দৃশ্যমান আলো যোগাযোগ ব্যবস্থার একটি সংক্ষিপ্ত বিবরণ - মৌলিক নীতি, চ্যালেঞ্জ এবং প্রয়োগ

১. ভূমিকা

দৃশ্যমান আলো যোগাযোগ (VLC) ওয়্যারলেস যোগাযোগ ক্ষেত্রে একটি প্যারাডাইম শিফট উপস্থাপন করে, যা আলোক-নির্গত ডায়োড (LED) ব্যবহার করে আলোকসজ্জা এবং ডেটা ট্রান্সমিশনের দ্বৈত কার্যকারিতা অর্জন করে। এই প্রযুক্তিটি 155-700nm তরঙ্গদৈর্ঘ্য পরিসরে অনিয়ন্ত্রিত 200 THz ব্যান্ডউইথ কাজে লাগিয়ে "শেষ মিটার" সংযোগের গুরুত্বপূর্ণ বাধা দূর করে। প্রচলিত রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি (RF) সিস্টেমের বিপরীতে, VLC-এর সহজাত নিরাপত্তা সুবিধা রয়েছে, কারণ আলোর সংকেত দেয়াল ভেদ করতে পারে না, যা এটিকে সংকেত বিচ্ছিন্নতা প্রয়োজন এমন অভ্যন্তরীণ পরিবেশের জন্য আদর্শ পছন্দ করে তোলে।

LED উৎপাদন প্রযুক্তির দ্রুত উন্নতি VLC-কে তাত্ত্বিক ধারণা থেকে ব্যবহারিক প্রয়োগে রূপান্তরিত করেছে। আধুনিক LED উচ্চ দক্ষতা, স্থায়িত্ব এবং দীর্ঘ আয়ুকে একত্রিত করে, যার মড্যুলেশন ক্ষমতা 100 MHz-এর বেশি, যা প্রচলিত Wi-Fi সিস্টেমের সাথে তুলনীয় ডেটা রেট সক্ষম করে। এই নিবন্ধটি বর্তমান VLC গবেষণা ও উন্নয়নকে সংজ্ঞায়িতকারী মৌলিক নীতি, সিস্টেম উপাদান এবং চ্যানেল মডেলিং চ্যালেঞ্জগুলি অন্বেষণ করে।

২. VLC সিস্টেমের মৌলিক নীতি

VLC সিস্টেম আর্কিটেকচারে তিনটি প্রধান উপাদান রয়েছে: অপটিক্যাল ট্রান্সমিটার, প্রোপাগেশন চ্যানেল এবং অপটিক্যাল রিসিভার। প্রতিটি উপাদান অনন্য ডিজাইন চ্যালেঞ্জ এবং অপ্টিমাইজেশনের সুযোগ নিয়ে আসে।

3. ইনডোর চ্যানেল মডেলিং

সঠিক চ্যানেল মডেলিং বাস্তব অভ্যন্তরীণ পরিবেশে VLC সিস্টেমের কর্মক্ষমতা পূর্বাভাস দেওয়ার জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। অভ্যন্তরীণ অপটিক্যাল ওয়্যারলেস চ্যানেল অনন্য বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে, যা এটিকে RF ওয়্যারলেস চ্যানেল এবং অপটিক্যাল ফাইবার চ্যানেল থেকে পৃথক করে।

4. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ এবং গাণিতিক কাঠামো

VLC চ্যানেল LED-এর ল্যাম্বার্টিয়ান বিকিরণ প্যাটার্ন ব্যবহার করে মডেল করা যেতে পারে। একটি একক LED ট্রান্সমিটার থেকে প্রাপ্ত আলোক শক্তি $P_r$ নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা দেওয়া হয়:

$P_r = P_t \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$ যেখানে $0 \leq \psi \leq \Psi_c$

যেখানে:

• $P_t$: প্রেরিত আলোক শক্তি
• $m$: ল্যাম্বার্টিয়ান অর্ডার ($m = -\ln2 / \ln(\cos\Phi_{1/2})$)
• $\Phi_{1/2}$: LED অর্ধ-শক্তি কোণ
• $A$: ডিটেক্টরের ভৌতিক ক্ষেত্রফল
• $d$: ট্রান্সমিটার এবং রিসিভারের মধ্যকার দূরত্ব
• $\phi$: বিকিরণ কোণ
• $\psi$: আপতন কোণ
• $T_s(\psi)$: অপটিক্যাল ফিল্টার লাভ
• $g(\psi)$: কনসেন্ট্রেটর লাভ
• $\Psi_c$: ফিল্ড অফ ভিউ (FOV)

লাইন-অফ-সাইট প্রপাগেশনের জন্য চ্যানেলের ডিসি লাভ $H(0)$ হল:

$H(0) = \begin{cases} \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi), & 0 \leq \psi \leq \Psi_c \\ 0, & \psi > \Psi_c \end{cases}$

5. পরীক্ষামূলক ফলাফল এবং কর্মক্ষমতা সূচক

সাম্প্রতিক পরীক্ষামূলক বাস্তবায়ন VLC-এর ব্যবহারিক ক্ষমতা প্রদর্শন করেছে:

চিত্র ১: BER বনাম SNR কর্মক্ষমতা সম্পর্ক - পরীক্ষার ফলাফল দেখায় যে, OOK মড্যুলেশন ব্যবহার করে VLC সিস্টেম প্রায় 15 dB SNR-এ $10^{-3}$ BER অর্জন করতে পারে, এবং ফরওয়ার্ড এরর সংশোধন প্রয়োগের পর, 20 dB SNR-এ এটি $10^{-6}$ পর্যন্ত উন্নত হতে পারে।

চিত্র ২: চ্যানেল ক্যাপাসিটি এবং ব্যান্ডউইথের সম্পর্ক - তাত্ত্বিক বিশ্লেষণ নির্দেশ করে যে, OFDM-এর মতো উন্নত মড্যুলেশন ফরম্যাট ব্যবহার এবং অ্যাডাপটিভ বিট লোডিং-এর সমন্বয়ের মাধ্যমে, VLC চ্যানেল 20 MHz ব্যান্ডউইথের মধ্যে 10 Gbps পর্যন্ত গতি সমর্থন করতে পারে।

6. বিশ্লেষণ কাঠামো: কেস স্টাডি

দৃশ্য: একটি 10m × 10m × 3m মিটিং রুমের জন্য VLC সিস্টেম ডিজাইন করুন, যার সিলিংয়ে চারটি LED অ্যারে ইনস্টল করা আছে।

বিশ্লেষণ কাঠামো:

1. চ্যানেল চিহ্নিতকরণ: পুনরাবৃত্তিমূলক পদ্ধতি ব্যবহার করে ইম্পালস রেসপন্স গণনা করুন, সর্বাধিক ৩য় অর্ডার প্রতিফলন বিবেচনা করুন
2. লিংক বাজেট বিশ্লেষণ: লক্ষ্য BER $10^{-6}$ অর্জনের জন্য প্রয়োজনীয় সর্বনিম্ন ট্রান্সমিট পাওয়ার নির্ধারণ
3. হস্তক্ষেপ ব্যবস্থাপনা: একাধিক ব্যবহারকারীর জন্য টাইম ডিভিশন মাল্টিপল অ্যাক্সেস (TDMA) বাস্তবায়ন
4. কর্মক্ষমতা যাচাইকরণ: মন্টে কার্লো পদ্ধতি ব্যবহার করে অনুকরণ, $10^6$ বিট প্রেরণ

মূল পরামিতি:

• LED অর্ধ-শক্তি কোণ: 60°
• রিসিভার দৃষ্টিক্ষেত্র কোণ: 60°
• প্রাচীর প্রতিফলন অনুপাত: 0.8
• লক্ষ্য ডেটা রেট: প্রতি ব্যবহারকারী 100 Mbps
• সর্বোচ্চ বিলম্ব বিস্তার: 8.2 ns (গণনাকৃত মান)

ফলাফল: 分析确认了可行性，2W总光功率可在所有接收机位置实现SNR > 25 dB，支持8个用户同时以100 Mbps速率通信。

7. ভবিষ্যতের প্রয়োগ এবং উন্নয়নের দিকনির্দেশ

VLC প্রযুক্তি সীমিত প্রয়োগের গণ্ডি পেরিয়ে উল্লেখযোগ্য সম্প্রসারণের সম্ভাবনা রাখে:

7.1 5G/6G ইন্টিগ্রেশন

IEEE 802.15.7r1 স্ট্যান্ডার্ডাইজেশন কাজ দ্বারা নির্ধারিত হিসাবে, VLC একটি হেটেরোজেনাস নেটওয়ার্কে RF-এর পরিপূরক প্রযুক্তি হিসেবে কাজ করবে। ইউনিভার্সিটি অফ এডিনবার্গের অধ্যাপক হারাল্ড হাস দ্বারা প্রবর্তিত Li-Fi (লাইট ফাইডেলিটি) ধারণাটি প্রদর্শন করে যে VLC কীভাবে ঘন শহুরে পরিবেশে ভিড়যুক্ত RF ব্যান্ডউইথের ট্রাফিক অফলোড করতে পারে।

7.2 ইন্টেলিজেন্ট ট্রান্সপোর্টেশন সিস্টেম

使用车灯和交通信号灯进行车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信是前景广阔的应用。卡内基梅隆大学的研究表明，VLC可为自动驾驶汽车实现精确的定位（精度 < 10 cm）。

7.3 আন্ডারওয়াটার কমিউনিকেশন

নীল/সবুজ LED, RF সিগন্যাল দ্রুত ক্ষয়প্রাপ্ত হয় এমন পানির নিচের পরিবেশে যোগাযোগ সম্ভব করে তোলে। NATO STO-র গবেষণা নির্দেশ করে যে, স্বচ্ছ পানির অবস্থায় VLC 100 মিটারের বেশি যোগাযোগ দূরত্ব অর্জন করতে পারে।

7.4 চিকিৎসা ও স্বাস্থ্য

তড়িৎচুম্বকীয় হস্তক্ষেপ (EMI) মুক্ত বৈশিষ্ট্য VLC কে হাসপাতাল ও চিকিৎসা সুবিধার জন্য আদর্শ পছন্দ করে তোলে। Massachusetts General Hospital-এর গবেষণা VLC-ভিত্তিক রিয়েল-টাইম রোগী পর্যবেক্ষণ প্রদর্শন করেছে, যা সংবেদনশীল চিকিৎসা যন্ত্রপাতিতে হস্তক্ষেপ করে না।

7.5 গুরুত্বপূর্ণ গবেষণা দিকনির্দেশ:

• মেশিন লার্নিং-ভিত্তিক চ্যানেল অনুমান ও সমীকরণ
• নিরবচ্ছিন্ন সুইচিং-সহ হাইব্রিড RF/VLC সিস্টেম
• কোয়ান্টাম লিমিট রিসিভার যা চূড়ান্ত সংবেদনশীলতা অর্জন করে
• শক্তি সংগ্রহ কার্যকারিতা সংহত রিসিভার
• ক্রস-অ্যাপ্লিকেশন ক্ষেত্রের মানকীকরণ

8. তথ্যসূত্র

1. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi?. Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
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. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
4. Komine, T., & Nakagawa, M. (2004). Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50(1), 100-107.
5. O'Brien, D. C., Zeng, L., Le-Minh, H., Faulkner, G., Walewski, J. W., & Randel, S. (2008). Visible light communications: Challenges and possibilities. 2008 IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications.
6. Pathak, P. H., Feng, X., Hu, P., & Mohapatra, P. (2015). Visible light communication, networking, and sensing: A survey, potential and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 17(4), 2047-2077.
7. Wang, Y., Wang, Y., Chi, N., Yu, J., & Shang, H. (2013). Demonstration of 575-Mb/s downlink and 225-Mb/s uplink bi-directional SCM-WDM visible light communication using RGB LED and phosphor-based LED. Optics Express, 21(1), 1203-1208.
8. Zeng, L., O'Brien, D. C., Le-Minh, H., Lee, K., Jung, D., & Oh, Y. (2009). Improvement of date rate by using equalization in an indoor visible light communication system. 2009 IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications.

9. মূল বিশ্লেষণ: শিল্প দৃষ্টিকোণ