سادساً: تقنية بصريات الفضاء الحر

إن أسلاك النحاس التقليدية والكوابل المحورية، التي تصل المباني بمنظومات الهاتف والتلفزة، لا تمتلك السعة اللازمة لحمل الخدمات المتقدمة والتطبيقات المعتمدة على عرض الحزمة الواسع؛ وبالمقابل، فإن مد الألياف البصرية اللازمة لوصل ملايين المستخدمين بالعمود الفقري لشبكة هذه الألياف سيكون مكلفاً (تراوح الكلفة ما بين 100 ألف و500 ألف دولار لكل ميل). ومع أن التقنيات المختلفة لنقل البيانات من دون ألياف، بما فيها تقنية الإرسال بالموجات الميكروية وخطوط الاشتراك الرقمية، تحاول سد هذه الثغرة، إلا أن لبصريات الفضاء الحر Free Space Optics FSO ، التي هي أساسا اتصالات ألياف بصرية من دون ألياف (أنظر صورة اتصالات ضوئية بدون ألياف بصرية)، الحظ الأوفر من النجاح. فقد انتعشت هذه التقنية، مع أنها ابتكرت في سبعينيات القرن العشرين. وهي تعتمد مرسلات/ مستقبلات ليزرية تحت حمراء، منخفضة القدرة، لتسيير البيانات في اتجاهين، بمعدل سرعة يقارب جيجابايت في الثانية. وقد نصب بعض المستثمرين عدة منظومات منها بالمقاس الصغير في مختلف أنحاء العالم (أنظر صورة شبكات ليزر غير مرئية). وتعمل الليزرات تحت الحمراء المنخفضة القدرة بطريقة آمنة لا تضر بالعين. غير أن قدرتها المحدودة تحدّ من مداها؛ وتبعاً لأحوال الطقس، يتفاوت مدى الوصلات ما بين بضعة أبنية وكيلومتر واحد، ومع ذلك، فهذا كاف لإيصال سيل المعلومات عريضة الحزمة إلى العديد من المستخدمين. وبما أن الطقس السيئ، والضباب الكثيف، بصورة أساسية، يمكن أن يقلل مدى الإرسال، فإن الأمر يتطلب أن تتراسل كل عقدة بصرية مرسلة/ مستقبلة مع بضع عُقَد مجاورة في ترتيب شبكي (أنظر شكل التوزيع الشبكي للعقد). ويضمن هذا التوزيع الشبكي إمكان نقل كمّ البيانات الضخم من مراكز نشرهاً إلى جميع المدن أو البلدات أو المناطق نقلا موثوقا.

وتؤمّن تجهيزات بصريات الفضاء الحر المتوافرة تجارياً معدلات نقل بيانات أعلى بكثير مما تؤمنه خطوط الاشتراك الرقمية أو الكوابل المحورية، فهي تتراوح ما بين 10 ميجابايت و1.25 جيجابايت، في الثانية، وهي تكفي تماماً معظم خدمات الحزمة العريضة وتطبيقاتها. ويمكن أن تبلغ كلفة منظومات بصريات الفضاء الحر ما بين ثُلث وعُشْر كلفة التمديدات تحت الأرضية التقليدية للألياف البصرية، إضافة إلى أن مدّ وطمر الكوابل قد يستغرق ما بين ستة أشهر واثني عشر شهرا، في حين يمكن إنشاء وصلة بصريات الفضاء الحر وتشغيلها خلال بضعة أيام.  

باستعمال عقدة الفضاء الحر البصرية المتعددة الإرسال والاستقبال (أنظر شكل وصلة فضاء حر بصرية) في أقصى يسار الشكل، والمركّبة فوق الأبنية في يسار الشكل، يمكن لشبكة عقد قصيرة المدى، وهي وصلات ليزرية ثنائية الاتجاه، أن توسع توزيع البيانات المحملة على الحزمة العريضة إلى البلدات والجوار والمناطق عامة. ولتوضيح أسلوب عمل بصريات الفضاء الحر (أنظر شكل أسلوب عمل وصلة فضاء) يقوم الكاشف الليزري (ب) في المرسل/ المستقبل بتحويل البيانات (أ) وهى في صورة نبضات كهربائية إلى نبضات ضوئية تحت حمراء تسدّد بواسطة عدسة، وتوجه على شكل حزمة (ج) إلى عقدة أخرى موصولة بأنبوب الألياف البصرية متصلة ببناء قريب. تجمع العدسة المستقبلة الموجودة في ذلك المستقبل/ المرسل هذه النبضات الضوئية على كاشف فوتوني (د) يحولها بدوره إلى نبضات كهربائية. تضخَّم النبضات بعدئذ بواسطة مولد إشارة (هـ)، وترسل الإشارات الكهربائية بعد ذلك عبر سلك إلى كاشف ليزري آخر (و) فيكوّدها بصريا لإرسالها عبر أنبوب الألياف البصرية (ز)، الذي هو جزء من العمود الفقري الرئيسي الممتد على كامل البلاد. ثم يحوّل كاشف فوتوني (ط) عند الطرف الآخر من أنبوب الألياف البصرية الإشارات الضوئية مرة ثانية إلى نبضات كهربائية، كي تستعملها الحاسبات الكبيرة عند عقدة ربط إنترنت رئيسية (ى)، تتصل بدورها بمزودي تطبيقات الحزمة العريضة وخدماتها.

وتستعمل بصريات الفضاء الحر معدات وتقنيات وُجدت أصلا لاستخدامها في منظومات كوابل الألياف البصرية، أي التقنية ذاتها التي تستهدف دعمها؛ فتُرسل المعلومات الرقمية على شكل إشارات إلكترونية تشكل كودات الحاسب الثنائية، بواسطة مرسل مثبت فوق سطح منزل أو على نافذة. وبعد صدور النبضات الضوئية عن المرسل، تجمع هذه النبضات بواسطة عدسة، وتُرسل على صورة حزمة ضوئية. وتتبدد قدرة الحزمة مع ازدياد المسافة. وعندما يلتقي جزء من الضوء المرسَل فتحةَ عدسة في مستقبِل (موجود فوق سطح منزل أو على نافذة) تُركّز القدرة الضوئية المجمعة على كاشف فوتوني يحول النبضات إلى إشارات كهربائية ضعيفة. ثم يضخم مستقبل إلكتروني حساس هذه الإشارة الضعيفة، ويعيد توليدها مكملا بذلك وصلة نقل البيانات.

ومع أن الحزمة تحت الحمراء المرسلة ضيقة، فإنها مع ذلك تتفرق مكونة مخروطاً عريضاً، إلى حد ما، لدى وصولها إلى رأس المستقبِل. وتتحدد درجة توسع الحزمة بحجم العدسة المرسِلة، إذ تتناسب عكسياً مع قطرها. ونتيجة لذلك، تتناقص كمية الطاقة التي تصيب العدسة المجمِّعة تناقصاً سريعاً مع ازدياد المسافة، إذ تتناقص الطاقة المستقبَلة تناقصاً يتناسب مع مربع المسافة.

ولزيادة مدى عمل الوصلة، تُستعمل عدسات إرسال كبيرة القطر، مما يُنقص من توسع الحزمة، ويؤدي إلى زيادة الطاقة الضوئية الواصلة إلى عدسة المستقبل.

أبطأت حساسية منظومات بصريات الفضاء الحر للضباب، انتشارها التجاري. فقد تبين أن الضباب، وإلى درجة أقل منه المطر والثلج، يحدّ من المدى الأقصى لوصلة البصريات، إذ يسبب الضباب توهيناً في الطاقة الضوئية المستقبَلة، يتزايد مع ازدياد المسافة؛ ففي ضباب متوسط الكثافة، على سبيل المثال، يمكن أن تفقد الإشارة الضوئية 90% من شدتها كل 50 م. وهذا يعني هدر 99% من الطاقة على مدى 100 م، وتبديد 99.9% بعد اجتيازها مسافة 150 م.

ومن تطبيقات بصريات الفضاء الحر استخدامها كوصلات بيانات عالية السرعة، تربط المستخدمين من رجال أعمال ومستهلكين بمزودي خدمة الإنترنت، وتعيد إشارات الهاتف الخلوي من أبراج الهوائيات المحلية، إلى منشآت مربوطة بشبكة الهاتف العامة، وتحقق الوصل الداخلي السهل لمقاطع من شبكة محلية مقامة في أبنية منفصلة تابعة للمؤسسة، وتدعم الألياف البصرية، حيث تحل محل وصلة كبل ليفي ثانية مدفونة.

لحل مسألة المدى والموثوقية، يمكن تصميم منظومات بصريات الفضاء الحر بأطوال وصلات محدودة على أن تكون جزءاً من شبكة بصرية موصولة فيما بينها، مثل ترتيب شبكة العنكبوت، لتمد خدمة الحزمة العريضة إلى أبنية عديدة ما كانت لتصلها بوصلة واحدة من وصلات بصريات الفضاء الحر لولا هذا الترتيب، بسبب بعدها عن هيكل الألياف البصرية الرئيسي.