Modulasi Kompleks Quad-LED dan Dual-LED untuk Komunikasi Cahaya Nampak: Analisis dan Kerangka Kerja

Kandungan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Komunikasi Cahaya Nampak (VLC) ialah teknologi pelengkap baharu kepada komunikasi RF, yang memanfaatkan LED untuk kedua-dua pencahayaan dan penghantaran data. Satu cabaran utama dalam VLC ialah menjana isyarat bernilai nyata dan positif yang serasi dengan modulasi keamatan LED, yang selalunya memerlukan simetri Hermitian dalam sistem OFDM dan mengurangkan separuh kecekapan spektrum. Kertas kerja ini mencadangkan teknik modulasi kompleks domain ruang baharu yang memintas kekangan ini.

2. Skim Modulasi yang Dicadangkan

Sumbangan teras ialah tiga skim modulasi yang menggunakan pelbagai LED untuk menghantar simbol kompleks tanpa simetri Hermitian.

2.1 Modulasi Kompleks Quad-LED (QCM)

Menggunakan empat LED. Magnitud bahagian nyata dan khayalan bagi simbol kompleks (cth., QAM) disampaikan melalui keamatan dua LED. Maklumat tanda (positif/negatif) disampaikan melalui pengindeksan ruang—memilih pasangan LED khusus yang diaktifkan. Ini memisahkan amplitud dan tanda kepada dimensi fizikal yang berbeza (keamatan dan ruang).

2.2 Modulasi Kompleks Dual-LED (DCM)

Skim yang lebih cekap yang menggunakan hanya dua LED. Ia memanfaatkan perwakilan kutub bagi simbol kompleks $s = re^{j\theta}$.

Satu LED menghantar magnitud $r$ melalui modulasi keamatan.
LED yang lain menghantar fasa $\theta$ melalui modulasi keamatan (selepas pemetaan yang sesuai kepada nilai positif).

Ini secara langsung memetakan parameter semula jadi simbol kompleks kepada saluran fizikal yang berbeza.

2.3 Modulasi Ruang DCM (SM-DCM)

Penambahbaikan yang menggabungkan DCM dengan prinsip Modulasi Ruang (SM). Sistem ini menggunakan dua blok DCM (setiap satu dengan dua LED). Satu bit indeks tambahan memilih blok DCM mana yang aktif dalam penggunaan saluran tertentu. Ini menambah dimensi ruang untuk penghantaran data tambahan, meningkatkan kecekapan spektrum.

3. Butiran Teknikal & Model Sistem

3.1 Formulasi Matematik

Pertimbangkan simbol modulasi kompleks $s = s_I + j s_Q$. Biarkan $\mathbf{x} = [x_1, x_2, ..., x_N]^T$ menjadi vektor keamatan untuk $N$ LED.

Untuk QCM ($N=4$): Pemetaan memastikan $x_i \ge 0$. Tanda $s_I$ dan $s_Q$ menentukan corak ruang tertentu (pilihan pasangan LED). Contohnya: $\text{Jika } s_I \ge 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [|s_I|, |s_Q|, 0, 0]^T$ $\text{Jika } s_I < 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [0, |s_Q|, |s_I|, 0]^T$ dan seterusnya.

Untuk DCM ($N=2$): Biarkan $s = re^{j\theta}$, dengan $r \ge 0$, $\theta \in [0, 2\pi)$. Satu pemetaan yang mungkin ialah: $x_1 = r$ (LED magnitud) $x_2 = \frac{\theta}{2\pi} \cdot P_{avg}$ (LED fasa, diskalakan oleh kuasa purata)

3.2 Reka Bentuk Pengesan

Kertas kerja ini membentangkan dua pengesan untuk skim yang dicadangkan dalam kerangka OFDM (QCM-OFDM, DCM-OFDM):

Pengesan Zero-Forcing (ZF): Pengesan linear yang menyongsangkan matriks saluran. Mudah tetapi mungkin menguatkan hingar. Vektor simbol anggaran $\hat{\mathbf{s}}_{ZF} = (\mathbf{H}^H\mathbf{H})^{-1}\mathbf{H}^H \mathbf{y}$, di mana $\mathbf{H}$ ialah matriks saluran MIMO dan $\mathbf{y}$ ialah vektor isyarat yang diterima.
Pengesan Jarak Minimum (MD): Pengesan bukan linear yang optimum (dalam erti kata ML untuk AWGN) yang mencari simbol yang dihantar yang meminimumkan jarak Euclidean kepada isyarat yang diterima: $\hat{\mathbf{s}}_{MD} = \arg\min_{\mathbf{s} \in \mathcal{S}} ||\mathbf{y} - \mathbf{H}\mathbf{x}(\mathbf{s})||^2$, di mana $\mathcal{S}$ ialah set semua simbol kompleks yang mungkin dan $\mathbf{x}(\mathbf{s})$ ialah pemetaan modulasi.

4. Keputusan Eksperimen & Prestasi

Kertas kerja ini menilai prestasi melalui analisis Kadar Ralat Bit (BER) dan simulasi.

BER vs. SNR: Plot menunjukkan bahawa DCM dan SM-DCM mengatasi prestasi QCM untuk kecekapan spektrum tertentu. SM-DCM memberikan prestasi terbaik disebabkan kepelbagaian ruang tambahan dan keuntungan pengekodan daripada bit indeks.
Contur Kadar yang Boleh Dicapai: Menggunakan batas atas BER analitikal yang ketat dan taburan ruang SNR yang diterima, penulis mengira dan memplot contur kadar yang boleh dicapai untuk sasaran BER (cth., $10^{-3}$). Contur ini secara visual menunjukkan kawasan dalam ruang di mana komunikasi yang boleh dipercayai adalah mungkin untuk QCM, DCM, dan SM-DCM, menonjolkan liputan dan kadar SM-DCM yang lebih unggul.
Penemuan Utama: Skim yang dicadangkan, terutamanya DCM dan SM-DCM, mencapai prestasi ralat yang setanding atau lebih baik daripada OFDM konvensional berasaskan simetri Hermitian (seperti DCO-OFDM) sambil menawarkan penghantaran simbol kompleks penuh setiap penggunaan saluran, secara efektif menggandakan kecekapan spektrum dalam domain kompleks.

5. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kerangka untuk Menilai Skim Modulasi VLC:

Kecekapan Spektrum (bit/s/Hz): Kira berdasarkan saiz buruj dan bit ruang (cth., SM-DCM: $\log_2(M) + 1$ bit setiap penggunaan saluran, di mana $M$ ialah saiz QAM, dan +1 ialah bit indeks ruang).
Kecekapan Kuasa & Julat Dinamik: Analisis kelinearan LED yang diperlukan dan julat dinamik untuk modulasi keamatan komponen magnitud dan fasa.
Kerumitan Penerima: Bandingkan kos pengiraan pengesanan ZF vs. MD, terutamanya untuk konfigurasi MIMO yang besar.
Ketahanan terhadap Keadaan Saluran: Simulasikan prestasi di bawah model saluran VLC dalaman yang berbeza (cth., pantulan Lambertian, kehadiran halangan).

Contoh Kes - Hotspot Li-Fi Dalaman: Pertimbangkan sebuah bilik dengan 4 LED siling (disusun dalam bentuk segi empat sama). Menggunakan SM-DCM dengan 16-QAM ($\log_2(16)=4$ bit) dan satu bit indeks ruang (memilih antara 2 blok DCM yang setiap satu mempunyai 2 LED), sistem menghantar 5 bit/penggunaan saluran. Jika jarak subpembawa OFDM ialah 100 kHz, kadar data mentalah per subpembawa ialah 500 kbps. Dengan 512 subpembawa, kadar data agregat mencapai ~256 Mbps, sesuai untuk akses tanpa wayar dalaman berkelajuan tinggi, tanpa memerlukan overhead simetri Hermitian.

6. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

Sistem Hibrid RF/VLC: Menggunakan DCM/SM-DCM untuk pautan turun (VLC berkelajuan tinggi) dan RF untuk pautan naik, mengoptimumkan protokol penyerahan.
Permukaan Pantulan Pintar (IRS) untuk VLC: Mengintegrasikan metasurface untuk mengawal laluan cahaya secara dinamik, meningkatkan prestasi SM-DCM dalam keadaan tanpa garis penglihatan. Penyelidikan dari Makmal Media MIT mengenai permukaan boleh atur cara mungkin relevan.
Pengesanan Berasaskan Pembelajaran Mesin: Menggantikan pengesan tradisional ZF/MD dengan rangkaian neural dalam (DNN) untuk anggaran saluran bersama dan pengesanan simbol dalam persekitaran VLC yang sangat dinamik, serupa dengan kerja dalam RF seperti "DeepMIMO".
Pemiawaian: Mendorong untuk memasukkan skim modulasi domain ruang seperti DCM dalam piawaian VLC masa depan IEEE 802.11bb (Li-Fi) atau yang lain.
VLC Penuaian Tenaga: Mereka bentuk bersama isyarat DCM untuk mengoptimumkan kadar data dan penghantaran kuasa DC secara serentak untuk peranti IoT, topik yang diterokai dalam kerja seperti "Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer (SLIPT)".

7. Rujukan

Narasimhan, T. L., Tejaswi, R., & Chockalingam, A. (2016). Quad-LED and Dual-LED Complex Modulation for Visible Light Communication. arXiv preprint arXiv:1510.08805v3.
Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE.
Mesleh, R., et al. (2008). Spatial Modulation. IEEE Transactions on Vehicular Technology.
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.
O'Brien, D. C., et al. (2008). Visible light communications: Challenges and possibilities. IEEE PIMRC.
Zhu, X., & Kahn, J. M. (2002). Free-space optical communication through atmospheric turbulence channels. IEEE Transactions on Communications.

8. Analisis Asal & Pandangan Pakar

Pandangan Teras: Kertas kerja ini bukan sekadar penambahbaikan modulasi VLC tambahan; ia merupakan pemikiran semula asas tentang masalah penukaran isyarat "kompleks-ke-nyata" yang telah membelenggu VLC-OFDM. Dengan memindahkan maklumat tanda/fasa dari domain keamatan ke domain ruang, penulis secara efektif memisahkan kekangan matematik (simetri Hermitian) daripada kekangan fizikal (ketidaknegatifan LED). Ini mengingatkan peralihan paradigma yang diperkenalkan oleh CycleGAN (Zhu et al., 2017) dalam penglihatan komputer, yang memisahkan terjemahan gaya dan kandungan dengan menggunakan kitaran konsistensi dan bukannya data berpasangan. Di sini, pemisahan adalah antara perwakilan algebra isyarat dan mekanisme pancaran fizikalnya.

Aliran Logik & Sumbangan: Perkembangan dari QCM (4 LED, intuitif tetapi besar) ke DCM (2 LED, pemetaan kutub yang elegan) ke SM-DCM (menambah indeks ruang pembawa maklumat) adalah logik dan jelas. Ia mengikuti trajektori kejuruteraan klasik: mulakan dengan penyelesaian kasar, cari perwakilan matematik yang lebih elegan, kemudian tambah satu darjah kebebasan tambahan untuk kecekapan. Sumbangan teknikal utama ialah membuktikan bahawa perwakilan kutub ($r$, $\theta$) dipetakan dengan lebih semula jadi dan cekap kepada lapisan fizikal dual-LED berbanding Cartesian ($I$, $Q$). Ini selaras dengan penemuan dalam RF massive MIMO di mana perwakilan ruang pancaran (sudut) selalunya memudahkan pemprosesan.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan utama ialah keuntungan kecekapan spektrum—secara efektif menggandakannya berbanding OFDM simetri Hermitian. Batas BER dan contur kadar memberikan bukti kukuh dan boleh diukur. Walau bagaimanapun, analisis mempunyai titik buta. Pertama, ia menganggap maklumat keadaan saluran (CSI) yang sempurna dan LED yang disegerakkan, yang bukan perkara remeh dalam saluran VLC praktikal yang meresap dengan pelbagai laluan. Kedua, keperluan julat dinamik untuk LED "fasa" dalam DCM diabaikan. Memetakan fasa berterusan $\theta \in [0, 2\pi)$ secara linear kepada keamatan mungkin memerlukan LED dengan kelinearan yang sangat baik di seluruh julat operasinya, satu titik kesukaran yang diketahui dalam VLC analog. Ketiga, garis dasar perbandingan agak sempit. Penanda aras yang lebih ketat adalah terhadap modulasi indeks OFDM (IM-OFDM) terkini atau OFDM optikal klip asimetri (ACO-OFDM) di bawah kekangan kuasa dan lebar jalur total yang sama.

Pandangan yang Boleh Dilaksanakan: Untuk penyelidik dan jurutera: 1. Tumpu pada DCM, bukan QCM. DCM adalah titik optimum. Keperluan 2-LED menjadikannya serta-merta boleh digunakan untuk banyak luminair Li-Fi sedia ada yang selalunya mempunyai pelbagai cip LED. Industri harus membuat prototaip transceiver DCM. 2. Reka bentuk bersama dengan anggaran saluran. Langkah kritikal seterusnya ialah membangunkan algoritma anggaran saluran yang teguh dan rendah overhead yang disesuaikan untuk struktur isyarat DCM, mungkin menggunakan simbol pandu yang tertanam dalam aliran magnitud/fasa secara bebas. 3. Teroka pemetaan bukan linear. Daripada peta fasa-ke-keamatan linear, selidik teknik pemadanan bukan linear (diilhamkan oleh pemadanan $\mu$-law dalam audio) untuk mengurangkan isu julat dinamik LED dan meningkatkan kecekapan kuasa. 4. Integrasi dengan perkakasan baharu. Bekerjasama dengan pengilang LED untuk mereka bentuk bersama tatasusunan mikro-LED di mana piksel individu boleh dimodulasi secara bebas untuk DCM/SM-DCM, mewujudkan integrasi lancar komunikasi dan paparan—konsep yang diisyaratkan oleh penyelidikan mengenai sistem Komunikasi dan Paparan Cahaya (LiCaD).

Kesimpulannya, kerja ini menyediakan laluan keluar yang kukuh secara teori dan menjanjikan secara praktikal dari belenggu simetri Hermitian. Impak dunia sebenarnya akan bergantung kepada menangani cabaran pelaksanaan praktikal secara langsung, bergerak dari teori elegan kepada sistem yang teguh dan distandardkan.