offs in maximizing hybrid availability, particularly under varying environmental conditions. Overall, the research contributes to the field by offering a comprehensive framework that enhances the understanding and practical application of hybrid optical communication systems in challenging scenarios.