تحليل شفرة 5B10B RLL الجديدة لتحسين الاتصالات بالضوء المرئي

1. المقدمة والنظرة العامة

تستفيد الاتصالات بالضوء المرئي (VLC) من بنية تحتية لإضاءة LED لنقل البيانات، مما يطرح تحديات فريدة مثل التخفيف من الوميض والتحكم في السطوع. يفرض معيار IEEE 802.15.7 استخدام شفرات ذات طول تشغيل محدود (RLL) مثل مانشستر و4B6B و8B10B لضمان التوازن المستمر، ومنع الظواهر الضوئية الضارة. ومع ذلك، تقدم هذه الشفرات التقليدية قدرة محدودة على تصحيح الأخطاء بشكل متأصل، مما يستدعي غالبًا إضافة مراحل ترميز قناة إضافية تقلل من معدلات البيانات الفعالة. تقدم هذه الورقة شفرة 5B10B RLL جديدة مصممة لسد هذه الفجوة، حيث توفر قدرات قوية لتصحيح الأخطاء مع الحفاظ على التوازن المستمر الأساسي والتعقيد المنخفض المطلوب لأنظمة VLC العملية.

2. تصميم شفرة 5B10B المقترحة

يكمن الابتكار الأساسي في تحويل جديد من 5 بت إلى 10 بت (5B10B). يحافظ هذا على معدل شفرة قدره $R = \frac{5}{10} = 0.5$، مطابق لترميز مانشستر، مما يضمن التوافق مع التوقعات القياسية لتوسيع النطاق الترددي في مخططات RLL.

2.1. هيكل الشفرة والتحويل

يتم تعريف الشفرة بواسطة جدول بحث (مستنتج من النص) يحول كل كلمة بيانات محتملة مكونة من 5 بت إلى كلمة شفرة محددة مكونة من 10 بت. تم تصميم عملية التحويل بعناية لتحقيق أهداف متعددة في وقت واحد: تحديد البتات المتطابقة المتتالية (طول التشغيل)، والحفاظ على مجموع رقمي شبه صفري (التوازن المستمر)، وتعظيم مسافة هامينغ بين كلمات الشفرة لاكتشاف الأخطاء/تصحيحها.

2.2. التوازن المستمر والتحكم في طول التشغيل

يعد التوازن المستمر الصارم أمرًا بالغ الأهمية لـ VLC لتجنب تقلبات السطوع منخفضة التردد التي تسبب وميضًا مرئيًا، والذي يتم تنظيمه بواسطة معايير تحدد أقصى فترة زمنية للوميض (MFTP). تم بناء كلمات شفرة 5B10B المقترحة لتقليل المجموع الرقمي الجاري، مما يعالج مباشرة هذا القيد على مستوى الأجهزة بشكل أكثر فعالية من بعض المقترحات السابقة مثل شفرات المعدل الموحد (URC) التي خففت من التوازن المستمر لتحقيق معدل أعلى.

3. التحليل التقني والأداء

3.1. آلية تصحيح الأخطاء

ينبع الأداء المحسن في تصحيح الأخطاء من مسافة هامينغ الدنيا المصممة للشفرة ($d_{min}$). بينما تمتلك الشفرات الكلاسيكية لـ RLL مثل مانشستر $d_{min}=2$ (تسمح فقط باكتشاف الأخطاء)، فإن تحويل شفرة 5B10B يزيد هذه المسافة. تتيح $d_{min}$ الأعلى للمفكك تصحيح عدد معين من أخطاء البت ($t$) لكل كلمة شفرة، حيث $t = \lfloor (d_{min} - 1)/2 \rfloor$. تقلل هذه القدرة التصحيحية المتأصلة من معدل خطأ البت (BER) عند المستقبل دون إضافة مرحلة مفكك FEC منفصلة.

3.2. التحليل النظري لمعدل خطأ البت

لإشارة معدلة بـ OOK عبر قناة AWGN، يتم إعطاء معدل خطأ البت النظري لنظام غير مشفر بواسطة $P_b = Q\left(\sqrt{\frac{2E_b}{N_0}}\right)$، حيث $Q(\cdot)$ هي دالة Q. يمكن لنظام مشفر بمعدل شفرة $R$ ومسافة دنيا $d_{min}$ تحقيق حد أعلى تقريبي لـ BER: $P_b \lessapprox \frac{1}{2} \text{erfc}\left(\sqrt{R \cdot d_{min} \cdot \frac{E_b}{N_0}}\right)$. تحسن الشفرة المقترحة الوسيطة داخل دالة $Q$ بعامل $R \cdot d_{min}$ مقارنة بنظام غير مشفر، مما يفسر أدائها المتفوق في نطاقات SNR المتوسطة إلى العالية.

4. نتائج المحاكاة والمقارنة

4.1. أداء معدل خطأ البت مقابل الشفرات القياسية

تعرض الورقة نتائج محاكاة تقارن شفرة 5B10B مع الشفرات القياسية لـ IEEE 802.15.7 (مثل مانشستر، 4B6B) تحت تعديل OOK. النتيجة الرئيسية هي انخفاض كبير في معدل خطأ البت لشفرة 5B10B عند نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) المكافئة. على سبيل المثال، لتحقيق معدل خطأ مستهدف قدره $10^{-5}$، قد تتطلب شفرة 5B10B 1-2 ديسيبل أقل من SNR مقارنة بشفرة مانشستر. يُعزى هذا التحسن مباشرة إلى خصائصها التصحيحية للأخطاء. يتفوق الأداء على أنظمة الترميز المتسلسل (مثل RS + 4B6B) بتعقيد أقل، حيث يتجنب زمن الانتقال والحمل المعالجة لمفكك FEC منفصل.

4.2. تقييم التعقيد

الميزة الرئيسية هي الحفاظ على التعقيد المنخفض. يمكن تنفيذ التشفير وفك التشفير عبر جدول بحث بسيط (ROM) أو منطق تركيبي، على غرار الشفرات التقليدية 4B6B/8B10B. وهذا يتناقض مع مخططات فك التشفير الناعم الأكثر تعقيدًا للشفرات المتسلسلة [3,5] أو فك تشفير رموز eMiller القائم على التريليس [8]، مما يجعل شفرة 5B10B مناسبة للغاية لأجهزة إرسال واستقبال VLC عالية السرعة ذات الموارد المحدودة.

5. الفكرة الأساسية ومنظور المحلل

الفكرة الأساسية: شفرة 5B10B لـ Reguera ليست مجرد تعديل تدريجي؛ إنها تحول استراتيجي من التعامل مع RLL على أنه مجرد "مشكل طيفي" إلى الاعتراف به كطبقة ترميز قناة أساسية. الاختراق الحقيقي هو الإقرار بأنه في روابط VLC الحساسة للطاقة وزمن الانتقال (فكر في Li-Fi لإنترنت الأشياء أو الاتصال من مركبة إلى مركبة)، يمكن أن يكون الحمل الزائد لـ FEC منفصل وقوي مثل رموز LDPC أو Polar مكلفًا للغاية. تعمل هذه الدراسة على تضمين قدر كافٍ فقط من التكرار داخل هيكل RLL نفسه لمكافحة أنماط الخطأ السائدة في VLC القائم على OOK النموذجي، مما يخلق بشكل فعال FEC "جيد بما يكفي" للعديد من السيناريوهات العملية. إنه يتبع اتجاهًا شوهد في قنوات مقيدة أخرى، مثل الترميز الفعال لذاكرة الفلاش، حيث يكون تصميم الشفرة متشابكًا بعمق مع تفاصيل الطبقة المادية.

التدفق المنطقي: الحجة مقنعة وبسيطة: 1) تحتاج VLC إلى شفرات متوازنة مستمرًا (RLL). 2) تستخدم المعايير RLL ولكنها تحتاج بعد ذلك إلى FEC إضافي، مما يؤذي المعدل/التعقيد. 3) الأعمال السابقة إما تعقد فك التشفير [3,5,9] أو تتنازل عن التوازن المستمر [6,7]. 4) لذلك، تصميم شفرة RLL جديدة من الصفر بخصائص FEC. المنطق سليم، لكن تركيز الورقة الثقيل على OOK و SNR المتوسط إلى العالي هو اعتراف ضمني بتخصصها: إنها ليست شفرة عالمية ولكنها حل مُحسَّن لنظام تشغيل محدد ومهم.

نقاط القوة والضعف: الأناقة والعملية لا يمكن إنكارهما. تنفيذ جدول البحث هو حلم لمصممي FPGA/ASIC. ومع ذلك، يكمن العيب في النطاق المحدود. كيف تتصرف تحت ISI شديد من المسارات المتعددة في VLC الداخلي؟ الورقة صامتة بشأن الأداء مع التعديلات ذات الرتب الأعلى (مثل VPPM أيضًا في 802.15.7)، والتي تعتبر حاسمة لدعم التعتيم. علاوة على ذلك، فإن "تصحيح الأخطاء المحسن" نسبي؛ بالنسبة لـ SNR المنخفض جدًا، ستظل هناك حاجة إلى FEC قوي مخصص. الشفرة هي جسر، وليست بديلاً، لترميز القناة المتقدم في البيئات الصعبة.

رؤى قابلة للتنفيذ: لمهندسي النظام: قم بتقييم شفرة 5B10B هذه على الفور لأي تصميم منتج جديد لـ VLC قائم على OOK، خاصة حيث تكون التكلفة والطاقة حرجة. يمكن أن يقلل من عدد المكونات. للباحثين: هذا يفتح مجالًا غنيًا. هل يمكن توسيع هذا المبدأ إلى رموز 6B12B أو 8B16B لمقايضات معدل/أداء مختلفة؟ هل يمكن استخدام التعلم العميق لتحسين جدول تحويل كلمة الشفرة لنماذج قناة محددة، على غرار كيفية استخدام الشبكات العصبية لتصميم رموز لقنوات محددة؟ لهيئات المعايير (IEEE، ITU): حان الوقت لإعادة النظر في مجموعة أدوات الطبقة المادية لـ VLC. يجب النظر بجدية في رموز مثل 5B10B كرموز اختيارية أو موصى بها في التعديلات المستقبلية لـ 802.15.7 أو في المعايير الجديدة مثل تلك التي تتم مناقشتها لـ Li-Fi (IEEE 802.11bb). يجب تحدي عصر التعامل مع ترميز الخط وترميز القناة كمشكلات منفصلة ومتسلسلة في VLC.

6. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

يمكن تحليل أداء الشفرة من خلال معدل الوزن أو طيف المسافة. دع $A_d$ يكون عدد كلمات الشفرة بوزن هامينغ $d$. الحد الأعلى الموحد لاحتمالية خطأ كلمة الشفرة لشفرة خطية ثنائية عبر قناة AWGN مع BPSK/OOK هو: $$P_e \leq \sum_{d=d_{min}}^{n} A_d \, Q\left(\sqrt{\frac{2d R E_b}{N_0}}\right)$$ حيث $n=10$ هو طول كلمة الشفرة. الهدف الأساسي من التصميم هو تعظيم $d_{min}$ وتقليل المعاملات $A_d$ لكلمات الشفرة منخفضة الوزن، وبالتالي تشديد هذا الحد. يضيف قيد التوازن المستمر طبقة أخرى للتحسين، غالبًا ما يتم صياغته رسميًا على أنه تقليل القيمة المطلقة القصوى للمجموع الرقمي الجاري (RDS): $\text{RDS} = \sum_{i=1}^{k} (2c_i - 1)$، حيث $c_i$ هي البتات المشفرة المحولة إلى ±1. من المحتمل أن تحافظ الشفرة المقترحة على $|\text{RDS}| \leq S_{max}$ لـ $S_{max}$ صغير على أي كلمة شفرة أو تسلسل قصير من كلمات الشفرة.

7. إطار التحليل ومثال مفاهيمي

الإطار: يتضمن تقييم شفرة خط VLC جديدة مساحة مقايضة متعددة الأبعاد: 1) الطيف والتوازن المستمر (RDS، PSD)، 2) أداء الخطأ ($d_{min}$، BER مقابل SNR)، 3) تعقيد التنفيذ (عدد البوابات، حجم الذاكرة)، 4) تكامل النظام (التوافق مع التعتيم، التعديل).

دراسة حالة مفاهيمية - نظام تحديد المواقع الداخلي: ضع في اعتبارك نظام تحديد المواقع الداخلي القائم على VLC حيث تنقل مصابيح LED معرفها وبيانات موقعها. القناة بها ضوضاء معتدلة (SNR ~12-15 ديسيبل)، وزمن الانتقال المنخفض أمر بالغ الأهمية للتتبع في الوقت الفعلي. سيؤدي استخدام ترميز مانشستر القياسي إما إلى تحديد النطاق أو يتطلب مفكك FEC منفصل، مما يزيد من الطاقة وزمن الانتقال. يتيح تنفيذ شفرة 5B10B لنفس أجهزة تشغيل LED نقل البيانات بمعدل خطأ بت خام أقل. وهذا يترجم مباشرة إما إلى توسيع منطقة التغطية لنفس طاقة LED، أو زيادة معدل تحديث المواقع، أو موثوقية أعلى لتحديد المواقع، كل ذلك دون تغيير التعديل الأساسي (OOK) أو إضافة شرائح فك تشفير معقدة. يوضح هذا قيمة الشفرة في تطبيقات VLC ذات الحوسبة الطرفية والطاقة المنخفضة.

8. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

تمهد شفرة 5B10B الطريق للعديد من التطبيقات المتقدمة ومسارات البحث:

• ما بعد OOK: التحقيق في أداء الشفرة مع VPPM وتعديل سعة النبضة (PAM) للاتصال المتزامن والتحكم الدقيق في التعتيم.
• شفرات محسنة بتعلم الآلة: استخدام التعلم المعزز أو الخوارزميات الجينية للبحث في المساحة الشاسعة لتحويلات 5B10B للحصول على أطياف مسافة أفضل تحت قيود متعددة (RDS، الوميض، أرضية الخطأ).
• التكامل مع FEC المتقدم: استخدام شفرة 5B10B كـ شفرة داخلية في مخطط متسلسل مع شفرة خارجية حديثة مثل شفرة Polar منخفضة المعدل (كما في 5G) أو شفرة LDPC مقترنة مكانيًا. ستتعامل 5B10B مع الوميض وتوفر طبقة أولى من التصحيح، مما يبسط المهمة للشفرة الخارجية.
• التوحيد القياسي في مجالات VLC الناشئة: الترويج لاستخدام الشفرة في VLC تحت الماء (UWVLC)، حيث تكون ظروف القناة قاسية وكفاءة الطاقة هي الأهم، أو في الاتصال البصري بالكاميرا (OCC) للهواتف الذكية.
• عروض توضيحية للأجهزة: تطوير تنفيذات مفتوحة المصدر لـ FPGA أو ASIC لقياس استهلاك الطاقة والإنتاجية في العالم الحقيقي مقابل نوى 4B6B و 8B10B.

9. المراجع

1. 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.
2. Komine, T., & Nakagawa, M. (2004). Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights. IEEE Transactions on Consumer Electronics.
3. Griffin, R. A., & Carter, A. C. (2002). Optical Manchester coded transmission using a semiconductor optical amplifier. Electronics Letters.
4. Lee, K., & Park, H. (2011). A novel RLL code for visible light communications with inherent error correction. Proc. ICTC. (Conceptual predecessor to joint FEC-RLL).
5. Wang, Q., et al. (2020). Deep Learning for Channel Coding: A Comprehensive Survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials. (Context on ML-based code design).
6. 3GPP TS 38.212. (2020). NR; Multiplexing and channel coding. (For reference on Polar codes used in advanced wireless).
7. Reguera, V. A., et al. (2022). On the Flicker Mitigation in Visible Light Communications with Unity-Rate Codes. IEEE Photonics Journal. (Author's prior work referenced in the PDF).