1. Utangulizi na Muhtasari

Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) yameibuka kama teknolojia ya ziada yenye mvuto kwa Mawasiliano ya Mzunguko wa Redio (RFC) ya jadi, hasa ili kupunguza msongamano wa wigo. Kwa kutumia Diodi za Kutoa Mwanga (LED) zilizoenea kila mahali kwa ajili ya mwanga na usambazaji wa data, VLC inatoa faida kama vile wigo bila leseni, usalama wa juu, na hakuna usumbufu wa sumakuumeme. Karatasi hii inashughulikia changamoto muhimu katika VLC: kubuni mipango bora ya ubadilishaji kwa mifumo inayotumia LED za Nyekundu/Kijani/Bluu (RGB). Waandishi wanapendekeza njia mpya inayoitwa Ubadilishaji wa Pamoja wa Rangi na Mzunguko wenye Maelezo ya DC (DCI-JCFM), ambayo kwa ubunifu inachanganya uhuru mwingi—urefu wa mawimbi ya mwanga (rangi), vibadilishaji chini ya msingi (mzunguko), na upendeleo wa DC—kuwa tatizo la muundo wa kundi la anga la vipimo vikubwa. Lengo kuu ni kuongeza kiwango cha juu cha Umbali wa Kijiometri wa Chini (MED) kati ya pointi za kundi la anga chini ya vikwazo vikali vya vitendo vya mwanga, na hivyo kuboresha ufanisi wa nguvu na kiwango cha data.

2. Mbinu ya Msingi: DCI-JCFM

Mpango wa DCI-JCFM ni mabadiliko ya dhana kutoka kwa mbinu za jadi za kutenganishwa ambapo kila kituo cha rangi cha LED hubadilishwa kwa kujitegemea.

2.1 Nafasi ya Ishara ya Vipimo Vingi

Ubunifu mkuu ni matumizi ya pamoja ya rasilimali za utofautishaji. Vekta ya ishara iliyotumwa x iko katika nafasi inayoundwa na: ukali wa LED za R, G, B (utofautishaji wa rangi), mipigo kwenye vibadilishaji vingi vya msingi vilivyo vya pembe kwa pembe (utofautishaji wa mzunguko), na kiwango cha kubadilika cha upendeleo wa DC. Kwa kubuni makundi ya anga katika nafasi hii ya mchanganyiko, yenye vipimo vikubwa, mpango huu unatumia faida ya msingi ya kufunga tufe: kwa nishati iliyowekwa, tufe (pointi za kundi la anga) zinaweza kuwekwa mbali zaidi katika vipimo vya juu, na kusababisha MED kubwa zaidi na uwezekano mdogo wa makosa kwa ufanisi sawa wa wigo.

2.2 Vikwazo vya Vitendo vya Mwanga

Tofauti na mifumo ya RF, VLC lazima kwanza kabisa ikidhi mahitaji ya mwanga. DCI-JCFM inajumuisha kwa ukali haya kama vikwazo vya uboreshaji:

  • Ukali Usio Hasisi: Ishara za kuendesha LED lazima ziwe chanya.
  • Kikomo cha Nguvu ya Mwanga: Ukali wa juu unaoruhusiwa kwa usalama wa macho na mipaka ya kifaa.
  • Kikomo cha Rangi ya Wastani: Mwanga unaotolewa kwa wastani wa wakati lazima ufanane na sehemu nyeupe inayotakikana (k.m., D65) kwa ajili ya mwanga thabiti.
  • Ubora wa Rangi: Vikwazo kwenye Kielelezo cha Kuonyesha Rangi (CRI) na Ufanisi wa Mwangaza wa Mionzi (LER) ili kuhakikisha mwanga wa hali ya juu.

3. Uundaji wa Kiufundi na Uboreshaji

3.1 Taarifa ya Tatizo Lisilo Lainifu

Muundo wa kundi la anga umeundwa kama kupata seti ya pointi ${ \mathbf{x}_i }_{i=1}^{M}$ ambayo huongeza kiwango cha juu cha MED $d_{min}$: $$\max_{\{\mathbf{x}_i\}} d_{min} = \max_{\{\mathbf{x}_i\}} \min_{i \neq j} \| \mathbf{x}_i - \mathbf{x}_j \|$$ chini ya vikwazo vya mwanga vilivyoorodheshwa hapo juu na nguvu ya wastani iliyowekwa (au sawa, ufanisi wa wigo uliowekwa). Hili ni tatizo la uboreshaji lenye utata, lisilo lainifu.

3.2 Mbinu ya Kupumzisha Lainifu

Ili kutatua tatizo hili gumu, waandishi hutumia mkakati wa uboreshaji. Wanapumzisha tatizo lisilo lainifu la kuongeza kiwango cha juu cha MED kuwa mfululizo wa matatizo madogo lainifu kwa kutumia mbinu ya makadirio ya mstari. Hii inaruhusu matumizi ya vitatuzi bora vya uboreshaji lainifu kupata muundo wa hali ya juu, unaowezekana wa kundi la anga unaoheshimu vikwazo vyote vya vitendo.

4. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

4.1 Usanidi wa Uigizaji

Utendaji hupimwa kupitia uigizaji unaolinganisha DCI-JCFM dhidi ya mpango wa kutenganishwa wa msingi ambapo makundi ya anga ya kujitegemea yanabuniwa kwa kila LED ya R, G, B. Hali tatu za vitendo za mwanga zinajaribiwa:

  • Mwanga wa Usawa: Nguvu sawa ya lengo kwa R, G, B.
  • Mwanga usio na Usawa: Nguvu tofauti za lengo kwa kila rangi.
  • Mwanga usio na Usawa Sana: Tofauti kali za nguvu, zikisisitiza uwezo wa kukabiliana wa algoriti.
Vipimo muhimu ni Kiwango cha Hitilafu ya Bit (BER) dhidi ya Uwiano wa Ishara kwa Kelele (SNR).

4.2 Faida za Utendaji dhidi ya Mpango wa Kutenganishwa

Matokeo yanaonyesha faida kubwa kwa DCI-JCFM katika hali zote. Kwa BER ya lengo, DCI-JCFM inahitaji SNR ya chini, ikionyesha ufanisi bora wa nguvu. Faida hiyo inaonekana zaidi katika hali zisizo na usawa, ambapo uboreshaji wa pamoja unaweza kugawa nishati ya ishara kwa rangi na mizunguko kwa nguvu ili kukidhi sehemu maalum ya rangi, jambo ambalo mpango wa kutenganishwa hauwezi kufanya kwa ufanisi. Hii inamaanisha ama viwango vya juu vya data kwa ubora sawa wa mwanga au mwanga bora kwa kiwango sawa cha data.

Matokeo Muhimu: DCI-JCFM inapata upungufu mkubwa wa SNR inayohitajika (k.m., dB kadhaa) ikilinganishwa na msingi wa kutenganishwa, ikithibitisha faida ya kufunga tufe ya vipimo vikubwa chini ya vikwazo vya ulimwengu halisi.

5. Mtazamo wa Mchambuzi: Uelewa wa Msingi na Ukosoaji

Uelewa wa Msingi

Karatasi hii sio tu marekebisho mengine ya ubadilishaji; ni uundaji upya wa msingi wa falsafa ya muundo wa kipitishaji cha VLC. Uelewa wa msingi ni kuchukulia tabaka nzima ya kimwili ya LED ya RGB kama kifaa kimoja cha kufanya, cha vipimo vikubwa, sio vituo vitatu tofauti. Hii inafanana na mageuzi katika mifumo ya RF MIMO, ambapo usindikaji wa pamoja kwenye antena ulifungua faida kubwa. DCI-JCFM inatumia kanuni hii ya "pamoja" kwenye mihimili ya kipekee ya kikoa cha mwanga: rangi, mzunguko, na upendeleo. Ubunifu halisi ni kulazimisha uboreshaji huu wa vipimo vikubwa kuinama kwa sheria za kawaida lakini zisizoweza kubadilishwa za mwanga unaolenga binadamu—ni densi kati ya nadharia ya habari na upimaji wa mwanga.

Mtiririko wa Kimantiki

Mantiki haina dosari: 1) Tambua uhuru wote wa kutumika (Rangi, Mzunguko, Upendeleo wa DC). 2) Tambua faida ya kufunga tufe ya vipimo vya juu. 3) Unda tatizo la mwisho la kuongeza kiwango cha juu cha MED. 4) Kabiliana na ukweli mgumu wa vikwazo vya mwanga (chanya, sehemu ya rangi, CRI). 5) Tumia upumziko lainifu ili kudhibiti mnyama wa hesabu. 6) Thibitisha faida dhidi ya kiwango cha kawaida, kilichotenganishwa. Mtiririko kutoka kwa faida ya kinadharia hadi uboreshaji wa vitendo, wenye vikwazo, ni wazi na wenye mvuto.

Nguvu na Kasoro

Nguvu: Uundaji wa vikwazo kamili ni wa kiwango cha juu cha dunia. Kujumuisha CRI na LER kunahamisha kazi kutoka kwa zoezi la mawasiliano pekee hadi muundo wa kweli wa nyanja nyingi. Faida za utendaji katika hali zisizo na usawa zinathibitisha thamani ya vitendo ya njia hiyo, kwani usawa kamili wa rangi ni nadra katika mazingira halisi. Uhusiano na jiometri ya vipimo vikubwa ni mzuri na wenye msingi.

Kasoro na Mapengo: Tembo katika chumba ni utata wa hesabu. Upumziko lainifu, ingawa ni wa busara, bado uwezekano mkubwa ni mzito kwa marekebisho ya wakati halisi. Karatasi hii haiongelei juu ya ucheleweshaji na mzigo wa usindikaji. Pili, kituo kinachukuliwa kuwa bora au rahisi. Katika vyumba halisi, na maakisi na majibu tofauti ya wigo ya kigundua mwanga, "vipimo" vya rangi hushikamana na kupotoshwa. DCI-JCFM ina nguvu kiasi gani kwa kasoro kama hizo za vitendo vya kituo? Hii inahitaji majaribio makali. Mwisho, kulinganisha ni dhidi ya msingi dhaifu. Kigezo kikali zaidi kingekuwa hali ya kisasa ya OFDM ya mwanga iliyokatwa kwa usawa (ACO-OFDM) au mipango kama hiyo iliyobadilishwa kwa LED za RGB.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa

Kwa Utafiti na Uendelezaji wa tasnia: Acha kubuni mawasiliano ya LED ya RGB rangi moja kwa wakati. Mifumo ya mfano lazima iunganishe programu ya muundo wa mwanga na algoriti za mawasiliano tangu mwanzo. Wekeza katika injini za uboreshaji zinazoweza kushughulikia vikwazo hivi vya pamoja karibu na wakati halisi, labda kwa kutumia masomo ya mashine kwa makadirio ya haraka.

Kwa watafiti: Hatua inayofuata ni DCI-JCFM inayobadilika. Je, kundi la anga linaweza kukabiliana kwa wakati halisi na mahitaji yanayobadilika ya mwanga (k.m., kupunguza mwanga, mabadiliko ya halijoto ya rangi) au hali ya kituo? Zaidi ya hayo, chunguza ushirikiano na njia mpya za muundo wa kundi la anga zinazotokana na mtandao wa neva, kama zile zilizochochewa na dhana za kisimbuaji otomatiki katika RF, ambazo zinaweza kujifunza ramani bora moja kwa moja kutoka kwa vikwazo na data ya kituo, na kwa uwezekano wa kupita uboreshaji tata. Kazi ya O'Shea et al. kwenye "Utangulizi wa Kujifunza Kina kwa Tabaka ya Kimwili" (IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, 2017) inatoa mfumo unaofaa kwa mbinu kama hiyo.

6. Uchunguzi wa Kina wa Kiufundi

6.1 Mfumo wa Kihisabati

Ishara ya kutuma kwa rangi ya $k$-th ya LED ($k \in \{R, G, B\}$) inaweza kuigwa kama: $$s_k(t) = P_{dc,k} + \sum_{n=1}^{N_{sc}} a_{k,n} \cos(2\pi f_n t + \phi_{k,n})$$ ambapo $P_{dc,k}$ ni upendeleo wa DC wenye maelezo (tofauti muhimu kutoka kwa mifumo ya upendeleo uliowekwa), $N_{sc}$ ni idadi ya vibadilishaji chini, na $a_{k,n}, \phi_{k,n}$ ni mipigo na awamu ya vibadilishaji chini ya $n$-th kwenye rangi ya $k$-th. Vekta x katika tatizo la uboreshaji inachanganya vigezo hivi vyote vinavyoweza kubadilishwa: $\mathbf{x} = [P_{dc,R}, ..., P_{dc,B}, a_{R,1}, \phi_{R,1}, ..., a_{B,N_{sc}}, \phi_{B,N_{sc}}]^T$ kwa jumla ya vipimo $D = 3 + 6N_{sc}$.

6.2 Uundaji wa Vikwazo

Kikomo cha rangi ya wastani kinahakikisha kuratibu za rangi za wastani wa wakati $(\bar{x}, \bar{y})$ zinazolingana na sehemu nyeupe ya lengo $(x_t, y_t)$, zinazotokana na vipengele vya DC na usambazaji wa nguvu ya wigo wa LED $\Phi_k(\lambda)$: $$\bar{x} = \frac{\sum_k P_{dc,k} \int \Phi_k(\lambda) \bar{x}(\lambda) d\lambda}{\sum_k P_{dc,k} \int \Phi_k(\lambda) \bar{y}(\lambda) d\lambda}, \quad \text{lengo: } \bar{x} \approx x_t$$ Sawa kwa $\bar{y}$. Kikomo cha CRI ni changamano zaidi, mara nyingi kinahitaji kielelezo kilichohesabiwa cha CRI $R_a$ kuzidi kizingiti (k.m., $R_a > 80$), ambayo ni kazi isiyo ya mstari ya wigo mzima, inayokadiriwa hapa kupitia mchanganyiko wa LED.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Kesi ya Kimawazo

Hali: Kubuni mfumo wa VLC kwa ofisi ya kisasa inayohitaji mwanga unaobadilika—nyeupe baridi (6500K) kwa vipindi vya umakini na nyeupe joto (3000K) kwa ajili ya kupumzika—wakati inadumisha kiunga cha data cha kasi ya juu.

Kikomo cha Mpango wa Kutenganishwa: Kundi la anga la kila LED linabuniwa kwa sehemu moja ya rangi iliyowekwa. Kubadilisha halijoto ya rangi kungehitaji kuhesabu upya na kwa uwezekano kusawazisha tena makundi matatu ya kujitegemea, na kusababisha usumbufu wa huduma ya data au kuhitaji vipindi vya ulinzi changamani.

Matumizi ya DCI-JCFM: Kundi la anga la vipimo vikubwa linabuniwa na kikomo cha rangi ya wastani kama kigezo kinachobadilika. Tatizo la uboreshaji linaweza kutatuliwa nje ya mtandao kwa seti ya sehemu za rangi za lengo $(x_{t,1}, y_{t,1}), (x_{t,2}, y_{t,2})$, n.k., na kutoa seti inayolingana ya vitabu vya msimbo vya kundi la anga. Ili kubadilisha hali ya mwanga, kipitishaji hubadilisha tu kitabu cha msimbo kinachotumika. Kwa kuwa uboreshaji ulizingatia pamoja rangi zote na mizunguko kwa sehemu hiyo maalum nyeupe, utendaji bora wa mawasiliano na mwanga kamili hudumishwa kwa urahisi wakati wa mpito. Mfumo huu unaonyesha ufaafu wa asili wa DCI-JCFM kwa mitandao inayobadilika ya mwanga inayolenga binadamu.

8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

  • LiFi katika Mazingira Yenye Akili: Ushirikiano na mifumo ya IoT na majengo mahiri, ambapo DCI-JCFM inaruhusu mwanga kutoa wakati mmoja muunganisho wa data, urekebishaji wa faraja ya binadamu, na hata uwekaji wa ndani kupitia ishara zilizo na msimbo wa rangi.
  • VLC ya Chini ya Maji (UVLC): Aina tofauti za maji hufyonza rangi tofauti. DCI-JCFM inaweza kuboresha kwa nguvu uzito wa urefu wa mawimbi (rangi) na ubadilishaji ili kuongeza kiwango cha juu cha masafa na kiwango cha data katika hali zinazobadilika za maji.
  • Ushirikiano wa Kipimo cha Kibiolojia na Kigunduzi: Upendeleo unaobadilika wa DC na udhibiti wa rangi unaweza kutumika kutekeleza ubadilishaji wa mwanga wa hila, usioonekana kwa ajili ya kufuatilia uwepo wa mkaazi, kiwango cha moyo (kupitia fotoplethysmography), au vipimo vingine vya kibiolojia, wakati wote ukitumia data.
  • Muundo Unaochochewa na Masomo ya Mashine: Kazi ya baadaye lazima itumie Kujifunza Kina kwa Nguvu ya Kuimarisha (DRL) au Mitandao ya Kupingana ya Kizazi (GANs) kujifunza ramani bora za kundi la anga chini ya vikwazo, na kupunguza mzigo wa hesabu mtandaoni. Mafanikio ya mbinu kama hizo katika muundo wa mawimbi ya RF, kama ilivyorekodiwa katika rasilimali kutoka kwa Jumuiya ya Usindikaji wa Ishara ya IEEE, inaonyesha uwezekano mkubwa kwa VLC.
  • Usanifishaji: Kazi hii inatoa msingi imara wa kiufundi kwa viwango vya baadaye vya VLC (k.m., zaidi ya IEEE 802.15.7) ambavyo vinahitaji kuzingatia pamoja ubora wa mawasiliano na mwanga.

9. Marejeo

  1. Gao, Q., Wang, R., Xu, Z., & Hua, Y. (Mwaka). Ubadilishaji wa Pamoja wa Rangi na Mzunguko wenye Maelezo ya DC kwa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana. Jarida ya IEEE/Mkutano wa [Chanzo cha PDF].
  2. Karunatilaka, D., Zafar, F., Kalavally, V., & Parthiban, R. (2015). Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya Ndani Yenye Msingi wa LED: Hali ya Sanaa. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 17(3), 1649-1678.
  3. O'Brien, D. C., et al. (2008). Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana: Changamoto na Uwezekano. Mkutano wa Kimataifa wa IEEE wa Mawasiliano ya Kibinafsi, ya Ndani na ya Mkononi (PIMRC).
  4. O'Shea, T., & Hoydis, J. (2017). Utangulizi wa Kujifunza Kina kwa Tabaka ya Kimwili. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, 3(4), 563-575.
  5. Jumuiya ya Usindikaji wa Ishara ya IEEE. (n.d.). Masomo ya Mashine kwa Usindikaji wa Ishara. Imepatikana kutoka https://signalprocessingsociety.org
  6. Komine, T., & Nakagawa, M. (2004). Uchambuzi wa Msingi wa mfumo wa mawasiliano ya mwanga unaoonekana kwa kutumia taa za LED. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50(1), 100-107.
  7. Goodfellow, I., et al. (2014). Mitandao ya Kupingana ya Kizazi. Maendeleo katika Mifumo ya Usindikaji wa Habari ya Neural (NeurIPS). (Unganisho la kimawazo kwa muundo wa kizazi).