1. المقدمة والنظرة العامة

برزت اتصالات الضوء المرئي (VLC) كتقنية تكميلية مقنعة للاتصالات اللاسلكية التقليدية (RFC)، وذلك بشكل أساسي لتخفيف ازدحام الطيف. باستخدام الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) المنتشرة في كل مكان للإضاءة ونقل البيانات، تقدم اتصالات الضوء المرئي مزايا مثل الطيف الخالي من الترخيص، والأمان العالي، وغياب التداخل الكهرومغناطيسي. تتناول هذه الورقة تحدياً حاسماً في اتصالات الضوء المرئي: تصميم مخططات تعديل فعالة للأنظمة التي تستخدم مصابيح LED ثلاثية الألوان (RGB). يقترح المؤلفون طريقة جديدة تسمى التعديل المشترك للمعلوماتية المستمرة للون والتردد (DCI-JCFM)، والتي تجمع بشكل مبتكر بين درجات الحرية المتعددة - الأطوال الموجية الضوئية (الألوان)، والناقلات الفرعية الأساسية (التردد)، والانحياز المستمر (DC-bias) - في مشكلة تصميم كوكبة عالية الأبعاد. الهدف الأساسي هو تعظيم الحد الأدنى للمسافة الإقليدية (MED) بين نقاط الكوكبة تحت قيود إضاءة عملية صارمة، وبالتالي تحسين كفاءة الطاقة ومعدل البيانات.

2. المنهجية الأساسية: DCI-JCFM

يمثل مخطط DCI-JCFM تحولاً نموذجياً عن النهج التقليدية المنفصلة حيث يتم تعديل كل قناة لونية لمصباح LED بشكل مستقل.

2.1 فضاء الإشارة عالي الأبعاد

الابتكار الرئيسي هو الاستخدام المشترك لموارد التنوع. يوجد متجه الإشارة المرسلة x في فضاء يتكون من: شدة مصابيح LED الحمراء والخضراء والزرقاء (تنوع اللون)، والسعات على ناقلات فرعية أساسية متعامدة متعددة (تنوع التردد)، ومستوى انحياز مستمر (DC-bias) قابل للتكيف. من خلال تصميم الكوكبات في هذا الفضاء المركب عالي الأبعاد، يستغل المخطط ميزة تعبئة الكرات الأساسية: بالنسبة لطاقة ثابتة، يمكن وضع الكرات (نقاط الكوكبة) على مسافة أبعد في أبعاد أعلى، مما يؤدي إلى حد أدنى أكبر للمسافة الإقليدية (MED) واحتمالية خطأ أقل لنفس الكفاءة الطيفية.

2.2 قيود الإضاءة العملية

على عكس أنظمة الترددات الراديوية (RF)، يجب أن تلبي اتصالات الضوء المرئي أولاً وقبل كل شيء متطلبات الإضاءة. يدمج DCI-JCFM هذه المتطلبات بشكل صارم كقيود تحسين:

  • شدة غير سالبة: يجب أن تكون إشارات تشغيل مصابيح LED موجبة.
  • حد القدرة الضوئية: أقصى شدة مسموح بها لسلامة العين وحدود الجهاز.
  • قيود متوسط اللون: يجب أن يتطابق الضوء المنبعث متوسط الوقت مع نقطة بيضاء مرغوبة (مثل D65) للحصول على إضاءة متسقة.
  • جودة اللون: قيود على مؤشر تجسيد اللون (CRI) والفعالية الإشعاعية المضيئة (LER) لضمان جودة ضوء عالية.

3. الصياغة التقنية والتحسين

3.1 بيان المشكلة غير المحدبة

يتم صياغة تصميم الكوكبة على أنه إيجاد مجموعة النقاط ${ \mathbf{x}_i }_{i=1}^{M}$ التي تعظم الحد الأدنى للمسافة الإقليدية $d_{min}$: $$\max_{\{\mathbf{x}_i\}} d_{min} = \max_{\{\mathbf{x}_i\}} \min_{i \neq j} \| \mathbf{x}_i - \mathbf{x}_j \|$$ مع الخضوع لقيود الإضاءة المذكورة أعلاه وقدرة متوسطة ثابتة (أو بشكل مكافئ، كفاءة طيفية ثابتة). هذه مشكلة تحسين غير محدبة ومعقدة.

3.2 نهج الاسترخاء المحدب

لحل هذه المشكلة المستعصية، يستخدم المؤلفون استراتيجية تحسين. يقومون بإرخاء مشكلة تعظيم الحد الأدنى للمسافة الإقليدية غير المحدبة إلى سلسلة من المشكلات الفرعية المحدبة باستخدام تقنية تقريب خطي. هذا يسمح باستخدام حلول تحسين محدبة فعالة للعثور على تصميم كوكبة عالي الجودة وقابل للتطبيق يحترم جميع القيود العملية.

4. النتائج التجريبية والأداء

4.1 إعداد المحاكاة

يتم تقييم الأداء عبر محاكاة تقارن DCI-JCFM مقابل خط أساس مخطط منفصل حيث يتم تصميم كوكبات مستقلة لكل مصباح LED أحمر وأخضر وأزرق. يتم اختبار ثلاثة سيناريوهات إضاءة واقعية:

  • إضاءة متوازنة: قدرة مستهدفة متساوية للأحمر والأخضر والأزرق.
  • إضاءة غير متوازنة: قدرة مستهدفة مختلفة لكل لون.
  • إضاءة غير متوازنة للغاية: اختلافات شديدة في القدرة، مما يختبر قدرة الخوارزمية على التكيف.
المقاييس الرئيسية هي معدل الخطأ في البت (BER) مقابل نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).

4.2 مكاسب الأداء مقابل المخطط المنفصل

تظهر النتائج مكاسب ملحوظة لـ DCI-JCFM عبر جميع السيناريوهات. بالنسبة لمعدل خطأ مستهدف، يتطلب DCI-JCFM نسبة إشارة إلى ضوضاء أقل، مما يشير إلى كفاءة طاقة فائقة. يكون الكسب أكثر وضوحاً في الحالات غير المتوازنة، حيث يمكن للتحسين المشترك تخصيص طاقة الإشارة ديناميكياً عبر الألوان والترددات لتلبية نقطة اللون المحددة، وهو ما لا يستطيع المخطط المنفصل القيام به بكفاءة. وهذا يترجم إما إلى معدلات بيانات أعلى لنفس جودة الإضاءة أو إضاءة أفضل لنفس معدل البيانات.

النتيجة الرئيسية: يحقق DCI-JCFM انخفاضاً كبيراً في نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة (على سبيل المثال، عدة ديسيبل) مقارنة بخط الأساس المنفصل، مما يؤكد ميزة تعبئة الكرات عالية الأبعاد تحت القيود الواقعية.

5. منظور المحلل: الفكرة الأساسية والنقد

الفكرة الأساسية

هذه الورقة ليست مجرد تعديل آخر على التعديل؛ إنها إعادة هيكلة أساسية لفلسفة تصميم جهاز إرسال اتصالات الضوء المرئي. الفكرة الأساسية هي معاملة الطبقة الفيزيائية الكاملة لمصابيح LED ثلاثية الألوان كمشغل واحد عالي الأبعاد، وليس ثلاث قنوات منفصلة. هذا يعكس التطور في أنظمة MIMO للترددات الراديوية، حيث فتحت المعالجة المشتركة عبر الهوائيات مكاسب هائلة. يطبق DCI-JCFM مبدأ "المشتركة" هذا عبر محاور المجال الضوئي الفريدة: اللون، والتردد، والانحياز. العبقرية الحقيقية هي إجبار هذا التحسين عالي الأبعاد على الخضوع للقواعد العادية ولكن غير القابلة للتفاوض للإضاءة المتمركزة حول الإنسان - إنها رقصة بين نظرية المعلومات والقياس الضوئي.

التدفق المنطقي

المنطق لا تشوبه شائبة: 1) تحديد جميع درجات الحرية القابلة للاستخدام (اللون، التردد، الانحياز المستمر). 2) الاعتراف بفائدة تعبئة الكرات في الأبعاد الأعلى. 3) صياغة مشكلة تعظيم الحد الأدنى للمسافة الإقليدية النهائية. 4) مواجهة الواقع القاسي لقيود الإضاءة (الإيجابية، نقطة اللون، مؤشر تجسيد اللون). 5) استخدام الاسترخاء المحدب لترويض الوحش الحسابي. 6) التحقق من المكاسب مقابل المعيار المنفصل الساذج. التدفق من الميزة النظرية إلى التحسين العملي المقيد واضح ومقنع.

نقاط القوة والضعف

نقاط القوة: نمذجة القيود الشاملة هي من الطراز العالمي. دمج مؤشر تجسيد اللون والفعالية الإشعاعية المضيئة ينقل العمل من تمرين اتصالات فقط إلى تصميم حقيقي متعدد التخصصات. تثبت مكاسب الأداء في السيناريوهات غير المتوازنة القيمة العملية للطريقة، حيث أن التوازن المثالي للألوان نادر في الإعدادات الواقعية. الارتباط بالهندسة عالية الأبعاد أنيق وأساسه سليم.

العيوب والفجوات: الفيل في الغرفة هو التعقيد الحسابي. الاسترخاء المحدب، رغم ذكائه، لا يزال على الأرجح ثقيلاً للتكيف في الوقت الفعلي. الورقة صامتة بشأن زمن الوصول والحمل المعالجة. ثانياً، يُفترض أن القناة مثالية أو بسيطة. في الغرف الحقيقية، مع الانعكاسات واستجابات الطيف المختلفة للكاشف الضوئي، تتزاوج أبعاد "اللون" وتتشوه. ما مدى متانة DCI-JCFM أمام مثل هذه الانحرافات العملية للقناة؟ هذا يحتاج إلى اختبار صارم. أخيراً، تتم المقارنة مقابل خط أساس ضعيف. سيكون المعيار الأكثر صعوبة هو أحدث مخططات OFDM الضوئية المقطوعة بشكل غير متماثل (ACO-OFDM) أو المخططات المماثلة المعدلة لمصابيح LED ثلاثية الألوان.

رؤى قابلة للتنفيذ

للبحث والتطوير الصناعي: توقفوا عن تصميم اتصالات مصابيح LED ثلاثية الألوان لوناً واحداً في كل مرة. يجب أن تدمج أنظمة النماذج الأولية برامج تصميم الإضاءة مع خوارزميات الاتصال من البداية. استثمروا في محركات التحسين التي يمكنها التعامل مع هذه القيود المشتركة في الوقت شبه الفعلي، ربما باستخدام التعلم الآلي للحصول على تقريب أسرع.

للباحثين: الخطوة التالية هي DCI-JCFM الديناميكي. هل يمكن للكوكبة أن تتكيف في الوقت الفعلي مع متطلبات الإضاءة المتغيرة (مثل التعتيم، تحولات درجة حرارة اللون) أو ظروف القناة؟ علاوة على ذلك، استكشف التكامل مع طرق تصميم الكوكبات القائمة على الشبكات العصبية الناشئة، مثل تلك المستوحاة من مفاهيم المشفر التلقائي في الترددات الراديوية، والتي يمكن أن تتعلم التعيينات المثلى مباشرة من القيود وبيانات القناة، مما قد يتجاوز التحسين المعقد. يوفر عمل O'Shea et al. حول "مقدمة في التعلم العميق للطبقة الفيزيائية" (IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking، 2017) إطاراً ذا صلة لمثل هذا النهج.

6. الغوص التقني العميق

6.1 الإطار الرياضي

يمكن نمذجة إشارة الإرسال للون مصباح LED $k$-th ($k \in \{R, G, B\}$) على النحو التالي: $$s_k(t) = P_{dc,k} + \sum_{n=1}^{N_{sc}} a_{k,n} \cos(2\pi f_n t + \phi_{k,n})$$ حيث $P_{dc,k}$ هو الانحياز المستمر المعلوماتي (انحراف رئيسي عن أنظمة الانحياز الثابت)، $N_{sc}$ هو عدد الناقلات الفرعية، و $a_{k,n}, \phi_{k,n}$ هما السعة والطور للناقلة الفرعية $n$-th على اللون $k$-th. يقوم متجه x في مشكلة التحسين بتسلسل جميع هذه المعلمات القابلة للتعديل: $\mathbf{x} = [P_{dc,R}, ..., P_{dc,B}, a_{R,1}, \phi_{R,1}, ..., a_{B,N_{sc}}, \phi_{B,N_{sc}}]^T$ بإجمالي $D = 3 + 6N_{sc}$ بُعداً.

6.2 نمذجة القيود

يضمن قيد متوسط اللون أن إحداثيات اللونية متوسط الوقت $(\bar{x}, \bar{y})$ تتطابق مع النقطة البيضاء المستهدفة $(x_t, y_t)$، المستمدة من المكونات المستمرة وتوزيعات القدرة الطيفية لمصابيح LED $\Phi_k(\lambda)$: $$\bar{x} = \frac{\sum_k P_{dc,k} \int \Phi_k(\lambda) \bar{x}(\lambda) d\lambda}{\sum_k P_{dc,k} \int \Phi_k(\lambda) \bar{y}(\lambda) d\lambda}, \quad \text{الهدف: } \bar{x} \approx x_t$$ وبالمثل لـ $\bar{y}$. قيد مؤشر تجسيد اللون أكثر تعقيداً، وغالباً ما يتطلب أن يتجاوز مؤشر CRI المحسوب $R_a$ عتبة معينة (مثل $R_a > 80$)، وهي دالة غير خطية للطيف الكامل، تم تقريبها هنا عبر مزيج مصابيح LED.

7. إطار التحليل: حالة مفاهيمية

السيناريو: تصميم نظام اتصالات ضوء مرئي لمكتب حديث يتطلب إضاءة ديناميكية - أبيض بارد (6500K) لفترات التركيز وأبيض دافئ (3000K) للاسترخاء - مع الحفاظ على رابط بيانات عالي السرعة ثابت.

قيد المخطط المنفصل: تم تصميم كوكبة كل مصباح LED لنقطة لون ثابتة واحدة. سيتطلب تبديل درجة حرارة اللون إعادة حساب وربما إعادة مزامنة ثلاث كوكبات مستقلة، مما قد يتسبب في انقطاع خدمة البيانات أو يتطلب فترات حماية معقدة.

تطبيق DCI-JCFM: تم تصميم الكوكبة عالية الأبعاد مع قيد متوسط اللون كمعلمة متغيرة. يمكن حل مشكلة التحسين خارج الخط لمجموعة من نقاط اللون المستهدفة $(x_{t,1}, y_{t,1}), (x_{t,2}, y_{t,2})$، إلخ، مما يولد مجموعة مقابلة من قواميس رموز الكوكبة. لتبديل وضع الإضاءة، يقوم جهاز الإرسال ببساطة بتبديل قاموس الرموز النشط. نظراً لأن التحسين نظر بشكل مشترك في جميع الألوان والترددات لتلك النقطة البيضاء المحددة، يتم الحفاظ على كل من أداء الاتصال الأمثل والإضاءة المثالية بسلاسة أثناء الانتقال. يوضح هذا الإطار مدى ملاءمة DCI-JCFM الفطرية لـ شبكات الإضاءة التكيفية المتمركزة حول الإنسان.

8. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

  • LiFi في البيئات الذكية: التكامل مع أنظمة إنترنت الأشياء والمباني الذكية، حيث يمكّن DCI-JCFM الإضاءة من توفير اتصال بيانات، وضبط راحة الإنسان، وحتى تحديد المواقع الداخلي عبر إشارات مشفرة بالألوان في وقت واحد.
  • اتصالات الضوء المرئي تحت الماء (UVLC): تمتص أنواع المياه المختلفة الألوان بشكل مختلف. يمكن لـ DCI-JCFM تحسين أوزان الطول الموجي (اللون) والتعديل ديناميكياً لتعظيم المدى ومعدل البيانات في ظروف المياه المتغيرة.
  • التكامل مع القياسات الحيوية والاستشعار: يمكن استخدام التحكم التكيفي في الانحياز المستمر واللون لتنفيذ تعديل ضوئي خفي وغير محسوس لمراقبة وجود القاطنين، ومعدل ضربات القلب (عبر مقياس التأكسج النبضي الضوئي)، أو القياسات الحيوية الأخرى، كل ذلك أثناء نقل البيانات.
  • التصميم القائم على التعلم الآلي: يجب أن يستفيد العمل المستقبلي من التعلم المعزز العميق (DRL) أو الشبكات الخصومية التوليدية (GANs) لتعلم تعيينات الكوكبة المثلى تحت القيود، مما يقلل من الحمل الحسابي عبر الإنترنت. يشير نجاح مثل هذه النهج في تصميم أشكال الموجات للترددات الراديوية، كما هو موثق في موارد جمعية معالجة الإشارات IEEE، إلى إمكانات عالية لاتصالات الضوء المرئي.
  • التوحيد القياسي: يوفر هذا العمل أساساً تقنياً قوياً لمعايير اتصالات الضوء المرئي المستقبلية (مثل ما بعد IEEE 802.15.7) التي تفرض النظر المشترك في جودة الاتصال والإضاءة.

9. المراجع

  1. Gao, Q., Wang, R., Xu, Z., & Hua, Y. (السنة). DC-Informative Joint Color-Frequency Modulation for Visible Light Communications. IEEE Journal/Conference on [مصدر PDF].
  2. Karunatilaka, D., Zafar, F., Kalavally, V., & Parthiban, R. (2015). LED Based Indoor Visible Light Communications: State of the Art. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 17(3), 1649-1678.
  3. O'Brien, D. C., et al. (2008). Visible Light Communications: Challenges and Possibilities. IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC).
  4. O'Shea, T., & Hoydis, J. (2017). An Introduction to Deep Learning for the Physical Layer. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, 3(4), 563-575.
  5. IEEE Signal Processing Society. (بدون تاريخ). Machine Learning for Signal Processing. تم الاسترجاع من https://signalprocessingsociety.org
  6. Komine, T., & Nakagawa, M. (2004). Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50(1), 100-107.
  7. Goodfellow, I., et al. (2014). Generative Adversarial Nets. Advances in Neural Information Processing Systems (NeurIPS). (رابط مفاهيمي للتصميم التوليدي).