نظام تحديد المواقع باستخدام الاتصالات الضوئية المرئية الصاعدة الذي يستغل الانعكاسات متعددة المسارات

جدول المحتويات

1. المقدمة والنظرة العامة

تقدم هذه الورقة البحثية نهجًا ثوريًا لتحديد المواقع الداخلية في أنظمة الاتصالات الضوئية المرئية. على عكس الطرق التقليدية التي تعامل الانعكاسات متعددة المسارات كضوضاء، تستغل هذه التقنية هذه الانعكاسات بنشاط، وتحديدًا ذروة القدرة الثانية في استجابة القناة النبضية للرابط الصاعد، لتقدير موقع المستخدم من جانب الشبكة. يعمل النظام المقترح في الرابط الصاعد بالأشعة تحت الحمراء، ويتطلب فقط كاشفًا ضوئيًا واحدًا للتحديد الأساسي للموقع، مع تحسين الدقة بشكل كبير عن طريق إضافة المزيد من نقاط المرجع.

2. المنهجية الأساسية ونموذج النظام

2.1. بنية النظام

تم تصميم نظام تحديد المواقع للرابط الصاعد لشبكة الاتصالات الضوئية المرئية. يتم تجهيز المستخدمين بأجهزة إرسال بالأشعة تحت الحمراء (مثل الثنائيات الباعثة للضوء)، بينما يتم تثبيت نقاط مرجعية ثابتة - وهي كواشف ضوئية - على السقف أو الجدران. يقوم جانب الشبكة بمعالجة الإشارات المستقبلة لتقدير إحداثيات المستخدم ثنائية أو ثلاثية الأبعاد. تحول هذه البنية التعقيد الحسابي من جهاز المستخدم إلى البنية التحتية، مما يجعلها مثالية لمهام إدارة الشبكة مثل التسليم وتخصيص الموارد.

2.2. تحليل استجابة القناة النبضية

يكمن الابتكار الأساسي في تحليل استجابة القناة النبضية. تحتوي استجابة القناة النبضية عادةً على ذروة مهيمنة للمسار المباشر تليها عدة ذروات أصغر ناتجة عن الانعكاسات من الجدران والأجسام. يحدد المؤلفون أول ذروة انعكاسية كبيرة بعد المسار المباشر، المسماة ذروة القدرة الثانية، كمصدر قيّم للمعلومات الهندسية.

المعلمات الرئيسية المستخرجة:

• مكون المسار المباشر: يوفر معلومات مباشرة عن المسافة/الزاوية.
• مكون ذروة القدرة الثانية: يوفر معلومات عن مسار انعكاسي رئيسي.
• التأخير ($\Delta\tau$): الفرق الزمني بين وصولي المسار المباشر وذروة القدرة الثانية. يرتبط هذا التأخير مباشرة بفرق أطوال المسار: $\Delta d = c \cdot \Delta\tau$، حيث $c$ هي سرعة الضوء.

3. التفاصيل التقنية والخوارزمية

3.1. الصياغة الرياضية

تتضمن القدرة الضوئية المستقبلة عند الكاشف الضوئي مكونات المسار المباشر والمنتشرة (المنعكسة). يمكن نمذجة الاستجابة النبضية على النحو التالي:

$h(t) = h_{LOS}(t) + h_{diff}(t)$

حيث $h_{LOS}(t)$ هو المكون الحتمي للمسار المباشر و $h_{diff}(t)$ هو المكون المنتشر من الانعكاسات. تركز الخوارزمية على استخراج زمن التأخير وسعة ذروة القدرة الثانية داخل $h_{diff}(t)$. تخلق الهندسة التي تربط موقع المستخدم $(x_u, y_u, z_u)$، وموقع الكاشف الضوئي $(x_{pd}, y_{pd}, z_{pd})$، وعاكس مهيمن (مثل جدار) قطعًا ناقصًا للمواقع المحتملة للمستخدم لـ $\Delta\tau$ معين.

3.2. خوارزمية تحديد المواقع

1. تقدير استجابة القناة النبضية: استقبال إشارة الرابط الصاعد وتقدير استجابة القناة النبضية باستخدام تقنيات مثل الترشيح المتطابق.
2. كشف الذروات: تحديد ذروة المسار المباشر ($\tau_{LOS}$) وذروة القدرة الثانية الأكثر أهمية ($\tau_{SPP}$). حساب $\Delta\tau = \tau_{SPP} - \tau_{LOS}$.
3. الحل الهندسي: باستخدام موقع الكاشف الضوئي المعروف وهندسة الغرفة (مواقع العواكس)، يحدد $\Delta\tau$ من كاشف ضوئي واحد قيدًا قطعيًا ناقصيًا على موقع المستخدم. باستخدام كاشف ضوئي واحد وارتفاع مستخدم معروف، يمكن تقدير موقع ثنائي الأبعاد. توفر الكواشف الضوئية الإضافية قيودًا متقاطعة، مما يحسن التقدير من خلال خوارزمية المربعات الصغرى أو خوارزمية تحسين مماثلة.

4. النتائج التجريبية والأداء

4.1. إعداد المحاكاة

تم تقييم الأداء عبر المحاكاة في نموذج غرفة قياسي (مثل 5م × 5م × 3م). تم وضع الكواشف الضوئية في مواقع معروفة على السقف. تم استخدام نموذج قناة بتتبع الأشعة أو نموذج مماثل لتوليد استجابات قناة نبضية واقعية تشمل المسار المباشر وانعكاسات تصل إلى الدرجة الثانية.

4.2. تحليل الدقة

كان المقياس الأساسي هو خطأ تحديد المواقع جذر متوسط مربع.

• سيناريو كاشف ضوئي واحد: حقق خطأ جذر متوسط مربع يقارب 25 سم. وهذا يوضح القدرة الأساسية لاستخدام المسارات المتعددة من نقطة مرجعية واحدة.
• سيناريو أربعة كواشف ضوئية: تحسن خطأ جذر متوسط مربع بشكل كبير ليصل إلى حوالي 5 سم. وهذا يسلط الضوء على قابلية توسع النظام وقيمة التنوع المكاني في نقاط المرجع.

وصف الرسم البياني (ضمني): من المحتمل أن يظهر رسم بياني عمودي خطأ جذر متوسط مربع (المحور الصادي) يتناقص بشكل حاد مع زيادة عدد الكواشف الضوئية (المحور السيني) من 1 إلى 4. قد يظهر رسم بياني خطي ثانٍ استجابة القناة النبضية مع ذروات المسار المباشر وذروة القدرة الثانية واضحة وموسومة.

5. الرؤى الأساسية والتحليل المقارن

الرؤية الأساسية: عبقرية الورقة البحثية تكمن في تحول النموذج الفكري: معاملة المسارات المتعددة ليس كمصدر إزعاج يجب معادلته (كما في نظرية الاتصالات الكلاسيكية) ولكن كمصدر غني لبصمات هندسية. وهذا يعكس التطور في الاستشعار اللاسلكي، حيث تستغل أنظمة مثل رادار واي فاي معلومات حالة القناة للتعرف على النشاط. يحدد المؤلفون بشكل صحيح المعالجة من جانب الشبكة في الرابط الصاعد كميزة استراتيجية للخدمات المركزة على البنية التحتية.

التدفق المنطقي: الحجة مقنعة. 1) لقنوات الاتصالات الضوئية المرئية مسارات متعددة قوية وقابلة للتحديد بسبب هندسة الغرفة. 2) ذروة القدرة الثانية هي ميزة قابلة للقياس ومستقرة. 3) زمن التأخير يشفر فروق المسافات. 4) لذلك، يمكنه تحديد الموقع. القفزة من كاشف ضوئي واحد (قطع ناقص) إلى كواشف ضوئية متعددة (نقطة تقاطع) منطقية سليمة وتم التحقق منها بنتائج المحاكاة.

نقاط القوة والضعف: نقطة القوة الرئيسية هي كفاءة البنية التحتية (التشغيل بكاشف ضوئي واحد) والدقة العالية المحتملة (5 سم). عيب حرج، تم الاعتراف به ولكن لم تتم معالجته بعمق، هو الاعتماد على البيئة. تفترض الخوارزمية وجود ذروات قدرة ثانية قابلة للتحديد من عواكس رئيسية (جدران). في البيئات المزدحمة والديناميكية (مثل حشد متحرك في مطار)، تصبح استجابة القناة النبضية فوضوية، وقد لا تتوافق الذروة "الثانية" مع مسار هندسي مستقر. يبقى أداء النظام في ظروف عدم وجود مسار مباشر حيث يتم حجب المسار المباشر سؤالًا مفتوحًا.

رؤى قابلة للتنفيذ: للباحثين: ركزوا على استخراج الميزات القوي من استجابات القناة النبضية ذات الضوضاء باستخدام التعلم الآلي، على غرار كيفية تعلم CycleGAN للترجمة بين المجالات دون بيانات مقترنة - هنا، يمكن للمرء أن يتعلم تعيين استجابات القناة النبضية المضطربة إلى ميزات هندسية نظيفة. للصناعة (مثل VLNCOMM، انتماء أحد المؤلفين): هذا مناسب تمامًا للبيئات المتحكم فيها والثابتة أولاً - فكر في المستودعات لتتبع الروبوتات، أو المتاحف للدلائل التفاعلية، أو أرضيات التصنيع. تجنب تسويقه للمساحات الاستهلاكية الديناميكية للغاية حتى يتم إثبات متانته.

6. إطار التحليل ومثال تطبيقي

إطار لتقييم تقنيات تحديد المواقع بالاتصالات الضوئية المرئية:

1. الإطار المرجعي: الرابط الصاعد (جانب الشبكة) مقابل الرابط الهابط (جانب المستخدم).
2. ميزة الإشارة: قوة الإشارة المستقبلة، وقت الوصول/فرق وقت الوصول، زاوية الوصول، أو ميزة من استجابة القناة النبضية (مثل ذروة القدرة الثانية).
3. الحد الأدنى من البنية التحتية: عدد الثنائيات الباعثة للضوء/الكواشف الضوئية المطلوبة للتحديد.
4. الدقة والمتانة: خطأ جذر متوسط مربع في الإعدادات المتحكم فيها مقابل الديناميكية.
5. الحمل الحسابي: على جهاز المستخدم مقابل على خادم الشبكة.

مثال تطبيقي: تتبع الأصول في المستودع
السيناريو: تتبع عربات ذاتية الحركة في مستودع مقاسه 20م × 50م.
تطبيق الطريقة المقترحة: تثبيت شبكة من الكواشف الضوئية للرابط الصاعد بالأشعة تحت الحمراء على السقف. تحتوي كل عربة على علامة ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء. يقوم الخادم المركزي بمعالجة الإشارات من جميع الكواشف الضوئية.
الميزة: الدقة العالية (~5-10 سم) تسمح بتحديد موقع المخزون بدقة وتجنب الاصطدام. المعالجة من جانب الشبكة تعني علامات بسيطة ومنخفضة الطاقة على العربات.
التحدي: البيئة شبه ديناميكية (الرفوف ثابتة، ولكن العربات والأشخاص الآخرين يتحركون). يجب أن يكون النظام قادرًا على التمييز بين ذروة القدرة الثانية من الانعكاسات عن الرفوف الثابتة مقابل العوائق المتحركة. وهذا يتطلب خوارزميات تكيفية أو دمج مستشعرات (مثلًا، مع قياس المسافة بالعجلات).

7. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

التطبيقات:

• إنترنت الأشياء الصناعي واللوجستيات: تتبع عالي الدقة للأدوات والروبوتات والمخزون في المصانع والمستودعات.
• المباني الذكية: الأتمتة القائمة على الموقع (الإضاءة، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء) والأمن (تتبع الموظفين في المناطق المقيدة).
• الواقع المعزز: توفير تحديد مواقع داخلي بدقة سنتيمترية لربط محتوى الواقع المعزز دون كاميرات، مكملًا لتقنيات مثل ARKit/ARCore.
• ملاحة المستجيبين الأوائل والعسكرية: ملاحة داخل المباني في غياب نظام التموضع العالمي لرجال الإطفاء أو الجنود.

اتجاهات البحث:

• التعلم الآلي لتفسير استجابة القناة النبضية: استخدام الشبكات العصبية التلافيفية أو الشبكات العصبية المتكررة لتعيين استجابات القناة النبضية الخام أو المعالجة مباشرة إلى إحداثيات الموقع، مما يجعل النظام أكثر متانة للتغيرات البيئية.
• دمج المستشعرات: الجمع بين تحديد المواقع بالاتصالات الضوئية المرئية ووحدات القصور الذاتي، أو النطاق العريض جدًا، أو شبكة واي فاي الحالية للمتانة أثناء ظروف عدم وجود مسار مباشر أو غموض استجابة القناة النبضية.
• التوحيد القياسي ونمذجة القناة: تطوير نماذج قناة اتصالات ضوئية مرئية أكثر دقة وموحدة تتضمن خصائص انعكاس متنوعة للمواد (كما هو موجود في قواعد بيانات مثل توصيات الاتحاد الدولي للاتصالات للترددات الراديوية) لتحسين واقعية المحاكاة.
• بروتوكولات موفرة للطاقة: تصميم بروتوكولات التحكم في الوصول إلى الوسط للشبكات الكثيفة لعلامات تحديد المواقع في الرابط الصاعد لتجنب التداخل والحفاظ على عمر البطارية.

8. المراجع

1. H. Hosseinianfar, M. Noshad, M. Brandt-Pearce. "Positioning for Visible Light Communication System Exploiting Multipath Reflections." In Proc. of relevant conference/journal, 2023.
2. Z. Zhou, M. Kavehrad, and P. Deng, "Indoor positioning algorithm using light-emitting diode visible light communications," Optical Engineering, vol. 51, no. 8, 2012.
3. J. Zhu, T. Yamazato, "A Review of Visible Light Communication-based Positioning Systems," Sensors, vol. 22, no. 3, 2022.
4. S. Wu, H. Zhang, and Z. Xu, "Mitigating the multipath effect for VLC positioning systems using an optical receiver array," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 30, no. 19, 2018.
5. T. Q. Wang, Y. A. Sekercioglu, and J. Armstrong, "Analysis of an optical wireless receiver using a hemispherical lens with application in MIMO visible light communications," Journal of Lightwave Technology, vol. 31, no. 11, 2013.
6. P. Zhuang et al., "A Survey of Positioning Systems Using Visible LED Lights," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 3, 2018.
7. J. Yun, "Research on Indoor Positioning Technology Based on Visible Light Communication," Journal of Sensors, vol. 2022, 2022.
8. J.-Y. Zhu, T. Park, P. Isola, A. A. Efros. "Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks." IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV), 2017. (مرجع CycleGAN للقياس على التعلم الآلي).
9. International Telecommunication Union (ITU). "Recommendation P.1238: Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems." (مثال على مصدر نموذج قناة موثوق).