दृश्यमान प्रकाश संचार के लिए डीसी सूचना संयुक्त रंग-आवृत्ति मॉड्यूलेशन तकनीक

सामग्री

1. परिचय एवं अवलोकन

दृश्यमान प्रकाश संचार (VLC) स्पेक्ट्रम संतृप्ति की चुनौती का समाधान करने के लिए, पारंपरिक रेडियो फ्रीक्वेंसी संचार (RFC) का एक अत्यंत आशाजनक पूरक प्रौद्योगिकी बन गया है। यह शोध पत्र एक नई तारामंडल आरेख डिजाइन पद्धति प्रस्तावित करता है, जिसेडीसी सूचना संयुक्त रंग-आवृत्ति मॉड्यूलेशन (DCI-JCFM)कहा जाता है, जो लाल/हरा/नीला प्रकाश उत्सर्जक डायोड (RGB LED) का उपयोग करने वाली VLC प्रणालियों के लिए उपयुक्त है। इसकी मूल नवीनता उच्च-आयामी संकेत स्थान के भीतर विविध विविधता संसाधनों - प्रकाश तरंगदैर्ध्य (रंग), आधारबैंड उपवाहक (आवृत्ति), और अनुकूली डीसी पूर्वाग्रह - का संयुक्त उपयोग करने में निहित है, ताकि सख्त प्रकाश व्यवस्था आवश्यकताओं को पूरा करते हुए उत्कृष्ट शक्ति दक्षता और उच्च डेटा दर प्राप्त की जा सके।

2. मूल विधि: DCI-JCFM

DCI-JCFM फ्रेमवर्क का उद्देश्य डिकपल्ड मॉड्यूलेशन योजनाओं की सीमाओं को दूर करना है, जहां प्रत्येक LED को स्वतंत्र रूप से मॉड्यूलेट किया जाता है।

2.1 उच्च-आयामी संकेत स्थान

यह विधि उपलब्ध संसाधनों के कार्तीय गुणनफल से बने उच्च-आयामी स्थान के भीतर एक तारामंडल का निर्माण करती है:

• रंग आयाम:संबंधित LED की R, G, B तरंगदैर्ध्य।
• आवृत्ति आयाम:एकाधिक बेसबैंड सबकैरियर्स के अनुरूप।
• डीसी ऑफसेट आयाम:एक अनुकूली, सूचना-वहन करने वाली डीसी घटक, जो अपनी पारंपरिक गैर-सूचनात्मक भूमिका से परे है।

यह विधि गोले की पैकिंग के मूल सिद्धांत का उपयोग करती है, जहां दिए गए शक्ति बजट के तहत, उच्च-आयामी स्थान नक्षत्र बिंदुओं को अधिक सघनता से व्यवस्थित करने की अनुमति देता है, जिससे उनके बीच की न्यूनतम यूक्लिडियन दूरी (MED) बढ़ जाती है।

2.2 समस्या मॉडलिंग एवं बाध्यताएँ

कॉन्स्टेलेशन डिज़ाइन को एक गैर-उत्तल अनुकूलन समस्या के रूप में तैयार किया गया है, जिसका उद्देश्य एक निश्चित स्पेक्ट्रल दक्षता पर प्रतीक त्रुटि दर को कम करना (या MED को अधिकतम करना) है। महत्वपूर्ण बात यह है कि इसमें कई व्यावहारिक VLC-विशिष्ट बाधाओं को शामिल किया गया है:

• प्रकाश शक्ति बाध्यता:प्रत्येक LED की अधिकतम ड्राइव धारा/प्रकाश तीव्रता को सीमित करें।
• औसत रंग बाध्यता:समय-औसत उत्सर्जित प्रकाश लक्ष्य श्वेत बिंदु (जैसे D65) को पूरा करे ताकि एक समान प्रकाश व्यवस्था प्रभाव प्राप्त हो।
• गैर-नकारात्मकता प्रतिबंध:सभी ड्राइविंग संकेत सकारात्मक होने चाहिए (IM/DD आवश्यकता)।
• प्रकाश गुणवत्ता प्रतिबंध:इसमें प्रकाश गुणवत्ता बनाए रखने के लिए कलर रेंडरिंग इंडेक्स (CRI) और रेडिएंट ल्यूमिनस एफिशिएंसी (LER) आवश्यकताएं शामिल हैं।

3. तकनीकी कार्यान्वयन

3.1 गणितीय ढांचा

एक प्रतीक अवधि के भीतर प्रेषित सिग्नल वेक्टर को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

3.2 अनुकूलन विधि

बहु-बाधा वाले गैर-उत्तल MED अधिकतमीकरण समस्या चुनौतीपूर्ण है। लेखकों ने एक रैखिक सन्निकटन-आधारित शिथिलीकरण तकनीक अपनाई, इसे उत्तल उप-समस्याओं की एक श्रृंखला में परिवर्तित किया, जिन्हें CVX जैसे मानक उत्तल अनुकूलन सॉल्वर का उपयोग करके कुशलतापूर्वक हल किया जा सकता है।

4. प्रयोगात्मक परिणाम और प्रदर्शन

इस पत्र में सिमुलेशन परिणाम प्रस्तुत किए गए हैं, जो DCI-JCFM की तुलना बेसलाइन डीकपल्ड स्कीम (जहां प्रत्येक LED का कॉन्स्टेलेशन मैप अलग से डिज़ाइन किया गया है) से करते हैं। प्रदर्शन का मूल्यांकन तीन प्रकाश व्यवस्था परिदृश्यों के तहत किया गया है:

1. संतुलित प्रकाश व्यवस्था: R, G, B लक्ष्य तीव्रता समान।
2. असंतुलित प्रकाश व्यवस्था: लक्ष्य तीव्रता में मध्यम अंतर मौजूद है।
3. अत्यधिक असंतुलित प्रकाश व्यवस्था: लक्ष्य तीव्रता में स्पष्ट अंतर (उदाहरण के लिए, एक रंग प्रभावी है)।

प्रमुख निष्कर्ष:

• सभी सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) स्तरों पर, DCI-JCFM बिट एरर रेट (BER) के मामले में डिकपल्ड स्कीम से लगातार बेहतर प्रदर्शन करता है।
• प्रदर्शन लाभ असंतुलित और अत्यधिक असंतुलित परिदृश्यों में सबसे स्पष्ट है। यह संयुक्त अनुकूलन के लाभ को उजागर करता है जब प्रकाश व्यवस्था की बाधाएं प्रत्येक रंग चैनल के लिए उपलब्ध शक्ति को असममित रूप से सीमित करती हैं।
• उच्च-आयामी नक्षत्र आरेख शक्ति बजट और ज्यामितीय स्थान को सभी आयामों (रंग, उप-वाहक, DC ऑफसेट) के बीच प्रभावी ढंग से "साझा" करता है, जिससे अलग-अलग अनुकूलित कम-आयामी नक्षत्र आरेखों के योग की तुलना में बड़ा MED प्राप्त होता है।

चार्ट विवरण: एक काल्पनिक BER बनाम SNR चार्ट दो वक्र दिखाएगा। DCI-JCFM वक्र डिकपल्ड स्कीम वक्र से काफी नीचे (बेहतर प्रदर्शन) होगा, और जैसे-जैसे प्रकाश स्थितियाँ अधिक असंतुलित होती जाएँगी, यह अंतर बढ़ता जाएगा।

5. विश्लेषणात्मक ढांचा और केस अध्ययन

VLC मॉड्यूलेशन योजनाओं के मूल्यांकन के लिए ढांचा:

1. संसाधन पहचान: सभी उपलब्ध स्वतंत्रताओं की सूची बनाएं (उदाहरण के लिए, रंग, उपवाहक, स्थानिक प्रवाह, समय स्लॉट, डीसी ऑफसेट)।
2. बाधा मॉडलिंग: सभी व्यावहारिक बाधाओं (प्रकाशिक, विद्युतीय, प्रकाशन गुणवत्ता) को औपचारिक रूप से परिभाषित करें।
3. युग्मन बनाम वियुग्मन: विश्लेषण और संतुलन। वियुग्मन डिज़ाइन को सरल बनाता है लेकिन संभावित संयुक्त लाभ का त्याग करता है। युग्मन जटिलता बढ़ाता है, लेकिन उच्च प्रदर्शन सीमा को अनलॉक कर सकता है।
4. आयामी विश्लेषण: मूल्यांकन करें कि क्या समस्या उच्च-आयामी स्थान (गोला पैकिंग लाभ बनाम अनुकूलन/जटिलता लागत) में रखे जाने से लाभान्वित होती है।
5. बेंचमार्किंग: विभिन्न परिचालन परिदृश्यों में प्रासंगिक आधार रेखाओं (जैसे, वियुक्त डिज़ाइन, अत्याधुनिक समाधान) के साथ तुलना करें।

केस स्टडी - स्मार्ट ऑफिस लाइटिंग: एक ऑफिस पर विचार करें जिसे "वार्म" टोन (अधिक लाल/पीला) वाली सफेद रोशनी की आवश्यकता है। यह एक अत्यधिक असंतुलित रंग लक्ष्य है। डिकपल्ड समाधानों को संभालना मुश्किल होगा क्योंकि ब्लू एलईडी की शक्ति गंभीर रूप से सीमित है। हालांकि, DCI-JCFM अधिक सिग्नल ऊर्जा को लाल और हरे आयामों (इन रंगों पर सबकैरियर्स और डीसी बायस) को आवंटित कर सकता है, जबकि प्रतिबंधित ब्लू आयाम का न्यूनतम उपयोग करता है, या चतुराई से इसे अन्य आयामों के साथ संयोजित करता है, ताकि समग्र रंग लक्ष्य बनाए रखते हुए बेहतर संचार प्रदर्शन प्राप्त किया जा सके।

6. आलोचनात्मक विश्लेषण एवं विशेषज्ञ दृष्टिकोण

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह लेख केवल एक और वृद्धिशील मॉड्यूलेशन सुधार नहीं है; यह VLC डिज़ाइन दर्शन में एक मौलिक बदलाव है। यह सफलतापूर्वक प्रदर्शित करता है कि पारंपरिक रूप से "प्रकाश व्यवस्था कार्य" और "संचार कार्य" को अलग करना एक गलत द्विभाजन है, जिससे प्रदर्शन क्षमता का पूरा उपयोग नहीं हो पाता। डीसी बायस को सूचना वहन करने और सभी उपलब्ध भौतिक आयामों पर संयुक्त अनुकूलन करने के द्वारा, DCI-JCFM RGB LED ट्रांसमीटर को एक एकल, समग्र उच्च-आयामी मॉड्यूलेटर के रूप में देखता है। यह MIMO प्रणालियों में सफलता के समान है, जहां एंटीना के पार संयुक्त प्रसंस्करण ने एकल-एंटीना प्रसंस्करण की तुलना में भारी लाभ प्रदान किया। वास्तविक प्रतिभा इस बात में निहित है कि इस उच्च-आयामी अनुकूलन को मानव-केंद्रित प्रकाश व्यवस्था के कठोर, अरेखीय बाधाओं के अधीन कर दिया गया - एक अत्यंत कठिन समस्या जिसका उन्होंने सीधे सामना किया।

तार्किक प्रवाह: तर्क प्रभावशाली है: 1) VLC के पास अद्वितीय, युग्मित संसाधन (रंग, तीव्रता, अनुकूली बायस) हैं। 2) उच्च-आयामी भरण सैद्धांतिक लाभ प्रदान करता है। 3) व्यावहारिक प्रकाश व्यवस्था अपरिहार्य बाधाएं लागू करती है। 4) इसलिए, एक संयुक्त, बाधित, उच्च-आयामी अनुकूलन समस्या का निर्माण करें। 5) उत्तल शिथिलीकरण विधि का उपयोग करके हल करें। 6) लाभ को सत्यापित करें, विशेष रूप से सबसे सख्त बाधाओं वाले स्थानों पर (असंतुलित प्रकाश व्यवस्था)। प्रेरणा से लेकर मॉडलिंग, समाधान और सत्यापन तक का प्रवाह स्पष्ट और मजबूत है।

लाभ और कमियाँ:

• लाभ: समस्या मॉडलिंग अनुकरणीय है - व्यापक और व्यावहारिक। असंतुलित प्रकाश व्यवस्था पर ध्यान एक उत्कृष्ट स्पर्श है, जो वास्तविक विश्व की गैर-आदर्श परिस्थितियों में इस पद्धति के मूल्य को प्रदर्शित करता है। मूल सूचना सिद्धांत (गोला पैकिंग) से संबंध ठोस है।
• कमियाँ: एक स्पष्ट समस्या जटिलता है। उत्तल शिथिलीकरण और पुनरावृत्त समाधान, हालांकि एक निश्चित नक्षत्र आरेख के लिए ऑफ़लाइन डिज़ाइन के लिए व्यवहार्य हैं, गतिशील वातावरण के अनुकूल नहीं हो सकते हैं। यह पत्र इसकी बहु-उपवाहक पद्धति के शिखर-से-औसत शक्ति अनुपात (PAPR) प्रभाव पर चुप है - यह RFC और VLC में एक ज्ञात चुनौती है, जो अरेखीय विरूपण के माध्यम से लाभ को कम कर सकती है। जैसा कि"OFDM सिस्टम में पीक-टू-औसत पावर रेशियो कमी"(IEEE Transactions on Broadcasting, 2008) जैसे कार्यों द्वारा इंगित किया गया है, उच्च PAPR एक गंभीर व्यावहारिक बाधा है। इसके अलावा, विश्लेषण ने आदर्श रैखिक LED मॉडल माना है, जो वास्तविक RGB LED के महत्वपूर्ण गैर-रैखिक ट्रांसफर फ़ंक्शन से बचता है, जो नक्षत्र आरेख की ज्यामिति और प्रदर्शन को काफी बदल सकता है।

क्रियात्मक अंतर्दृष्टि: उद्योग अनुसंधान और विकास टीमों के लिए: यह अगली पीढ़ी के VLC चिपसेट डिजाइन के लिए एक खाका है। प्राथमिकता कम जटिलता वाले अनुमानित एल्गोरिदम विकसित करनी चाहिए ताकि वास्तविक समय कार्यान्वयन के लिए DCI-JCFM लाभ का 80% कैप्चर किया जा सके। प्रकाश वैज्ञानिकों के साथ सहयोग करें, ताकि अनुकूलन लूप में LED गैर-रैखिकता और रंग विज्ञान बाधाओं को सटीक रूप से मॉडल किया जा सके। शिक्षाविदों के लिए: अगला कदम इस ढांचे में स्थानिक विविधता (एकाधिक LED) को एकीकृत करना है, ताकि ऑप्टिकल MIMO के लिए एक एकीकृत "रंग-स्थान-आवृत्ति" मॉड्यूलेशन सिद्धांत बनाया जा सके। इसके अतिरिक्त, मशीन लर्निंग आधारित सॉल्वर्स की खोज करें (प्रेरित"Deep Learning for Constellation Design"(IEEE JSAC) आदि कार्यों से प्रेरित होकर, गैर-उत्तल, बाधित अनुकूलन समस्याओं को पारंपरिक शिथिलीकरण विधियों की तुलना में अधिक कुशलता से संभालने के लिए।

7. भविष्य के अनुप्रयोग एवं शोध दिशाएँ

• गतिशील वातावरण में Li-Fi: Integration with smart lighting systems where color temperature is adjusted throughout the day (e.g., circadian lighting). DCI-JCFM can adjust its constellation diagram in real-time to maintain optimal data rates under varying color constraints.
• Underwater Visible Light Communication (UVLC): Different wavelengths (colors) experience vastly different attenuation in water. The non-uniform illumination framework of DCI-JCFM is well-suited for optimizing communication through the "blue-green window" while providing necessary illumination for underwater operations.
• VLC in Precision Agriculture: In plant factories using specific light recipes (e.g., red/blue heavy spectrum for lettuce growth), DCI-JCFM can enable wireless sensor networks and control data transmission without interfering with precise photosynthetic light requirements.
• Human-Centric and Biomedical Sensing: भविष्य की प्रणालियाँ संचार, मानव कल्याण और यहाँ तक कि स्वास्थ्य संवेदन (जैसे, प्रकाश के सूक्ष्म परावर्तन परिवर्तनों का उपयोग करके) के लिए प्रकाश व्यवस्था का सहयोगात्मक डिजाइन कर सकती हैं। DCI-JCFM का बाधा-जागरूक ढांचा इस प्रकार के बहु-उद्देश्यीय अनुकूलन के लिए गणितीय आधार प्रदान करता है।
• अनुसंधान दिशा - हार्डवेयर दोष: महत्वपूर्ण भविष्य के कार्यों को LED अरैखिकता, तापमान के साथ तरंगदैर्ध्य का विचलन और उच्च-आयामी नक्षत्र आरेखों पर उम्र बढ़ने के प्रभाव को हल करना चाहिए। मजबूत और अनुकूली डिजाइन तकनीकें महत्वपूर्ण होंगी।
• अनुसंधान दिशा - मानकीकरण: DCI-JCFM का सिद्धांत भविष्य के VLC मानकों (उदाहरण के लिए, IEEE 802.15.7 से परे) के लिए एक संदर्भ प्रदान कर सकता है, जिससे स्पेक्ट्रम के प्रभावी उपयोग और प्रकाश व्यवस्था के साथ सह-अस्तित्व को बढ़ावा मिलता है।

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