1. ভূমিকা

এই গবেষণাপত্রটি কোণীয় বৈচিত্র্য গ্রাহক (ADRs) দ্বারা উন্নত একটি নন-অর্থোগোনাল মাল্টিপল অ্যাক্সেস (NOMA) দৃশ্যমান আলো যোগাযোগ (VLC) ব্যবস্থা অনুসন্ধান করে। সমাধান করা প্রাথমিক চ্যালেঞ্জ হল প্রচলিত VLC ব্যবস্থার উচ্চ ডেটা রেট প্রদানের সীমাবদ্ধতা, যা ইন্টার-সিম্বল ইন্টারফেয়ারেন্স (ISI) এবং কো-চ্যানেল ইন্টারফেয়ারেন্স (CCI) এর মতো বিষয়গুলির কারণে ঘটে। প্রস্তাবিত ব্যবস্থাটি NOMA এর বর্ণালী দক্ষতাকে একটি ৪-শাখা ADR এর হস্তক্ষেপ প্রশমন ও সংকেত সংগ্রহ ক্ষমতার সাথে একত্রিত করে, যার লক্ষ্য একটি অভ্যন্তরীণ পরিবেশে ব্যবহারকারীর ডেটা রেট সর্বাধিক করা।

2. ব্যবস্থা মডেল

ব্যবস্থাটি একটি ৮মি × ৪মি × ৩মি খালি কক্ষের মধ্যে মডেল করা হয়েছে। আলোক চ্যানেলটি দেয়াল ও ছাদ থেকে প্রতিফলন অন্তর্ভুক্ত করে, যাকে ০.৮ প্রতিফলন সহগ (ρ) সহ ল্যাম্বার্টিয়ান প্রতিফলক হিসাবে মডেল করা হয়েছে। আলোক সংকেতের মাল্টিপাথ বিস্তার অনুকরণ করতে রে ট্রেসিং ব্যবহার করা হয়েছে।

2.1 কক্ষ ও চ্যানেল মডেলিং

অভ্যন্তরীণ চ্যানেল ইম্পালস রেসপন্স গণনা করা হয় সরলরেখা দৃশ্যমান (LOS) এবং বিচ্ছুরিত (প্রতিফলিত) উভয় উপাদান বিবেচনা করে। প্রতিফলক পৃষ্ঠতলগুলিকে ক্ষেত্রফল dA এর ছোট ছোট উপাদানে বিভক্ত করা হয়েছে। ডিটেক্টর ক্ষেত্রফল $A_{pd}$ এবং লাভ $T_s(\psi)$ সহ একটি গ্রাহকের জন্য চ্যানেল DC লাভ দেওয়া হয়েছে:

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

যেখানে $m$ হল ল্যাম্বার্টিয়ান ক্রম, $d$ হল দূরত্ব, $\phi$ হল বিকিরণ কোণ, $\psi$ হল আপতন কোণ, এবং $\Psi_c$ হল গ্রাহকের দৃশ্যক্ষেত্র (FOV)।

2.2 কোণীয় বৈচিত্র্য গ্রাহক (ADR) নকশা

ADR চারটি সংকীর্ণ-FOV ফটোডিটেক্টর নিয়ে গঠিত, যার প্রতিটি একটি ভিন্ন দিকে (যেমন, কক্ষের কোণ বা নির্দিষ্ট অ্যাক্সেস পয়েন্টের দিকে) অভিমুখী। এই নকশা গ্রাহককে সর্বোচ্চ সংকেত-থেকে-শব্দ অনুপাত (SNR) সহ শাখা নির্বাচন বা সংকেতগুলিকে একত্রিত করতে দেয়, যা পরিবেষ্টিত আলো, মাল্টিপাথ বিচ্ছুরণ এবং কো-চ্যানেল হস্তক্ষেপের প্রভাব কার্যকরভাবে হ্রাস করে।

2.3 NOMA নীতি ও শক্তি বরাদ্দ

NOMA ট্রান্সমিটারে পাওয়ার ডোমেইনে একাধিক ব্যবহারকারীর জন্য সংকেতগুলিকে সুপারইম্পোজ করে কাজ করে। গ্রাহকের কাছে, সিক্সেসিভ ইন্টারফেয়ারেন্স ক্যানসেলেশন (SIC) সংকেত ডিকোড করতে ব্যবহৃত হয়। শক্তি চ্যানেল লাভের বিপরীত অনুপাতে বরাদ্দ করা হয়: ভাল চ্যানেল অবস্থা (শক্তিশালী সংকেত) সহ ব্যবহারকারীদের কম শক্তি বরাদ্দ করা হয়, যখন খারাপ অবস্থা সহ ব্যবহারকারীরা ন্যায্যতা নিশ্চিত করতে বেশি শক্তি পায়। ব্যবহারকারী $i$ এর জন্য অর্জনযোগ্য হার হল:

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

যেখানে $B$ হল ব্যান্ডউইথ, $P_i$ হল ব্যবহারকারী $i$ এর জন্য বরাদ্দকৃত শক্তি, $h_i$ হল চ্যানেল লাভ, এবং $\sigma^2$ হল শব্দ প্রকরণ।

3. সিমুলেশন ফলাফল ও আলোচনা

ADR সহ NOMA-VLC ব্যবস্থার কর্মদক্ষতা একটি একক প্রশস্ত-FOV গ্রাহক ব্যবহার করে একটি বেসলাইন ব্যবস্থার সাথে তুলনা করা হয়েছে।

3.1 কর্মদক্ষতা তুলনা: ADR বনাম প্রশস্ত FOV

মূল সন্ধান হল যে ADR-ভিত্তিক ব্যবস্থাটি প্রশস্ত-FOV গ্রাহক ব্যবস্থার তুলনায় ৩৫% গড় ডেটা রেট উন্নতি অর্জন করে। এই লাভটি ADR এর শক্তিশালী, কম বিকৃত সংকেত নির্বাচনীভাবে সংগ্রহ করতে এবং অন্যান্য ট্রান্সমিটার বা প্রতিফলন থেকে হস্তক্ষেপকারী উপাদানগুলিকে প্রত্যাখ্যান করার ক্ষমতার জন্য দায়ী।

3.2 ডেটা রেট বিশ্লেষণ ও অপ্টিমাইজেশন

সিমুলেশনগুলিতে ADR শাখা নির্বাচন থেকে প্রাপ্ত তাদের তাৎক্ষণিক চ্যানেল অবস্থার ভিত্তিতে ব্যবহারকারীদের মধ্যে সম্পদ (শক্তি) বরাদ্দ অপ্টিমাইজ করা জড়িত। অপ্টিমাইজেশনের লক্ষ্য হল ব্যবহারকারী ন্যায্যতা বজায় রেখে মোট ডেটা রেট সর্বাধিক করা, লেখকদের পূর্ববর্তী পদ্ধতি [৩৬] অনুসরণ করে। ফলাফলগুলি দেখায় যে অভিযোজিত শাখা নির্বাচন এবং NOMA শক্তি বরাদ্দের সংমিশ্রণ বর্ণালী দক্ষতা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করে।

মূল কর্মদক্ষতা মেট্রিক

৩৫% গড় ডেটা রেট লাভ ADR-ভিত্তিক NOMA-VLC ব্যবস্থা দ্বারা একটি প্রশস্ত-FOV গ্রাহক বেসলাইনের তুলনায় অর্জিত।

4. উপসংহার

গবেষণাপত্রটি উপসংহারে পৌঁছেছে যে VLC ব্যবস্থায় কোণীয় বৈচিত্র্য গ্রাহকগুলিকে NOMA এর সাথে একীভূত করা হস্তক্ষেপ এবং সীমিত ব্যান্ডউইথের মতো মূল সীমাবদ্ধতাগুলি কাটিয়ে উঠার জন্য একটি অত্যন্ত কার্যকর কৌশল। ৪-শাখা ADR সংকেতের গুণমান উন্নত করে এবং NOMA এর মাধ্যমে আরও দক্ষ বহু-ব্যবহারকারী শক্তি বরাদ্দ সক্ষম করে ডেটা রেটে উল্লেখযোগ্য লাভ প্রদান করে। এই কাজটি পরবর্তী প্রজন্মের অপটিক্যাল বেতার নেটওয়ার্কের জন্য উন্নত গ্রাহক নকশার সাথে নন-অর্থোগোনাল মাল্টিপ্লেক্সিংয়ের সমন্বয়ের সম্ভাবনা যাচাই করে।

5. মূল বিশ্লেষক অন্তর্দৃষ্টি

মূল অন্তর্দৃষ্টি: এই গবেষণাপত্রটি কেবল একটি প্রান্তিক উন্নতি নয়; এটি একটি কৌশলগত পিভট। এটি সঠিকভাবে চিহ্নিত করে যে ঘন, উচ্চ-ক্ষমতা VLC এর জন্য বাধা কেবল ট্রান্সমিটার নয় (যেখানে বেশিরভাগ গবেষণা কেন্দ্রীভূত, যেমন µLEDs বা লেজার ডায়োডে) বরং সমালোচনামূলকভাবে, একটি শব্দযুক্ত, মাল্টিপাথ পরিবেশে সংকেত পৃথকীকরণে গ্রাহকের ক্ষমতা। একটি তুলনামূলকভাবে সরল ৪-শাখা ADR থেকে ৩৫% লাভ এই প্রায়শই উপেক্ষিত মাত্রার একটি শক্তিশালী প্রমাণ।

যুক্তিসঙ্গত প্রবাহ: যুক্তিটি শব্দ: ১) VLC হস্তক্ষেপ (CCI/ISI) দ্বারা ভোগে, ২) ADRs স্থানিক ফিল্টারিং দ্বারা হস্তক্ষেপ প্রশমিত করে, ৩) পরিষ্কার সংকেতগুলি আরও আক্রমণাত্মক মাল্টিপ্লেক্সিং (NOMA) সক্ষম করে, ৪) NOMA এর পাওয়ার-ডোমেইন মাল্টিপ্লেক্সিং বর্ণালী দক্ষতা বৃদ্ধি করে। একটি প্রমিত কক্ষ মডেলে সিমুলেশন (IEEE ৮০২.১৫.৭r১ টাস্ক গ্রুপ দ্বারা ব্যবহৃতগুলির অনুরূপ) বিশ্বাসযোগ্য বৈধতা প্রদান করে।

শক্তি ও ত্রুটি: শক্তি দুটি পরিপক্ব ধারণার (বৈচিত্র্য অভ্যর্থনা এবং NOMA) ব্যবহারিক সমন্বয়ে নিহিত একটি স্পষ্ট, পরিমাপযোগ্য লাভের জন্য। পদ্ধতিটি শক্তিশালী। যাইহোক, ত্রুটিটি ADR মডেলের সরলতায়। বাস্তব-বিশ্বের ADRs শাখা পারস্পরিক সম্পর্ক, বৃদ্ধি হার্ডওয়্যার জটিলতা এবং দ্রুত, কম-শক্তি শাখা নির্বাচন অ্যালগরিদমের প্রয়োজনীয়তার মতো চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হয় — কেবল ইঙ্গিতিত বিষয়গুলি। অভিযোজিত অপটিক্স বা ইমেজিং রিসিভার ব্যবহার করে MIMO-ভিত্তিক VLC এর অত্যাধুনিক গবেষণার তুলনায় (MIT এর মিডিয়া ল্যাব বা UC Berkeley এর BWRC এর কাজগুলিতে দেখা যায়), এই পদ্ধতিটি আরও অবিলম্বে মোতায়েনযোগ্য কিন্তু একটি নিম্ন চূড়ান্ত ক্ষমতা সিলিং থাকতে পারে।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: শিল্প অনুশীলনকারীদের জন্য, এই গবেষণাপত্রটি গ্রাহক-পার্শ্ব উদ্ভাবনে বিনিয়োগের জন্য একটি সবুজ সংকেত। Li-Fi বা শিল্প VLC ব্যবস্থার জন্য পণ্য ব্যবস্থাপকদের বহু-উপাদান গ্রাহক একীভূত করার অগ্রাধিকার দেওয়া উচিত। গবেষকদের জন্য, পরবর্তী পদক্ষেপগুলি স্পষ্ট: ১) গতিশীল, সর্বোত্তম ADR শাখা নির্বাচন এবং NOMA ব্যবহারকারী জোড়ার জন্য মেশিন লার্নিং তদন্ত করুন। ২) গুণনীয় লাভের জন্য তরঙ্গদৈর্ঘ্য-বিভাজন মাল্টিপ্লেক্সিং (WDM) এর সাথে একীকরণ অন্বেষণ করুন। ৩) গতিশীল কর্মক্ষমতা যাচাই করতে মোবাইল ব্যবহারকারীদের সাথে বাস্তব-বিশ্বের পরীক্ষা পরিচালনা করুন। ভবিষ্যতের VLC মানগুলিতে গ্রাহক বৈচিত্র্য উপেক্ষা করা একটি উল্লেখযোগ্য ত্রুটি হবে।

6. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক সূত্রায়ন

মূল প্রযুক্তিগত অবদান হল ADR শাখা নির্বাচন এবং NOMA শক্তি বরাদ্দের যৌথ অপ্টিমাইজেশন। ব্যবহারকারী $i$ এর জন্য ADR এর $k$-তম শাখায় প্রাপ্ত সংকেত হল:

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

যেখানে $h_{i,k}$ হল ট্রান্সমিটার থেকে ব্যবহারকারী $i$ এর জন্য $k$-তম শাখার চ্যানেল লাভ, $P_u$ হল ব্যবহারকারী $u$ এর সংকেত $x_u$ এর জন্য বরাদ্দকৃত শক্তি, এবং $n_{i,k}$ হল সংযোজনীয় সাদা গাউসিয়ান শব্দ। গ্রাহক প্রতিটি ব্যবহারকারী বা ডিকোডিং ধাপের জন্য সেই শাখা $k^*$ নির্বাচন করে যা কার্যকর SNR সর্বাধিক করে। চ্যানেল লাভ $|h_i|^2$ সহ একটি ব্যবহারকারীর কাছে SIC প্রক্রিয়াটি ক্রমবর্ধমান চ্যানেল লাভের ক্রমে সংকেত ডিকোড করে। শক্তি বরাদ্দ সহগ $\alpha_i$ (যেখানে $\sum \alpha_i = 1$, এবং $\alpha_i < \alpha_j$ যদি $|h_i|^2 > |h_j|^2$) একটি মোট শক্তি সীমাবদ্ধতা $P_T$ এর অধীনে মোট হার $\sum R_i$ সর্বাধিক করার জন্য অপ্টিমাইজ করা হয়।

7. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও চার্ট বর্ণনা

যদিও গবেষণাপত্রটি সিমুলেশন-ভিত্তিক, বর্ণিত ফলাফলগুলি মূল চার্টের মাধ্যমে দৃশ্যায়িত করা যেতে পারে:

  • চার্ট ১: মোট হার বনাম ট্রান্সমিট শক্তি: এই চার্টটি দুটি বক্ররেখা দেখাবে, একটি ADR-NOMA ব্যবস্থার জন্য এবং একটি প্রশস্ত-FOV-NOMA বেসলাইনের জন্য। উভয় বক্ররেখা শক্তির সাথে বৃদ্ধি পাবে, কিন্তু ADR বক্ররেখা একটি খাড়া ঢাল এবং একটি উচ্চ মালভূমি দেখাবে, যা শক্তি পরিসীমা জুড়ে ৩৫% গড় লাভ স্পষ্টভাবে চিত্রিত করবে।
  • চার্ট ২: ব্যবহারকারী হার বন্টন: একটি বার চার্ট বা CDF যা কক্ষে পৃথক ব্যবহারকারীদের দ্বারা অর্জিত ডেটা হার দেখায়। ADR ব্যবস্থা একটি সংকীর্ণ, উচ্চ বন্টন দেখাবে, যা বিভিন্ন অবস্থানে (বিশেষ করে দেয়ালের কাছে বা কোণে যেখানে প্রশস্ত-FOV গ্রাহকরা মাল্টিপাথ দ্বারা ভোগে) ব্যবহারকারীদের জন্য আরও সামঞ্জস্যপূর্ণ এবং উন্নত পরিষেবা নির্দেশ করে।
  • চার্ট ৩: শাখা নির্বাচন ফ্রিকোয়েন্সি: কক্ষের মেঝেতে একটি হিটম্যাপ যা ADR এর চারটি শাখার প্রতিটি কতবার "সেরা" শাখা হিসাবে নির্বাচিত হয় তা নির্দেশ করে। এটি ADR এর অভিযোজিত প্রকৃতি দৃশ্যত প্রদর্শন করবে, বিভিন্ন কক্ষ অঞ্চলে বিভিন্ন শাখা সর্বোত্তম হবে।

8. বিশ্লেষণ কাঠামো: একটি কেস স্টাডি

পরিস্থিতি: ২০টি ওয়ার্কস্টেশন সহ একটি ওপেন-প্ল্যান অফিসের জন্য একটি VLC নেটওয়ার্ক নকশা করা।

কাঠামো প্রয়োগ:

  1. সমস্যা বিশ্লেষণ: লিঙ্ক বাজেট বিশ্লেষণকে পৃথক করুন: (ক) ট্রান্সমিটার শক্তি ও মড্যুলেশন, (খ) চ্যানেল পাথ লস ও ইম্পালস রেসপন্স (রে ট্রেসিং ব্যবহার করে), (গ) গ্রাহক সংবেদনশীলতা ও দৃশ্যক্ষেত্র।
  2. ADR সুবিধা পরিমাপ: প্রতিটি ওয়ার্কস্টেশন অবস্থানের জন্য, একটি প্রশস্ত-FOV গ্রাহক এবং ৪-শাখা ADR ব্যবহার করে প্রাপ্ত সংকেত শক্তি এবং বিলম্ব বিস্তার সিমুলেট করুন। ADR এর দেরিতে আগত প্রতিফলন প্রত্যাখ্যান করার ক্ষমতা দ্বারা প্রদত্ত সম্ভাব্য SNR উন্নতি এবং ISI হ্রাস গণনা করুন।
  3. NOMA ব্যবহারকারী গোষ্ঠীবদ্ধকরণ: তাদের চ্যানেল লাভ বৈষম্যের ভিত্তিতে ব্যবহারকারীদের NOMA জোড়া/গোষ্ঠীতে ক্লাস্টার করুন, যা এখন ADR এর পরিষ্কার চ্যানেল অনুমানের কারণে আরও স্পষ্ট এবং নির্ভরযোগ্য।
  4. ব্যবস্থা-স্তরের সিমুলেশন: ব্যবহারকারী কার্যকলাপ এবং ডেটা চাহিদা পরিবর্তন করে একটি মন্টে কার্লো সিমুলেশন চালান। ADR-NOMA ব্যবস্থা বনাম প্রশস্ত-FOV গ্রাহক সহ একটি ঐতিহ্যগত OFDMA-VLC ব্যবস্থার জন্য মোট নেটওয়ার্ক থ্রুপুট এবং ৫ম-শতকরা ব্যবহারকারী হার (একটি ন্যায্যতা মেট্রিক) তুলনা করুন।
এই কাঠামো একটি নেটওয়ার্ক ডিজাইনারকে প্রতিশ্রুত ক্ষমতা লাভের বিরুদ্ধে আরও জটিল ADR হার্ডওয়্যার মোতায়েনের ব্যয়-সুবিধা পদ্ধতিগতভাবে মূল্যায়ন করতে দেয়।

9. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও গবেষণা দিকনির্দেশ

  • ৬G Li-Fi ব্যাকহল/ডাউনলিঙ্ক: ADR-NOMA VLC ভবিষ্যতের ৬G নেটওয়ার্কগুলিতে উচ্চ-ঘনত্ব ডাউনলিঙ্কের জন্য একটি প্রধান প্রার্থী, স্টেডিয়াম, বিমানবন্দর এবং কারখানায় RF কে পরিপূরক করে। RF হস্তক্ষেপের প্রতি এর প্রতিরোধ একটি মূল সুবিধা।
  • অতি-নির্ভরযোগ্য শিল্প IoT: স্বয়ংক্রিয় গুদাম বা উত্পাদন লাইনে, যেখানে কম বিলম্ব এবং নির্ভরযোগ্যতা সমালোচনামূলক, ADRs মেশিন-থেকে-মেশিন যোগাযোগের জন্য শক্তিশালী লিঙ্ক প্রদান করতে পারে, NOMA বিশাল সেন্সর সংযোগতা সমর্থন করে।
  • পানির নিচে অপটিক্যাল যোগাযোগ: পানির নিচের বিচ্ছুরণ পরিবেশ একটি গুরুতর মাল্টিপাথ পরিস্থিতির অনুরূপ। ADRs স্বায়ত্তশাসিত পানির নিচের যানবাহনের জন্য নীল/সবুজ লেজার যোগাযোগের পরিসীমা এবং নির্ভরযোগ্যতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে।
  • গবেষণা দিকনির্দেশ:
    • বুদ্ধিমান ADRs: মাইক্রো-ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল সিস্টেমস (MEMS) বা তরল স্ফটিক-ভিত্তিক বিম স্টিয়ারিং ব্যবহার করে নির্দিষ্ট শাখার পরিবর্তে অবিচ্ছিন্ন, সূক্ষ্ম-দানাদার কোণ সমন্বয়ের জন্য।
    • ক্রস-লেয়ার অপ্টিমাইজেশন: শারীরিক-স্তর ADR নির্বাচনকে মিডিয়াম-অ্যাক্সেস কন্ট্রোল (MAC) স্তর সময়সূচী এবং NOMA ব্যবহারকারী ক্লাস্টারিংয়ের সাথে যৌথভাবে অপ্টিমাইজ করা।
    • হাইব্রিড RF/VLC ব্যবস্থা: তদন্ত করুন যে কীভাবে ADR-NOMA VLC একটি ভিন্নধর্মী নেটওয়ার্কে mmWave বা sub-৬ GHz RF এর সাথে নিরবচ্ছিন্নভাবে একীভূত করা যেতে পারে, বুদ্ধিমান ট্র্যাফিক অফলোডিং সহ।

10. তথ্যসূত্র

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (VLC চ্যানেল মডেলিংয়ে কর্তৃত্ব)
  2. L. Yin, et al., "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (NOMA-VLC উপর মৌলিক গবেষণাপত্র)
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (ভিত্তিমূলক পর্যালোচনা)
  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. (বৈচিত্র্য কৌশল কভার করে)
  5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (প্রাসঙ্গিক মান)
  6. M. O. I. Musa, et al., "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (লেখকদের পূর্ববর্তী কাজ, তথ্যসূত্র [৩৬])
  7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (VLC বাণিজ্যিকীকরণে শিল্প নেতা)
  8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (নির্দিষ্ট ADR বাস্তবায়ন অধ্যয়ন)