Görünür Işık Haberleşmesi için Dörtlü-LED ve İkili-LED Karmaşık Modülasyonu: Analiz ve Çerçeve

İçindekiler

1. Giriş ve Genel Bakış

Görünür Işık Haberleşmesi (VLC), LED'leri hem aydınlatma hem de veri iletimi için kullanan, RF haberleşmeye tamamlayıcı yeni bir teknolojidir. VLC'deki temel zorluklardan biri, LED yoğunluk modülasyonu ile uyumlu pozitif, gerçel değerli sinyaller üretmektir; bu genellikle OFDM sistemlerinde spektral verimliliği yarıya indiren Hermitian simetrisi gerektirir. Bu makale, bu kısıtlamayı aşan yeni uzamsal-alan karmaşık modülasyon teknikleri önermektedir.

2. Önerilen Modülasyon Şemaları

Temel katkı, Hermitian simetrisi olmadan karmaşık semboller iletmek için birden fazla LED'den yararlanan üç modülasyon şemasıdır.

2.1 Dörtlü-LED Karmaşık Modülasyonu (QCM)

Dört LED kullanır. Karmaşık bir sembolün (örneğin, QAM) gerçel ve sanal kısımlarının büyüklükleri, iki LED'in yoğunluğu aracılığıyla iletilir. İşaret bilgisi (pozitif/negatif) ise uzamsal indeksleme—hangi belirli LED çiftinin aktifleştirildiğinin seçilmesi—yoluyla iletilir. Bu, genlik ve işareti farklı fiziksel boyutlara (yoğunluk ve uzay) ayırır.

2.2 İkili-LED Karmaşık Modülasyonu (DCM)

Sadece iki LED kullanan daha verimli bir şemadır. Karmaşık bir sembolün kutupsal gösteriminden yararlanır: $s = re^{j\theta}$.

• Bir LED, büyüklük $r$'yi yoğunluk modülasyonu ile iletir.
• Diğer LED, faz $\theta$'yı (pozitif bir değere uygun şekilde eşlendikten sonra) yoğunluk modülasyonu ile iletir.

Bu, karmaşık sembolün doğal parametrelerini doğrudan farklı fiziksel kanallara eşler.

2.3 Uzamsal Modülasyon DCM (SM-DCM)

DCM'yi Uzamsal Modülasyon (SM) ilkeleri ile birleştiren bir geliştirmedir. Sistem iki DCM bloğu (her biri iki LED'den oluşan) kullanır. Ek bir indeks biti, belirli bir kanal kullanımında hangi DCM bloğunun aktif olduğunu seçer. Bu, ek veri iletimi için uzamsal bir boyut ekleyerek spektral verimliliği artırır.

3. Teknik Detaylar ve Sistem Modeli

3.1 Matematiksel Formülasyon

Karmaşık bir modülasyon sembolü $s = s_I + j s_Q$ olsun. $\mathbf{x} = [x_1, x_2, ..., x_N]^T$, $N$ LED için yoğunlukların vektörü olsun.

QCM için ($N=4$): Eşleme $x_i \ge 0$ olmasını sağlar. $s_I$ ve $s_Q$'nun işareti, belirli bir uzamsal deseni (LED çifti seçimini) belirler. Örneğin: $\text{Eğer } s_I \ge 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [|s_I|, |s_Q|, 0, 0]^T$ $\text{Eğer } s_I < 0, s_Q \ge 0: \mathbf{x} = [0, |s_Q|, |s_I|, 0]^T$ ve benzeri.

DCM için ($N=2$): $s = re^{j\theta}$, $r \ge 0$, $\theta \in [0, 2\pi)$ olsun. Olası bir eşleme şudur: $x_1 = r$ (büyüklük LED'i) $x_2 = \frac{\theta}{2\pi} \cdot P_{avg}$ (faz LED'i, ortalama güç ile ölçeklendirilmiş)

3.2 Dedektör Tasarımı

Makale, önerilen şemalar için bir OFDM çerçevesinde (QCM-OFDM, DCM-OFDM) iki dedektör sunmaktadır:

1. Sıfır-Zorlamalı (ZF) Dedektör: Kanal matrisini tersine çeviren doğrusal bir dedektördür. Basittir ancak gürültüyü artırabilir. Tahmini sembol vektörü $\hat{\mathbf{s}}_{ZF} = (\mathbf{H}^H\mathbf{H})^{-1}\mathbf{H}^H \mathbf{y}$, burada $\mathbf{H}$ MIMO kanal matrisi ve $\mathbf{y}$ alınan sinyal vektörüdür.
2. Minimum Mesafe (MD) Dedektörü: Alınan sinyale Öklid mesafesini en aza indiren iletilen sembolü bulan doğrusal olmayan, optimal bir dedektördür (AWGN için ML anlamında): $\hat{\mathbf{s}}_{MD} = \arg\min_{\mathbf{s} \in \mathcal{S}} ||\mathbf{y} - \mathbf{H}\mathbf{x}(\mathbf{s})||^2$, burada $\mathcal{S}$ tüm olası karmaşık sembollerin kümesi ve $\mathbf{x}(\mathbf{s})$ modülasyon eşlemesidir.

4. Deneysel Sonuçlar ve Performans

Makale, performansı Bit Hata Oranı (BER) analizi ve simülasyonları ile değerlendirmektedir.

• BER vs. SNR: Grafikler, belirli bir spektral verimlilik için DCM ve SM-DCM'in QCM'den daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymaktadır. SM-DCM, indeks bitinden gelen ek uzamsal çeşitleme ve kodlama kazancı nedeniyle en iyi performansı sağlar.
• Elde Edilebilir Hız Eşdüzey Çizgileri: Yazar, sıkı analitik BER üst sınırlarını ve alınan SNR'ın uzamsal dağılımını kullanarak, hedef BER (örneğin, $10^{-3}$) için elde edilebilir hız eşdüzey çizgilerini hesaplar ve çizer. Bu eşdüzey çizgiler, QCM, DCM ve SM-DCM için güvenilir haberleşmenin mümkün olduğu uzaydaki bölgeleri görsel olarak gösterir ve SM-DCM'in üstün kapsama alanını ve hızını vurgular.
• Temel Bulgu: Önerilen şemalar, özellikle DCM ve SM-DCM, geleneksel Hermitian-simetri tabanlı OFDM'ye (DCO-OFDM gibi) kıyasla karşılaştırılabilir veya daha iyi hata performansı elde ederken, kanal kullanımı başına tam karmaşık sembol iletimi sunar ve karmaşık alanda spektral verimliliği etkin bir şekilde ikiye katlar.

5. Analiz Çerçevesi ve Örnek Vaka

VLC Modülasyon Şemalarını Değerlendirme Çerçevesi:

1. Spektral Verimlilik (bit/s/Hz): Takımyıldız boyutu ve uzamsal bitlere göre hesaplayın (örneğin, SM-DCM: kanal kullanımı başına $\log_2(M) + 1$ bit, burada $M$ QAM boyutu ve +1 uzamsal indeks bitidir).
2. Güç Verimliliği ve Dinamik Aralık: Büyüklük ve faz bileşenlerinin yoğunluk modülasyonu için gereken LED doğrusallığını ve dinamik aralığını analiz edin.
3. Alıcı Karmaşıklığı: Özellikle büyük MIMO konfigürasyonları için ZF ve MD tespitinin hesaplama maliyetini karşılaştırın.
4. Kanal Koşullarına Dayanıklılık: Farklı iç mekan VLC kanal modelleri altında performansı simüle edin (örneğin, Lambert yansıması, engellerin varlığı).

Örnek Vaka - İç Mekan Li-Fi Erişim Noktası: Tavanda 4 LED bulunan (kare şeklinde dizilmiş) bir oda düşünün. 16-QAM ($\log_2(16)=4$ bit) ve bir uzamsal indeks biti (her biri 2 LED'den oluşan 2 DCM bloğu arasında seçim) ile SM-DCM kullanarak sistem, kanal kullanımı başına 5 bit iletir. OFDM alt taşıyıcı aralığı 100 kHz ise, alt taşıyıcı başına ham veri hızı 500 kbps'dir. 512 alt taşıyıcı ile toplam veri hızı ~256 Mbps'a ulaşır, bu da Hermitian simetrisi ek yükü gerektirmeden yüksek hızlı iç mekan kablosuz erişim için uygundur.

6. Gelecek Uygulamalar ve Araştırma Yönleri

• Hibrit RF/VLC Sistemleri: DCM/SM-DCM'i aşağı bağlantı (yüksek hızlı VLC) ve RF'yi yukarı bağlantı için kullanarak, geçiş protokollerini optimize etme.
• VLC için Akıllı Yansıtıcı Yüzeyler (IRS): Işık yollarını dinamik olarak kontrol etmek için metasurface'leri entegre ederek, SM-DCM performansını görüş hattı dışı koşullarda geliştirme. MIT Media Lab'ın programlanabilir yüzeyler üzerine araştırmaları ilgili olabilir.
• Makine Öğrenmesi Tabanlı Tespit: Geleneksel ZF/MD dedektörlerini, yüksek dinamik VLC ortamlarında ortak kanal tahmini ve sembol tespiti için derin sinir ağları (DNN'ler) ile değiştirme, "DeepMIMO" gibi RF'deki çalışmalara benzer şekilde.
• Standardizasyon: DCM gibi uzamsal-alan modülasyon şemalarının gelecekteki IEEE 802.11bb (Li-Fi) veya diğer VLC standartlarına dahil edilmesi için çaba gösterme.
• Enerji Hasat Eden VLC: Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazları için veri hızını ve DC güç dağıtımını aynı anda optimize etmek üzere DCM sinyallerini birlikte tasarlama, "Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer (SLIPT)" gibi çalışmalarda ele alınan bir konu.

7. Referanslar

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. Özgün Analiz ve Uzman Görüşü

Temel İçgörü: Bu makale, sadece başka bir artımlı VLC modülasyon iyileştirmesi değil; VLC-OFDM'yi rahatsız eden "karmaşıktan gerçele" sinyal dönüşümü probleminin temelden yeniden düşünülmesidir. Yazarlar, işaret/faz bilgisini yoğunluk alanından uzamsal alana aktararak, matematiksel bir kısıtlamayı (Hermitian simetrisi) fiziksel bir kısıtlamadan (LED negatif olmama) etkili bir şekilde ayırmaktadır. Bu, bilgisayarlı görüde CycleGAN (Zhu ve diğerleri, 2017) tarafından getirilen paradigma değişimini hatırlatmaktadır; burada stil ve içerik çevirisi, eşleştirilmiş veri yerine döngü tutarlılığı kullanılarak ayrıştırılmıştır. Burada ayrıştırma, bir sinyalin cebirsel temsili ile fiziksel yayılım mekanizması arasındadır.

Mantıksal Akış ve Katkı: QCM'den (4 LED, sezgisel ancak hantal) DCM'ye (2 LED, zarif kutupsal eşleme) ve oradan SM-DCM'ye (bilgi taşıyan bir uzamsal indeks ekleyerek) ilerleyiş mantıksal olarak nettir. Klasik mühendislik yolunu izler: kaba kuvvet çözümle başla, daha zarif bir matematiksel temsil bul, ardından verimlilik için ek bir serbestlik derecesi ekle. Temel teknik katkı, kutupsal temsilin ($r$, $\theta$), Kartezyen temsilden ($I$, $Q$) daha doğal ve verimli bir şekilde ikili-LED fiziksel katmanına eşlendiğini kanıtlamaktır. Bu, RF devasa MIMO'da ışın uzayı (açı) temsilinin işlemeyi genellikle basitleştirdiği bulgularıyla uyumludur.

Güçlü ve Zayıf Yönler: Ana güçlü yön, spektral verimlilik kazancıdır—Hermitian-simetri OFDM'ye kıyasla etkin bir şekilde ikiye katlanır. BER sınırları ve hız eşdüzey çizgileri sağlam, ölçülebilir kanıtlar sunar. Ancak, analizin kör noktaları vardır. İlk olarak, mükemmel kanal durum bilgisi (CSI) ve senkronize LED'ler varsayar; bu, çok yollu pratik, dağınık VLC kanallarında önemsiz değildir. İkinci olarak, DCM'deki "faz" LED'i için dinamik aralık gereksinimi üzerinde yüzeysel olarak durulmuştur. Sürekli bir faz $\theta \in [0, 2\pi)$'yi doğrusal olarak yoğunluğa eşlemek, tüm çalışma aralığında mükemmel doğrusallığa sahip LED'ler gerektirebilir; bu, analog VLC'de bilinen bir sorundur. Üçüncü olarak, karşılaştırma temeli biraz dardır. Daha titiz bir kıyaslama, aynı toplam güç ve bant genişliği kısıtlamaları altında en son teknoloji indeks modülasyon OFDM (IM-OFDM) veya asimetrik kırpılmış optik OFDM (ACO-OFDM) ile yapılmalıdır.

Uygulanabilir İçgörüler: Araştırmacılar ve mühendisler için: 1. QCM değil, DCM'ye odaklanın. DCM en uygun noktadır. 2-LED gereksinimi, onu birçok mevcut Li-Fi aydınlatma armatürüne (genellikle birden fazla LED çipine sahiptir) hemen uygulanabilir kılar. Endüstri, DCM alıcı-vericilerini prototiplemelidir. 2. Kanal tahmini ile birlikte tasarım. Bir sonraki kritik adım, büyüklük/faz akışlarına bağımsız olarak gömülü pilot semboller kullanarak, DCM sinyal yapısına özel, sağlam, düşük ek yüklü kanal tahmini algoritmaları geliştirmektir. 3. Doğrusal olmayan eşlemeleri keşfedin. Doğrusal bir faz-yoğunluk eşlemesi yerine, LED dinamik aralık sorununu hafifletmek ve güç verimliliğini artırmak için doğrusal olmayan sıkıştırma tekniklerini (ses alanındaki $\mu$-law sıkıştırmadan esinlenerek) araştırın. 4. Yeni donanımlarla entegre edin. LED üreticileri ile işbirliği yaparak, bireysel piksellerin DCM/SM-DCM için bağımsız olarak modüle edilebildiği mikro-LED dizilerini birlikte tasarlayın; bu, haberleşme ve görüntülemenin sorunsuz entegrasyonunu yaratan bir kavramdır—Işık Haberleşmesi ve Görüntüleme (LiCaD) sistemleri üzerine araştırmalarda ima edilmiştir.

Sonuç olarak, bu çalışma, Hermitian simetrisi kısıtlamasından teorik olarak sağlam ve pratikte umut verici bir kaçış yolu sağlamaktadır. Gerçek dünyadaki etkisi, pratik uygulama zorluklarını doğrudan ele alarak, zarif teoriden sağlam, standartlaştırılmış sistemlere geçişe bağlı olacaktır.