মাল্টিপাথ প্রতিফলন কাজে লাগিয়ে আপলিংক ভিএলসি ইনডোর পজিশনিং সিস্টেম

সূচিপত্র

1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ

এই গবেষণাপত্রটি দৃশ্যমান আলোক যোগাযোগ (ভিএলসি) সিস্টেমের মধ্যে ইনডোর পজিশনিং-এর জন্য একটি যুগান্তকারী পদ্ধতি উপস্থাপন করে। ঐতিহ্যগত পদ্ধতিগুলোকে অতিক্রম করে যেগুলো মাল্টিপাথ সংকেতকে শব্দ হিসেবে বিবেচনা করে, এই গবেষণা একটি আপলিংক পজিশনিং সিস্টেম প্রস্তাব করে যা সক্রিয়ভাবে চ্যানেল ইম্পালস রেসপন্স (সিআইআর) থেকে বিচ্ছুরিত প্রতিফলনগুলো কাজে লাগায়। মূল উদ্ভাবনটি শুধুমাত্র সরাসরি দৃশ্যমান (এলওএস) উপাদান ব্যবহার না করে, দ্বিতীয় পাওয়ার পিক (এসপিপি)—সবচেয়ে উল্লেখযোগ্য বিচ্ছুরিত উপাদান—এবং এলওএস ও এসপিপি-এর মধ্যকার সময় বিলম্বকেও নেটওয়ার্কের পক্ষ থেকে ব্যবহারকারীর অবস্থান অনুমান করতে ব্যবহার করে। এই পদ্ধতিটি ভিএলসি পজিশনিং সাহিত্যে প্রচলিত ধারণাকে চ্যালেঞ্জ করে এবং ন্যূনতম অবকাঠামো দিয়ে উচ্চ নির্ভুলতা অর্জনের পথ দেখায়, যার মৌলিক রূপে শুধুমাত্র একটি ফটোডিটেক্টর (পিডি) প্রয়োজন।

2. মূল পদ্ধতি ও সিস্টেম মডেল

প্রস্তাবিত সিস্টেমটি সাধারণ ডাউনলিংক পজিশনিং প্যারাডাইমকে উল্টে দেয়। কোনো ব্যবহারকারী ডিভাইসের স্থির এলইডি থেকে তার অবস্থান গণনা করার পরিবর্তে, নেটওয়ার্ক ব্যবহারকারীর অবস্থান অনুমান করে সিলিংয়ে স্থির আপলিংক রিসিভার (ফটোডিটেক্টর) গুলোতে ব্যবহারকারীর মোবাইল ডিভাইস (যেমন, একটি আইআর ট্রান্সমিটার) থেকে প্রেরিত সংকেত ব্যবহার করে।

2.1. সিস্টেম আর্কিটেকচার

সেটআপটিতে সিলিংয়ে স্থাপিত এক বা একাধিক স্থির রেফারেন্স ফটোডিটেক্টর (পিডি) জড়িত। একজন ব্যবহারকারী একটি ইনফ্রারেড (আইআর) ট্রান্সমিটার বহন করে। পিডিগুলো আপলিংক সংকেত গ্রহণ করে, যার মধ্যে সরাসরি এলওএস পথ এবং দেয়াল ও বস্তু থেকে অসংখ্য প্রতিফলন অন্তর্ভুক্ত থাকে।

2.2. চ্যানেল ইম্পালস রেসপন্সের সদ্ব্যবহার

অ্যালগরিদমের বুদ্ধিমত্তা এর সংকেত প্রক্রিয়াকরণে নিহিত। এটি প্রাপ্ত চ্যানেল ইম্পালস রেসপন্স $h(t)$ বিশ্লেষণ করে:

• এলওএস উপাদান ($P_{LOS}$): প্রথম এবং সবচেয়ে শক্তিশালী পিক, যা সরাসরি পথের সাথে সম্পর্কিত।
• দ্বিতীয় পাওয়ার পিক (এসপিপি) ($P_{SPP}$): পরবর্তী সবচেয়ে উল্লেখযোগ্য পিক, যা বিচ্ছুরিত উপাদানগুলো থেকে শনাক্ত করা হয়। এটি সাধারণত একটি প্রভাবশালী প্রথম-ক্রম প্রতিফলনের সাথে সম্পর্কিত।
• সময় বিলম্ব ($\Delta \tau$): এলওএস এবং এসপিপি উপাদানগুলোর আগমনের মধ্যকার সময়ের পার্থক্য $\Delta \tau = \tau_{SPP} - \tau_{LOS}$।

এই তিনটি প্যারামিটার ($P_{LOS}$, $P_{SPP}$, $\Delta \tau$) একটি অনন্য স্বাক্ষর গঠন করে যা পিডি এবং কক্ষের জ্যামিতির সাপেক্ষে ব্যবহারকারীর সম্ভাব্য অবস্থানকে সীমাবদ্ধ করে।

3. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক সূত্রায়ন

অবস্থান অনুমান জ্যামিতিক সম্পর্কগুলো কাজে লাগায়। এলওএস পথের মাধ্যমে ব্যবহারকারী থেকে পিডি-এর দূরত্ব হল $d_{LOS} = c \cdot \tau_{LOS}$, যেখানে $c$ হল আলোর গতি। এসপিপি একটি প্রতিফলিত পথের সাথে সম্পর্কিত। কক্ষটিকে মডেলিং করে এবং ধরে নিয়ে যে এসপিপি একটি প্রধান দেয়াল থেকে প্রথম-ক্রম প্রতিফলন, মোট পথের দৈর্ঘ্য $d_{SPP}$ কে ইমেজ মেথডের মাধ্যমে ব্যবহারকারীর স্থানাঙ্ক $(x_u, y_u, z_u)$ এবং পিডি-এর স্থানাঙ্ক $(x_{PD}, y_{PD}, z_{PD})$ এর সাথে সম্পর্কিত করা যেতে পারে।

একটি প্রদত্ত পথের জন্য প্রাপ্ত অপটিক্যাল পাওয়ার মডেল করা হয়: $$P_r = P_t \cdot H(0)$$ যেখানে $H(0)$ হল চ্যানেল ডিসি গেইন। একটি ল্যাম্বার্টিয়ান ট্রান্সমিটার সহ একটি এলওএস লিঙ্কের জন্য, এটি দেওয়া হয়: $$H_{LOS}(0) = \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) \cos(\psi) \text{rect}\left(\frac{\psi}{\Psi_c}\right)$$ যেখানে $m$ হল ল্যাম্বার্টিয়ান অর্ডার, $A$ হল পিডি এরিয়া, $d$ হল দূরত্ব, $\phi$ এবং $\psi$ হল বিকিরণ এবং আপতন কোণ, এবং $\Psi_c$ হল রিসিভারের দৃষ্টিক্ষেত্র। প্রতিফলিত (এসপিপি) পথের জন্য একটি অনুরূপ, আরও জটিল সূত্রায়ন প্রযোজ্য, যাতে পৃষ্ঠের প্রতিফলন ক্ষমতা এবং অতিরিক্ত পথের দৈর্ঘ্য জড়িত।

অ্যালগরিদম মূলত ব্যবহারকারীর অবস্থানের জন্য এই সম্পর্কগুলো থেকে উদ্ভূত একগুচ্ছ ননলিনিয়ার সমীকরণ সমাধান করে।

4. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও কার্যকারিতা

কার্যকারিতা সিমুলেশনের মাধ্যমে যাচাই করা হয়েছিল। মূল মেট্রিক হল রুট মিন স্কোয়ার (আরএমএস) পজিশনিং ত্রুটি।

• একক পিডি দৃশ্যকল্প: শুধুমাত্র একটি আপলিংক রিসিভার ব্যবহার করে, সিস্টেমটি ২৫ সেমি আরএমএস নির্ভুলতা অর্জন করে। এটি মাল্টিপাথ ব্যবহার কৌশলের মৌলিক সক্ষমতা প্রদর্শন করে।
• চারটি পিডি দৃশ্যকল্প: আরও রেফারেন্স পয়েন্ট (চারটি পিডি) যোগ করে, নির্ভুলতা নাটকীয়ভাবে উন্নত হয়ে ৫ সেমি হয়। এটি উচ্চ-নির্ভুলতা প্রয়োগের জন্য সিস্টেমের স্কেলযোগ্যতা এবং সম্ভাবনা দেখায়।

এই ফলাফলগুলো অনেক আরএফ-ভিত্তিক ইনডোর পজিশনিং সিস্টেমের (যেমন ওয়াই-ফাই বা ব্লুটুথ আরএসএসআই ফিঙ্গারপ্রিন্টিং) সাথে প্রতিযোগিতামূলক এবং প্রায়শই সেগুলোকে অতিক্রম করে এবং ট্রাইল্যাটারেশনের জন্য একাধিক ট্রান্সমিটার (এলইডি) প্রয়োজন এমন অন্যান্য ভিএলসি পদ্ধতিগুলোকেও চ্যালেঞ্জ করে।

চার্ট বর্ণনা (অন্তর্নিহিত): একটি বার চার্ট সম্ভবত আরএমএস ত্রুটি (ওয়াই-অক্ষ) দেখাবে যা ফটোডিটেক্টরের সংখ্যা (এক্স-অক্ষ) ১ থেকে ৪-এ বৃদ্ধি পাওয়ার সাথে সাথে তীব্রভাবে হ্রাস পায়। একটি দ্বিতীয় লাইন গ্রাফ সিআইআর প্লট করতে পারে, স্পষ্টভাবে এলওএস পিক এবং এসপিপি চিহ্নিত করে, তাদের মধ্যে $\Delta \tau$ চিহ্নিত করে।

5. বিশ্লেষণ কাঠামো ও উদাহরণ কেস

ভিএলসি পজিশনিং কৌশল মূল্যায়নের কাঠামো:

1. অবকাঠামোর চাহিদা: একটি মৌলিক ফিক্সের জন্য প্রয়োজনীয় স্থির নোডের (এলইডি/পিডি) সংখ্যা।
2. ব্যবহৃত সংকেত বৈশিষ্ট্য: আরএসএস, টিওএ, এওএ, বা সিআইআর-ভিত্তিক (এই গবেষণাপত্রের মতো)।
3. মাল্টিপাথ হ্যান্ডলিং: শব্দ হিসেবে বিবেচনা করে (প্রচলিত) বা বৈশিষ্ট্য হিসেবে কাজে লাগায় (অভিনব)।
4. গণনার অবস্থান: ব্যবহারকারী-পক্ষ (ডিভাইস জটিলতা যোগ করে) বনাম নেটওয়ার্ক-পক্ষ (নেটওয়ার্ক বুদ্ধিমত্তা সক্ষম করে)।
5. নির্ভুলতা বনাম জটিলতা ট্রেড-অফ: সিস্টেমের খরচ এবং প্রক্রিয়াকরণ ওভারহেডের সাপেক্ষে অর্জনযোগ্য আরএমএস ত্রুটি।

উদাহরণ কেস - গুদাম সম্পদ ট্র্যাকিং: একটি বড় গুদাম বিবেচনা করুন যেখানে রোবট এবং কর্মীরা আইআর ব্যাজ বহন করে। এই আপলিংক পদ্ধতি ব্যবহার করে প্রতি বেতে চারটি সিলিং পিডি ইনস্টল করা কেন্দ্রীয় সিস্টেমকে ~৫ সেমি নির্ভুলতার সাথে সমস্ত সত্তা ট্র্যাক করতে দেয়। এটি ডাউনলিংক ভিএলসি (যার জন্য প্রতিটি আলোর ফিক্সচারকে মডিউলেটেড এলইডি হতে হবে) বা ইউডব্লিউবি (প্রতি অ্যাঙ্করের উচ্চতর খরচ) এর চেয়ে শ্রেষ্ঠ। নেটওয়ার্ক-পক্ষ প্রক্রিয়াকরণ স্বয়ংক্রিয় নির্দেশিত যান (এজিভি) গুলোর জন্য রিয়েল-টাইম জোন-ভিত্তিক সম্পদ বরাদ্দ সক্ষম করে।

6. সমালোচনামূলক বিশ্লেষণ ও বিশেষজ্ঞ মতামত

মূল অন্তর্দৃষ্টি: এই গবেষণাপত্রের সবচেয়ে মৌলিক প্রস্তাবনা হল মাল্টিপাথকে কৌশলগতভাবে পজিশনিং-এর শত্রু থেকে বন্ধুতে রূপান্তরিত করা। যদিও কম্পিউটার ভিশন ক্ষেত্রে নিউরাল রেডিয়েন্স ফিল্ডস (নেফ)-এর সাফল্যের সাথে একটি অনুরূপ প্যারাডাইম শিফট হয়েছিল—জটিল আলোর প্রতিফলনকে পুনর্গঠনযোগ্য সম্পদে পরিণত করা—ভিএলসি-তে লোকালাইজেশনের জন্য নির্ধারক চ্যানেল মডেলিং-এ এটি প্রয়োগ করা সত্যিই অভিনব। এটি একটি সিস্টেমের সবচেয়ে বড় সীমাবদ্ধতা (সীমিত ব্যান্ডউইথ, মাল্টিপাথ বিচ্ছুরণ) কে তার প্রাথমিক সুবিধায় পরিণত করার একটি ক্লাসিক উদাহরণ।

যুক্তিপূর্ণ প্রবাহ: যুক্তিটি মার্জিত: ১) আপলিংক আইআর সংকেত মাল্টিপাথে সমৃদ্ধ। ২) সিআইআর-এর গঠন জ্যামিতি এবং উপকরণের একটি নির্ধারক ফাংশন। ৩) এসপিপি একটি স্থিতিশীল, শনাক্তযোগ্য বৈশিষ্ট্য। ৪) অতএব, একটি রিসিভার ৩ডি পজিশনিং-এর জন্য পর্যাপ্ত জ্যামিতিক সীমাবদ্ধতা আহরণ করতে পারে। যুক্তিটি ধরে রাখে, কিন্তু সিমুলেশনের বাইরে এর দৃঢ়তা হল গুরুত্বপূর্ণ প্রশ্ন।

শক্তি ও ত্রুটি:

• শক্তি: ন্যূনতম অবকাঠামো (একক-পিডি অপারেশন), নেটওয়ার্ক-পক্ষ বুদ্ধিমত্তা, পদার্থবিজ্ঞানের মার্জিত ব্যবহার, এবং সেন্টিমিটার-স্কেল সম্ভাবনা। এটি এজ কম্পিউটিং এবং নেটওয়ার্ক সফটওয়্যারাইজেশনের প্রবণতার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ।
• গুরুত্বপূর্ণ ত্রুটি: কক্ষে উপস্থিত হাতি হল পরিবেশগত গতিশীলতা। পদ্ধতিটি একটি জানা, স্থির কক্ষ মডেল ধরে নেয় যাতে এসপিপিকে একটি নির্দিষ্ট প্রতিফলকের সাথে যুক্ত করা যায়। আসবাবপত্র সরানো, দরজা খোলা, বা এমনকি লোকজন হাঁটলে প্রতিফলন পথ পরিবর্তন হতে পারে এবং মডেলটিকে অকার্যকর করে দিতে পারে, যার ফলে বিপর্যয়কর ব্যর্থতা ঘটতে পারে যদি না সিস্টেমের অবিচ্ছিন্ন, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি ম্যাপিং ক্ষমতা থাকে—যা একটি তুচ্ছ নয় এমন প্রয়োজনীয়তা। এটি আরও স্থিতিস্থাপক, যদিও কম নির্ভুল, আরএসএস ফিঙ্গারপ্রিন্টিং পদ্ধতির তুলনায় এর আচিলিস হিল।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: গবেষকদের জন্য: মূল ধারণাটি আশাব্যঞ্জক কিন্তু সংকরিত হতে হবে। ভবিষ্যতের কাজে একটি এসএলএএম (সিমালটেনিয়াস লোকালাইজেশন অ্যান্ড ম্যাপিং) স্তর একীভূত করা উচিত, ভিজুয়াল-ইনার্শিয়াল ওডোমেট্রি সিস্টেমের অনুরূপ, প্রতিফলন ম্যাপকে গতিশীলভাবে আপডেট করার জন্য। শিল্প অনুশীলনকারীদের জন্য: এই প্রযুক্তিটি এখনও প্লাগ-অ্যান্ড-প্লে নয়। পাইলট স্থাপনা শুরু করা উচিত নিয়ন্ত্রিত, আধা-স্থির পরিবেশে যেমন ক্লিন রুম, উৎপাদন লাইন, বা স্থির স্টোরেজ এলাকা। ৪-পিডি, ৫-সেমি ফলাফল হল স্বল্পমেয়াদী প্রয়োগের জন্য কার্যকর লক্ষ্য, একক-পিডি মোড নয়।

7. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও গবেষণার দিকনির্দেশ

প্রয়োগ:

• শিল্প আইওটি ও লজিস্টিক্স: কারখানা এবং গুদামে সরঞ্জাম, সম্পদ এবং রোবটের উচ্চ-নির্ভুলতা ট্র্যাকিং।
• স্মার্ট বিল্ডিং: ব্যক্তিগত ডিভাইসের গোপনীয়তা লঙ্ঘন না করে জলবায়ু নিয়ন্ত্রণ, নিরাপত্তা এবং স্থান ব্যবহার বিশ্লেষণের জন্য নেটওয়ার্ক-পক্ষ ব্যক্তি লোকালাইজেশন।
• অগমেন্টেড রিয়েলিটি (এআর): ভিএলসি ডেটা ট্রান্সমিশনের সাথে একীভূত হলে যাদুঘর, বিমানবন্দর বা শপিং মলে ইনডোর এআর নেভিগেশনের জন্য কম-বিলম্ব, উচ্চ-নির্ভুলতা অবস্থান ডেটা প্রদান।
• রোবোটিক্স: এমন পরিবেশে রোবট লোকালাইজেশনের জন্য একটি পরিপূরক সেন্সর হিসেবে যেখানে জিপিএস এবং লিডার অপর্যাপ্ত বা খুব ব্যয়বহুল হতে পারে।

গবেষণার দিকনির্দেশ:

1. গতিশীল পরিবেশ অভিযোজন: এমন অ্যালগরিদম তৈরি করা যা রিয়েল-টাইমে প্রতিফলিত পরিবেশের পরিবর্তন শনাক্ত করতে এবং তার সাথে খাপ খাইয়ে নিতে পারে, সম্ভবত প্রতিফলন বৈশিষ্ট্যগুলো শ্রেণীবদ্ধ করতে এবং ট্র্যাক করতে মেশিন লার্নিং ব্যবহার করে।
2. সংকর সিস্টেম: এই সিআইআর-ভিত্তিক পদ্ধতিকে অন্যান্য সেন্সর ডেটার (ইনার্শিয়াল মেজারমেন্ট ইউনিট, অন্যান্য ব্যান্ড থেকে আরএসএস) সাথে মিশ্রিত করে দৃঢ়তার জন্য।
3. মানকীকরণ ও চ্যানেল মডেলিং: বিভিন্ন উপকরণ এবং জ্যামিতির জন্য বিচ্ছুরিত প্রতিফলন সঠিকভাবে চিহ্নিত করে এমন আরও পরিশীলিত এবং মানকীকৃত ভিএলসি চ্যানেল মডেল তৈরি করা।
4. হার্ডওয়্যার উন্নয়ন: সঠিক সিআইআর তথ্য ক্যাপচার করার জন্য অপ্টিমাইজড কম খরচের, উচ্চ-ব্যান্ডউইথ ফটোডিটেক্টর এবং আইআর ট্রান্সমিটার ডিজাইন করা।

8. তথ্যসূত্র

1. H. Hosseinianfar, M. Noshad, M. Brandt-Pearce, "Positioning for Visible Light Communication System Exploiting Multipath Reflections," in relevant conference or 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. T.-H. Do and M. Yoo, "Potentialities and Challenges of VLC Based Indoor Positioning," International Conference on Computing, Management and Telecommunications, 2014.
4. S. H. Yang, E. M. Jeong, D. R. Kim, H. S. Kim, and Y. H. Son, "Indoor Three-Dimensional Location Estimation Based on LED Visible Light Communication," Electronics Letters, vol. 49, no. 1, 2013.
5. S. Hann, J.-H. Choi, and S. Park, "A Novel Visible Light Communication System for Enhanced Indoor Positioning," IEEE Sensors Journal, vol. 18, no. 1, 2018.
6. Mildenhall, B., et al. "NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis." ECCV. 2020. (External reference for paradigm shift in using complex light data).
7. 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.