Modulasyon Tata ya Taa-Nne na Taa-Mbili kwa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana: Uchambuzi na Mfumo

Orodha ya Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) ni teknolojia ya ziada inayokua inayotumia taa za LED kwa taa na usambazaji wa data. Changamoto kuu katika VLC ni kuzalisha ishara chanya na zenye thamani halisi zinazolingana na modulasyon ya kiwango cha LED, ambayo mara nyingi huhitaji ulinganifu wa Hermitian katika mifumo ya OFDM na hivyo kupunguza ufanisi wa wigo kwa nusu. Karatasi hii inapendekeza mbinu mpya za modulasyon tata katika nafasi zinazozuia kikwazo hiki.

2. Mipango ya Modulasyon Iliyopendekezwa

Mchango mkuu ni mipango mitatu ya modulasyon inayotumia taa nyingi za LED kutuma alama tata bila ulinganifu wa Hermitian.

2.1 Modulasyon Tata ya Taa-Nne (QCM)

Inatumia taa nne za LED. Ukubwa wa sehemu halisi na ya kuwaziwa ya alama tata (mfano, QAM) huwasilishwa kupitia kiwango cha taa mbili za LED. Taarifa ya ishara (chanya/hasi) huwasilishwa kupitia uteuzi wa nafasi—kuchagua jozi gani maalum ya taa za LED imewashwa. Hii hutenganisha ukubwa na ishara katika vipimo tofauti vya kimwili (kiwango na nafasi).

2.2 Modulasyon Tata ya Taa-Mbili (DCM)

Ni mpango wenye ufanisi zaidi unaotumia taa mbili za LED tu. Unatumia uwakilishi wa polar wa alama tata $s = re^{j\theta}$.

• Taa moja ya LED hutuma ukubwa $r$ kupitia modulasyon ya kiwango.
• Taa nyingine ya LED hutuma awamu $\theta$ kupitia modulasyon ya kiwango (baada ya kuwekewa ramani inayofaa kwa thamani chanya).

Hii huweka ramani moja kwa moja vigezo asilia vya alama tata kwenye njia tofauti za kimwili.

2.3 Modulasyon Tata ya Taa-Mbili Kupitia Nafasi (SM-DCM)

Ni uboreshaji unaounganisha DCM na kanuni za Modulasyon ya Nafasi (SM). Mfumo hutumia vizuizi viwili vya DCM (kila kimoja kina taa mbili za LED). Kidibitisho cha ziada cha nafasi kinachagua kizuizi gani cha DCM kinatumika katika matumizi fulani ya kituo. Hii huongeza kipimo cha nafasi kwa usambazaji wa ziada wa data, na kuboresha ufanisi wa wigo.

3. Maelezo ya Kiufundi na Muundo wa Mfumo

3.1 Uundaji wa Kihisabati

Fikiria alama ya modulasyon tata $s = s_I + j s_Q$. Acha $\mathbf{x} = [x_1, x_2, ..., x_N]^T$ iwe vekta ya viwango vya taa $N$ za LED.

Kwa QCM ($N=4$): Uwekaji ramani unahakikisha $x_i \ge 0$. Ishara ya $s_I$ na $s_Q$ huamua muundo maalum wa nafasi (uchaguzi wa jozi ya LED). Kwa mfano: $\text{Ikiwa } s_I \ge 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [|s_I|, |s_Q|, 0, 0]^T$ $\text{Ikiwa } s_I < 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [0, |s_Q|, |s_I|, 0]^T$ na kadhalika.

Kwa DCM ($N=2$): Acha $s = re^{j\theta}$, na $r \ge 0$, $\theta \in [0, 2\pi)$. Uwekaji ramani unaowezekana ni: $x_1 = r$ (Taa ya ukubwa) $x_2 = \frac{\theta}{2\pi} \cdot P_{avg}$ (Taa ya awamu, iliyopimwa kwa nguvu ya wastani)

3.2 Ubunifu wa Kichunguzi

Karatasi hii inawasilisha vichunguzi viwili kwa mipango iliyopendekezwa katika mfumo wa OFDM (QCM-OFDM, DCM-OFDM):

1. Kichunguzi cha Kufanya Sifuri (ZF): Kichunguzi cha mstari kinachogeuzia matriki ya kituo. Rahisi lakini kinaweza kuongeza kelele. Vekta ya alama iliyokadiriwa $\hat{\mathbf{s}}_{ZF} = (\mathbf{H}^H\mathbf{H})^{-1}\mathbf{H}^H \mathbf{y}$, ambapo $\mathbf{H}$ ni matriki ya kituo cha MIMO na $\mathbf{y}$ ni vekta ya ishara iliyopokelewa.
2. Kichunguzi cha Umbali Mdogo Zaidi (MD): Kichunguzi kisicho cha mstari, bora zaidi (kwa maana ya ML kwa AWGN) kinachopata alama iliyotumwa ambayo hupunguza umbali wa Euclidean hadi ishara iliyopokelewa: $\hat{\mathbf{s}}_{MD} = \arg\min_{\mathbf{s} \in \mathcal{S}} ||\mathbf{y} - \mathbf{H}\mathbf{x}(\mathbf{s})||^2$, ambapo $\mathcal{S}$ ni seti ya alama zote zinazowezekana tata na $\mathbf{x}(\mathbf{s})$ ni uwekaji ramani wa modulasyon.

4. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

Karatasi hii inatathmini utendaji kupitia uchambuzi wa Kiwango cha Hitilafu ya Bit (BER) na uigizaji.

• BER dhidi ya SNR: Michoro inaonyesha kuwa DCM na SM-DCM hufanya vizuri kuliko QCM kwa ufanisi fulani wa wigo. SM-DCM hutoa utendaji bora zaidi kutokana na utofautishaji wa ziada wa nafasi na faida ya usimbaji kutoka kwa kidibitisho cha nafasi.
• Viambatanisho vya Kiwango Kinachoweza Kufikiwa: Kwa kutumia mipaka ya juu ya uchambuzi mkali wa BER na usambazaji wa nafasi wa SNR iliyopokelewa, waandishi wanahesabu na kuchora viambatanisho vya kiwango kinachoweza kufikiwa kwa lengo la BER (mfano, $10^{-3}$). Viambatanisho hivi vinaonyesha kwa macho maeneo katika nafasi ambapo mawasiliano ya kuaminika yanawezekana kwa QCM, DCM, na SM-DCM, na kusisitiza usambazaji bora na kiwango cha SM-DCM.
• Uvumbuzi Muhimu: Mipango iliyopendekezwa, hasa DCM na SM-DCM, hufikia utendaji wa hitilafu unaolingana au bora kuliko OFDM ya kawaida yenye ulinganifu wa Hermitian (kama DCO-OFDM) huku ikitoa usambazaji kamili wa alama tata kwa kila matumizi ya kituo, na hivyo kuongeza ufanisi wa wigo maradufu katika nyanja tata.

5. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano Halisi

Mfumo wa Kutathmini Mipango ya Modulasyon ya VLC:

1. Ufanisi wa Wigo (bits/s/Hz): Hesabu kulingana na ukubwa wa kundi la nyota na biti za nafasi (mfano, SM-DCM: $\log_2(M) + 1$ biti kwa kila matumizi ya kituo, ambapo $M$ ni ukubwa wa QAM, na +1 ni kidibitisho cha nafasi).
2. Ufanisi wa Nguvu na Masafa ya Mabadiliko: Chambua mstari unaohitajika wa LED na masafa ya mabadiliko kwa modulasyon ya kiwango cha vipengele vya ukubwa na awamu.
3. Ugumu wa Kipokeaji: Linganisha gharama ya hesabu ya uchunguzi wa ZF dhidi ya MD, hasa kwa usanidi mkubwa wa MIMO.
4. Uimara dhidi ya Hali za Kituo: Simulia utendaji chini ya mifano tofauti ya kituo cha VLC cha ndani (mfano, onyesho la Lambertian, uwepo wa vikwazo).

Mfano Halisi - Kituo cha Li-Fi cha Ndani: Fikiria chumba chenye taa 4 za dari za LED (zilizopangwa kwa mraba). Kwa kutumia SM-DCM na 16-QAM ($\log_2(16)=4$ biti) na kidibitisho kimoja cha nafasi (kuchagua kati ya vizuizi 2 vya DCM vya taa 2 kila mmoja), mfumo hutuma biti 5/matumizi ya kituo. Ikiwa nafasi ya subcarrier ya OFDM ni 100 kHz, kiwango cha data ghafi kwa kila subcarrier ni 500 kbps. Kwa subcarrier 512, kiwango cha jumla cha data hufikia ~256 Mbps, inayofaa kwa upatikanaji wa ndani wa bila waya wa kasi kubwa, bila kuhitaji mzigo wa ziada wa ulinganifu wa Hermitian.

6. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

• Mifumo ya Mchanganyiko ya RF/VLC: Kutumia DCM/SM-DCM kwa mstari wa kushuka (VLC ya kasi kubwa) na RF kwa mstari wa kupanda, na kuboresha itifaki za kukabidhi.
• Nyuso za Kuakisi Zenye Akili (IRS) kwa VLC: Kuunganisha nyuso za meta ili kudhibiti njia za mwanga kwa nguvu, na kuboresha utendaji wa SM-DCM katika hali zisizo za mstari wa kuona. Utafiti kutoka kwa Maabara ya Media ya MIT kuhusu nyuso zinazoweza kuprogramu zinaweza kuwa muhimu.
• Uchunguzi Unaotegemea Kujifunza kwa Mashine: Kubadilisha vichunguzi vya kawaida vya ZF/MD na mitandao ya kina ya neva (DNNs) kwa makadirio ya pamoja ya kituo na uchunguzi wa alama katika mazingira ya VLC yenye mabadiliko makubwa, sawa na kazi katika RF kama "DeepMIMO".
• Kuweka Viwango: Kusukuma kwa kujumuishwa kwa mipango ya modulasyon ya nafasi kama DCM katika viwango vya baadaye vya IEEE 802.11bb (Li-Fi) au viwango vingine vya VLC.
• VLC ya Kuvuna Nishati: Kubuni pamoja ishara za DCM ili kuboresha wakati mmoja kiwango cha data na usambazaji wa nguvu ya DC kwa vifaa vya IoT, mada iliyochunguzwa katika kazi kama "Usambazaji wa Pamoja wa Habari na Nguvu ya Mwanga (SLIPT)".

7. Marejeo

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. Uchambuzi wa Asili na Ufahamu wa Mtaalamu

Ufahamu Mkuu: Karatasi hii sio tu marekebisho mengine ya modulasyon ya VLC; ni mawazo ya msingi tena ya tatizo la "kubadilisha tata kuwa halisi" la ishara ambalo limewatesa VLC-OFDM. Kwa kuhamisha taarifa ya ishara/awamu kutoka kwenye nyanja ya kiwango hadi nyanja ya nafasi, waandishi hutenganisha kikwazo cha kihisabati (ulinganifu wa Hermitian) na kile cha kimwili (kutokuwa na hasi kwa LED). Hii inakumbusha mabadiliko ya dhana yaliyoletwa na CycleGAN (Zhu et al., 2017) katika tazamo wa kompyuta, ambayo ilitenganisha tafsiri ya mtindo na yaliyomo kwa kutumia mzunguko-thabiti badala ya data iliyowekwa pamoja. Hapa, utenganisho ni kati ya uwakilishi wa aljebra ya ishara na utaratibu wake wa kimwili wa utoaji.

Mtiririko wa Mantiki na Mchango: Maendeleo kutoka QCM (taa 4 za LED, ya kueleweka lakini kubwa) hadi DCM (taa 2 za LED, uwekaji ramani mzuri wa polar) hadi SM-DCM (kuongeza kidibitisho cha nafasi chenye taarifa) ni wazi kimantiki. Inafuata njia ya kawaida ya uhandisi: anza na suluhisho la nguvu, pata uwakilishi mzuri zaidi wa kihisabati, kisha ongeza kiwango cha ziada cha uhuru kwa ufanisi. Mchango mkuu wa kiufundi ni kuthibitisha kuwa uwakilishi wa polar ($r$, $\theta$) huweka ramani kwa asili na ufanisi zaidi kwenye safu ya kimwili ya taa-mbili kuliko Cartesian ($I$, $Q$). Hii inalingana na uvumbuzi katika RF massive MIMO ambapo uwakilishi wa nafasi ya miale (pembe) mara nyingi hurahisisha usindikaji.

Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni faida ya ufanisi wa wigo—kuiongeza maradufu ikilinganishwa na OFDM yenye ulinganifu wa Hermitian. Mipaka ya BER na viambatanisho vya kiwango hutoa ushahidi thabiti, unaoweza kupimika. Hata hivyo, uchambuzi una mapungufu. Kwanza, inachukulia taarifa kamili ya hali ya kituo (CSI) na taa za LED zilizosawazishwa, ambayo si rahisi katika kituo cha VLC cha vitendo, chenye miongo mingi. Pili, mahitaji ya masafa ya mabadiliko kwa taa ya "awamu" katika DCM hayajaelezewa vizuri. Kuweka ramani awamu endelevu $\theta \in [0, 2\pi)$ kwa mstari hadi kiwango kunaweza kuhitaji taa za LED zenye mstari mzuri katika masafa yao yote ya uendeshaji, jambo linalojulikana la uchungu katika VLC ya analog. Tatu, msingi wa kulinganisha ni nyembamba kiasi. Kigezo kikali zaidi kingekuwa dhidi ya OFDM ya modulasyon ya faharasa (IM-OFDM) ya kisasa au OFDM ya mwanga iliyokatwa kwa usawa (ACO-OFDM) chini ya vikwazo sawa vya jumla ya nguvu na upana wa wigo.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti na wahandisi: 1. Lenga DCM, sio QCM. DCM ndio eneo bora. Hitaji la taa 2 za LED hulifanya litumike mara moja kwa taa nyingi za Li-Fi zilizopo ambazo mara nyingi zina chip nyingi za LED. Sekta inapaswa kutengeneza prototaipu za vipokezi vya DCM. 2. Kubuni pamoja na makadirio ya kituo. Hatua inayofuata muhimu ni kukuza algoriti thabiti, zenye mzigo mdogo za makadirio ya kituo zilizoundwa kwa muundo wa ishara ya DCM, labda kwa kutumia alama za rubani zilizojumuishwa katika mitiririko ya ukubwa/awamu kwa kujitegemea. 3. Chunguza uwekaji ramani usio wa mstari. Badala ya ramani ya mstari ya awamu-hadi-kiwango, chunguza mbinu zisizo za mstari za kukandamiza (zinazochochewa na ukandamizaji wa sheria-$\mu$ katika sauti) ili kupunguza tatizo la masafa ya mabadiliko ya LED na kuboresha ufanisi wa nguvu. 4. Unganisha na vifaa vipya vinavyokua. Shirikiana na wazalishaji wa LED kubuni pamoja safu za micro-LED ambapo pikseli binafsi zinaweza kurekebishwa kwa kujitegemea kwa DCM/SM-DCM, na kuunda muunganisho kamili wa mawasiliano na onyesho—dhana iliyodokezwa na utafiti kwenye mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga na Onyesho (LiCaD).

Kwa kumalizia, kazi hii hutoa njia ya kinadharia sahihi na ya matumizi yenye ahadi ya kutoroka kwenye kikwazo cha ulinganifu wa Hermitian. Athari yake ya ulimwengu halisi itategemea kukabiliana na changamoto za utekelezaji wa vitendo kwa ujasiri, kusonga kutoka nadharia nzuri hadi mifumo thabiti, iliyowekwa viwango.