شبكات عالية السرعة تعتمد على الألياف الضوئية

يرتبط التزايد المستمر في عدد أجهزة الاستشعار عالية الأداء داخل المركبات الحديثة بارتفاع متسارع في متطلبات نقل البيانات بسرعات فائقة. وفي هذا السياق، تمثل وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية مثل KD7251 نقلة نوعية في بنية الاتصال داخل السيارات.

تشهد صناعة السيارات تحولًا جذريًا مدفوعًا بمتطلبات متزايدة لنقل البيانات بسرعة وموثوقية أعلى. فمع التوجه نحو السيارات الذاتية القيادة وتكامل عدد متزايد من أجهزة الاستشعار عالية الكفاءة، تبرز الحاجة الملحّة إلى شبكات اتصالات داخلية عالية السرعة. وأصبح تأمين نطاقات ترددية أوسع من أبرز أولويات القطاع، بهدف استيعاب الكمّ الهائل من البيانات التي تنتجها وحدات الاستشعار ووحدات التحكم الإلكترونية (ECU). هذا التحول التقني يستلزم أيضًا إعادة تصميم الهياكل الكهربائية والإلكترونية (E/E) داخل المركبة وتطوير بنية المناطق الداخلية بما يتناسب مع متطلبات الجيل القادم من السيارات الذكية.

التحديات الحالية في اتصالات السيارات

تعتمد صناعة السيارات تقليديًا على التوصيلات النحاسية لنقل البيانات بين أجهزة الاستشعار ووحدات التحكم الإلكترونية داخل المركبة، نظرًا لتكلفتها المنخفضة وتوافرها. ومع ذلك، تواجه هذه التقنية تحديات متزايدة، أبرزها ضعف التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، مما قد يؤدي إلى تداخل الإشارات مع أنظمة إلكترونية أخرى، ويزيد من تعقيد عمليات التصميم والهندسة..

إضافة إلى ذلك، تعاني التوصيلات النحاسية من قيود فيزيائية مثل نصف قطر الانحناء المحدود، وطول الكابل الذي لا يتجاوز نظريًا 15 مترًا، ما يقلص مرونة التصميم ويؤثر على الأداء الكلي واستقرار الاتصالات. كما أن سرعة النقل الحالية التي تبلغ 1 جيجابت/ثانية لم تعد كافية لتلبية متطلبات المركبات الحديثة، التي تعتمد على أنظمة استشعار متقدمة وتبادل بيانات كثيف بين وحدات التحكم عالية الأداء.

تفرض هذه التحديات الحاجة إلى تقنيات اتصال جديدة تواكب تطور السيارات نحو مستويات أعلى من الاستقلالية والتوصيلية. وهنا تبرز الاتصالات البصرية كخيار واعد، خاصة مع توافر ألياف زجاجية متعددة الأوضاع مقاومة للانحناء ومُعتمدة للاستخدام في البيئات الصعبة داخل السيارة. هذه التقنية، التي أثبتت جدواها سابقًا عبر نظام MOST، تمثل اليوم الأساس للبنية التحتية المستقبلية لشبكات الاتصالات عالية الأداء في السيارات.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

تفرض هذه التحديات الحاجة إلى تقنيات اتصال جديدة تواكب تطور السيارات نحو مستويات أعلى من الاستقلالية والتوصيلية. وهنا تبرز الاتصالات البصرية كخيار واعد، خاصة مع توافر ألياف زجاجية متعددة الأوضاع مقاومة للانحناء ومُعتمدة للاستخدام في البيئات الصعبة داخل السيارة. هذه التقنية، التي أثبتت جدواها سابقًا عبر نظام MOST، تمثل اليوم الأساس للبنية التحتية المستقبلية لشبكات الاتصالات عالية الأداء في السيارات.

كابلات الألياف الضوئية ومزاياها. (المصدر: كورنينج)

تمكين الاتصال البصري في أنظمة المركبات الحديثة

يمثل جهاز الإرسال والاستقبال الضوئي الجديد KD7251 من سلسلة KD خطوة متقدمة نحو تعزيز شبكات الاتصالات داخل السيارات. إذ يعتمد الجهاز على الطبقة الفيزيائية BASE-AU ويتوافق تمامًا مع معيار IEEE Std 802.3cz، الذي يحدد مواصفات الاتصالات البصرية متعددة الجيجابت في المركبات عبر كابلات الألياف الضوئية متعددة الأوضاع (MM-GOF). يتميز هذا الحل أحادي الشريحة بدعمه لمعدلات نقل بيانات عالية تصل إلى 2.5 و5 و10 جيجابت في الثانية، ما يجعله مثاليًا لتلبية المتطلبات المتزايدة في السيارات الذكية. كما يتضمن الجهاز وظائف ربط متقدمة، تتيح الربط المباشر بين أجهزة الاستشعار (CSI-2)، والشاشات (DSI-2)، ووحدات المعالجة (PCIe) داخل المركبة — مما يوفر بنية اتصالات موثوقة ومرنة تدعم الابتكارات المستقبلية في أنظمة القيادة الذاتية والتفاعل الذكي داخل السيارة.

الميزات والفوائد الرئيسية

• نقل بيانات فائق السرعة: يتيح KD7251 نقل البيانات بسرعة تصل إلى 10 جيجابت/ثانية عبر ألياف OM3 MM-GOF ثنائية الاتجاه ولمسافات تتجاوز 40 مترًا، مع دعم لما يصل إلى أربع موصلات خطية. كما يعمل بكفاءة ضمن النطاق الكامل لدرجات حرارة المركبات، مما يوفر اتصالًا موثوقًا حتى في البيئات القاسية.
• بنية تحتية قابلة للتطوير: تم تصميم الجهاز ليكون جاهزًا للمستقبل، حيث يمكن استخدام نفس الكابلات والموصلات مع سرعات أعلى مثل 25 و50 جيجابت/ثانية أو أكثر، ما يجعله استثمارًا طويل الأمد يلبي احتياجات النمو في أنظمة الاتصالات داخل المركبات.
• توافق كهرومغناطيسي مدمج: يوفر الجهاز مستوى عالٍ من الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMC) دون الحاجة إلى مكونات خارجية إضافية. ويقلل ذلك من تعقيد التصميم، ويوفر مساحة على لوحة الدوائر، ويُبسط قائمة المواد بفضل الاستغناء عن الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي ومرشحات EMC وخانقات الوضع المشترك.
• دعم التجميع: يتيح دمج البيانات من عدة أجهزة استشعار في قناة بصرية واحدة، سواء على جانب الإرسال أو الاستقبال، مما يُسهم في تبسيط البنية الكهربائية/الإلكترونية وتقليل واجهات النظام المضيف.
• التكرار : يوفر الجهاز إمكانية إرسال نفس البيانات عبر قنوات مختلفة — مثل القناة البصرية وقناة SerDes الكهربائية — مما يعزز من موثوقية الاتصالات في الأنظمة الحساسة، مثل أنظمة السلامة المتقدمة أو أنظمة الترفيه متعددة الشاشات.

موثوقية عالية الجودة في السيارات

يُعد جهاز KD7251 مكوّنًا أصليًا مخصصًا للسيارات، ويدعم مجموعة من الميزات المتقدمة مثل MACsec لأمن البيانات وASIL-B FuSa لسلامة الوظائف وTSN لضمان جودة الخدمة في الشبكات الزمنية وWake-Up & Sleep لتحسين كفاءة الطاقة و دعم إدارة العمليات (OAM)، بالإضافة إلى الموثوقية. يتيح جهاز الإرسال والاستقبال دمج حالات استخدام مثل شبكات إيثرنت متعددة الجيجابت، وطوبولوجيات البوابة النطاقية، واتصالات الهوائي الذكية، وإمكانية الاتصال بالرادار والكاميرات وأجهزة الليدار والشاشات ووحدات الحوسبة المتقدمة.

الألياف الضوئية في الفضاء

نجحت ناسا في دمج تقنيات الألياف الضوئية ضمن بعثاتها الفضائية لأكثر من ثلاثة عقود، حيث بدأ استخدامها منذ عام 1978. وقد أثبتت هذه التقنية كفاءتها العالية في نقل البيانات، بفضل موثوقيتها التشغيلية التي تضمن أداءً مستقرًا وخاليًا من الأعطال طوال مدة المهام الفضائية.

تتمتع أنظمة الألياف الضوئية بعدة مزايا رئيسية مقارنة بالحلول الكهربائية التقليدية، منها:

• تكامل مبسّط بين الأنظمة الفرعية،
• تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وتحسين التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)،
• خفض الوزن الكلي للنظام، وهو عامل بالغ الأهمية في تطبيقات الفضاء.

تُسهم بساطة تركيب الألياف الضوئية في تسريع عمليات الدمج والاختبار، وبالتالي خفض التكاليف الإجمالية. ويُعد توصيل الأنظمة الفرعية بالألياف أكثر كفاءة مقارنة بالكابلات النحاسية، حيث يتم اختبار أجهزة الإرسال والاستقبال بدقة، كما تُجهّز الكابلات الضوئية مسبقًا من حيث القطع والصقل وقياس الأداء لضمان الاتساق والجودة العالية.

علاوة على ذلك، تساهم الألياف الضوئية في القضاء على المشكلات المتعلقة بـ "حلقات التأريض" (Ground Loops)، والتي تُعد من التحديات الشائعة في الأنظمة الكهربائية التقليدية. إذ قد تختلف الجهود الأرضية بين أجزاء المركبة الفضائية بشكل طفيف، مما يؤدي إلى نشوء تيارات غير مرغوب فيها تمر بين الوحدات المختلفة. وقد تتسبب هذه الظاهرة في تعطّل أنظمة سليمة أو في إنتاج بيانات غير دقيقة. من خلال إزالة المسارات الموصلة كهربائيًا بين الأنظمة الفرعية، تعمل الألياف الضوئية على تبسيط تصميم النظام، وتعزيز الموثوقية التشغيلية، والقضاء على هذه المخاطر الكهربائية بشكل فعّال.

من أبرز مزايا أنظمة الألياف الضوئية قدرتها الفائقة على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ومشاكل التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، والتي تمثل تحديًا كبيرًا في الأنظمة الكهربائية التقليدية. وللتخفيف من حدة هذا التداخل، تتطلب الحلول القائمة على الكابلات النحاسية استخدام كابلات محمية وتخطيطًا دقيقًا لمسارات التوصيل. أما الألياف الضوئية، فبفضل طبيعتها العازلة، لا تنقل ولا تستقبل الإشارات الكهرومغناطيسية، مما يُلغي بشكل تام مشاكل مثل السعة الطفيلية، تدهور الإشارة، أو الرنين. هذه الخصائص تُسهم في تبسيط التصميم، وتقليل الحاجة إلى مكونات الحماية المعقدة.

على المستوى الفيزيائي، توفر أنظمة الألياف الضوئية ميزة واضحة في تقليل الوزن مقارنةً بالتوصيلات الكهربائية التقليدية. يتجلى هذا بشكل خاص عند استخدام ناقل ضوئي موحد يغني عن العديد من التوصيلات المخصصة من نقطة إلى نقطة. فعلى سبيل المثال، يمكن استبدال حزمة أسلاك نحاسية تقليدية تزن 10 كيلوجرامات – وتضم العديد من الأزواج المجدولة المحمية – بناقل ألياف ضوئية لا يتجاوز وزنه 0.1 كيلوجرام. يعود هذا التوفير في الوزن بالدرجة الأولى إلى بنية الناقل المركزي، بالإضافة إلى استخدام كابلات الألياف خفيفة الوزن، مما ينعكس إيجابًا على كفاءة التصميم واستهلاك الطاقة.

تتميز أنظمة الألياف الضوئية بقابلية توسع استثنائية تجعلها مثالية لتلبية متطلبات المستقبل. فالبنية التحتية التي تم تصميمها لدعم معدل نقل بيانات يبلغ 1 جيجابت في الثانية يمكن ترقيتها بسهولة لدعم سرعات تصل إلى 100 جيجابت في الثانية، دون الحاجة إلى إضافة ألياف جديدة أو إجراء تعديلات جوهرية على البنية الأساسية. هذا يوفّر مستوى عالٍ من المرونة التقنية في المستقبل.

تُعد الألياف الضوئية الخيار الأول عالميًا في مجال الاتصالات، بفضل كفاءتها العالية وتكلفتها المنخفضة مقارنةً بالأنظمة المعتمدة على النحاس، والتي تم استبدالها تدريجيًا في العديد من القطاعات. وفي صناعة السيارات، يزداد الاعتماد على هذه التكنولوجيا، حيث حلت معايير حديثة مثل Ethernet البصرية (802.3cz) محل تقنيات تقليدية مثل نظام MOST، مما يفتح آفاقًا جديدة لتطوير شبكات الاتصالات داخل المركبات

ولا يقتصر استخدام الألياف الضوئية على صناعة السيارات فحسب، بل أثبتت أيضًا جدارتها في قطاع الفضاء. فبروتوكولات متقدمة مثل SpaceFibre قادرة على الاستفادة من التطورات التقنية والاقتصادية المحققة في قطاع السيارات، لتجاوز التحديات التقليدية التي تواجه أنظمة الفضاء. هذا التكامل التقني بين القطاعين يُمهّد الطريق لمزيد من التوسع في مشاريع استكشاف الفضاء.

تقنيات الاتصال تدعم مستقبل التنقل الذكي

مع التقدم المتسارع في صناعات السيارات والفضاء، تبرز الحاجة المتزايدة إلى حلول اتصال عالية السرعة داخل المركبات. ويُمثل جهاز KD7251 خطوة نوعية في هذا الاتجاه، حيث يوفر بنية تحتية متطورة تدعم الجيل المقبل من المركبات الذكية، المتصلة وذاتية القيادة. بفضل قدرته على نقل البيانات بسرعات تصل إلى 10 جيجابت في الثانية وأكثر، يتيح KD7251 تكاملًا فعالًا بين أجهزة الاستشعار، ووحدات التحكم الإلكترونية، ومكونات النظام الأخرى، مما يساهم في بناء هياكل إلكترونية/كهربائية مناطقية متقدمة. تُعد هذه البنية حجر الأساس لتجارب قيادة أكثر أمانًا وكفاءة، كما تُمهّد الطريق لنظام نقل ذكي يواكب تحديات المستقبل.