Mawasiliano ya Mwanga ya Nafasi ya Wazi Yenye Uthibitisho Mkubwa Kwa Kutumia Vifaa Vilivyoboreshwa vya SWaP

1. Utangulizi na Muhtasari

Kazi hii inaonyesha maendeleo makubwa katika mifumo ya mawasiliano ya mwanga ya nafasi ya wazi (FSO) kwa kushughulikia changamoto muhimu ya Ukubwa, Uzito, na Nguvu (SWaP). Maonyesho ya kawaida ya FSO yenye uthibitisho mkubwa au kiwango cha juu cha data mara nyingi hutegemea vifaa vikubwa, vinavyotumia nguvu nyingi kama vile jenereta za mawimbi holela, virekebishaji vya nje, au vipokeaji vya baridi kali. Karatasi hii inawasilisha suluhisho la muunganisho la kompakt kwa kutumia Taa ya Diodi Ndogo ya Mwanga (micro-LED) ya Gallium Nitride (GaN) inayodhibitiwa na CMOS kama kipeperushi na safu ya Diodi ya Mwanga Mmoja ya CMOS (SPAD) iliyounganishwa kama kipokeaji. Mfumo huu unafikia kiwango cha data cha 100 Mb/s kwa uthibitisho wa kushangaza wa kipokeaji wa -55.2 dBm (sawa na ~7.5 fotoni zilizogunduliwa kwa kila biti) huku ukitumia nguvu chini ya 5.5 W jumla, na kuthibitisha uwezekano wa viunganishi vya mwanga vya hali ya juu chini ya vikwazo vikali vya SWaP.

2. Teknolojia za Msingi

Utendaji wa mfumo unategemea teknolojia mbili muhimu za muunganisho za fotoni.

3. Utekelezaji wa Mfumo na Mbinu

4. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

Maelezo ya Chati: Grafu ya BER dhidi ya Nguvu ya Mwanga Iliyopokelewa kwa kawaida ingeonyesha mikunjo miwili, moja kwa 50 Mb/s na nyingine kwa 100 Mb/s. Mkunjio wa 50 Mb/s ungefikia lengo la BER (k.m., 1e-3) kwa kiwango cha chini cha nguvu (takriban -60.5 dBm) kuliko mkunjio wa 100 Mb/s (takriban -55.2 dBm), na kuonyesha usawazishaji kati ya kiwango cha data na uthibitisho. Grafu hiyo ingeangazia pengo la utendaji hadi Kikomo cha Kawaida cha Quantum (SQL).

Matokeo yanaonyesha wazi usawazishaji kati ya kiwango cha data na uthibitisho. Kwa 50 Mb/s, uthibitisho wa juu zaidi wa -60.5 dBm ulifikiwa. Utendaji wa mfumo, kwa 100 Mb/s, unaripotiwa kuwa ndani ya 18.5 dB ya SQL kwa mwanga wa 635 nm, ambayo ni -70.1 dBm.

5. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo wa Hisabati

Kikomo cha msingi kwa kipokeaji kama hicho cha kuhesabu fotoni ni Kikomo cha Kawaida cha Quantum (SQL) kwa ugunduzi wa moja kwa moja, kinachotokana na takwimu za Poisson za kufika kwa fotoni. Uwezekano wa hitilafu kwa OOK unapewa na:

$P_e = \frac{1}{2} \left[ P(0|1) + P(1|0) \right]$

Ambapo $P(0|1)$ ni uwezekano wa kuamua "0" wakati "1" ilitumwa (ugunduzi uliopotea), na $P(1|0)$ ni uwezekano wa kuamua "1" wakati "0" ilitumwa (tahadhari ya uwongo, mara nyingi kutokana na hesabu za giza). Kwa SPAD, kiwango cha hesabu kilichogunduliwa $R_d$ si sawa na mtiririko wa fotoni unaoingia $\Phi$ kwa sababu ya muda wa kufa $\tau_d$:

$R_d = \frac{\eta \Phi}{1 + \eta \Phi \tau_d}$

ambapo $\eta$ ni ufanisi wa ugunduzi. Hii isiyo ya mstari na athari zinazohusiana kama vile baada ya msukumo ndio sababu kuu kwa nini mpango rahisi wa RZ-OOK ulichaguliwa badala ya NRZ, kwani hutoa utenganisho wazi wa muda kati ya biti ili kupunguza ISI.

6. Mtazamo wa Mchambuzi: Ufahamu wa Msingi na Ukosoaji

Ufahamu wa Msingi: Griffiths na wenzake wamefanya kazi bora katika uvumbuzi wa vitendo. Hawakukimbia kufikia rekodi ya uthibitisho peke yake, bali walibuni mfumo ulioboreshwa kwa jumla ambapo fotoni za CMOS zilizounganishwa huwezesha moja kwa moja muundo wa chini wa SWaP. Mafanikio makubwa si tu -55.2 dBm; ni kufikia uthibitisho huo huku kipeperushi-cha-kipokeaji chote kikitumia nguvu chini ya balbu ya LED ya nyumbani. Hii inabadilisha hadithi kutoka kwa udadisi wa maabara hadi mali inayoweza kutumiwa.

Mtiririko wa Mantiki na Uchaguzi wa Kimkakati: Mantiki ni ya kujihami kikamilifu. 1) Tatizo: FSO ya hali ya juu inazuia SWaP. 2) Dhana ya Suluhisho: Muunganisho wa CMOS wa kazi muhimu za fotoni (viendeshi vya micro-LED, safu za SPAD zenye vihesabio) ndio njia pekee inayowezekana. 3) Uthibitisho: Tumia urekebishaji rahisi zaidi (RZ-OOK) kuthibitisha kwanza uwezo wa msingi wa vifaa vilivyounganishwa, na kutenganisha faida ya SWaP. Hii inafanana na falsafa katika utafiti wa kina wa vifaa unaotambua vifaa, kama kazi ya "Usindikaji Bora wa Mitandao ya Kina ya Neural: Mafunzo na Uchunguzi" (Sze et al., Proceedings of the IEEE, 2017), ambayo inasema kuwa algorithm na vifaa lazima zibuniwe pamoja kwa ufanisi wa ulimwengu halisi—kanuni inayoonyeshwa wazi hapa.

Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni maonyesho ya kiwango cha mfumo yanayovutia. Takwimu ya <5.5W ni hoja kubwa kwa utumiaji shambani katika UAV au satelaiti. Hata hivyo, kasoro kuu ya karatasi ni ukimya wake wa kimkakati kuhusu msongamano wa data. 100 Mb/s inatosha kwa telemetri ya sensor lakini ni ya kawaida kwa mawasiliano ya kisasa. Matumizi ya OOK rahisi, ingawa ni busara kwa uthibitisho huu wa dhana, yanaacha ufanisi mkubwa wa wigo mezani. Wamejenga baiskeli yenye ufanisi mkubwa ili kuthibitisha injini inafanya kazi, huku tasnia ikihitaji lori. Zaidi ya hayo, uchambuzi wa uthabiti wa kiunganishi (k.m., kwa msukosuko wa anga, makosa ya kuelekeza)—kiwiko cha FSO—hakupo, ukosekano muhimu kwa mfumo wowote unaotayarishwa shambani.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: 1) Kwa Watafiti: Hatua inayofuata mara moja sio kusukuma uthibitisho dB nyingine, bali kutumia jukwaa hili lililounganishwa kwa urekebishaji wa hali ya juu zaidi (k.m., PPM, DPSK) ili kuongeza kiwango cha biti bila kuongeza SWaP kwa uwiano. 2) Kwa Wawekezaji na Waunganishi: Teknolojia hii imekomaa kwa matumizi maalum, yenye thamani kubwa ambapo kiwango cha chini cha data, uthibitisho mkali, na SWaP ya chini sana hukutana: fikiria viunganishi vya ndani vya CubeSat vya nafasi ya kina, vitengo vya kijeshi vya mkoba salama, au uunganishaji wa nyuma wa IoT katika mazingira yenye vikwazo vya nguvu. Thamani iko kwenye kifurushi cha muunganisho, sio vipengele binafsi. 3) Njia Muhimu: Jamii lazima sasa ilenge mkazo kuhakikisha usanidi huu mzuri wa maabara—kuongeza optiki zinazobadilika kwa kupunguza msukosuko na mifumo imara ya upatikanaji/uftuatiliaji—ili kuhama kutoka kwa mfano bora hadi bidhaa.

7. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mfumo: Uchambuzi wa Usawazishaji wa Utendaji wa Mfumo Uliozuiliwa na SWaP

Ili kutathmini teknolojia kama hii, tunapendekeza mfumo rahisi lakini wenye nguvu unaochora utendaji kwenye shoka mbili dhidi ya kikwazo cha bajeti ya SWaP:

1. Shoka Y1: Kiashiria Muhimu cha Utendaji (KPI) – k.m., Kiwango cha Data (Mb/s), Uthibitisho (dBm), au Masafa ya Kiunganishi (km).
2. Shoka Y2: Ufanisi wa Mfumo – k.m., KPI kwa Watt (Mb/s/W) au KPI kwa kila kitengo cha ujazo.
3. Ukubwa wa Bubbuli ya Kikwazo: Bajeti ya Jumla ya SWaP – k.m., Nguvu (W), Ujazo (cm³).

Utumiaji wa Kesi:

• Kazi Hii (Griffiths et al.): Ingechukua nafasi yenye Kiwango cha Data cha wastani (~100 Mb/s) lakini Ufanisi wa Juu Sana (~18 Mb/s/W) ndani ya bubbuli ndogo sana ya SWaP (<5.5W, umbo kompakt).
• FSO ya Jadi Yenye Uthibitisho Mkubwa (k.m., kwa kutumia vigunduzi vya baridi kali): Inaweza kuonyesha Uthibitisho wa juu zaidi (k.m., -65 dBm) lakini Ufanisi wa chini sana (Mb/s/W ndogo) na bubbuli kubwa ya SWaP.
• FSO ya Jadi ya Kiwango cha Juu (k.m., kwa kutumia laser/EDFA kubwa): Ingeonyesha Kiwango cha Data cha juu zaidi (k.m., 10 Gb/s) lakini Ufanisi wa wastani hadi duni na bubbuli kubwa ya SWaP.

Uonyeshaji huu unaonyesha mara moja kuwa mchango wa kazi hii sio kushinda kwa KPI yoyote ya thamani kamili, bali kudhibiti robo ya ufanisi wa juu, ya SWaP ya chini, na kufungua nafasi mpya kabisa za matumizi.

8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Maendeleo

Njia ya muunganisho iliyoonyeshwa inaweka msingi wa matumizi kadhaa yanayobadilisha:

• Makundi ya Satelaiti Ndogo/Ndogo sana (CubeSats): Viunganishi vya ndani vya satelaiti vilivyo kompakt sana, vinavyotumia nguvu chini (ISL) kwa uratibu wa kundi na upelekaji data angani, ambapo SWaP ni muhimu zaidi.
• Mitandao ya Vyombo vya Anga Visivyo na Rubani (UAV): Viunganishi vya data salama, vya upana wa kiwango cha juu vya anga-hadi-anga na anga-hadi-ardhi kwa ufuatiliaji na upelekaji wa mawasiliano.
• Mawasiliano ya Kimkakati ya Kubebeka na Salama: Mifumo ya mkoba au iliyowekwa kwenye gari kwa mawasiliano salama yasiyoonekana yasiyoathiriwa na kukamatwa/kuzuiwa kwa RF.
• Uunganishaji wa Nyuma wa IoT wa Kuvuna Nishati: Kuunganisha mitandao ya sensor ya mbali ambapo upatikanaji wa nguvu ni mdogo.

Mwelekeo Muhimu wa Maendeleo:

1. Maendeleo ya Urekebishaji: Kuhamia kutoka OOK hadi mipango yenye ufanisi zaidi wa wigo au iliyoboreshwa kwa uthibitisho kama vile Urekebishaji wa Nafasi ya Msukumo (PPM) au ufunguo wa mabadiliko ya awamu tofauti (DPSK) kwa kutumia jukwaa lile lile la CMOS.
2. Kupima Urefu wa Wimbi: Kukuza micro-LED na SPAD kwa urefu wa wimbi wa mawasiliano (k.m., 1550 nm) kwa usambazaji bora wa anga na usalama wa macho.
3. Muunganisho Pamoja na Mfumo-kwenye-Chipi (SoC): Muunganisho zaidi wa elektroniki za kiendeshi, usindikaji wa ishara ya dijiti (DSP kwa marekebisho ya makosa ya mbele, urejesho wa saa), na mantiki ya udhibiti kwenye chipi moja ya CMOS pamoja na vifaa vya fotoni.
4. Muunganisho wa Kuelekeza Mwanga: Kuunganisha mifumo ya umeme-mitambo ndogo (MEMS) au uelekezaji wa mwanga unaotegemea fuwele ya kioevu moja kwa moja kwenye kifurushi kwa usawazishaji na ufuatiliaji imara.

9. Marejeo

1. Griffiths, A. D., Herrnsdorf, J., Almer, O., Henderson, R. K., Strain, M. J., & Dawson, M. D. (2019). High-sensitivity free space optical communications using low size, weight and power hardware. arXiv preprint arXiv:1902.00495.
2. Khalighi, M. A., & Uysal, M. (2014). Survey on free space optical communication: A communication theory perspective. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 16(4), 2231-2258.
3. Sze, V., Chen, Y. H., Yang, T. J., & Emer, J. S. (2017). Efficient processing of deep neural networks: A tutorial and survey. Proceedings of the IEEE, 105(12), 2295-2329. (Imetajwa kwa falsafa ya ubunifu pamoja wa kiwango cha mfumo).
4. Henderson, R. K., Johnston, N., Hutchings, S. W., & Gyongy, I. (2019). A 256x256 40nm/90nm CMOS 3D-Stacked 120dB Dynamic-Range Reconfigurable Time-Resolved SPAD Imager. 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) (pp. 106-108). IEEE. (Mfano wa muunganisho wa hali ya juu wa CMOS-SPAD).
5. McKendry, J. J., et al. (2012). High-speed visible light communications using individual pixels in a micro light-emitting diode array. IEEE Photonics Technology Letters, 24(7), 555-557.
6. Shannon, C. E. (1948). A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal, 27(3), 379-423. (Nadharia ya msingi inayounda misingi ya vikomo vyote vya mawasiliano).