DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40704-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41748699
تاريخ النشر: 2026-02-26
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الاتصالات الضوئية اللاسلكية
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث إطار عمل جديد للاتصالات الضوئية في الفضاء الحر (FSO) يهدف إلى معالجة التحديات التي تفرضها الاضطرابات الجوية (AT)، والتي تؤثر سلبًا على نقل البيانات لمسافات طويلة. الطرق التقليدية، مثل نقل الشعاع الغاوسي وتقنيات المعادلة الأساسية، غير كافية للتكيف في الوقت الحقيقي مع هذه الاضطرابات. يدمج الإطار المقترح أشعة الضوء الهيكلية المقاومة (بما في ذلك أوضاع بيسل، وآيري، والزخم الزاوي المداري)، والبصريات التكيفية (AO)، وتقنيات معالجة الإشارة المتقدمة. يتم استخدام نظام استدلال ضبابي عصبي ديناميكي (DNFIS) لتحقيق المعادلة القوية، بينما يتم استخدام شبكة عصبية تلافيفية عميقة مع توليد تسلسل الارتباط في المجال الزمني (DCNN-TCSGm) للتنبؤ بتأثيرات الاضطراب والتعويض عنها في الوقت الحقيقي. يتضمن الإطار أيضًا تعدد الإرسال القائم على السطح البصري OAM مع دمج تقسيم الطول الموجي (WDM) في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، مما يعزز بشكل كبير من الإنتاجية الطيفية والمكانية.
تشير نتائج المحاكاة إلى أن النظام المقترح يحقق تقليصًا بنسبة 55% في معدل خطأ البت (BER)، وزيادة بنسبة 22% في استقرار جهد الإشارة، وزيادة تصل إلى 10 ديسيبل في الطاقة مقارنة بأنظمة تقسيم الوضع التقليدية (MDM)-FSO وأنظمة المعادلة المرتدة للقرار (DFE). تستنتج الدراسة أن دمج أشعة الضوء الهيكلية وتقنيات التحسين الذكي لا يحسن فقط من المقاومة ضد AT ولكن أيضًا يعزز الأداء العام لشبكات الاتصالات الضوئية FSO. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف تقنيات التعلم الآلي المتقدمة للتخفيف من الاضطرابات في الوقت الحقيقي واستراتيجيات التعدد الهجين لتحسين الإنتاجية والموثوقية في أنظمة الاتصالات الضوئية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الطلب المتزايد على الشبكات اللاسلكية عالية السرعة المدفوعة بنمو تطبيقات الوسائط المتعددة. يتم تسليط الضوء على الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر (FSO) كحل قابل للتطبيق، حيث تقدم مزايا مثل عرض نطاق غير مرخص كبير، ومعدلات بيانات عالية، وأمان معزز مقارنة بأنظمة الترددات الراديوية التقليدية. ومع ذلك، فإن الاضطرابات الجوية (AT) تمثل تحديات كبيرة، بما في ذلك تجوال الشعاع وتلألؤ الشدة، مما يؤدي إلى تدهور جودة الإشارة وزيادة معدلات خطأ البت (BER)، خاصة في ظروف الطقس السيئة. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تقدم في تكنولوجيا FSO للتغلب على هذه القيود.
لمعالجة نقاط الضعف في أنظمة FSO التقليدية القائمة على الشعاع الغاوسي تجاه التشوهات الجوية، تستكشف الورقة استخدام أشعة الضوء الهيكلية، وخاصة تلك التي تحمل الزخم الزاوي المداري (OAM). تتمتع أشعة OAM بخصائص مثل عدم الانكسار والشفاء الذاتي، مما يجعلها أكثر مقاومة للاضطرابات. يركز البحث على أنواع مختلفة من الأشعة، بما في ذلك أشعة OAM، وأشعة بيسل، وأشعة آيري، ويناقش تقنيات مبتكرة مثل تعديل الدوامة ودمج التنوع التنبؤي (PDC) لتعزيز التعرف على الإشارة والحفاظ على BER تحت ظروف الاضطراب. تشير النتائج إلى أن نقل أوضاع OAM المتعددة يمكن أن يحقق معدلات بيانات عالية، وأن دمج الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة الضوئية (OCDMA) يعزز كفاءة الاتصالات، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة في سيناريوهات الطقس القاسية. بشكل عام، تضع الورقة الأساس للبحث المستقبلي في مخططات التعديل المتقدمة وهياكل الشبكات العصبية لتعزيز أنظمة الاتصالات الضوئية FSO.
طرق
تعزز المنهجية المقترحة في هذا البحث أداء الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر (FSO) من خلال دمج أشعة الضوء الهيكلية مع استراتيجيات التخفيف المتقدمة، بما في ذلك البصريات التكيفية (AO)، والتحسين الذكي، ومعالجة الإشارة المتطورة لمعالجة الاضطرابات الجوية (AT). يتم تصوير هيكل النظام في الشكل 1، وتفصل الأقسام الفرعية التالية التصورات التجريبية ونتائج المحاكاة التي تظهر فعالية نظام الاتصالات الضوئية FSO القائم على الزخم الزاوي المداري (OAM) المقترح.
تشير النتائج التجريبية إلى أن النهج المشترك يحافظ بشكل فعال على سلامة الإشارة ويقلل بشكل كبير من التشوهات الناتجة عن AT عبر روابط FSO لمسافات طويلة. تم تحليل أداء معدل خطأ البت (BER) بالنسبة لعدد أوضاع OAM تحت ظروف AT المتغيرة، مما يكشف عن تحسينات كبيرة في تصحيح الأخطاء واستعادة الإشارة بعد تطبيق نظام تعويض الاضطراب القائم على الشبكة العصبية التلافيفية العميقة (DCNN-TCSGm). ومن الملاحظ أن BER انخفض من 0.0032 إلى 0.00144، مما يمثل تحسينًا بنسبة 55%، بينما أظهرت متوسطات الخطأ التربيعي (MSE) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) أيضًا تحسينات كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت محاكاة دمج تقسيم الطول الموجي (WDM) وتعدد الإرسال القائم على OAM زيادة في سعة نقل البيانات لروابط FSO بين الأقمار الصناعية، كما هو موضح في الشكل 9. تؤكد هذه النتائج فعالية المنهجيات المقترحة في التخفيف من عيوب القناة وتعزيز موثوقية أنظمة النقل الضوئي القائمة على OAM.
نتائج
تقدم هذه القسم تقييم أداء قائم على المحاكاة للإطار المقترح لأنظمة الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر (FSO). نظرًا للتعقيدات والتكاليف المرتبطة بنشر أنظمة FSO متعددة المكونات في العالم الحقيقي، تم استخدام المحاكاة لتسهيل تحليل منظم وقابل للتكرار للتفاعلات المعقدة داخل النظام. تم إجراء تقييم الأداء تحت ظروف مختلفة من الاضطرابات الجوية، باستخدام نماذج معتمدة للاضطراب وانتشار الشعاع.
تشير النتائج إلى تحسينات كبيرة في جودة الإشارة ومعدل البيانات وموثوقية الرابط عند مقارنتها بالأنظمة التقليدية. تم تنفيذ جميع المحاكاة باستخدام MATLAB R2023a. تختتم هذه القسم بمناقشة الخطوات اللازمة نحو التحقق التجريبي من النتائج.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على مختلف التقدمات والتحديات في الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر (FSO)، مع التركيز بشكل خاص على تأثير الاضطرابات الجوية على جودة الإشارة وإمكانية أشعة الضوء الهيكلية، مثل أوضاع الزخم الزاوي المداري (OAM)، لتعزيز نقل البيانات. تشمل النتائج الرئيسية دمج واجهات آيري لاستقبال متساوي المقياس، والتي تهدف إلى التخفيف من تقلبات الطاقة تحت الاضطراب القوي، واستخدام قنوات OAM متعددة مع الترميز المسبق لتحسين مكاسب التنوع وتقليل التلاشي في الروابط المتعددة. ومع ذلك، تظل قضايا مثل تعقيد التزامن وقابلية التوسع المحدودة لمصفوفات الهوائيات الكبيرة عقبات كبيرة.
تؤكد الورقة أيضًا على ضرورة وجود تقنيات معادلة قوية في أنظمة MIMO-DWDM-FSO، خاصة تحت ظروف الاضطراب، وتناقش قيود نماذج التعلم العميق الحالية للتعويض عن الاضطراب في الوقت الحقيقي. ومن الجدير بالذكر أن المؤلفين يقترحون إطار عمل جديد للاتصالات الضوئية يجمع بين البصريات التكيفية وتقنيات معالجة الإشارة المتقدمة، بما في ذلك شبكة عصبية تلافيفية عميقة (DCNN) لتقدير قناة الاضطراب التنبؤية. يهدف هذا الإطار إلى تعزيز المقاومة ومعدل البيانات لروابط FSO، مما يعالج التحديات التي تفرضها التشوهات الجوية ويمكّن الاتصالات بين الأقمار الصناعية ذات السعة العالية. بشكل عام، تساهم الورقة في الاستكشاف المستمر للنهج الهجينة لتحسين موثوقية وكفاءة أنظمة FSO في ظروف بيئية متنوعة.
القيود
تقدم الدراسة إثبات مفهوم شامل قائم على المحاكاة؛ ومع ذلك، فإنها محدودة بغياب التحقق التجريبي في ظروف جوية حقيقية. لمعالجة ذلك، سيركز البحث المستقبلي على تطوير نموذج أولي على نطاق المختبر يستخدم شاشة مرحلة اضطراب قابلة للبرمجة، ومعدلات ضوء مكانية (SLMs) لتوليد شعاع ديناميكي، وكاشفات متماسكة عالية النطاق للتحقق تجريبيًا من تحسينات الأداء المتوقعة.
بالإضافة إلى ذلك، ستستكشف الجهود التجريبية والانتشار اللاحقة التحديات المتعلقة بالتكامل العملي، بما في ذلك متطلبات المحاذاة الصارمة لأوضاع الزخم الزاوي المداري (OAM) عالية الترتيب ودمج البصريات التكيفية ضمن أنظمة التوجيه والاكتساب والتتبع (PAT) القوية. ستهدف هذه المرحلة أيضًا إلى تحديد وتخفيف القضايا المتعلقة بزمن تأخير الأجهزة، ودقة المحاذاة، وعدم المثالية للمكونات التي لم يتم أخذها في الاعتبار في المحاكاة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40704-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41748699
Publication Date: 2026-02-26
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Optical Wireless Communication Technologies
Overview
The research paper presents a novel framework for free-space optical (FSO) communication aimed at addressing the challenges posed by atmospheric turbulence (AT), which adversely affects long-distance data transmission. Traditional methods, such as Gaussian beam transmission and basic equalization techniques, are insufficient for real-time adaptation to these disturbances. The proposed framework integrates resilient structured light beams (including Bessel, Airy, and orbital angular momentum modes), adaptive optics (AO), and advanced signal processing techniques. A Dynamic Neural Fuzzy Inference System (DNFIS) is employed for robust equalization, while a Deep Convolutional Neural Network with Time-domain Correlation Sequence Generation (DCNN-TCSGm) is utilized to predict and compensate for turbulence effects in real time. The framework also incorporates optical metasurface-based OAM multiplexing combined with Wavelength Division Multiplexing (WDM) in the mid-infrared range, significantly enhancing spectral and spatial throughput.
Simulation results indicate that the proposed system achieves a 55% reduction in Bit Error Rate (BER), a 22% increase in signal voltage stability, and up to 10 dB power gain compared to conventional Mode Division Multiplexing (MDM)-FSO and Decision Feedback Equalizer (DFE) systems. The study concludes that the integration of structured light beams and intelligent optimization techniques not only improves resilience against AT but also enhances the overall performance of FSO communication networks. Future research directions include the exploration of advanced machine learning techniques for real-time turbulence mitigation and hybrid multiplexing strategies to further improve throughput and reliability in optical communication systems.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the increasing demand for high-speed wireless networks driven by the growth of multimedia applications. Free-space optical (FSO) communication is highlighted as a viable solution, offering advantages such as large unlicensed bandwidth, high data rates, and enhanced security compared to traditional radio frequency systems. However, atmospheric turbulence (AT) presents significant challenges, including beam wander and intensity scintillation, which degrade signal quality and increase bit error rates (BER), particularly in adverse weather conditions. The paper emphasizes the need for advancements in FSO technology to overcome these limitations.
To address the vulnerabilities of conventional Gaussian beam FSO systems to atmospheric distortions, the paper explores the use of structured light beams, particularly those carrying Orbital Angular Momentum (OAM). OAM beams exhibit properties such as non-diffraction and self-healing, making them more resilient to turbulence. The research focuses on various beam types, including OAM, Bessel, and Airy beams, and discusses innovative techniques like vortex modulation and predictive diversity combining (PDC) to enhance signal recognition and maintain BER under turbulent conditions. The findings indicate that multi-OAM-mode transmission can achieve high data rates, and the integration of optical code division multiple access (OCDMA) further improves communication efficiency, although challenges remain in extreme weather scenarios. Overall, the paper sets the stage for future research into advanced modulation schemes and neural network architectures to enhance FSO communication systems.
Methods
The proposed methodology in this research enhances free-space optical (FSO) communication performance by integrating structured light beams with advanced mitigation strategies, including adaptive optics (AO), intelligent optimization, and sophisticated signal processing to address atmospheric turbulence (AT). The architecture of the system is depicted in Figure 1, and the subsequent subsections detail the experimental visualizations and results of simulations that demonstrate the efficacy of the proposed orbital angular momentum (OAM)-based FSO communication system.
The experimental results indicate that the combined approach effectively preserves signal integrity and significantly reduces distortions caused by AT over long-distance FSO links. The bit error rate (BER) performance was analyzed concerning the number of OAM modes under varying AT conditions, revealing substantial improvements in error correction and signal recovery after applying the deep convolutional neural network-based turbulence compensation scheme (DCNN-TCSGm). Notably, the BER decreased from 0.0032 to 0.00144, representing a 55% improvement, while the mean squared error (MSE) and signal-to-noise ratio (SNR) also showed significant enhancements. Additionally, simulations of combined wavelength division multiplexing (WDM) and OAM-based multiplexing/demultiplexing demonstrated increased data transmission capacity for inter-satellite FSO links, as illustrated in Figure 9. These findings underscore the effectiveness of the proposed methodologies in mitigating channel impairments and enhancing the reliability of OAM-based optical transmission systems.
Results
The section presents a simulation-based performance evaluation of the proposed framework for free-space optical (FSO) communication systems. Given the complexities and costs associated with real-world multi-component FSO deployments, simulations were employed to facilitate a controlled and repeatable analysis of the intricate interactions within the system. The performance assessment was conducted under various atmospheric turbulence conditions, utilizing established models for turbulence and beam propagation.
The results indicate substantial enhancements in signal quality, data rate, and link reliability when compared to conventional systems. All simulations were executed using MATLAB R2023a. The section concludes with a discussion on the necessary steps toward experimental validation of the findings.
Discussion
The discussion section of the paper highlights various advancements and challenges in Free Space Optical (FSO) communication, particularly focusing on the impact of atmospheric turbulence on signal quality and the potential of structured light beams, such as Orbital Angular Momentum (OAM) modes, to enhance data transmission. Key findings include the integration of Airy wavefronts for co-scale reception, which aims to mitigate power fluctuations under strong turbulence, and the use of multiple OAM channels with precoding to improve diversity gain and minimize fading in multiplexed links. However, issues such as synchronization complexity and limited scalability of large antenna arrays remain significant hurdles.
The paper also emphasizes the necessity for robust equalization techniques in MIMO-DWDM-FSO systems, particularly under turbulent conditions, and discusses the limitations of existing deep learning models for real-time turbulence compensation. Notably, the authors propose a novel optical communication framework that combines adaptive optics with advanced signal processing techniques, including a Deep Convolutional Neural Network (DCNN) for predictive turbulence channel estimation. This framework aims to enhance the resilience and data rate of FSO links, addressing the challenges posed by atmospheric distortions and enabling high-capacity inter-satellite communications. Overall, the paper contributes to the ongoing exploration of hybrid approaches for improving the reliability and efficiency of FSO systems in diverse environmental conditions.
Limitations
The study presents a comprehensive simulation-based proof-of-concept; however, it is limited by the lack of experimental validation in real atmospheric conditions. To address this, future research will focus on developing a laboratory-scale prototype that employs a programmable turbulence phase screen, spatial light modulators (SLMs) for dynamic beam generation, and high-bandwidth coherent detectors to empirically validate the anticipated performance improvements.
Additionally, subsequent experimental and deployment efforts will explore practical integration challenges, including the stringent alignment requirements for high-order orbital angular momentum (OAM) modes and the incorporation of adaptive optics within robust pointing, acquisition, and tracking (PAT) subsystems. This phase will also aim to identify and mitigate issues related to hardware latency, alignment precision, and the non-idealities of components that were not accounted for in the simulations.