Modulasi Kompleks Quad-LED dan Dual-LED untuk Komunikasi Cahaya Nampak

Isi Kandungan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Komunikasi Cahaya Nampak (VLC) memanfaatkan Diod Pemancar Cahaya (LED) untuk tujuan dwi-guna iaitu pencahayaan dan penghantaran data. Satu cabaran utama ialah menjana isyarat bernilai nyata dan positif yang serasi dengan modulasi keamatan LED, terutamanya apabila menggunakan modulasi kompleks seperti QAM dengan OFDM. Teknik VLC-OFDM tradisional (cth., DCO-OFDM, ACO-OFDM) mengenakan simetri Hermitian pada vektor simbol domain frekuensi sebelum Transformasi Fourier Songsang Pantas (IFFT). Ini memastikan isyarat domain masa bernilai nyata tetapi mengurangkan kecekapan spektrum sebanyak separuh, kerana $N$ subpembawa hanya membawa $N/2$ simbol kompleks.

Kertas kerja oleh Narasimhan et al. mencadangkan anjakan paradigma: memintas kekangan simetri Hermitian dengan mengeksploitasi domain ruang menggunakan berbilang LED. Idea terasnya ialah memisahkan secara fizikal penghantaran komponen (nyata/khayalan atau magnitud/fasa) bagi simbol kompleks merentasi LED yang berbeza. Kajian ini memperkenalkan tiga skim baharu: Modulasi Kompleks Quad-LED (QCM), Modulasi Kompleks Dual-LED (DCM), dan Modulasi Ruang DCM (SM-DCM).

2. Skim Modulasi yang Dicadangkan

2.1 Modulasi Kompleks Quad-LED (QCM)

QCM menggunakan empat LED untuk menghantar satu simbol kompleks $s = s_I + j s_Q$.

• Pemisahan Magnitud & Tanda: Nilai mutlak $|s_I|$ dan $|s_Q|$ disampaikan melalui keamatan (kuasa optik) dua LED khusus.
• Pengindeksan Ruang untuk Tanda: Tanda bagi $s_I$ dan $s_Q$ disampaikan dengan mengaktifkan pasangan LED tertentu daripada set empat. Contohnya, pengaktifan satu pasangan LED tertentu mungkin mewakili $(+ , +)$, satu lagi $(+ , -)$, dan sebagainya.

Ini memisahkan maklumat amplitud dan tanda, membolehkan penggunaan modulasi keamatan mudah dan sentiasa positif untuk LED yang membawa magnitud.

2.2 Modulasi Kompleks Dual-LED (DCM)

DCM ialah skim yang lebih cekap spektrum dengan hanya menggunakan dua LED. Ia mengeksploitasi perwakilan kutub bagi simbol kompleks $s = r e^{j\theta}$.

• LED 1 (Magnitud): Menghantar magnitud $r$ melalui modulasi keamatan.
• LED 2 (Fasa): Menghantar fasa $\theta$ melalui modulasi keamatan. Ini memerlukan pemetaan nilai fasa $\theta \in [0, 2\pi)$ kepada aras keamatan positif, contohnya, menggunakan $\cos(\theta)$ atau fungsi pemetaan khusus.

DCM mencapai kecekapan spektrum yang sama seperti skim modulasi kompleks konvensional tanpa overhead simetri Hermitian.

2.3 Modulasi Ruang DCM (SM-DCM)

SM-DCM mengintegrasikan konsep Modulasi Ruang (SM) dengan DCM untuk meningkatkan kadar data atau keteguhan.

• Persediaan: Dua blok DCM digunakan, setiap satu mengandungi dua LED (jumlah 4 LED).
• Operasi: Satu "bit indeks" tambahan memilih blok DCM mana antara dua yang aktif dalam penggunaan saluran tertentu. Blok aktif kemudian menghantar simbol kompleks menggunakan prinsip DCM piawai.

Ini menambah satu bit tambahan setiap penggunaan saluran (bit ruang) berbanding DCM asas, meningkatkan kadar data.

3. Butiran Teknikal & Model Sistem

3.1 Formulasi Matematik

Vektor isyarat diterima $\mathbf{y}$ untuk sistem dengan $N_t$ LED dan $N_r$ fotodiod (PD) ialah: $$\mathbf{y} = \mathbf{H} \mathbf{x} + \mathbf{n}$$ di mana $\mathbf{H}$ ialah matriks saluran VLC $N_r \times N_t$ (positif, bernilai nyata disebabkan modulasi keamatan/pengesanan langsung), $\mathbf{x}$ ialah vektor keamatan dihantar $N_t \times 1$ (tidak negatif), dan $\mathbf{n}$ ialah hingaan putih Gaussian tambahan.

Untuk DCM menghantar simbol $s=r e^{j\theta}$, dengan LED 1 dan 2 masing-masing ditetapkan kepada magnitud dan fasa, vektor penghantaran boleh jadi: $$\mathbf{x} = \begin{bmatrix} r \\ f(\theta) \end{bmatrix}$$ di mana $f(\cdot)$ ialah fungsi memetakan fasa kepada keamatan positif, contohnya, $f(\theta) = \alpha (1+\cos(\theta))$ dengan $\alpha$ memastikan ketidaknegatifan.

3.2 Reka Bentuk Pengesan

Kertas kerja ini mencadangkan dua pengesan untuk sistem QCM/DCM-OFDM:

1. Pengesan Pemaksaan-Sifar (ZF): Pengesan linear yang menyongsangkan saluran: $\hat{\mathbf{s}} = \mathbf{H}^{\dagger} \mathbf{y}$, di mana $\dagger$ menandakan songsangan pseudo. Mudah tetapi mungkin menguatkan hingar.
2. Pengesan Jarak Minimum (MD): Pengesan bukan linear, optimum (dalam erti kata ML untuk AWGN) yang mencari vektor simbol dihantar yang meminimumkan jarak Euclidean: $$\hat{\mathbf{x}} = \arg\min_{\mathbf{x} \in \mathcal{X}} \| \mathbf{y} - \mathbf{H}\mathbf{x} \|^2$$ di mana $\mathcal{X}$ ialah set semua vektor keamatan dihantar yang mungkin untuk skim modulasi tersebut.

4. Analisis Prestasi & Keputusan

4.1 Prestasi BER & Batasan

Kertas kerja ini memperoleh batasan atas analitik yang ketat untuk Kadar Ralat Bit (BER) skim QCM, DCM, dan SM-DCM. Simulasi mengesahkan batasan ini. Penemuan utama:

• DCM mengatasi QCM untuk kecekapan spektrum yang sama kerana ia menggunakan tenaga dengan lebih cekap dengan menumpukan LED kepada magnitud dan fasa secara langsung, berbanding memisahkan bahagian nyata/khayalan dan tanda mereka.
• SM-DCM memberikan pertukaran yang baik, menawarkan kadar data yang lebih tinggi daripada DCM (disebabkan bit indeks ruang) sambil mengekalkan prestasi BER yang lebih baik daripada QCM pada kadar yang setanding.
• Pengesan MD mengatasi pengesan ZF dengan ketara, terutamanya dalam rejim SNR rendah atau saluran MIMO yang tidak berkondisi baik.

4.2 Kontur Kadar Pencapaian

Satu sumbangan penting ialah analisis kontur kadar pencapaian untuk sasaran BER. Daripada hanya kapasiti puncak, penulis memplot taburan ruang kadar pencapaian (bit/penggunaan saluran) merentasi susun atur bilik untuk sasaran BER tetap (cth., $10^{-3}$).

• Visualisasi: Kontur ini secara grafik menunjukkan kawasan dalam bilik di mana skim modulasi tertentu (QCM, DCM, SM-DCM) boleh mencapai kadar data tertentu dengan boleh dipercayai.
• Inti Pati: DCM dan SM-DCM secara amnya menunjukkan kawasan kadar tinggi yang lebih besar berbanding QCM, menunjukkan prestasi dan liputan mereka yang lebih unggul.

Alat analisis praktikal ini adalah penting untuk reka bentuk sistem VLC dan perancangan penyebaran.

5. Perspektif Penganalisis: Inti Pati & Kritikan

Inti Pati: Kerja Narasimhan et al. ialah satu hack yang bijak dan sedar perkakasan yang memikirkan semula masalah penjanaan isyarat "kompleks-ke-nyata" dalam VLC secara asas. Daripada menyelesaikannya dalam domain digital dengan simetri Hermitian—kaedah yang serupa dengan kehilangan ketekalan kitaran dalam CycleGAN (Zhu et al., 2017) yang mengenakan kekangan struktur pada data—mereka memindahkannya kepada kepelbagaian ruang lapisan fizikal. Ini mengingatkan bagaimana RF Massive MIMO mengeksploitasi darjah kebebasan ruang untuk multipleks, tetapi di sini ia digunakan untuk penguraian buruj. Inovasi sebenar ialah mengenali bahawa peranan utama tatasusunan LED dalam VLC bukan sekadar multipleks MIMO; ia boleh menjadi pemapar buruj.

Aliran Logik: Logik kertas kerja ini sempurna: 1) Kenal pasti kesesakan (overhead simetri Hermitian). 2) Cadangkan prinsip penguraian ruang (QCM). 3) Optimumkan untuk kecekapan (DCM). 4) Integrasikan dimensi multipleks tambahan (SM-DCM). 5) Sahkan dengan analisis ketat (batasan BER, kontur kadar). Ini ialah contoh teladan perkembangan penyelidikan inkremental tetapi bermakna.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan: Keanggunan konsep adalah tinggi. Pemulihan kecekapan spektrum DCM ialah ciri utamanya. Analisis kontur kadar adalah cemerlang, bergerak melangkaui lengkung SNR/BER teori kepada metrik penyebaran praktikal, selaras dengan trend dalam laporan IEEE dan ITU-R mengenai perancangan sistem VLC. Pengelakan bias DC atau keratan (biasa dalam DCO/ACO-OFDM) memudahkan reka bentuk pemancar. Kelemahan: Isu besar ialah keperluan maklumat keadaan saluran (CSI). Prestasi pengesan MD dan juga ZF merosot teruk dengan CSI tidak sempurna, satu cabaran besar dalam persekitaran VLC praktikal dan dinamik dengan mobiliti pengguna dan bayangan. Analisis kertas kerja mengandaikan CSI sempurna. Tambahan pula, pemetaan fasa-ke-keamatan $f(\theta)$ dalam DCM adalah tidak linear dan mungkin sensitif kepada ketidaklinearan LED. Berbanding kerja terkini mengenai modulasi indeks atau penerima berasaskan rangkaian neural untuk VLC (seperti yang dilihat dalam penyerahan arXiv terkini), pemprosesan isyarat di sini agak konvensional.

Inti Pati Boleh Tindak: Untuk pengamal industri: 1. Utamakan DCM berbanding QCM untuk reka bentuk baharu; keuntungan kecekapan LED 2x adalah ketara. 2. Gunakan metodologi kontur kadar daripada kertas kerja ini untuk perancangan titik panas VLC dunia sebenar (cth., dalam pejabat, muzium). 3. Anggap andaian CSI sebagai risiko kritikal. Labur dalam teknik anggaran saluran teguh atau pertimbangkan varian pengekodan pembezaan DCM untuk mengurangkannya. 4. Terokai skim hibrid: Gunakan DCM untuk pautan tulang belakang statik, kadar tinggi dan beralih kepada modulasi lebih teguh, lebih mudah (seperti OOK) untuk pengguna mudah alih. Kerja ini menyediakan alat yang berkuasa, tetapi integrasinya ke dalam sistem lengkap dan teguh memerlukan menangani cabaran anggaran saluran praktikal secara langsung.

6. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kerangka: Perbandingan Prestasi Di Bawah CSI Tidak Sempurna

Skenario: Nilai QCM, DCM, dan SM-DCM dalam bilik 4m x 4m x 3m dengan 4 LED dipasang di siling (disusun dalam segi empat sama) dan satu penerima PD tunggal pada ketinggian meja. Sasaran ialah mengekalkan kadar minimum 2 bit/penggunaan saluran pada BER $10^{-3}$.

Langkah-langkah:

1. Pemodelan Saluran: Gunakan model saluran VLC klasik: $h = \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$ untuk LOS, di mana $m$ ialah tertib Lambertian, $d$ jarak, $\phi$ sudut penyinaran, $\psi$ sudut kejadian, $T_s$, $g$ penapis optik dan keuntungan pemekat.
2. Ketidaksempurnaan CSI: Model saluran dianggarkan $\hat{\mathbf{H}} = \mathbf{H} + \mathbf{E}$, di mana $\mathbf{E}$ ialah matriks ralat dengan elemen i.i.d. Gaussian, varians berkadaran dengan SNR$^{-1}$.
3. Analisis:
   • Kira batasan atas BER teori (daripada kertas kerja) untuk CSI sempurna pada pelbagai SNR dan kedudukan.
   • Simulasikan pengesan MD menggunakan $\hat{\mathbf{H}}$ tidak sempurna dan perhatikan penalti SNR yang diperlukan untuk mengekalkan sasaran BER.
   • Plot pengecutan kontur kadar pencapaian (untuk sasaran BER) apabila varians ralat CSI meningkat dari 0% ke 10%.
4. Inti Pati Dijangka: SM-DCM, dengan pemilihan ruang semula jadinya, mungkin menunjukkan lebih keteguhan terhadap ralat anggaran saluran dalam kedudukan tertentu berbanding DCM, kerana pengesanan indeks mungkin kurang sensitif kepada ralat magnitud saluran kecil berbanding pengesanan amplitud/fasa tepat DCM.

Kes ini melanjutkan analisis CSI-sempurna kertas kerja kepada dimensi praktikal kritikal.

7. Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

Prinsip QCM/DCM membuka beberapa laluan yang menjanjikan:

• Li-Fi dalam IoT Perindustrian: Keteguhan dan kecekapan tinggi DCM menjadikannya sesuai untuk pautan jarak pendek, kadar data tinggi dalam persekitaran perindustrian (cth., komunikasi mesin-ke-mesin dalam kilang automatik) di mana gangguan RF menjadi kebimbangan dan kedudukan agak tetap (mengurangkan isu CSI).
• VLC Bawah Air: Untuk komunikasi bawah air di mana LED biru-hijau digunakan, struktur pemancar mudah DCM boleh menjadi kelebihan. Penyelidikan daripada institusi seperti Woods Hole Oceanographic Institution menyerlahkan keperluan modulasi cekap dalam saluran bawah air yang sukar.
• Integrasi dengan Penerima Maju: Kerja masa depan harus memasangkan DCM dengan penerima berasaskan pembelajaran mendalam (cth., pengesan berasaskan CNN atau Transformer) yang boleh melakukan anggaran saluran dan pengesanan simbol secara bersama, berpotensi mengatasi had CSI sempurna. Ini selaras dengan trend dalam penyerahan arXiv mengenai pembelajaran mesin untuk komunikasi.
• Sistem Hibrid RF/VLC: DCM boleh berfungsi sebagai komponen ultra-laju tinggi, jarak pendek dalam rangkaian heterogen, dengan RF menyediakan liputan dan sokongan mobiliti. Analisis kontur kadar boleh terus memaklumkan perancangan rangkaian hibrid sedemikian.
• Pemiawaian: Keuntungan kecekapan DCM wajar dipertimbangkan untuk dimasukkan dalam piawaian VLC masa depan oleh badan seperti IEEE 802.15.7. Penghapusan simetri Hermitian adalah kelebihan ketara berbanding lapisan PHY berasaskan OFDM sedia ada.

8. Rujukan

1. Narasimhan, T. L., Tejaswi, R., & Chockalingam, A. (2016). Quad-LED and Dual-LED Complex Modulation for Visible Light Communication. arXiv:1510.08805v3 [cs.IT].
2. Zhu, J.-Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV).
3. IEEE 802.15.7-2018: Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications.
4. ITU-R Reports on Visible Light Communication Systems.
5. Woods Hole Oceanographic Institution. (n.d.). Optical Communications. Diambil dari https://www.whoi.edu.
6. Mesleh, R., et al. (2008). Spatial Modulation. IEEE Transactions on Vehicular Technology.
7. Armstrong, J. (2009). OFDM for Optical Communications. Journal of Lightwave Technology.