توصيف القناة في الاتصالات البصرية المعتمدة على الشاشة والكاميرا

1. المقدمة

تستفيد تقنية الاتصالات بالضوء المرئي (VLC) من الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) لنقل البيانات لاسلكياً. يركز هذا البحث على مجموعة فرعية محددة: الاتصالات البصرية بالكاميرا (OCC) باستخدام شاشات الهواتف الذكية كمرسلات والكاميرات كمستقبلات، والمعروفة باسم اتصالات الضوء المرئي من هاتف ذكي إلى هاتف ذكي (S2SVLC). يقدم البحث عرضاً تجريبياً لنظام S2SVLC عبر وصلة بطول 20 سم، بهدف أساسي يتمثل في توصيف قناة الاتصال وتحليل خصائص الانبعاث اللامبرتي لشاشة الهاتف الذكي.

ينبع الدافع من انتشار الهواتف الذكية والحاجة إلى اتصال آمن بين الأجهزة يعتمد على القرب، مما يوفر بديلاً للتقنيات المعتمدة على الترددات الراديوية مثل NFC أو البلوتوث في حالات استخدام محددة.

2. تصميم النظام

يتضمن مخطط نظام S2SVLC تصميمًا مباشرًا وفعالاً:

• المرسل (Tx): يتم تحويل البيانات (نص/وسائط) إلى تدفق ثنائي. يتم ترميز هذا التدفق إلى صورة حيث تعدل البتات شدة البكسل - عادةً البكسلات البيضاء للبت '1' والبكسلات السوداء للبت '0'. تعرض هذه الصورة على شاشة الهاتف الذكي.
• المستقبل (Rx): تلتقط الكاميرا الخلفية للهاتف الذكي صورة الشاشة. يقوم خوارزمية معالجة الصور بفك شدة البكسلات مرة أخرى إلى تدفق البيانات الثنائي.

يستفيد هذا التصميم من الأجهزة الحالية، متجنباً الحاجة إلى مكونات متخصصة، وهي ميزة رئيسية للنشر العملي.

3. توصيف القناة ورتبة لامبرت

جزء حاسم من الدراسة هو نمذجة القناة البصرية. شاشة الهاتف الذكي ليست مصدرًا لامبرتيًا مثاليًا (يشع الضوء بالتساوي في جميع الاتجاهات). يتبع انبعاثها نمطًا لامبرتيًا معممًا برتبة n. يتم نمذجة كسب التيار المستمر للقناة، H(0)، الذي يحدد القدرة البصرية المستقبلة، على النحو التالي:

$H(0) = \frac{(n+1)A}{2\pi d^2} \cos^n(\phi) \cos(\psi)$

حيث A هي مساحة الكاشف، d هي المسافة، \phi هي زاوية الإشعاع، و \psi هي زاوية السقوط. تهدف تجربة البحث إلى تحديد القيمة التجريبية لـ n لشاشة الهاتف الذكي المحددة تحت ظروف الاختبار، وهو أمر أساسي لحساب ميزانية الرابط بدقة وتوقع أداء النظام.

4. الإعداد التجريبي والنتائج

تقوم التجربة بإنشاء وصلة نقطة لنقطة على مسافة 20 سم. يعرض الهاتف الذكي المرسل نمط اختبار معروف. تلتقط الكاميرا المستقبلة، المثبتة بمحاذاة محددة، الصور. من خلال تحليل شدة البكسل المستقبلة عند زوايا أو مسافات مختلفة، يتم استنتاج رتبة لامبرت n.

النتائج الرئيسية ووصف الرسم البياني: بينما لا يتم تفصيل النتائج العددية المحددة في المقتطف المقدم، فإن المنهجية تشير إلى أن النتائج تُعرض عادةً في شكلين:

1. رسم بياني لرتبة لامبرت: رسم بياني يظهر القدرة البصرية المستقبلة (أو شدة البكسل الطبيعية) مقابل زاوية الانبعاث (\phi). يتم تركيب نقاط البيانات مع منحنى $\cos^n(\phi)$. تحدد قيمة n الأفضل تركيباً (مثل n=1.8، 2.5) توجيهية الشاشة - تشير قيمة n الأقل إلى حزمة أوسع.
2. معدل الخطأ في البت (BER) مقابل المسافة/نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR): مقياس أداء أساسي. سيظهر الرسم البياني زيادة معدل الخطأ في البت مع زيادة المسافة أو انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء. النقطة التي يتجاوز فيها معدل الخطأ في البت عتبة معينة (مثل $10^{-3}$) تحدد الحد التشغيلي العملي للرابط تحت نظام التعديل المختبر (مثل تعديل الإطفاء والإشعال عبر البكسلات البيضاء والسوداء).

يشير مدى الرابط البالغ 20 سم إلى أن الدراسة ركزت على ظروف المجال القريب ونسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية، مما يحقق على الأرجح معدل خطأ منخفض جداً، مما يثبت الجدوى الأساسية.

5. الرؤى الأساسية والتحليل

6. التفاصيل التقنية والنموذج الرياضي

المساهمة التقنية الأساسية هي تكييف نموذج قناة اتصالات الضوء المرئي القياسي لمصدر شاشة. القدرة المستقبلة P_r تُعطى بواسطة:

$P_r = P_t \cdot H(0) = P_t \cdot \frac{(n+1)A}{2\pi d^2} \cos^n(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$

حيث:

• $P_t$: القدرة البصرية المرسلة من منطقة الشاشة.
• $T_s(\psi)$: كسب المرشح البصري (إن وجد).
• $g(\psi)$: كمجمع الضوء البصري (العدسة).
• بالنسبة للكاميرا، ترتبط $A$ بحجم البكسل ومنطقة الشاشة المصورة.

نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) عند المستقبل، وهي حاسمة لمعدل الخطأ في البت، هي:

$SNR = \frac{(R P_r)^2}{\sigma_{total}^2}$

حيث $R$ هي استجابة الكاشف الضوئي (بالنسبة للكاميرا، يتضمن ذلك الكفاءة الكمومية للبكسل وكسب التحويل)، و $\sigma_{total}^2$ هو تباين الضوضاء الكلي، بما في ذلك ضوضاء الرماية والضوضاء الحرارية من دائرة قراءة مستشعر الكاميرا.

7. إطار التحليل: دراسة حالة

السيناريو: مصادقة الدفع القائمة على القرب
تخيل مقهى حيث يتم تفويض الدفع عن طريق الإمساك بشاشة هاتفك (التي تعرض نمطاً مشفراً ديناميكياً) بالقرب من كاميرا لوحة التاجر.

تطبيق الإطار:

1. نمذجة القناة: استخدم رتبة لامبرت المشتقة n ونموذج القناة لحساب الحد الأدنى المطلوب من سطوع البكسل ونسبة التباين على شاشة العميل لضمان استقبال كاميرا التاجر لإشارة قابلة للفك على مسافة نموذجية 10-30 سم، حتى تحت إضاءة المحل المحيطة.
2. تحليل الأمان: الحصر المكاني للضوء (الممثل بـ $\cos^n(\phi)$) هو ميزة. ستستقبل كاميرا متنصتة موضوعة على بعد 1 متر وبزاوية 45 درجة خارج المحور إشارة مخفّضة بعامل $\cos^n(45^\circ)/ (d_{eve}/d_{legit})^2$. بالنسبة لـ n=2 ومسافات 0.2 متر (شرعي) مقابل 1 متر (متنصت)، تكون إشارة المتنصت أقوى بحوالي 1/50، مما يوفر أماناً في الطبقة المادية متأصلاً.
3. مقايضة الأداء: لمكافحة الضوضاء من الضوء المحيط، يمكن للنظام استخدام أوقات تعريض أطول على الكاميرا المستقبلة، مما يقلل من معدل نقل البيانات الفعال لكنه يزيد الموثوقية. يمكن قياس هذه المقايضة باستخدام نماذج نسبة الإشارة إلى الضوضاء ومعدل الخطأ في البت المذكورة أعلاه.

8. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

مستقبل اتصالات الضوء المرئي من هاتف ذكي إلى هاتف ذكي لا يكمن في التفوق على الواي فاي، بل في تمكين تطبيقات جديدة:

• إقران القرب فائق الأمان: لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء أو المعاملات المالية، حيث تكون الوصلة القصيرة الموجهة ميزة أمان.
• التوطين الداخلي والملاحة: كاميرات الهواتف الذكية تقرأ الضوء المشفر من مصابيح LED السقفية أو اللافتات لتحديد المواقع بدقة سنتيمترية، وهو مجال يبحثه بشكل مكثف مجموعات مثل مركز أبحاث وتطوير LiFi في جامعة إدنبرة.
• تشغيل محتوى الواقع المعزز (AR): شاشات في المتاحف أو العروض الترويجية بالتجزئة تشع أنماط بيانات غير مرئية (عبر تعديل لوني طفيف) تقوم نظارات الواقع المعزز أو كاميرات الهواتف بفكها لتراكب المحتوى الرقمي.
• اتجاهات البحث المستقبلية:
  • ما بعد تعديل الإطفاء والإشعال: تنفيذ تعديل من رتبة أعلى (مثل تعديل الانزياح اللوني) باستخدام البكسلات الفرعية RGB للشاشة لزيادة معدلات نقل البيانات، كما تم التلميح إليه في مراجعة الأدبيات.
  • تقنيات MIMO: استخدام مناطق شاشة متعددة وبكسلات الكاميرا كقنوات متوازية، على غرار مفهوم "MIMO البصري" المشار إليه.
  • بروتوكولات قوية: تطوير معايير لمعدلات وميض الشاشة، ومخططات الترميز، والمزامنة التي لا يمكن إدراكها من قبل البشر ومقاومة لتأثيرات مصراع الكاميرا المتداول.

9. المراجع

1. Yokar, V. N., Le-Minh, H., Ghassemlooy, Z., & Woo, W. L. (السنة). توصيف القناة في الاتصالات البصرية المعتمدة على الشاشة والكاميرا. اسم المؤتمر/المجلة.
2. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). الاتصالات اللاسلكية بالأشعة تحت الحمراء. وقائع IEEE, 85(2), 265-298.
3. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). ما هو LiFi؟. مجلة تكنولوجيا الضوء, 34(6), 1533-1544.
4. مختبر MIT الإعلامي. (بدون تاريخ). الاتصالات البصرية. تم الاسترجاع من https://www.media.mit.edu/projects/optical-communications/overview/
5. جامعة إدنبرة. (بدون تاريخ). مركز أبحاث وتطوير LiFi. تم الاسترجاع من https://www.lifi.eng.ed.ac.uk/
6. Song, L., & Mittal, P. (2021). أوامر الصوت غير المسموعة: الهجوم والدفاع طويل المدى. في ندوة أمن USENIX الثلاثين (أمن USENIX 21).
7. البحث المشار إليه في ملف PDF فيما يتعلق بـ S2SVLC المعتمد على الرمز الشريطي/اللون [5-9].