لطالما قيدت الاتصالات الضوئية المرئية ثنائية الاتجاه (VLC) بسبب عدم وجود حل عملي وعالي الأداء للاتصال الصاعد. تستفيد الروابط الهابطة التقليدية من مصابيح LED لبث البيانات عالي السرعة، لكن قنوات الاتصال الصاعد تواجه عقبات كبيرة: حيث تقدم العواكس الرجعية معدلات منخفضة، والحلول القائمة على الترددات الراديوية (Wi-Fi/Bluetooth) محظورة في المناطق الحساسة (المستشفيات، الطائرات)، وتعاني روابط VLC الصاعدة بالأشعة تحت الحمراء أو الضوئية البحتة من اتجاهية عالية، أو تداخل مع الرابط الهابط، أو محدودية سيناريوهات التطبيق حيث لا تكون الإضاءة الصاعدة مطلوبة. تتناول هذه الورقة البحثية هذه الفجوة الحرجة من خلال اقتراح منهجية للاتصال الصاعد تعتمد على الموجات فوق الصوتية غير المسموعة، باستخدام تعديل إزاحة التردد (FSK) وتشكيل الحزمة الرقمي عبر مصفوفة ميكروفونات لإنشاء قناة اتصال اتجاهية وغير متماثلة لا تتداخل مع الرابط الهابط الضوئي.
يكمن الابتكار الأساسي في فصل الاتصال الصاعد عن الطيف الضوئي. بدلاً من الضوء، تستخدم الموجات الصوتية في نطاق الموجات فوق الصوتية القريبة/غير المسموعة (على سبيل المثال، أعلى من 15 كيلوهرتز) كناقل.
ينقل جهاز المستخدم البيانات عن طريق تعديلها على ناقل صوتي غير مسموع باستخدام تعديل إزاحة التردد (FSK). للتحقق من صحة النموذج الأولي، تم استخدام أربعة ترددات مسموعة (0.5، 1.5، 2.5، 3.5 كيلوهرتز) لمحاكاة نظام 4-FSK، لتمثيل الرموز الرقمية. يستغل هذا الاختيار الهامش الترددي خارج نطاق السمع البشري المعتاد (20 هرتز - 20 كيلوهرتز) لنقل البيانات.
تستقبل مصفوفة خطية مكونة من 10 ميكروفونات كروية الانتشار (متباعدة 0.05 متر) الإشارة الصوتية المركبة. ثم يتم تطبيق خوارزمية تشكيل حزمة رقمية (تحديدًا، مشكل الحزمة Frost). تعالج هذه الخوارزمية الإشارات من كل ميكروفون لتشكيل حزمة استقبال موجهة، مما يعزل بشكل فعال إشارة الاتصال الصاعد المطلوبة عن الضوضاء المحيطة أو مصادر الصوت المتداخلة القادمة من اتجاهات مختلفة (على سبيل المثال، -10°، -30°، 20° كما تمت محاكاته).
تضمن الإعداد التجريبي مصفوفة ميكروفونات خطية تستقبل إشارة مركبة تحتوي على إشارة البيانات المطلوبة وإشارتي تداخل. أظهر النظام القدرة على تصفية إرسال الاتصال الصاعد المستهدف مكانيًا.
يقدم الشكل 3 في الورقة البحثية أشكال الموجات الحرجة: (أ) إشارات البيانات المرسلة والتداخل، و(ب) الإشارة المستقبلة المركبة، وإشارات الميكروفونات الفردية، وإشارة البيانات المستعادة بنجاح بعد تشكيل الحزمة. تؤكد النتائج بصريًا أن خوارزمية تشكيل الحزمة ألغت التداخل بشكل فعال واستخرجت شكل موجة البيانات النظيفة، مما يتحقق من المفهوم الأساسي للتصفية الصوتية المكانية لاستعادة الاتصال الصاعد.
مشكل الحزمة Frost هو مشكل حزمة تكيفي مقيد. فهو يقلل من قدرة الخرج (قمع التداخل والضوضاء) مع مراعاة قيد خطي يضمن كسبًا موحدًا في اتجاه النظر (اتجاه وصول الإشارة المطلوبة). يتم تكيف متجه الأوزان $\mathbf{w}$ لحل: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{subject to} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ حيث $\mathbf{R}_{xx}$ هي مصفوفة التغاير لإشارات الدخل، $\mathbf{C}$ هي مصفوفة القيود، و $\mathbf{g}$ هو متجه الاستجابة المطلوب. وهذا يسمح بالتصفية المكانية الفعالة.
في 4-FSK، يتم تمثيل 2 بت من البيانات بواحد من أربعة ترددات ناقل مميزة $f_1, f_2, f_3, f_4$. الإشارة المرسلة هي: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{for symbol } i$$ يتضمن الاستخلاص عادةً مجموعة من المرشحات أو المترابطات المضبوطة على كل تردد، يليها دائرة قرار لاختيار التردد ذي أعلى طاقة في فترة الرمز.
تطبيق الإطار: تقييم حلول الاتصال الصاعد لـ VLC
لتقييم هذه التقنيات والتقنيات المنافسة، يمكننا استخدام إطار قرار متعدد المعايير:
دراسة الحالة: سيناريو وحدة العناية المركزة بالمستشفى
في وحدة العناية المركزة حيث تكون الترددات الراديوية محظورة لتجنب التداخل مع المعدات الطبية، ويوفر الرابط الهابط لـ VLC الإضاءة والبيانات عالية السرعة لشاشات مراقبة المرضى. يسمح الرابط الصاعد بالموجات فوق الصوتية المقترح لأجهزة اللوحي الخاصة بالممرضات بإرسال تحديثات الحالة منخفضة النطاق الترددي أو إشارات التحكم مرة أخرى إلى الشبكة دون انبعاثات ترددات راديوية ودون التأثير على الضوء الهابط الحرج. يساعد تشكيل الحزمة في عزل الإشارات من أسرّة المرضى المختلفة، مما يعزز الخصوصية ويقلل من التداخل الكلامي – وهي ميزة واضحة مقارنة بالترددات الراديوية أو الأشعة تحت الحمراء كروية الانتشار التي قد تتطلب توجيهًا دقيقًا.
الرؤية الأساسية: القيمة المقترحة الأساسية لهذه الورقة البحثية هي استراتيجية ذكية لفصل الطيف والمكان. إنها تدرك أن مشكلة الاتصال الصاعد لـ VLC ليست مجرد إيجاد وسيط لاسلكي آخر، بل إيجاد وسيط مكمل، غير متداخل، وفعال من حيث التكلفة لحالة الاستخدام غير المتماثلة. استخدام المجال الصوتي، وتحديدًا النطاق فوق الصوتي القريب غير المستغل بشكل كافٍ، هو خطوة تفكير جانبي تتجاوز قيود سابقاتها.
التسلسل المنطقي: الحجة سليمة: 1) الترددات الراديوية غير مسموح بها في العديد من البيئات المستهدفة لـ VLC. 2) الاتصال الصاعد الضوئي (الأشعة تحت الحمراء/VLC) إشكالي بسبب التداخل والاتجاهية والإضاءة غير الضرورية. 3) الصوت موجود في كل مكان، رخيص، ويمكن جعله غير مسموع. 4) التحدي الرئيسي للصوت هو طبيعته كروية الانتشار والضوضاء. 5) الحل: تطبيق تقنيات معالجة المصفوفات الراديوية الراسخة (تشكيل الحزمة) على المجال الصوتي لاستعادة الاتجاهية ومقاومة الضوضاء. التحقق التجريبي باستخدام مشكل الحزمة Frost يتحقق من هذه السلسلة المنطقية.
نقاط القوة والضعف:
نقاط القوة: أناقة استخدام الأجهزة الشائعة (الميكروفونات، السماعات) هي ميزة كبيرة من حيث التكلفة والنشر. الاستقبال الاتجاهي عبر تشكيل الحزمة هو ميزة حرجة تميزه عن الروابط الصوتية الساذجة، مما يوفر إمكانية دعم مستخدمين متعددين ورفض التداخل. توافقه الجوهري مع البيئات الحساسة للترددات الراديوية هو ميزة قاتلة للأسواق المتخصصة مثل الفضاء والرعاية الصحية.
نقاط الضعف والأسئلة المفتوحة: الفيل في الغرفة هو معدل البيانات. يستخدم النموذج الأولي ناقلات في نطاق الكيلوهرتز، مما يحد بشكل أساسي من النطاق الترددي المحتمل مقارنة بالناقلات الراديوية بالغيغاهرتز أو الضوئية بالتيراهرتز. الورقة البحثية صامتة بشأن معدل البت المُحقق، والذي من المحتمل أن يكون منخفضًا (في نطاق كيلوبت في الثانية). توهين الموجات فوق الصوتية في الهواء وتأثيرات المسارات المتعددة في الأماكن المغلقة يمكن أن يحد بشدة من المدى والموثوقية. دقة تشكيل الحزمة مع مصفوفة خطية صغيرة في غرفة ذات صدى ليست بالأمر الهين. الحاجة إلى مصفوفة ميكروفونات في جهاز الاستقبال تزيد من تعقيد البنية التحتية مقارنة بكاشف ضوئي واحد.
رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للباحثين، يفتح هذا العمل مجالًا هجينًا واعدًا: التبعثر الصوتي الخلفي لـ VLC. بدلاً من الإرسال النشط بالموجات فوق الصوتية، هل يمكن لأجهزة المستخدم ببساطة تعديل الصوت المحيط أو إشارة الضوء الهابطة صوتيًا؟ بالنسبة لمديري المنتجات في قطاعات إنترنت الأشياء الصناعية أو المباني الذكية، هذه التقنية ليست مرشحة لاستبدال الروابط الصاعدة لـ Wi-Fi لمكالمات الفيديو. ومع ذلك، فهي مناسبة تمامًا للروابط الصاعدة منخفضة المعدل والمتقطعة للأوامر والتحكم في البيئات المعادية للترددات الراديوية. أعط الأولوية للمشاريع التجريبية في أماكن مثل منشآت الحكومة الآمنة، أو غرف التصنيع النظيفة، أو على متن السفن حيث التنظيم، وليس الأداء، هو المحرك الأساسي. يجب أن تكون الخطوة التالية الفورية للمؤلفين هي توصيف دقيق لمعدل خطأ البت (BER) القابل للتحقيق مقابل المسافة ومعدل البيانات، ومقارنته مع الحدود الأساسية للقناة الصوتية، على غرار التحليلات التي أجريت لشبكات اتصال التبعثر الخلفي.