طرق تخفيف الضوضاء في الاتصالات الرقمية بالضوء المرئي (DVLC) - المجلة الدولية لشبكات الحاسوب والاتصالات (IJCNC) المجلد 18، العدد 1

جدول المحتويات

1. المقدمة

برزت تقنية الاتصالات بالضوء المرئي (VLC) كتقنية واعدة مكملة للأنظمة القائمة على الترددات الراديوية، حيث تستفيد من البنية التحتية للإضاءة المنتشرة لنقل البيانات. تستخدم تقنية VLC الرقمية (DVLC) مخططات تشكيل مثل OOK وPPM. ومع ذلك، يتعرض أداؤها لعقبة شديدة بسبب الضوضاء البصرية الناتجة عن مصادر الضوء المحيطة (مثل المصابيح الفلورية)، مما يؤدي إلى تشويه شكل الموجة وزيادة معدل الخطأ في البتات (BER). تتناول هذه الورقة البحثية من المجلة الدولية لشبكات الحاسوب والاتصالات (IJCNC) المجلد 18، العدد 1 (2026) بقلم Uemura وHamano هذا التحدي الحرج من خلال اقتراح وتقييم طريقتين مختلفتين لتخفيف الضوضاء.

2. الاتصالات بالضوء المرئي (VLC)

تعمل تقنية VLC ضمن الطيف المرئي (780-380 نانومتر). تُستخدم مصابيح LED البيضاء عادةً كمرسلات. في تشكيل النبضات الرقمية (مثل OOK)، تمثل حالة الضوء "التشغيل" (ON) القيمة الثنائية العالية (HIGH)، وتمثل حالة "الإيقاف" (OFF) القيمة المنخفضة (LOW). يتم نقل البيانات كسلسلة من هذه الفترات الزمنية. يطبق المستقبل عادةً عتبة جهدية للتمييز بين الحالتين.

3. مشكلات الضوضاء في أنظمة VLC

يمكن أن تتسبب الضوضاء البصرية المتراكبة على إشارة VLC في اكتشاف رمز خاطئ أثناء عملية العتبة في المستقبل، مما يقلل من موثوقية الاتصال.

3.1 الضوضاء الدورية (تدخل خط الطاقة المتردد)

تنشأ هذه الضوضاء من مصادر الضوء المحيطة التي تعمل بالتيار المتردد (مثل المصابيح الفلورية). يرتبط ترددها بشبكة الطاقة المحلية (60/50 هرتز). في هذه الدراسة، أُجريت التجارب في ظروف 60 هرتز (غرب اليابان). يتميز شكل موجة الضوضاء بطبيعة دورية يمكن التنبؤ بها.

3.2 الضوضاء غير الدورية

تتضمن هذه الفئة الضوضاء غير المتوقعة من مصادر مختلفة، وتفتقر إلى بنية دورية ثابتة، مما يجعل التخفيف منها باستخدام الطرق التزامنية البسيطة أكثر صعوبة.

4. الطريقة المقترحة الأولى: طرح الضوضاء الدورية

تستهدف هذه الطريقة التداخل الدوري الناتج عن الأضواء التي تعمل بالتيار المتردد.

4.1 المبدأ والتنفيذ

الفكرة الأساسية هي أخذ عينة من دورة كاملة لشكل موجة الضوضاء (خلال فترة صمت معروفة أو عن طريق التقدير). ثم يتم طرح ملف الضوضاء المُعَيَّن هذا، $n_{sample}(t)$، من الإشارة المستقبلة $r(t)$، والتي تحتوي على كل من الإشارة المطلوبة $s(t)$ والضوضاء $n(t)$: $r(t) = s(t) + n(t)$. يتم تقريب الإشارة النظيفة على النحو التالي: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - n_{sample}(t)$.

4.2 التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

يعتمد الفعالية على المزامنة الدقيقة لفترة الضوضاء $T_{noise}$ (مثل 1/60 ثانية). يتم إجراء عملية الطرح في المجال الرقمي بعد تحويل الإشارة من تماثلي إلى رقمي (ADC). التحدي الرئيسي هو محاذاة الطور؛ حيث يمكن أن يؤدي خطأ طوري صغير $\phi$ إلى ضوضاء متبقية: $n_{residual}(t) = n(t) - n_{sample}(t - \phi)$.

5. الطريقة المقترحة الثانية: إلغاء الضوضاء في الوقت الحقيقي المستوحى من ANC

مستوحاة من التحكم النشط في الضوضاء الصوتية (ANC)، تتعامل هذه الطريقة مع كل من الضوضاء الدورية وغير الدورية.

5.1 بنية النظام

يقدم النظام كاشفًا ضوئيًا مساعدًا يتم وضعه بشكل استراتيجي لالتقاط مكون الضوضاء المحيطة $n(t)$ بشكل أساسي مع تقليل استقبال إشارة VLC المقصودة $s(t)$ إلى الحد الأدنى. وهذا يوفر إشارة ضوضاء مرجعية.

5.2 تصميم دائرة الطرح

تستقبل دائرة الطرح التماثلية (المبنية على مضخم تفاضلي على سبيل المثال) مدخلين: الإشارة الأساسية $r(t) = s(t) + n(t)$ والضوضاء المرجعية $n_{ref}(t) \approx n(t)$. تخرج الدائرة بالإشارة: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - G \cdot n_{ref}(t)$، حيث $G$ هو عامل كسب يتم ضبطه لمطابقة سعة الضوضاء في القناة الأساسية. وهذا يتيح إلغاء الضوضاء في الوقت الحقيقي والتكيفي.

6. النتائج التجريبية وتقييم الأداء

تم قياس الأداء باستخدام المقياس القياسي لمعدل الخطأ في البتات (BER) مقابل نسبة الطاقة لكل بت إلى الكثافة الطيفية للضوضاء ($E_b/N_0$).

6.1 تحليل معدل الخطأ في البتات (BER) مقابل نسبة الطاقة لكل بت إلى الكثافة الطيفية للضوضاء (Eb/N0)

تُظهر النتائج بوضوح أن كلا الطريقتين المقترحتين تنقلان منحنى معدل الخطأ في البتات (BER) مقابل $E_b/N_0$ إلى الأسفل مقارنة بالمستقبل التقليدي. بالنسبة لمعدل خطأ مستهدف (مثل $10^{-3}$)، تحقق الطريقة المستوحاة من ANC هذا عند قيمة $E_b/N_0$ أقل، مما يشير إلى كفاءة طاقة أعلى وقوة تحمل.

6.2 الأداء المقارن

الطريقة الأولى أبسط وفعالة للضوضاء الدورية السائدة لكنها تفشل في مواجهة المكونات غير الدورية. الطريقة الثانية أكثر تعقيدًا (تتطلب صمامًا ضوئيًا إضافيًا ودائرة) لكنها توفر حماية شاملة وفي الوقت الحقيقي، مما يجعلها مناسبة للبيئات الديناميكية ذات الضوضاء المختلطة.

7. إطار التحليل ومثال تطبيقي

السيناريو: نظام DVLC لتحديد المواقع الداخلية في سوبر ماركت. تسبب المصابيح الفلورية (60 هرتز) ضوضاء دورية، ويسبب ضوء الشمس من النوافذ ضوضاء غير دورية ومتغيرة مع الزمن.

تطبيق الإطار:

1. تحديد ملف الضوضاء: استخدام الصمام الضوئي المساعد (الطريقة 2) لتسجيل توقيع الضوضاء المركبة مع مرور الوقت.
2. اختيار الطريقة: تنفيذ الطريقة المستوحاة من ANC كأداة إلغاء أساسية نظرًا لقدرتها على التكيف.
3. ضبط المعاملات: ضبط كسب الطرح $G$ ديناميكيًا بناءً على الارتباط بين القناة الأساسية والقناة المرجعية. يمكن تنفيذ مرشح تكيفي بسيط مثل خوارزمية المربعات الصغرى المتوسطة (LMS) في متحكم دقيق: $G_{k+1} = G_k + \mu \cdot e_k \cdot n_{ref,k}$، حيث $e_k$ هي إشارة الخطأ (المخرج النظيف) و$\mu$ هو حجم الخطوة.
4. التحقق: قياس دقة تحديد الموقع (مثل الخطأ بالسنتيمتر) مع تفعيل نظام تخفيف الضوضاء وبدونه.

يوضح هذا الإطار نهجًا منهجيًا لنشر البحث في سياق واقعي.

8. آفاق التطبيق والاتجاهات المستقبلية

التطبيقات الفورية: VLC قوية لتقنية Li-Fi في المكاتب/الصناعات ذات الإضاءة القاسية، وتحديد المواقع/التنقل الداخلي القائم على VLC، والاتصالات الآمنة في البيئات المعرضة للضوضاء.

اتجاهات البحث المستقبلية:

• الإلغاء المعزز بالذكاء الاصطناعي: دمج التعلم الآلي (مثل الشبكات العصبية المتكررة) للتنبؤ بإلغاء أنماط الضوضاء المعقدة وغير الثابتة التي تتجاوز قدرات ANC التقليدية.
• الدوائر الضوئية المتكاملة: تصغير نظام ANC (الصمام الضوئي + دائرة الطرح) إلى شريحة ضوئية متكاملة واحدة (PIC) للنشر الجماعي الفعال من حيث التكلفة.
• أنظمة VLC/RF الهجينة: استخدام إشارة الضوضاء المرجعية من مستقبل VLC لتخفيف التداخل أيضًا في أنظمة RF المجاورة (مثل WiFi)، كما يتم استكشافه في دراسات التداخل عبر التقنيات.
• التوحيد القياسي: اقتراح تقنيات التخفيف هذه كجزء من تعديلات معايير IEEE 802.15.7r1 (VLC) المستقبلية أو معايير Li-Fi الأخرى لتحسين قابلية التشغيل البيني.

9. المراجع

1. Uemura, W., & Hamano, T. (2026). Noise Mitigation Methods for Digital Visible Light Communication. International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), Vol.18, No.1, pp.51-52.
2. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless Infrared Communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
3. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi? Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
4. Kuo, S. M., & Morgan, D. R. (1996). Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations. John Wiley & Sons. (نص أساسي حول مبادئ ANC).
5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. (2018). IEEE Std 802.15.7-2018.

10. التحليل الأصلي والتعليق الخبير