اختر اللغة

التضمين المعقد رباعي وثنائي الصمام الثنائي الباعث للضوء للاتصالات الضوئية المرئية: التحليل والإطار النظري

تحليل تقنيات تضمين معقدة جديدة في المجال المكاني (QCM, DCM, SM-DCM) للاتصالات الضوئية المرئية، بما في ذلك الأداء، وأجهزة الكشف، والتطبيقات المستقبلية.
smdled.org | PDF Size: 0.9 MB
التقييم: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
تقييمك
لقد قيمت هذا المستند مسبقاً
غلاف مستند PDF - التضمين المعقد رباعي وثنائي الصمام الثنائي الباعث للضوء للاتصالات الضوئية المرئية: التحليل والإطار النظري
عرض مستند PDF تحميل PDF ترجمة PDF
الرئيسية » الوثائق » التضمين المعقد رباعي وثنائي الصمام الثنائي الباعث للضوء للاتصالات الضوئية المرئية: التحليل والإطار النظري

جدول المحتويات

1. المقدمة والنظرة العامة

الاتصالات الضوئية المرئية (VLC) هي تقنية ناشئة مكملة للاتصالات اللاسلكية الراديوية، حيث تستفيد من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs) للإضاءة ونقل البيانات على حد سواء. أحد التحديات الرئيسية في هذه التقنية هو توليد إشارات حقيقية موجبة متوافقة مع تضمين شدة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء، الأمر الذي غالباً ما يتطلب تماثلاً هيرميتياً في أنظمة OFDM مما يقلل الكفاءة الطيفية إلى النصف. تقدم هذه الورقة البحثية تقنيات تضمين معقدة جديدة في المجال المكاني تتجاوز هذا القيد.

2. مخططات التضمين المقترحة

المساهمة الأساسية هي ثلاثة مخططات تضمين تستغل صمامات ثنائية باعثة للضوء متعددة لنقل رموز معقدة دون الحاجة إلى التماثل الهرميتي.

2.1 التضمين المعقد رباعي الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (QCM)

يستخدم أربعة صمامات ثنائية باعثة للضوء. يتم نقل مقادير الأجزاء الحقيقية والتخيلية للرمز المعقد (مثل QAM) من خلال شدة صمامين. بينما يتم نقل معلومات الإشارة (موجب/سالب) من خلال الفهرسة المكانية – أي اختيار أي زوج محدد من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء يتم تفعيله. وهذا يفصل بين السعة والإشارة في أبعاد فيزيائية مختلفة (الشدة والفضاء).

2.2 التضمين المعقد ثنائي الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (DCM)

مخطط أكثر كفاءة يستخدم صمامين فقط. يستغل التمثيل القطبي للرمز المعقد $s = re^{j\theta}$.

هذا يعين مباشرة المعاملات الطبيعية للرمز المعقد إلى قنوات فيزيائية متميزة.

2.3 التضمين المكاني ثنائي الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (SM-DCM)

تحسين يجمع بين DCM ومبادئ التضمين المكاني (SM). يستخدم النظام كتلتين من DCM (كل منهما تحتوي على صمامين). بت فهرسة إضافي يحدد أي كتلة DCM تكون نشطة في استخدام قناة معين. وهذا يضيف بُعداً مكانياً لنقل بيانات إضافية، مما يحسن الكفاءة الطيفية.

3. التفاصيل التقنية ونموذج النظام

3.1 الصياغة الرياضية

لنفترض رمز تضمين معقد $s = s_I + j s_Q$. ولتكن $\mathbf{x} = [x_1, x_2, ..., x_N]^T$ هي متجه الشدات لعدد $N$ من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء.

لـ QCM ($N=4$): التعيين يضمن $x_i \ge 0$. إشارة $s_I$ و $s_Q$ تحدد نمطاً مكانياً محدداً (اختيار زوج الصمامات). على سبيل المثال: $\text{If } s_I \ge 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [|s_I|, |s_Q|, 0, 0]^T$ $\text{If } s_I < 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [0, |s_Q|, |s_I|, 0]^T$ وهكذا.

لـ DCM ($N=2$): لنفترض $s = re^{j\theta}$، حيث $r \ge 0$، $\theta \in [0, 2\pi)$. تعيين محتمل هو: $x_1 = r$ (صمام المقدار) $x_2 = \frac{\theta}{2\pi} \cdot P_{avg}$ (صمام الطور، مضروباً في متوسط القدرة)

3.2 تصميم كاشف الإشارة

تقدم الورقة البحثية كاشفين للمخططات المقترحة في إطار OFDM (QCM-OFDM, DCM-OFDM):

  1. كاشف الإلغاء الصفري (ZF): كاشف خطي يعكس مصفوفة القناة. بسيط ولكنه قد يضخم الضوضاء. متجه الرمز المقدر $\hat{\mathbf{s}}_{ZF} = (\mathbf{H}^H\mathbf{H})^{-1}\mathbf{H}^H \mathbf{y}$، حيث $\mathbf{H}$ هي مصفوفة القناة MIMO و $\mathbf{y}$ هو متجه الإشارة المستقبلة.
  2. كاشف المسافة الدنيا (MD): كاشف غير خطي، أمثل (بمعنى الاحتمالية القصوى للضوضاء البيضاء الغوسية) يجد الرمز المرسل الذي يقلل المسافة الإقليدية إلى الإشارة المستقبلة: $\hat{\mathbf{s}}_{MD} = \arg\min_{\mathbf{s} \in \mathcal{S}} ||\mathbf{y} - \mathbf{H}\mathbf{x}(\mathbf{s})||^2$، حيث $\mathcal{S}$ هي مجموعة جميع الرموز المعقدة الممكنة و $\mathbf{x}(\mathbf{s})$ هو تعيين التضمين.

4. النتائج التجريبية والأداء

تقييم الورقة للأداء من خلال تحليل ومحاكاة معدل الخطأ في البت (BER).

5. إطار التحليل ومثال تطبيقي

إطار لتقييم مخططات تضمين الاتصالات الضوئية المرئية:

  1. الكفاءة الطيفية (بت/ثانية/هرتز): حسابها بناءً على حجم كوكبة الرموز والبتات المكانية (مثلاً، SM-DCM: $\log_2(M) + 1$ بت لكل استخدام قناة، حيث $M$ هو حجم QAM، و +1 هو بت الفهرسة المكاني).
  2. كفاءة القدرة والنطاق الديناميكي: تحليل الخطية المطلوبة للصمامات الثنائية الباعثة للضوء والنطاق الديناميكي لتضمين شدة مكونات المقدار والطور.
  3. تعقيد المستقبل: مقارنة التكلفة الحسابية للكشف بـ ZF مقابل MD، خاصة للتكوينات MIMO الكبيرة.
  4. القدرة على تحمل ظروف القناة: محاكاة الأداء تحت نماذج قنوات اتصالات ضوئية مرئية داخلية مختلفة (مثل انعكاس لامبرتيان، وجود عوائق).
مثال تطبيقي - نقطة اتصال لي-فاي داخلية: لنفترض غرفة بها 4 صمامات ثنائية باعثة للضوء في السقف (مرتبة في مربع). باستخدام SM-DCM مع 16-QAM ($\log_2(16)=4$ بت) وبت فهرسة مكاني واحد (يختار بين كتلتين من DCM كل منهما تحتوي على صمامين)، ينقل النظام 5 بت/استخدام قناة. إذا كان تباعد النطاقات الفرعية لـ OFDM هو 100 كيلوهرتز، فإن معدل البيانات الخام لكل نطاق فرعي هو 500 كيلوبت/ثانية. مع 512 نطاقاً فرعياً، يصل معدل البيانات الإجمالي إلى ~256 ميجابت/ثانية، وهو مناسب للوصول اللاسلكي الداخلي عالي السرعة، دون الحاجة إلى حمل زائد لتماثل هيرميتي.

6. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

7. المراجع

  1. Narasimhan, T. L., Tejaswi, R., & Chockalingam, A. (2016). Quad-LED and Dual-LED Complex Modulation for Visible Light Communication. arXiv preprint arXiv:1510.08805v3.
  2. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE.
  3. Mesleh, R., et al. (2008). Spatial Modulation. IEEE Transactions on Vehicular Technology.
  4. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks--Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. IEEE Std 802.15.7-2018.
  5. O'Brien, D. C., et al. (2008). Visible light communications: Challenges and possibilities. IEEE PIMRC.
  6. Zhu, X., & Kahn, J. M. (2002). Free-space optical communication through atmospheric turbulence channels. IEEE Transactions on Communications.

8. التحليل الأصلي ورؤية الخبراء

الرؤية الأساسية: هذه الورقة البحثية ليست مجرد تعديل تدريجي آخر على تضمين الاتصالات الضوئية المرئية؛ بل هي إعادة تفكير جذرية في مشكلة تحويل الإشارة من "معقدة إلى حقيقية" التي أزعجت VLC-OFDM. من خلال نقل معلومات الإشارة/الطور من مجال الشدة إلى المجال المكاني، يفصل المؤلفون بشكل فعال قيداً رياضياً (التماثل الهرميتي) عن قيد فيزيائي (عدم سلبية الصمامات الثنائية الباعثة للضوء). هذا يذكرنا بالتحول النموذجي الذي قدمه CycleGAN (Zhu et al., 2017) في رؤية الحاسوب، والذي فصل بين ترجمة الأسلوب والمحتوى باستخدام اتساق الدورة بدلاً من البيانات المزدوجة. هنا، الفصل هو بين التمثيل الجبري للإشارة وآلية انبعاثها الفيزيائية.

التسلسل المنطقي والمساهمة: التقدم من QCM (4 صمامات، بديهي لكن ضخم) إلى DCM (صمامان، تعيين قطبي أنيق) إلى SM-DCM (إضافة فهرس مكاني يحمل معلومات) هو تسلسل منطقي حاد. إنه يتبع المسار الهندسي الكلاسيكي: البدء بحل قوة مباشرة، ثم إيجاد تمثيل رياضي أكثر أناقة، ثم إضافة درجة حرية إضافية للكفاءة. المساهمة التقنية الرئيسية هي إثبات أن التمثيل القطري ($r$, $\theta$) يعين بشكل أكثر طبيعية وكفاءة إلى الطبقة الفيزيائية ثنائية الصمامات من التمثيل الديكارتي ($I$, $Q$). هذا يتوافق مع النتائج في MIMO الضخم الراديوي حيث أن تمثيل فضاء الحزمة (الزاوية) غالباً ما يبسط المعالجة.

نقاط القوة والضعف: القوة الرئيسية هي كسب الكفاءة الطيفية – مضاعفتها بشكل فعال مقارنة بـ OFDM القائم على التماثل الهرميتي. تقدم حدود معدل الخطأ في البت ومحيطات المعدل أدلة قابلة للقياس متينة. ومع ذلك، للتحليل نقاط عمياء. أولاً، يفترض معلومات حالة القناة (CSI) المثالية وصمامات ثنائية باعثة للضوء متزامنة، وهو أمر غير بسيط في قنوات اتصالات ضوئية مرئية عملية منتشرة ذات مسارات متعددة. ثانياً، تم التغاضي عن متطلب النطاق الديناميكي لصمام "الطور" في DCM. تعيين طور مستمر $\theta \in [0, 2\pi)$ خطياً إلى الشدة قد يتطلب صمامات ثنائية باعثة للضوء ذات خطية دقيقة على كامل نطاق تشغيلها، وهي نقطة ألم معروفة في الاتصالات الضوئية المرئية التناظرية. ثالثاً، خط الأساس للمقارنة ضيق إلى حد ما. معيار أكثر دقة سيكون ضد تضمين الفهرس OFDM (IM-OFDM) أو OFDM البصري المقصوص بشكل غير متماثل (ACO-OFDM) المتطور تحت نفس قيود القدرة الإجمالية وعرض النطاق الترددي.

رؤى قابلة للتنفيذ: للباحثين والمهندسين: 1. التركيز على DCM، وليس QCM. DCM هو النقطة المثلى. متطلب الصمامين فقط يجعله قابلاً للتطبيق فوراً على العديد من تركيبات الإضاءة لي-فاي الحالية التي غالباً ما تحتوي على شرائح صمامات ثنائية باعثة للضوء متعددة. يجب على الصناعة بناء نماذج أولية لأجهزة إرسال واستقبال DCM. 2. التصميم المشترك مع تقدير القناة. الخطوة الحاسمة التالية هي تطوير خوارزميات تقدير قناة قوية وذات حمل زائد منخفض مصممة خصيصاً لهيكل إشارة DCM، ربما باستخدام رموز طيار مضمنة في تيارات المقدار/الطور بشكل مستقل. 3. استكشاف تعيينات غير خطية. بدلاً من خريطة طور إلى شدة خطية، التحقق من تقنيات الضغط غير الخطية (مستوحاة من ضغط $\mu$-law في الصوت) للتخفيف من مشكلة النطاق الديناميكي للصمامات الثنائية الباعثة للضوء وتحسين كفاءة القدرة. 4. التكامل مع الأجهزة الناشئة. التعاون مع مصنعي الصمامات الثنائية الباعثة للضوء لتصميم مشترك لمصفوفات الصمامات الثنائية الباعثة للضوء الدقيقة حيث يمكن تعديل البكسلات الفردية بشكل مستقل لـ DCM/SM-DCM، مما يخلق تكاملاً سلساً بين الاتصال والعرض – وهو مفهوم أشارت إليه أبحاث أنظمة الاتصال والعرض الضوئي (LiCaD).

في الختام، يوفر هذا العمل طريق هروب نظري سليم وواعد عملياً من قيد التماثل الهرميتي. سيعتمد تأثيره في العالم الحقيقي على معالجة تحديات التنفيذ العملية وجهاً لوجه، والانتقال من النظرية الأنيقة إلى أنظمة قوية موحدة قياسياً.