Ubadilishaji Tata wa Taa Nne-LED na Taa Mbili-LED kwa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana

Orodha ya Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) yanatumia Diodi za Kutoa Mwanga (LED) kwa madhumuni mawili: kutoa mwanga na usambazaji wa data. Changamoto kuu ni kuzalisha ishara chanya na zenye thamani halisi zinazolingana na ubadilishaji wa nguvu ya LED, hasa wakati wa kutumia ubadilishaji tata kama QAM na OFDM. Mbinu za jadi za VLC-OFDM (k.m., DCO-OFDM, ACO-OFDM) huweka ulinganifu wa Hermitian kwenye vekta ya alama katika uwanja wa masafa kabla ya Mabadiliko ya Kinyume ya Fourier ya Haraka (IFFT). Hii inahakikisha ishara halisi katika uwanja wa wakati lakini hupunguza ufanisi wa wigo kwa nusu, kwani subcarriers $N$ hubeba alama tata $N/2$ pekee.

Makala hii ya Narasimhan et al. inapendekeza mabadiliko ya dhana: kuepuka kizuizi cha ulinganifu wa Hermitian kwa kutumia nafasi kwa kutumia LED nyingi. Wazo la msingi ni kutenganisha kimwili usambazaji wa vipengele (halisi/kimagumu au ukubwa/awamu) vya alama tata kwenye LED tofauti. Kazi hii inatanguliza mipango mitatu mipya: Ubadilishaji Tata wa Taa Nne-LED (QCM), Ubadilishaji Tata wa Taa Mbili-LED (DCM), na Ubadilishaji Tata wa Taa Mbili-LED kwa Njia ya Nafasi (SM-DCM).

2. Mipango ya Ubadilishaji Iliyopendekezwa

2.1 Ubadilishaji Tata wa Taa Nne-LED (QCM)

QCM hutumia LED nne kusambaza alama tata moja $s = s_I + j s_Q$.

• Ubaguzi wa Ukubwa na Ishara: Thamani kamili $|s_I|$ na $|s_Q|$ hupelekwa kupitia nguvu (nguvu ya mwanga) ya LED mbili maalum.
• Uainishaji wa Nafasi kwa Ishara: Ishara za $s_I$ na $s_Q$ hupelekwa kwa kuamilisha jozi maalum ya LED kutoka kwenye seti ya nne. Kwa mfano, kuamilisha jozi moja maalum ya LED kunaweza kuwakilisha $(+ , +)$, nyingine $(+ , -)$, n.k.

Hii hutenganisha habari ya ukubwa na ishara, ikiruhusu matumizi ya ubadilishaji rahisi wa nguvu, chanya kila wakati kwa LED zinazobeba ukubwa.

2.2 Ubadilishaji Tata wa Taa Mbili-LED (DCM)

DCM ni mpango wenye ufanisi zaidi wa wigo unaotumia LED mbili pekee. Unatumia uwakilishi wa polar wa alama tata $s = r e^{j\theta}$.

• LED 1 (Ukubwa): Husambaza ukubwa $r$ kupitia ubadilishaji wa nguvu.
• LED 2 (Awamu): Husambaza awamu $\theta$ kupitia ubadilishaji wa nguvu. Hii inahitaji kuweka thamani ya awamu $\theta \in [0, 2\pi)$ kwa kiwango chanya cha nguvu, k.m., kwa kutumia $\cos(\theta)$ au kazi maalum ya uwekaji.

DCM inafikia ufanisi sawa wa wigo kama mpango wa jadi wa ubadilishaji tata bila mzigo wa ulinganifu wa Hermitian.

2.3 Ubadilishaji Tata wa Taa Mbili-LED kwa Njia ya Nafasi (SM-DCM)

SM-DCM inaunganisha dhana ya Ubadilishaji wa Nafasi (SM) na DCM ili kuboresha kiwango cha data au uthabiti.

• Usanidi: Vitalu viwili vya DCM vinatumiwa, kila kimoja kina LED mbili (jumla LED 4).
• Uendeshaji: "Bit ya ziada ya faharasa" huchagua ni kipi kati ya vitalu viwili vya DCM kinachofanya kazi katika matumizi fulani ya kituo. Kizuizi kinachofanya kazi kisha husambaza alama tata kwa kutumia kanuni ya kawaida ya DCM.

Hii huongeza bit moja zaidi kwa kila matumizi ya kituo (bit ya nafasi) ikilinganishwa na DCM ya msingi, na hivyo kuongeza kiwango cha data.

3. Maelezo ya Kiufundi na Muundo wa Mfumo

3.1 Uundaji wa Kihisabati

Vekta ya ishara iliyopokelewa $\mathbf{y}$ kwa mfumo wenye LED $N_t$ na diodi za picha (PD) $N_r$ ni: $$\mathbf{y} = \mathbf{H} \mathbf{x} + \mathbf{n}$$ ambapo $\mathbf{H}$ ni matriki ya kituo cha VLC ya $N_r \times N_t$ (chanya, yenye thamani halisi kwa sababu ya ubadilishaji wa nguvu/ugunduzi wa moja kwa moja), $\mathbf{x}$ ni vekta ya nguvu iliyosambazwa $N_t \times 1$ (isiyo hasi), na $\mathbf{n}$ ni kelele ya ziada ya Gaussian nyeupe.

Kwa DCM inayosambaza alama $s=r e^{j\theta}$, na LED 1 na 2 zikipewa ukubwa na awamu kwa mtiririko huo, vekta ya usambazaji inaweza kuwa: $$\mathbf{x} = \begin{bmatrix} r \\ f(\theta) \end{bmatrix}$$ ambapo $f(\cdot)$ ni kazi inayoweka awamu kwa nguvu chanya, k.m., $f(\theta) = \alpha (1+\cos(\theta))$ na $\alpha$ ikihakikisha kutokuwa na hasi.

3.2 Ubunifu wa Kigunduzi

Makala hii inapendekeza vigunduzi viwili kwa mifumo ya QCM/DCM-OFDM:

1. Kigunduzi cha Kutoa Sifuri (ZF): Kigunduzi cha mstari kinachogeuka kinyume kituo: $\hat{\mathbf{s}} = \mathbf{H}^{\dagger} \mathbf{y}$, ambapo $\dagger$ inaashiria kinyume cha uwongo. Rahisi lakini kinaweza kuongeza kelele.
2. Kigunduzi cha Umbali Mdogo Zaidi (MD): Kigunduzi kisicho cha mstari, bora zaidi (kwa maana ya ML kwa AWGN) kinachopata vekta ya alama iliyosambazwa ambayo hupunguza umbali wa Euclidean: $$\hat{\mathbf{x}} = \arg\min_{\mathbf{x} \in \mathcal{X}} \| \mathbf{y} - \mathbf{H}\mathbf{x} \|^2$$ ambapo $\mathcal{X}$ ni seti ya vekta zote zinazowezekana za nguvu zilizosambazwa kwa mpango wa ubadilishaji.

4. Uchambuzi wa Utendaji na Matokeo

4.1 Utendaji wa Hitilafu za Bit (BER) na Mipaka

Makala hii inapata mipaka ya juu ya uchambuzi iliyokazwa kwa Kiwango cha Hitilafu za Bit (BER) cha mipango ya QCM, DCM, na SM-DCM. Uigizaji unathibitisha mipaka hii. Matokeo muhimu:

• DCM inafanya vizuri kuliko QCM kwa ufanisi sawa wa wigo kwa sababu inatumia nishati kwa ufanisi zaidi kwa kuwapa LED kwa ukubwa na awamu moja kwa moja, badala ya kutenganisha sehemu halisi/kimagumu na ishara zao.
• SM-DCM inatoa usawa mzuri, ikitoa kiwango cha data cha juu kuliko DCM (kwa sababu ya bit ya faharasa ya nafasi) huku ikidumisha utendaji bora wa BER kuliko QCM katika viwango vinavyolinganishwa.
• Kigunduzi cha MD kinafanya vizuri zaidi kuliko kigunduzi cha ZF, hasa katika hali za chini za SNR au vituo vya MIMO vilivyo na hali mbaya.

4.2 Mipaka ya Kiwango Cha Data Kinachowezekana

Mchango muhimu ni uchambuzi wa mipaka ya kiwango cha data kinachowezekana kwa lengo la BER. Badala ya uwezo wa kilele pekee, waandishi wanaonyesha usambazaji wa nafasi wa viwango vya data vinavyowezekana (bit/matumizi ya kituo) kwenye mpango wa chumba kwa lengo la kudumu la BER (k.m., $10^{-3}$).

• Uonyeshaji: Mipaka hii inaonyesha kwa picha maeneo ndani ya chumba ambapo mpango fulani wa ubadilishaji (QCM, DCM, SM-DCM) unaweza kufikia kiwango maalum cha data kwa uhakika.
• Uelewa: DCM na SM-DCM kwa ujumla zinaonyesha maeneo makubwa ya kiwango cha juu ikilinganishwa na QCM, zikionyesha utendaji bora zaidi na usambazaji wao.

Chombo hiki cha uchambuzi cha vitendo ni muhimu sana kwa ubunifu wa mfumo wa VLC na upangaji wa utekelezaji.

5. Mtazamo wa Mchambuzi: Uelewa wa Msingi na Ukosoaji

Uelewa wa Msingi: Kazi ya Narasimhan et al. ni hack yenye akili, inayotambua vifaa ambayo inafikiria upya kimsingi tatizo la "tata-hadi-halisi" la uzalishaji wa ishara katika VLC. Badala ya kulitatua katika uwanja wa dijiti kwa ulinganifu wa Hermitian—njia inayofanana na hasara ya uthabiti wa mzunguko katika CycleGAN (Zhu et al., 2017) ambayo inalazimisha vikwazo vya muundo katika data—wanaibeba hadi kwenye utofauti wa nafasi wa safu ya kimwili. Hii inakumbusha jinsi RF Massive MIMO inavyotumia digrii za uhuru za nafasi kwa kuzidisha, lakini hapa inatumiwa kwa utengano wa muundo wa nyota. Uvumbuzi wa kweli ni kutambua kwamba jukumu la msingi la safu ya LED katika VLC sio kuzidisha MIMO tu; inaweza kuwa kionyeshi cha muundo wa nyota.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ya makala hii ni kamili: 1) Tambua kizuizi (mzigo wa ulinganifu wa Hermitian). 2) Pendekeza kanuni ya utengano wa nafasi (QCM). 3) Boresha kwa ufanisi (DCM). 4. Unganisha mwelekeo wa ziada wa kuzidisha (SM-DCM). 5) Thibitisha kwa uchambuzi mkali (mipaka ya BER, mipaka ya kiwango). Huu ni mfano bora wa maendeleo ya utafiti yanayoongezeka lakini yenye maana.

Nguvu na Kasoro: Nguvu: Uzuri wa dhana ni wa juu. Urejeshaji wa ufanisi wa wigo wa DCM ndio kipengele chake kikuu. Uchambuzi wa mipaka ya kiwango ni bora zaidi, ukiondoka kwenye mikunjo ya kinadharia ya SNR/BER hadi vipimo vya vitendo vya utekelezaji, vikiendana na mienendo katika ripoti za IEEE na ITU-R kuhusu upangaji wa mifumo ya VLC. Kuepuka upendeleo wa DC au kukatwa (kawaida katika DCO/ACO-OFDM) kunarahisisha ubunifu wa kisambazaji. Kasoro: Tembo katika chumba ni hitaji la habari ya hali ya kituo (CSI). Utendaji wa vigunduzi vya MD na hata ZF unapungua sana kwa CSI isiyokamilika, changamoto kubwa katika mazingira ya vitendo, ya VLC yenye mwendo na vivuli vya watumiaji. Uchambuzi wa makala unadhani CSI kamili. Zaidi ya hayo, uwekaji wa awamu-hadi-nguvu $f(\theta)$ katika DCM sio wa mstari na unaweza kuwa nyeti kwa kutokuwa na mstari wa LED. Ikilinganishwa na kazi za hivi karibuni za ubadilishaji wa faharasa au vipokezi vya VLC vinavyotegemea mtandao wa neva (kama inavyoonekana katika wasilisho za baadaye za arXiv), usindikaji wa ishara hapa ni wa kawaida kiasi.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wataalamu wa tasnia: 1. Kipaumbele DCM kuliko QCM kwa miundo mipya; faida ya ufanisi wa 2x ya LED ni kubwa. 2. Tumia njia ya mipaka ya kiwango kutoka kwa makala hii kwa upangaji wa vitendo vya VLC vya eneo la moto (k.m., katika ofisi, makumbusho). 3. Chukulia dhana ya CSI kama hatari muhimu. Wekeza katika mbinu thabiti za makadirio ya kituo au fikiria lahaja za usimbaji tofauti za DCM ili kupunguza hii. 4. Chunguza mipango mseto: Tumia DCM kwa viungo vya msingi vilivyo tuli, vya kiwango cha juu na urudi kwenye ubadilishaji thabiti zaidi, rahisi (kama OOK) kwa watumiaji wenye mwendo. Kazi hii inatoa chombo chenye nguvu, lakini ujumuishaji wake katika mfumo kamili, thabiti unahitaji kukabiliana na changamoto ya vitendo ya makadirio ya kituo moja kwa moja.

6. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mfumo: Ulinganisho wa Utendaji Chini ya CSI Isiyokamilika

Hali: Tathmini QCM, DCM, na SM-DCM katika chumba cha 4m x 4m x 3m chenye LED 4 zilizowekwa dari (zilizopangwa kwa mraba) na kipokezi kimoja cha PD kwenye urefu wa dawati. Lengo ni kudumisha kiwango cha chini cha biti 2/matumizi ya kituo kwa BER ya $10^{-3}$.

Hatua:

1. Uundaji wa Kituo: Tumia muundo wa kawaida wa kituo cha VLC: $h = \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$ kwa LOS, ambapo $m$ ni mpangilio wa Lambertian, $d$ umbali, $\phi$ pembe ya mnururisho, $\psi$ pembe ya matukio, $T_s$, $g$ faida za kichujio cha mwanga na kikusanyaji.
2. Kutokamilika kwa CSI: Unda kituo kilichokadiriwa $\hat{\mathbf{H}} = \mathbf{H} + \mathbf{E}$, ambapo $\mathbf{E}$ ni matriki ya hitilafu yenye vipengele vya Gaussian vya i.i.d., tofauti inayolingana na SNR$^{-1}$.
3. Uchambuzi:
   • Hesabu mipaka ya juu ya kinadharia ya BER (kutoka kwa makala) kwa CSI kamili katika SNRs na nafasi mbalimbali.
   • Igiza kigunduzi cha MD kwa kutumia $\hat{\mathbf{H}}$ isiyokamilika na uangalie adhabu ya SNR inayohitajika kudumisha lengo la BER.
   • Onyesha kupungua kwa mipaka ya kiwango cha data kinachowezekana (kwa lengo la BER) wakati tofauti ya hitilafu ya CSI inapoongezeka kutoka 0% hadi 10%.
4. Uelewa Unaotarajiwa: SM-DCM, kwa uteuzi wake wa asili wa nafasi, inaweza kuonyesha uthabiti zaidi kwa makosa ya makadirio ya kituo katika nafasi fulani ikilinganishwa na DCM, kwani ugunduzi wa faharasa unaweza kuwa usio nyeti kwa makosa madogo ya ukubwa wa kituo kuliko ugunduzi sahihi wa ukubwa/awamu wa DCM.

Kesi hii inapanua uchambuzi wa CSI kamili wa makala hadi mwelekeo muhimu wa vitendo.

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Kanuni za QCM/DCM zinafungua njia kadhaa zenye matumaini:

• Li-Fi katika IoT ya Viwanda: Uthabiti na ufanisi wa juu wa DCM unaufanya ufawe kwa viungo vya masafa mafupi, vya kiwango cha juu cha data katika mazingira ya viwanda (k.m., mawasiliano ya mashine-hadi-mashine katika viwanda vya otomatiki) ambapo usumbufu wa RF ni wasiwasi na nafasi ziko tuli kiasi (kupunguza masuala ya CSI).
• VLC ya Chini ya Maji: Kwa mawasiliano ya chini ya maji ambapo LED za bluu-kijani hutumiwa, muundo rahisi wa kisambazaji wa DCM unaweza kuwa na faida. Utafiti kutoka taasisi kama Taasisi ya Oceanographic ya Woods Hole unaonyesha hitaji la ubadilishaji wenye ufanisi katika vituo vikali vya chini ya maji.
• Ujumuishaji na Vipokezi Vya Hali ya Juu: Kazi ya baadaye inapaswa kuunganisha DCM na vipokezi vinavyotegemea ujifunzaji wa kina (k.m., vigunduzi vya CNN au Transformer) ambavyo vinaweza kufanya pamoja makadirio ya kituo na ugunduzi wa alama, kwa uwezekano wa kushinda kizuizi cha CSI kamili. Hii inaendana na mienendo katika wasilisho za arXiv kuhusu mashine ya kujifunza kwa mawasiliano.
• Mifumo Mseto ya RF/VLC: DCM inaweza kutumika kama sehemu ya kasi ya juu sana, ya masafa mafupi katika mtandao mseto, na RF ikitoa usambazaji na usaidizi wa mwendo. Uchambuzi wa mipaka ya kiwango kinaweza kuongoza moja kwa moja upangaji wa mtandao mseto kama huo.
• Uwekaji wa Kawaida: Faida za ufanisi za DCM zinastahili kuzingatiwa kwa kujumuishwa katika viwango vya baadaye vya VLC na mashirika kama IEEE 802.15.7. Kuondolewa kwake kwa ulinganifu wa Hermitian ni faida halisi ikilinganishwa na safu za sasa za PHY zinazotegemea OFDM.

8. Marejeo

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. Imepatikana kutoka 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.