نظام اتصالات الضوء المرئي NOMA مع مستقبلات التنوع الزاوي: التحليل والرؤى

1. المقدمة

تتناول هذه الورقة البحثية نظام اتصالات الضوء المرئي (VLC) باستخدام تقنية الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA) والمعزز بمستقبلات التنوع الزاوي (ADRs). التحدي الرئيسي الذي يتم معالجته هو قيود أنظمة VLC التقليدية في توفير معدلات بيانات عالية بسبب عوامل مثل تداخل الرموز (ISI) وتداخل القناة المشتركة (CCI). يجمع النظام المقترح بين الكفاءة الطيفية لتقنية NOMA وقدرات التخفيف من التداخل واستقبال الإشارات لمستقبل ADR رباعي الفروع، بهدف تعظيم معدلات بيانات المستخدمين في بيئة داخلية.

2. نموذج النظام

يتم نمذجة النظام داخل غرفة فارغة بأبعاد 8م × 4م × 3م. تتضمن القناة البصرية الانعكاسات من الجدران والأسقف، والتي تم نمذجتها كعواكس لامبرتيان بمعامل انعكاس (ρ) يساوي 0.8. يتم استخدام تتبع الأشعة لمحاكاة انتشار الإشارات الضوئية متعددة المسارات.

2.1 نمذجة الغرفة والقناة

يتم حساب استجابة القناة النبضية الداخلية مع الأخذ في الاعتبار كل من مكونات خط البصر (LOS) والمكونات المنتشرة (المنعكسة). يتم تقسيم الأسطح العاكسة إلى عناصر صغيرة مساحتها dA. كسب القناة للتيار المستمر لمستقبل بمساحة كاشف $A_{pd}$ وكسب $T_s(\psi)$ يُعطى بالعلاقة:

$H(0) = \frac{(m+1)A_{pd}}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$ للزاوية $0 \le \psi \le \Psi_c$

حيث $m$ هو رتبة لامبرت، $d$ هي المسافة، $\phi$ هي زاوية الإشعاع، $\psi$ هي زاوية السقوط، و $\Psi_c$ هي مجال رؤية المستقبل (FOV).

2.2 تصميم مستقبل التنوع الزاوي (ADR)

يتكون مستقبل ADR من أربعة كواشف ضوئية ذات مجال رؤية ضيق، كل منها موجه في اتجاه مختلف (مثلًا نحو زوايا الغرفة أو نقاط وصول محددة). يسمح هذا التصميم للمستقبل باختيار الفرع ذو أعلى نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) أو بجمع الإشارات، مما يقلل بشكل فعال من تأثير الضوء المحيط وتشتت المسارات المتعددة وتداخل القناة المشتركة.

2.3 مبدأ NOMA وتخصيص الطاقة

تعمل تقنية NOMA عن طريق تراكب إشارات مستخدمين متعددين في مجال الطاقة عند جهاز الإرسال. عند المستقبل، يتم استخدام إلغاء التداخل المتتالي (SIC) لفك تشفير الإشارات. يتم تخصيص الطاقة عكسيًا مع كسب القناة: يحصل المستخدمون ذوو ظروف القناة الأفضل (إشارات أقوى) على طاقة أقل، بينما يحصل المستخدمون ذوو الظروف الأضعف على طاقة أكثر لضمان الإنصاف. المعدل القابل للتحقيق للمستخدم $i$ هو:

$R_i = B \log_2 \left(1 + \frac{P_i |h_i|^2}{\sum_{j>i} P_j |h_i|^2 + \sigma^2}\right)$

حيث $B$ هو عرض النطاق الترددي، $P_i$ هي الطاقة المخصصة للمستخدم $i$، $h_i$ هو كسب القناة، و $\sigma^2$ هو تباين الضوضاء.

3. نتائج المحاكاة والمناقشة

يتم مقارنة أداء نظام NOMA-VLC مع ADR بنظام أساسي يستخدم مستقبلًا واحدًا ذو مجال رؤية واسع.

3.1 مقارنة الأداء: ADR مقابل مجال الرؤية الواسع

النتيجة الرئيسية هي أن النظام القائم على ADR يحقق تحسنًا متوسطًا في معدل البيانات بنسبة 35% مقارنة بنظام مستقبل مجال الرؤية الواسع. يُعزى هذا التحسن إلى قدرة ADR على التقاط إشارات أقوى وأقل تشوهًا بشكل انتقائي ورفض المكونات المتداخلة من أجهزة الإرسال الأخرى أو الانعكاسات.

3.2 تحليل معدل البيانات والتحسين

تتضمن المحاكاة تحسين تخصيص الموارد (الطاقة) بين المستخدمين بناءً على ظروف قنواتهم اللحظية، المستمدة من اختيارات فروع ADR. يهدف التحسين إلى تعظيم مجموع معدل البيانات مع الحفاظ على إنصاف المستخدمين، وفقًا لمنهجية المؤلفين السابقة [36]. تظهر النتائج أن الجمع بين الاختيار التكيفي للفرع وتخصيص طاقة NOMA يعزز الكفاءة الطيفية بشكل كبير.

4. الخاتمة

تخلص الورقة إلى أن دمج مستقبلات التنوع الزاوي مع تقنية NOMA في أنظمة VLC هو استراتيجية فعالة للغاية للتغلب على القيود الرئيسية مثل التداخل وعرض النطاق الترددي المحدود. يوفر مستقبل ADR رباعي الفروع مكاسب كبيرة في معدل البيانات من خلال تحسين جودة الإشارة وتمكين تخصيص طاقة أكثر كفاءة لمستخدمين متعددين عبر NOMA. يثبت هذا العمل إمكانات التصميم المتقدم للمستقبلات مقترنًا بتعدد الإرسال غير المتعامد لشبكات الاتصالات اللاسلكية البصرية من الجيل التالي.

5. الرؤية التحليلية الأساسية

الرؤية الأساسية: هذه الورقة ليست مجرد تحسين هامشي؛ بل هي تحول استراتيجي. تحدد بشكل صحيح أن عنق الزجاجة للشبكات VLC عالية الكثافة والسعة ليس فقط جهاز الإرسال (حيث يركز معظم البحث، مثلًا على µLEDs أو الثنائيات الليزرية) ولكن بشكل حاسم، قدرة المستقبل على تمييز الإشارات في بيئة صاخبة ومتعددة المسارات. المكسب البالغ 35% من مستقبل ADR رباعي الفروع البسيط نسبيًا هو شهادة قوية على هذا البعد الذي غالبًا ما يتم تجاهله.

التسلسل المنطقي: الحجة سليمة: 1) تعاني VLC من التداخل (CCI/ISI)، 2) تخفف ADRs من التداخل عن طريق التصفية المكانية، 3) تتيح الإشارات الأكثر نقاءً تعدد إرسال أكثر عدوانية (NOMA)، 4) يعزز تعدد الإرسال في مجال الطاقة لـ NOMA الكفاءة الطيفية. توفر المحاكاة في نموذج غرفة قياسي (مشابه لتلك المستخدمة من قبل مجموعة عمل IEEE 802.15.7r1) تحققًا موثوقًا.

نقاط القوة والضعف: تكمن القوة في الجمع العملي بين مفهومين ناضجين (استقبال التنوع و NOMA) لتحقيق مكسب واضح وقابل للقياس. المنهجية قوية. ومع ذلك، يكمن العيب في بساطة نموذج ADR. تواجه ADRs في العالم الحقيقي تحديات مثل ارتباط الفروع، وزيادة تعقيد الأجهزة، والحاجة إلى خوارزميات سريعة وموفرة للطاقة لاختيار الفرع - وهي قضايا تم التلميح إليها فقط. مقارنة بأحدث الأبحاث حول البصريات التكيفية أو VLC القائم على MIMO باستخدام مستقبلات التصوير (كما يظهر في أعمال معمل MIT الإعلامي أو مركز أبحاث BWRC في جامعة كاليفورنيا، بيركلي)، فإن هذا النهج قابل للنشر بشكل فوري أكثر ولكن قد يكون له سقف سعة نهائي أقل.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للممارسين في الصناعة، تشكل هذه الورقة ضوءًا أخضر للاستثمار في الابتكار على جانب المستقبل. يجب على مديري المنتجات لأنظمة Li-Fi أو VLC الصناعية إعطاء الأولوية لدمج مستقبلات متعددة العناصر. بالنسبة للباحثين، الخطوات التالية واضحة: 1) التحقيق في استخدام التعلم الآلي للاختيار الديناميكي الأمثل لفرع ADR وإقران مستخدمي NOMA. 2) استكشاف التكامل مع تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) لتحقيق مكاسب مضاعفة. 3) إجراء اختبارات واقعية مع مستخدمين متنقلين للتحقق من الأداء الديناميكي. سيكون تجاهل تنوع المستقبلات في معايير VLC المستقبلية إغفالًا كبيرًا.

6. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

المساهمة التقنية الأساسية هي التحسين المشترك لاختيار فرع ADR وتخصيص طاقة NOMA. الإشارة المستقبلة عند الفرع $k$ من ADR للمستخدم $i$ هي:

$y_{i,k} = h_{i,k} \sum_{u=1}^{U} \sqrt{P_u} x_u + n_{i,k}$

حيث $h_{i,k}$ هو كسب القناة من جهاز الإرسال إلى الفرع $k$ للمستخدم $i$، $P_u$ هي الطاقة المخصصة لإشارة المستخدم $u$ $x_u$، و $n_{i,k}$ هو ضوضاء غوسية بيضاء مضافة. يختار المستقبل الفرع $k^*$ لكل مستخدم أو خطوة فك تشفير تعظم نسبة الإشارة إلى الضوضاء الفعالة (SNR). عملية SIC عند مستخدم بكسب قناة $|h_i|^2$ تفك تشفير الإشارات بترتيب زيادة كسب القناة. يتم تحسين معاملات تخصيص الطاقة $\alpha_i$ (حيث $\sum \alpha_i = 1$، و $\alpha_i < \alpha_j$ إذا كان $|h_i|^2 > |h_j|^2$) لتعظيم مجموع المعدل $\sum R_i$ تحت قيد طاقة إجمالي $P_T$.

7. النتائج التجريبية ووصف المخططات

بينما تعتمد الورقة على المحاكاة، يمكن تصور النتائج الموصوفة من خلال مخططات رئيسية:

• المخطط 1: المعدل الإجمالي مقابل طاقة الإرسال: سيظهر هذا المخطط منحنيين، أحدهما لنظام ADR-NOMA والآخر لخط الأساس Wide-FOV-NOMA. سيزداد كلا المنحنيين مع زيادة الطاقة، لكن منحنى ADR سيظهر ميلًا أكثر حدة وهضبة أعلى، مما يوضح بوضوح المكسب المتوسط البالغ 35% عبر نطاق الطاقة.
• المخطط 2: توزيع معدل المستخدم: مخطط شريطي أو دالة توزيع تراكمي (CDF) يوضح معدلات البيانات التي حققها مستخدمون فرديون في الغرفة. سيظهر نظام ADR توزيعًا أكثر ضيقًا وأعلى، مما يشير إلى خدمة أكثر اتساقًا وتحسنًا للمستخدمين في مواقع مختلفة (خاصة بالقرب من الجدران أو في الزوايا حيث تعاني مستقبلات مجال الرؤية الواسع من تعدد المسارات).
• المخطط 3: تكرار اختيار الفرع: خريطة حرارية على أرضية الغرفة تشير إلى عدد المرات التي يتم فيها اختيار كل من الفروع الأربعة لـ ADR كالفرع "الأفضل". سيوضح هذا بصريًا الطبيعة التكيفية لـ ADR، حيث تكون فروع مختلفة هي الأمثل في مناطق مختلفة من الغرفة.

8. إطار التحليل: دراسة حالة

السيناريو: تصميم شبكة VLC لمكتب مفتوح التصميم به 20 محطة عمل.

تطبيق الإطار:

1. تحليل المشكلة: فصل تحليل ميزانية الرابط إلى: (أ) طاقة جهاز الإرسال والتضمين، (ب) فقد المسار للقناة واستجابة النبض (باستخدام تتبع الأشعة)، (ج) حساسية المستقبل ومجال الرؤية.
2. تحديد فائدة ADR: لكل موقع محطة عمل، محاكاة قوة الإشارة المستقبلة وانتشار التأخير باستخدام مستقبل ذي مجال رؤية واسع ومستقبل ADR رباعي الفروع. حساب تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء المحتمل وتقليل ISI الذي يوفره قدرة ADR على رفض الانعكاسات المتأخرة الوصول.
3. تجميع مستخدمي NOMA: تجميع المستخدمين في أزواج/مجموعات NOMA بناءً على التفاوت في كسب القناة لديهم، والذي أصبح الآن أكثر وضوحًا وموثوقية بسبب تقديرات القناة الأكثر نقاءً من ADR.
4. محاكاة على مستوى النظام: تشغيل محاكاة مونت كارلو بتغيير نشاط المستخدم ومتطلبات البيانات. مقارنة إجمالي إنتاجية الشبكة ومعدل المستخدم عند المئين الخامس (مقياس للإنصاف) لنظام ADR-NOMA مقابل نظام OFDMA-VLC تقليدي بمستقبلات ذات مجال رؤية واسع.

9. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

• النقل الخلفي / التدفق الهابط لـ Li-Fi في شبكات 6G: يعد نظام ADR-NOMA VLC مرشحًا رئيسيًا للتدفق الهابط عالي الكثافة في شبكات 6G المستقبلية، مكملًا للترددات الراديوية في الملاعب والمطارات والمصانع. مقاومته للتداخل الراديوي هي ميزة رئيسية.
• إنترنت الأشياء الصناعي فائق الموثوقية: في المستودعات الآلية أو خطوط التصنيع، حيث تكون الكمون المنخفض والموثوقية أمرًا بالغ الأهمية، يمكن أن توفر ADRs روابط قوية للاتصال من آلة إلى آلة، مع دعم NOMA لاتصال أجهزة الاستشعار الضخم.
• الاتصالات البصرية تحت الماء: بيئة التشتت تحت الماء تشبه سيناريو تعدد مسارات شديد. يمكن أن تحسن ADRs بشكل كبير مدى وموثوقية اتصالات الليزر الأزرق/الأخضر للمركبات تحت الماء المستقلة.
• اتجاهات البحث:
  • مستقبلات ADR الذكية: استخدام أنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) أو التوجيه الشعاعي القائم على البلورات السائلة للتعديل الزاوي المستمر والدقيق بدلاً من الفروع الثابتة.
  • التحسين عبر الطبقات: التحسين المشترك لاختيار ADR في الطبقة الفيزيائية مع جدولة طبقة التحكم في الوصول إلى الوسط (MAC) وتجميع مستخدمي NOMA.
  • أنظمة هجينة RF/VLC: التحقيق في كيفية دمج نظام ADR-NOMA VLC بسلاسة مع ترددات الراديو المليمترية أو أقل من 6 جيجاهرتز في شبكة غير متجانسة، مع تفريغ حركة مرور ذكي.

10. المراجع

1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (مرجع موثوق في نمذجة قناة VLC)
2. L. Yin, et al., "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (ورقة بحثية أساسية حول NOMA-VLC)
3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (مراجعة تأسيسية)
4. T. Fath, H. Haas, "Performance comparison of MIMO techniques for optical wireless communications in indoor environments," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 2, 2013. (يغطي تقنيات التنوع)
5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (المعيار ذو الصلة)
6. M. O. I. Musa, et al., "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (عمل المؤلفين السابق، المرجع [36])
7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (رائد الصناعة في تسويق VLC)
8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (دراسة تنفيذ ADR محددة)