दृश्यमान प्रकाश संचार के लिए चार-LED और दो-LED जटिल मॉड्यूलेशन: विश्लेषण और ढांचा

सामग्री सूची

1. परिचय एवं अवलोकन

Visible Light Communication (VLC) एक उभरती हुई तकनीक है जो RF संचार के पूरक के रूप में कार्य करती है और LED का उपयोग प्रकाश व्यवस्था एवं डेटा संचरण दोनों के लिए एक साथ करती है। VLC में एक प्रमुख चुनौती धनात्मक वास्तविक-मान सिग्नल उत्पन्न करना है जो LED तीव्रता मॉडुलन के अनुकूल हो, जिसके लिए आमतौर पर OFDM प्रणालियों को हर्मिटियन सममिति अपनानी पड़ती है, जिससे स्पेक्ट्रम दक्षता आधी रह जाती है। यह शोध पत्र नवीन स्थानिक डोमेन जटिल संख्या मॉडुलन तकनीक प्रस्तावित करता है जो इस सीमा को दरकिनार करती है।

2. प्रस्तावित मॉड्यूलेशन योजना

मुख्य योगदान तीन मॉड्यूलेशन योजनाएं हैं, जो हर्मिटियन समरूपता की आवश्यकता के बिना जटिल प्रतीकों को प्रसारित करने के लिए कई एलईडी का उपयोग करती हैं।

2.1 चार एलईडी जटिल मॉड्यूलेशन (QCM)

चार एलईडी का उपयोग करता है। एक जटिल प्रतीक (जैसे QAM) के वास्तविक और काल्पनिक भागों के आयाम दो एलईडी की तीव्रता के माध्यम से प्रेषित होते हैं। प्रतीक जानकारी (धनात्मक/ऋणात्मक) फिरस्थानिक सूचकांक——कौन सा विशिष्ट LED जोड़ा सक्रिय करना है, यह चुनकर संचारित करें। इससे आयाम और चिह्न को अलग-अलग भौतिक आयामों (तीव्रता और स्थान) में अलग किया जाता है।

2.2 दोहरा एलईडी जटिल मॉड्यूलेशन (DCM)

एक अधिक कुशल योजना, जो केवल दो LED का उपयोग करती है। यह सम्मिश्र संख्या के ध्रुवीय निरूपण $s = re^{j\theta}$ का लाभ उठाती है।

• एक LED तीव्रता मॉड्यूलेशन के माध्यम से आयाम $r$ संचारित करता है।
• एक अन्य एलईडी तीव्रता मॉड्यूलेशन के माध्यम से चरण $\theta$ संचारित करता है (सकारात्मक मान में मैप करने के बाद)।

यह सीधे जटिल प्रतीक के प्राकृतिक पैरामीटर्स को अलग-अलग भौतिक चैनलों पर मैप करता है।

2.3 स्पेशियल मॉड्यूलेशन DCM (SM-DCM)

DCM और स्पेशल मॉड्यूलेशन (SM) सिद्धांतों को मिलाकर एक उन्नत योजना। सिस्टम दो DCM मॉड्यूल (प्रत्येक मॉड्यूल में दो LED होते हैं) का उपयोग करता है। एक अतिरिक्त इंडेक्स बिट का उपयोग यह चुनने के लिए किया जाता है कि दिए गए चैनल उपयोग पर कौन सा DCM मॉड्यूल सक्रिय है। यह अतिरिक्त डेटा ट्रांसमिशन के लिए एक स्पेशल डायमेंशन जोड़ता है, जिससे स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी बढ़ती है।

3. तकनीकी विवरण और सिस्टम मॉडल

3.1 गणितीय सूत्र

एक सम्मिश्र मॉड्यूलेशन प्रतीक $s = s_I + j s_Q$ पर विचार करें। मान लीजिए $\mathbf{x} = [x_1, x_2, ..., x_N]^T$, $N$ एलईडी की तीव्रता सदिश है।

QCM के लिए（$N=4$）： 映射确保 $x_i \ge 0$。$s_I$ 和 $s_Q$ 的符号决定了特定的空间模式（LED对的选择）。例如： $\text{若 } s_I \ge 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [|s_I|, |s_Q|, 0, 0]^T$ $\text{若 } s_I < 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [0, |s_Q|, |s_I|, 0]^T$ 等等。

DCM के लिए($N=2$):

3.2 डिटेक्टर डिज़ाइन

इस पत्र में प्रस्तावित योजना के लिए OFDM फ्रेमवर्क (QCM-OFDM, DCM-OFDM) के भीतर दो डिटेक्टर प्रस्तावित किए गए हैं:

1. ज़ीरो-फोर्सिंग डिटेक्टर: एक रैखिक डिटेक्टर जो चैनल मैट्रिक्स का व्युत्क्रम लेता है। सरल लेकिन शोर को बढ़ा सकता है। अनुमानित प्रतीक वेक्टर $\hat{\mathbf{s}}_{ZF} = (\mathbf{H}^H\mathbf{H})^{-1}\mathbf{H}^H \mathbf{y}$, जहाँ $\mathbf{H}$ MIMO चैनल मैट्रिक्स है और $\mathbf{y}$ प्राप्त सिग्नल वेक्टर है।
2. न्यूनतम दूरी डिटेक्टर: एक अरेखीय, इष्टतम डिटेक्टर (AWGN के तहत अधिकतम संभावना अर्थ में), जो प्रेषित प्रतीक की खोज करता है जो प्राप्त सिग्नल से यूक्लिडियन दूरी को न्यूनतम करता है: $\hat{\mathbf{s}}_{MD} = \arg\min_{\mathbf{s} \in \mathcal{S}} ||\mathbf{y} - \mathbf{H}\mathbf{x}(\mathbf{s})||^2$, जहाँ $\mathcal{S}$ सभी संभावित सम्मिश्र प्रतीकों का समुच्चय है और $\mathbf{x}(\mathbf{s})$ मॉड्यूलेशन मैपिंग है।

4. प्रयोगात्मक परिणाम और प्रदर्शन

इस पत्र में प्रदर्शन का मूल्यांकन बिट त्रुटि दर विश्लेषण और सिमुलेशन के माध्यम से किया गया है।

• बिट त्रुटि दर बनाम सिग्नल-टू-शोर अनुपात: ग्राफ दर्शाता है कि दी गई स्पेक्ट्रल दक्षता पर, DCM और SM-DCM का प्रदर्शन QCM से बेहतर है। इंडेक्स बिट्स से अतिरिक्त स्पेस डायवर्सिटी और कोडिंग लाभ के कारण, SM-DCM सर्वोत्तम प्रदर्शन प्रदान करता है।
• पहुँच योग्य दर समोच्च रेखाएँ: एक तंग विश्लेषणात्मक बिट त्रुटि दर ऊपरी सीमा और प्राप्त सिग्नल-टू-शोर अनुपात के स्थानिक वितरण का उपयोग करते हुए, लेखकों ने लक्ष्य बिट त्रुटि दर (उदाहरण के लिए $10^{-3}$) के लिए पहुँच योग्य दर समोच्च रेखाओं की गणना और आरेखण किया। ये समोच्च रेखाएँ स्पेस में उन क्षेत्रों को स्पष्ट रूप से दर्शाती हैं जहाँ QCM, DCM और SM-DCM विश्वसनीय संचार प्राप्त कर सकते हैं, और SM-DCM के कवरेज और दर दोनों में श्रेष्ठता को उजागर करती हैं।
• प्रमुख निष्कर्ष: प्रस्तावित योजना, विशेष रूप से DCM और SM-DCM, प्रत्येक चैनल उपयोग पर पूर्ण सम्मिश्र प्रतीक संचरण प्रदान करती है, जिससे सम्मिश्र डोमेन में वर्णक्रमीय दक्षता को प्रभावी रूप से दोगुना करते हुए, पारंपरिक हर्मिटियन समरूपता-आधारित OFDM (जैसे DCO-OFDM) के बराबर या बेहतर बिट त्रुटि प्रदर्शन प्राप्त किया जाता है।

5. विश्लेषणात्मक ढांचा और केस उदाहरण

VLC मॉड्यूलेशन योजनाओं के मूल्यांकन के लिए ढांचा:

1. स्पेक्ट्रम दक्षता: तारामंडल आकार और स्थानिक बिट गणना के आधार पर (उदाहरण के लिए, SM-DCM: प्रति चैनल उपयोग $\log_2(M) + 1$ बिट्स, जहां $M$ QAM आकार है, और +1 स्थानिक सूचकांक बिट है)।
2. शक्ति दक्षता और गतिशील सीमा: LED की रैखिकता और गतिशील सीमा जो आयाम और चरण घटक तीव्रता मॉड्यूलेशन के विश्लेषण के लिए आवश्यक है।
3. रिसीवर जटिलता: ZF और MD डिटेक्शन की गणनात्मक लागत की तुलना करें, विशेष रूप से बड़े MIMO कॉन्फ़िगरेशन के लिए।
4. चैनल स्थितियों के प्रति मजबूती: विभिन्न इंडोर VLC चैनल मॉडल्स (जैसे लैम्बर्टियन रिफ्लेक्शन, बाधाओं की उपस्थिति) के तहत सिमुलेशन प्रदर्शन।

केस उदाहरण - इंडोर Li-Fi हॉटस्पॉट: एक कमरे पर विचार करें जिसमें 4 छत वाले LED (एक वर्गाकार व्यवस्था में) लगे हैं। SM-DCM का उपयोग 16-QAM ($\log_2(16)=4$ बिट्स) और एक स्पेशियल इंडेक्स बिट (2 DCM मॉड्यूल्स में से प्रत्येक में 2 LED के साथ चयन) के साथ करते हुए, सिस्टम प्रति चैनल उपयोग 5 बिट्स ट्रांसमिट करता है। यदि OFDM सबकैरियर स्पेसिंग 100 kHz है, तो प्रति सबकैरियर रॉ डेटा रेट 500 kbps है। 512 सबकैरियर्स का उपयोग करके, कुल डेटा रेट लगभग 256 Mbps तक पहुंच सकती है, जो हाई-स्पीड इंडोर वायरलेस एक्सेस के लिए उपयुक्त है, और इसमें हर्मिटियन सिमेट्री ओवरहेड की आवश्यकता नहीं है।

6. भविष्य के अनुप्रयोग और अनुसंधान दिशाएँ

• हाइब्रिड RF/VLC प्रणाली: डाउनलिंक (उच्च-गति VLC) के लिए DCM/SM-DCM का उपयोग, अपलिंक के लिए RF, और हैंडओवर प्रोटोकॉल का अनुकूलन।
• VLC के लिए बुद्धिमान परावर्तक सतह: गैर-दृष्टि रेखा स्थितियों में SM-DCM के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए प्रकाश पथ को गतिशील रूप से नियंत्रित करने के लिए एकीकृत मेटासर्फेस। MIT मीडिया लैब द्वारा प्रोग्रामेबल सतहों पर शोध प्रासंगिक हो सकता है।
• मशीन लर्निंग आधारित पहचान: अत्यधिक गतिशील VLC वातावरण में, पारंपरिक ZF/MD डिटेक्टरों के स्थान पर गहरे तंत्रिका नेटवर्क का उपयोग करके, संयुक्त चैनल अनुमान और प्रतीक पहचान करना, RF क्षेत्र में "DeepMIMO" जैसे कार्यों के समान।
• मानकीकरण: भविष्य के IEEE 802.11bb (Li-Fi) या अन्य VLC मानकों में DCM जैसी स्थानिक मॉड्यूलेशन योजनाओं को शामिल करने को बढ़ावा देना।
• ऊर्जा संग्रहण VLC: DCM signals are co-designed to simultaneously optimize the data rate and DC power transfer for IoT devices, a topic explored in works such as "Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer".

7. संदर्भ

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. मूल विश्लेषण और विशेषज्ञ दृष्टिकोण

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह लेख VLC मॉड्यूलेशन तकनीक में एक और वृद्धिशील सुधार से कहीं अधिक है; यह VLC-OFDM को लंबे समय से प्रभावित कर रही "कॉम्प्लेक्स-टू-रियल" सिग्नल रूपांतरण समस्या पर एक मौलिक पुनर्विचार है। प्रतीक/चरण जानकारी को तीव्रता डोमेन से स्थानिक डोमेन में ऑफलोड करके, लेखकों ने प्रभावी रूप से एक गणितीय बाध्यता (हर्मिटियन समरूपता) को एक भौतिक बाध्यता (LED गैर-नकारात्मकता) से अलग कर दिया है। यह कंप्यूटर विज़न मेंCycleGAN(Zhu et al., 2017) द्वारा पेश किए गए प्रतिमान बदलाव की याद दिलाता है, जिसने युग्मित डेटा के बजाय चक्रीय स्थिरता का उपयोग करके शैली और सामग्री रूपांतरण को अलग किया था। यहाँ, अलगाव सिग्नल के बीजगणितीय प्रतिनिधित्व और उसके भौतिक उत्सर्जन तंत्र के बीच होता है।

तार्किक संरचना और योगदान: QCM (4 एलईडी, सहज लेकिन भारी) से DCM (2 एलईडी, सुंदर ध्रुवीय निर्देशांक मानचित्रण) और फिर SM-DCM (सूचना-वहन करने वाला स्थानिक सूचकांक जोड़कर) तक की प्रगति तार्किक रूप से स्पष्ट है। यह एक क्लासिक इंजीनियरिंग प्रक्षेपवक्र का अनुसरण करती है: एक बलपूर्वक समाधान से शुरू करके, एक अधिक सुंदर गणितीय प्रतिनिधित्व ढूंढना, और फिर दक्षता बढ़ाने के लिए अतिरिक्त स्वतंत्रता की डिग्री जोड़ना। महत्वपूर्ण तकनीकी योगदान यह सिद्ध करना है कि ध्रुवीय निर्देशांक प्रतिनिधित्व ($r$, $\theta$) दो-एलईडी भौतिक परत पर कार्तीय निर्देशांक ($I$, $Q$) की तुलना में अधिक स्वाभाविक और कुशलता से मानचित्रित होता है। यह आरएफ बड़े पैमाने पर MIMO में की गई खोज के अनुरूप है, जहां बीमस्पेस (कोणीय) प्रतिनिधित्व आमतौर पर प्रसंस्करण को सरल बनाता है।

लाभ और सीमाएँ: मुख्य लाभ यह है किस्पेक्ट्रम दक्षता लाभ—— हर्मिटियन सममित OFDM की तुलना में, प्रभावी रूप से दोगुना सुधार हुआ है। बिट एरर रेट अपर बाउंड और रेट कॉन्टूर ठोस, मात्रात्मक साक्ष्य प्रदान करते हैं। हालांकि, विश्लेषण में अंधे धब्बे हैं। सबसे पहले, यह आदर्शचैनल स्टेट इनफॉर्मेशनऔर सिंक्रोनाइज़ एलईडी, जो वास्तविक, डिफ्यूज़ वीएलसी चैनल में मल्टीपाथ की उपस्थिति में आसान नहीं है। दूसरा, डीसीएम में "फेज़" एलईडी के लिए आवश्यकडायनामिक रेंजआवश्यकता को कम करके आंका गया है। निरंतर फेज़ $\theta \in [0, 2\pi)$ को तीव्रता में रैखिक रूप से मैप करने के लिए, संभवतः एलईडी को अपने संपूर्ण ऑपरेटिंग रेंज में उत्कृष्ट रैखिकता की आवश्यकता होती है, जो एनालॉग वीएलसी में एक ज्ञात चुनौती है। तीसरा, तुलना का आधार कुछ संकीर्ण है। एक अधिक कठोर बेंचमार्क समान कुल शक्ति और बैंडविड्थ बाधाओं के तहत, अत्याधुनिकइंडेक्स मॉड्यूलेशन OFDM或एसिमेट्रिक क्लिप्ड ऑप्टिकल OFDMतुलना करें।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि: शोधकर्ताओं और इंजीनियरों के लिए: DCM पर ध्यान केंद्रित करें, QCM पर नहीं। DCM एक आदर्श विकल्प है। 2-LED की आवश्यकता इसे कई मौजूदा Li-Fi लाइटिंग फिक्स्चर के लिए तुरंत लागू करने योग्य बनाती है, जिनमें आमतौर पर कई LED चिप्स होते हैं। उद्योग को DCM ट्रांसीवर के प्रोटोटाइप विकसित करने चाहिए। चैनल अनुमान के साथ सह-डिजाइन। अगला महत्वपूर्ण कदम DCM सिग्नल संरचना के लिए मजबूत, कम ओवरहेड वाले चैनल अनुमान एल्गोरिदम विकसित करना है, संभवतः आयाम/चरण प्रवाह में पायलट प्रतीकों को स्वतंत्र रूप से एम्बेड करके। गैर-रेखीय मैपिंग का अन्वेषण करें। एलईडी की गतिशील सीमा समस्या को कम करने और शक्ति दक्षता बढ़ाने के लिए, रैखिक चरण-से-तीव्रता मैपिंग के बजाय, गैर-रैखिक कंपैंडिंग तकनीकों (ऑडियो में $\mu$-लॉ कंपैंडिंग से प्रेरित) का अध्ययन करें। उभरते हार्डवेयर के साथ एकीकरण। एलईडी निर्माताओं के साथ सहयोग करके, माइक्रो-एलईडी सरणियों का सह-डिजाइन करें, जहां व्यक्तिगत पिक्सेल DCM/SM-DCM के लिए स्वतंत्र रूप से मॉड्यूलेट किए जा सकते हैं, संचार और प्रदर्शन के सहज एकीकरण को सक्षम करने के लिए—यहऑप्टिकल संचार और प्रदर्शनसिस्टम अध्ययन में निहित अवधारणाएँ।

संक्षेप में, यह कार्य हर्मिटियन समरूपता की बाध्यताओं से मुक्त होने का एक सैद्धांतिक रूप से ठोस और व्यावहारिक रूप से आशाजनक मार्ग प्रदान करता है। इसका वास्तविक-विश्व प्रभाव इस बात पर निर्भर करेगा कि व्यावहारिक कार्यान्वयन की चुनौतियों का सामना कैसे किया जाता है, सुंदर सिद्धांत से मजबूत, मानकीकृत प्रणालियों की ओर बढ़ते हुए।