দৃশ্যমান আলোক যোগাযোগের জন্য উন্নত একটি নতুন ৫বি১০বি আরএলএল কোডের বিশ্লেষণ

1. ভূমিকা ও সংক্ষিপ্ত বিবরণ

এই নথিটি দৃশ্যমান আলোক যোগাযোগ (ভিএলসি) ব্যবস্থার জন্য প্রস্তাবিত একটি নতুন রান-লেন্থ লিমিটেড (আরএলএল) কোড, যার নাম ৫বি১০বি, বিশ্লেষণ করে। এর মূল উদ্ভাবন এর নকশায় নিহিত, যার লক্ষ্য ঝলকবিহীন আলোকসজ্জার জন্য প্রয়োজনীয় অপরিহার্য ডিসি-ভারসাম্য প্রদানের পাশাপাশি উন্নত ত্রুটি সংশোধন ক্ষমতা অন্তর্ভুক্ত করা—এমন একটি সমন্বয় যা ম্যানচেস্টার, ৪বি৬বি, এবং আইইইই ৮০২.১৫.৭ স্ট্যান্ডার্ড দ্বারা নির্দেশিত ৮বি১০বির মতো ঐতিহ্যবাহী আরএলএল কোডগুলিতে প্রায়শই অনুপস্থিত থাকে।

প্রেরণা এসেছে ভিএলসির দ্বৈত-ব্যবহারের প্রকৃতি থেকে, যেখানে লাইট এমিটিং ডায়োড (এলইডি) কে আলোকসজ্জা এবং ডেটা ট্রান্সমিশন উভয়ই প্রদান করতে হয়। এটি প্রেরিত সংকেতের উপর কঠোর সীমাবদ্ধতা আরোপ করে যাতে দৃশ্যমান উজ্জ্বলতার ওঠানামা (ফ্লিকার) এড়ানো যায় যা ক্ষতিকর বা বিরক্তিকর হতে পারে। আদর্শ আরএলএল কোডগুলি ডিসি-ভারসাম্য এবং রান-লেন্থ নিয়ন্ত্রণ নিয়ে কাজ করলেও, সেগুলি সাধারণত দুর্বল অন্তর্নিহিত ত্রুটি সংশোধন প্রদান করে, যার ফলে প্রায়শই অতিরিক্ত, জটিল ফরোয়ার্ড এরর করেকশন (এফইসি) স্তর প্রয়োজন হয় যা কার্যকর ডেটা রেট কমিয়ে দেয়।

2. প্রস্তাবিত ৫বি১০বি কোড

প্রস্তাবিত কোডটি একটি ব্লক কোড যা ৫-বিট ডেটাওয়ার্ডকে ১০-বিট কোডওয়ার্ডে ম্যাপ করে, যার ফলে কোড রেট হয় $R = \frac{5}{10} = 0.5$।

3. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ ও কার্যকারিতা

4. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও সিমুলেশন

পিডিএফ ইঙ্গিত দেয় যে তাত্ত্বিক বিশ্লেষণ এবং সিমুলেশন ফলাফল ৫বি১০বি কোডের শ্রেষ্ঠত্ব প্রদর্শন করে। মাঝারি থেকে উচ্চ সিগন্যাল-টু-নয়েজ রেশিও (এসএনআর) সহ চ্যানেলের উপর ওওকে-মডুলেটেড ট্রান্সমিশনের জন্য, প্রস্তাবিত কোড বিট এরর রেশিও (বিইআর) এর দিক থেকে আদর্শ কৌশলগুলিকে ছাড়িয়ে যায়।

কল্পিত চার্ট বর্ণনা: একটি বিইআর বনাম এসএনআর প্লট সম্ভবত তিনটি বক্ররেখা দেখাবে: ১) আদর্শ ৮বি১০বি (উচ্চ বিইআর ফ্লোর), ২) বহিরাগত আরএস কোড সহ ৮বি১০বি (খাড়া বক্ররেখা, সেরা কার্যকারিতা কিন্তু জটিল), এবং ৩) প্রস্তাবিত ৫বি১০বি (তাদের মধ্যে অবস্থিত বক্ররেখা, সংযুক্ত কোডিংয়ের সম্পূর্ণ জটিলতা ছাড়াই আদর্শ ৮বি১০বি থেকে একটি ভাল বিইআর প্রদান করে)। ৫বি১০বি বক্ররেখার "হাঁটু" আদর্শ আরএলএল কোডের চেয়ে কম এসএনআরে ঘটবে, যা এর উন্নত দৃঢ়তা নির্দেশ করে।

5. বিশ্লেষকের দৃষ্টিভঙ্গি: মূল অন্তর্দৃষ্টি ও সমালোচনা

মূল অন্তর্দৃষ্টি: রেগুয়েরার ৫বি১০বি কোডটি একটি বিপ্লবী এফইসি অগ্রগতি নয়; এটি ভিএলসির নির্দিষ্ট, সীমাবদ্ধ পরিবেশের জন্য ফিজিক্যাল লেয়ার কোডিং ব্লকের একটি চতুর, ব্যবহারিক পুনরায় অপ্টিমাইজেশন। এটি স্বীকার করে যে অনেক আইওটি এবং ভোক্তা ভিএলসি অ্যাপ্লিকেশনে (ইনডোর পজিশনিংয়ের জন্য লি-ফাই, স্মার্ট লাইটিং কন্ট্রোল), চ্যানেলটি প্রায়শই মাঝারিভাবে অনুকূল কিন্তু সিস্টেমের খরচ এবং পাওয়ার বাজেট মারাত্মকভাবে সীমাবদ্ধ। প্রতিভা হল যথেষ্ট ত্রুটি সহনশীলতা অন্তর্ভুক্ত করার মধ্যে যাতে একটি পৃথক এফইসি স্তরের ওভারহেড এড়ানো যায়, কার্যকরভাবে পারেটো ফ্রন্টিয়ারকে কার্যকারিতা-জটিলতার দিকে নিয়ে যাওয়া।

যুক্তিগত প্রবাহ: যুক্তিটি শক্তিশালী: ১) ভিএলসির ডিসি-ভারসাম্য (ফ্লিকার) প্রয়োজন। ২) মানদণ্ডগুলি এর জন্য আরএলএল কোড ব্যবহার করে। ৩) এই কোডগুলির খারাপ বিইআর রয়েছে। ৪) এফইসি যোগ করলে রেট/জটিলতা ক্ষতিগ্রস্ত হয়। ৫) অতএব, একটি নতুন আরএলএল কোড নকশা করুন যা স্বভাবতই ভাল দূরত্ব বৈশিষ্ট্য ধারণ করে। যুক্তিটি সরাসরি প্রোটোকল স্ট্যাকের একটি পরিচিত ব্যথার বিন্দুকে সম্বোধন করে।

শক্তি ও ত্রুটি:
শক্তি: একটি একক-কোড সমাধানের মার্জিততা এর প্রধান শক্তি। এটি রিসিভার নকশা সরল করে, লেটেন্সি হ্রাস করে, এবং কম খরচের, উচ্চ-ভলিউম এমবেডেড সিস্টেমের সাথে পুরোপুরি সামঞ্জস্যপূর্ণ। এর পশ্চাৎ-সামঞ্জস্যপূর্ণ দর্শন (এনকোডার/ডিকোডার চেইনে একটি ব্লক প্রতিস্থাপন) গ্রহণে সহায়তা করে।
ত্রুটি: মৌলিক বিনিময় হল ০.৫ কোড রেট। উচ্চ বর্ণালী দক্ষতা অনুসরণের যুগে, এটি একটি উল্লেখযোগ্য ত্যাগ। এটি উচ্চ-ডেটা-রেট ভিএলসি অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত নাও হতে পারে। তদুপরি, এর ত্রুটি সংশোধন একটি ব্লকের মধ্যে এলোমেলো বিট ত্রুটিতে সীমাবদ্ধ; বার্স্ট ত্রুটি বা গুরুতর চ্যানেলগুলির জন্য এখনও একটি বহিরাগত কোডের প্রয়োজন হবে। একটি চিঠি হিসাবে, কাগজটি সম্ভবত ৫জি এবং ওয়াই-ফাইতে ব্যবহৃত এলডিপিসি বা পোলার কোডের মতো আধুনিক নিয়ার-ক্যাপাসিটি কোডের সাথে একটি সম্পূর্ণ জটিলতা/থ্রুপুট বিশ্লেষণের অভাব রয়েছে।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: সিস্টেম স্থপতিদের জন্য: খরচ-সংবেদনশীল, মাঝারি-এসএনআর ভিএলসি লিঙ্কগুলির জন্য এই কোডটি বিবেচনা করুন যেখানে সরলতা সর্বোচ্চ ডেটা রেটকে ছাড়িয়ে যায়। এটি সেন্সর নেটওয়ার্ক, আলোর মাধ্যমে শিল্প নিয়ন্ত্রণ, বা মৌলিক লি-ফাই ডেটা ব্যাকহলের জন্য আদর্শ। গবেষকদের জন্য: এই কাজটি সীমাবদ্ধ চ্যানেলের জন্য যৌথ উৎস-চ্যানেল-লাইন কোডিং এর অল্প অন্বেষিত বিশেষ ক্ষেত্রটিকে তুলে ধরে। পরবর্তী ধাপ হল এই ধরনের কোডের অভিযোজিত বা রেটলেস সংস্করণ অন্বেষণ করা, সম্ভবত CycleGAN এর স্টাইল-ট্রান্সফার নীতির দ্বারা অনুপ্রাণিত কৌশল ব্যবহার করে কিন্তু সংকেত নকশায় প্রয়োগ করা—একটি কোডের বৈশিষ্ট্যগুলিকে গতিশীল চ্যানেল অবস্থার সাথে মেলানোর জন্য রূপান্তর করা।

6. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক সূত্রায়ন

কার্যকারিতা আংশিকভাবে সর্বনিম্ন হ্যামিং দূরত্ব ($d_{min}$) এর মাধ্যমে বিশ্লেষণ করা যেতে পারে। একটি বাইনারি ব্লক কোডের জন্য, সনাক্তযোগ্য ত্রুটির সংখ্যা হল $d_{min} - 1$ এবং সংশোধনযোগ্য ত্রুটির সংখ্যা (বাউন্ডেড দূরত্ব ডিকোডিংয়ের অধীনে) হল $t = \lfloor (d_{min} - 1)/2 \rfloor$।

যদি ৫বি১০বি কোডটি একটি ধ্রুবক-ওজন কোড হিসাবে বা শক্তভাবে আবদ্ধ বৈষম্য সহ নকশা করা হয়, প্রতিটি ১০-বিট কোডওয়ার্ডে ঠিক পাঁচটি ১ এবং পাঁচটি ০ (ওজন=৫) থাকতে পারে। দুটি এমন কোডওয়ার্ডের মধ্যে হ্যামিং দূরত্ব জোড় এবং কমপক্ষে ২। একটি সু-নকশা করা কোডবুক $d_{min}$ এর মান ৪ বা ৬ অর্জন করতে পারে, যা যথাক্রমে প্রতি ১০-বিট ব্লকে ১ বা ২টি ত্রুটি সংশোধন সক্ষম করে।

অনকোডেড ট্রান্সমিশনের উপর অ্যাসিম্পটোটিক কোডিং গেইন (অর্থোগোনাল সিগন্যালিংয়ের জন্য) আনুমানিক হিসাবে $G = 10 \log_{10}(R \cdot d_{min})$ ডিবি। $R=0.5$ এবং $d_{min}=4$ এর জন্য, $G \approx 3 \text{ dB}$। এটি "উন্নত ত্রুটি সংশোধন" দাবিটিকে পরিমাপ করে।

7. বিশ্লেষণ কাঠামো ও ধারণাগত উদাহরণ

কেস স্টাডি: ইনডোর লি-ফাই পজিশনিং সিস্টেম

পরিস্থিতি: একটি এলইডি সিলিং লাইট ইনডোর নেভিগেশনের জন্য একটি স্মার্টফোন ক্যামেরায় তার অনন্য আইডি এবং অবস্থান ডেটা প্রেরণ করে।

চ্যালেঞ্জ: চ্যানেলটি মাঝারি পরিবেষ্টিত আলোর শব্দ এবং মাঝে মাঝে অক্লুশন দ্বারা ভোগে। ডিকোডিংয়ের জন্য স্মার্টফোনের সীমিত প্রসেসিং শক্তি রয়েছে।

আদর্শ পদ্ধতি (আইইইই ৮০২.১৫.৭): ৮বি১০বি কোডিং ব্যবহার করুন। নির্ভরযোগ্য অবস্থান নির্ধারণ অর্জনের জন্য, একটি বহিরাগত রিড-সলোমন (আরএস) কোড যোগ করা হতে পারে। এর জন্য ফোনটিকে দুটি ডিকোডিং স্তর (আরএলএল + আরএস) চালাতে হবে, যা পাওয়ার খরচ এবং লেটেন্সি বাড়ায়, যা রিয়েল-টাইম পজিশনিংয়ের জন্য গুরুত্বপূর্ণ।

প্রস্তাবিত ৫বি১০বি পদ্ধতি: ৮বি১০বি+আরএস চেইনকে শুধুমাত্র ৫বি১০বি ডিকোডার দিয়ে প্রতিস্থাপন করুন। ৫বি১০বি এর অন্তর্নিহিত ত্রুটি সংশোধন মাঝারি চ্যানেল শব্দ পরিচালনা করে। ফোনটি কম শক্তি দিয়ে দ্রুত ডিকোড করে। বিনিময় হল কাঁচা ডেটা রেটে ৩৭.৫% হ্রাস (০.৮ থেকে ০.৫)। যাইহোক, একটি সংক্ষিপ্ত, পুনরাবৃত্তিমূলক আইডি এবং স্থানাঙ্ক প্রেরণের জন্য, এই রেট পর্যাপ্ত। সিস্টেম সরলতা, খরচ এবং ব্যাটারি লাইফে লাভবান হয়।

কাঠামোর মূল বক্তব্য: এই উদাহরণটি একটি সরল সিদ্ধান্ত ম্যাট্রিক্স ব্যবহার করে: চ্যানেল অবস্থা বনাম সিস্টেম জটিলতা বাজেট বনাম ডেটা রেট প্রয়োজনীয়তা। ৫বি১০বি কোডটি "মাঝারি চ্যানেল, নিম্ন জটিলতা, নিম্ন-মাঝারি ডেটা রেট" চতুর্ভুজটিকে লক্ষ্য করে।

8. প্রয়োগের সম্ভাবনা ও ভবিষ্যৎ দিকনির্দেশনা

• অতি-নিম্ন-শক্তি আইওটি ভিএলসি: প্রাথমিক প্রয়োগের ক্ষেত্র। ব্যাটারি চালিত সেন্সরগুলির কথা ভাবুন যা একটি কেন্দ্রীয় হাবের সাথে মডুলেটেড আলোর মাধ্যমে যোগাযোগ করে, যেখানে ডিকোডিং শক্তি সর্বাধিক গুরুত্বপূর্ণ।
• আন্ডারওয়াটার ভিএলসি (ইউডব্লিউভিএলসি): আন্ডারওয়াটার চ্যানেলগুলিতে উচ্চ স্ক্যাটারিং এবং ক্ষয় থাকে। ৫বি১০বি এর মতো একটি দৃঢ়, সরল কোড স্বায়ত্তশাসিত আন্ডারওয়াটার যান (এইউভি) এবং ডকিং স্টেশনগুলির মধ্যে স্বল্প-পরিসর, নির্ভরযোগ্য কমান্ড-এন্ড-কন্ট্রোল লিঙ্কের জন্য মূল্যবান হতে পারে।
• ইন্টিগ্রেটেড সেন্সিং অ্যান্ড কমিউনিকেশন (আইএসএসি): ভিএলসি-ভিত্তিক আইএসএসিতে, যেখানে আলো একটি ঘর আলোকিত করতে এবং দখল অনুভব করতে উভয়ই ব্যবহৃত হয়, যোগাযোগ সংকেতকে অবশ্যই অসাধারণভাবে ফ্লিকার-মুক্ত এবং দৃঢ় হতে হবে। ৫বি১০বি এর শক্তিশালী ডিসি-নিয়ন্ত্রণ এবং ত্রুটি সহনশীলতা এটিকে এই ধরনের দ্বৈত-কার্যকারিতা সংকেতের যোগাযোগ উপাদানের জন্য একটি প্রার্থী করে তোলে।
• ভবিষ্যত গবেষণা:
  • অভিযোজিত কোড রেট: কোডগুলির একটি পরিবার (যেমন, ৫বি১০বি, ৬বি১০বি) বিকাশ করা যা চ্যানেল এসএনআর প্রতিক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে রেট অভিযোজিত করতে পারে।
  • মেশিন লার্নিং-সহায়ক নকশা: গ্রেডিয়েন্ট ডিসেন্ট বা রিইনফোর্সমেন্ট লার্নিং ব্যবহার করা (যেমন আলফাফোল্ড কীভাবে প্রোটিন কাঠামো ভবিষ্যদ্বাণী করে) সম্ভাব্য কোডবুকগুলির বিশাল স্থান অনুসন্ধান করার জন্য যা একটি বহু-উদ্দেশ্য ফাংশন (ডিসি-ভারসাম্য, $d_{min}$, রান-লেন্থ) অপ্টিমাইজ করে।
  • উন্নত মডুলেশনের সাথে একীকরণ: ভিএলসিতে ওএফডিএম (ডিসিও-ওএফডিএম, এসিও-ওএফডিএম) এর মতো উচ্চ-ক্রমের মডুলেশনের সাথে কোডের কার্যকারিতা অন্বেষণ করা, যেখানে এর বৈশিষ্ট্যগুলি পিক-টু-অ্যাভারেজ পাওয়ার রেশিও (পিএপিআর) সমস্যা প্রশমনে সাহায্য করতে পারে।

9. তথ্যসূত্র

1. Reguera, V. A. (Year). New RLL Code with Improved Error Performance for Visible Light Communication. IEEE Communications Letters.
2. 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.
3. Authors. (Year). Soft decoding of RS codes concatenated with an inner RLL code. Relevant Journal/Conference.
4. Authors. (Year). Joint FEC-RLL coding using convolutional and Miller codes. Relevant Journal/Conference.
5. Authors. (Year). Enhanced RLL decoding with soft output. Relevant Journal/Conference.
6. Authors. (Year). RLL encoder replacement via compensation symbols. Relevant Journal/Conference.
7. Authors. (Year). Unity-Rate Code (URC) for VLC capacity increase. Relevant Journal/Conference.
8. Authors. (Year). eMiller codes. Relevant Journal/Conference.
9. Authors. (Year). Polar codes with pre-determined frozen bits for VLC. Relevant Journal/Conference.
10. Zhu, J., et al. (2015). Flicker Mitigation in Visible Light Communications. In: Advanced Optical Wireless Communication Systems. Cambridge University Press. (ফ্লিকারের উপর বহিরাগত কর্তৃত্বপূর্ণ উৎসের উদাহরণ)।
11. Isola, P., et al. (2017). Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks. CVPR. (রূপান্তর কাজের জন্য ধারণাগত অনুপ্রেরণার জন্য CycleGAN রেফারেন্স)।
12. 3GPP Technical Specification 38.212. Multiplexing and channel coding. (পোলার কোডের মতো আধুনিক চ্যানেল কোডের জন্য রেফারেন্স)।