1. مقدمه

این مقاله به بررسی یک سیستم ارتباط نور مرئی با دسترسی چندگانه غیرمتعامد (NOMA) تقویت‌شده با گیرنده‌های تنوع زاویه‌ای (ADR) می‌پردازد. چالش اصلی مورد بررسی، محدودیت سیستم‌های مرسوم VLC در ارائه نرخ داده بالا به دلیل عواملی مانند تداخل بین نماد (ISI) و تداخل کانال مشترک (CCI) است. سیستم پیشنهادی، کارایی طیفی NOMA را با قابلیت‌های کاهش تداخل و دریافت سیگنال یک ADR چهارشاخه ترکیب می‌کند و هدف آن بیشینه‌سازی نرخ داده کاربران در یک محیط داخلی است.

2. مدل سیستم

سیستم در یک اتاق خالی به ابعاد ۸×۴×۳ متر مدل شده است. کانال نوری بازتاب‌های دیوارها و سقف را در بر می‌گیرد که به عنوان بازتابنده‌های لامبرت با ضریب بازتاب (ρ) برابر ۰.۸ مدل شده‌اند. از روش ردیابی پرتو برای شبیه‌سازی انتشار چندمسیره سیگنال‌های نوری استفاده شده است.

2.1 مدل‌سازی اتاق و کانال

پاسخ ضربه کانال داخلی با در نظر گرفتن هر دو مؤلفه دید مستقیم (LOS) و پخش‌شده (بازتابی) محاسبه می‌شود. سطوح بازتابنده به المان‌های کوچکی با مساحت dA تقسیم شده‌اند. بهره DC کانال برای یک گیرنده با مساحت آشکارساز $A_{pd}$ و بهره $T_s(\psi)$ به صورت زیر داده می‌شود:

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

که در آن $m$ مرتبه لامبرت، $d$ فاصله، $\phi$ زاویه تابش، $\psi$ زاویه برخورد و $\Psi_c$ میدان دید (FOV) گیرنده است.

2.2 طراحی گیرنده تنوع زاویه‌ای (ADR)

گیرنده ADR از چهار آشکارساز نوری با FOV باریک تشکیل شده است که هر کدام در جهت متفاوتی (مثلاً به سمت گوشه‌های اتاق یا نقاط دسترسی خاص) قرار گرفته‌اند. این طراحی به گیرنده اجازه می‌دهد شاخه‌ای با بالاترین نسبت سیگنال به نویز (SNR) را انتخاب کند یا سیگنال‌ها را ترکیب نماید و به طور مؤثری تأثیر نور محیطی، پاشندگی چندمسیره و تداخل کانال مشترک را کاهش دهد.

2.3 اصل NOMA و تخصیص توان

NOMA با روی‌هم‌گذاری سیگنال‌های چندین کاربر در حوزه توان در فرستنده عمل می‌کند. در گیرنده، از حذف تداخل متوالی (SIC) برای رمزگشایی سیگنال‌ها استفاده می‌شود. توان به صورت معکوس با بهره کانال تخصیص می‌یابد: کاربران با شرایط کانال بهتر (سیگنال قوی‌تر) توان کمتری دریافت می‌کنند، در حالی که کاربران با شرایط ضعیف‌تر توان بیشتری دریافت می‌کنند تا انصاف برقرار شود. نرخ قابل دستیابی برای کاربر $i$ برابر است با:

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

که در آن $B$ پهنای باند، $P_i$ توان تخصیص‌یافته به کاربر $i$، $h_i$ بهره کانال و $\sigma^2$ واریانس نویز است.

3. نتایج شبیه‌سازی و بحث

عملکرد سیستم NOMA-VLC با ADR در مقایسه با یک سیستم پایه که از یک گیرنده با میدان دید گسترده (wide-FOV) استفاده می‌کند، ارزیابی شده است.

3.1 مقایسه عملکرد: ADR در مقابل میدان دید گسترده

یافته کلیدی این است که سیستم مبتنی بر ADR بهبودی معادل ۳۵٪ در نرخ داده متوسط نسبت به سیستم گیرنده با میدان دید گسترده به دست می‌آورد. این سود به دلیل توانایی ADR در دریافت انتخابی سیگنال‌های قوی‌تر و کمتر مخدوش و حذف مؤلفه‌های تداخلی از فرستنده‌های دیگر یا بازتاب‌ها است.

3.2 تحلیل و بهینه‌سازی نرخ داده

شبیه‌سازی‌ها شامل بهینه‌سازی تخصیص منابع (توان) بین کاربران بر اساس شرایط لحظه‌ای کانال آن‌ها است که از انتخاب شاخه‌های ADR استخراج می‌شود. این بهینه‌سازی با پیروی از رویکرد قبلی نویسندگان [۳۶]، هدف بیشینه‌سازی مجموع نرخ داده را در حالی که انصاف کاربری حفظ می‌شود، دنبال می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که ترکیب انتخاب تطبیقی شاخه و تخصیص توان NOMA، کارایی طیفی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

معیار کلیدی عملکرد

سود ۳۵٪ در نرخ داده متوسط که توسط سیستم NOMA-VLC مبتنی بر ADR در مقایسه با سیستم پایه گیرنده با میدان دید گسترده به دست آمده است.

4. نتیجه‌گیری

مقاله نتیجه می‌گیرد که ادغام گیرنده‌های تنوع زاویه‌ای با NOMA در سیستم‌های VLC، یک راهبرد بسیار مؤثر برای غلبه بر محدودیت‌های کلیدی مانند تداخل و پهنای باند محدود است. گیرنده ADR چهارشاخه با بهبود کیفیت سیگنال و امکان تخصیص توان چندکاربره کارآمدتر از طریق NOMA، سود قابل توجهی در نرخ داده فراهم می‌کند. این کار، پتانسیل طراحی گیرنده پیشرفته ترکیب‌شده با مالتی‌پلکسینگ غیرمتعامد را برای شبکه‌های نوری بی‌سیم نسل آینده تأیید می‌کند.

5. بینش تحلیلی کلیدی

بینش کلیدی: این مقاله صرفاً در مورد یک بهبود حاشیه‌ای نیست؛ بلکه یک چرخش راهبردی است. این مقاله به درستی شناسایی می‌کند که گلوگاه برای VLC با تراکم و ظرفیت بالا، فقط فرستنده نیست (جایی که تمرکز بیشتر تحقیقات است، مثلاً روی µLEDها یا دیودهای لیزر)، بلکه به طور حیاتی، توانایی گیرنده در تشخیص سیگنال‌ها در یک محیط پرنویز و چندمسیره است. سود ۳۵٪ حاصل از یک ADR چهارشاخه نسبتاً ساده، گواهی قدرتمندی بر این بعد اغلب نادیده گرفته‌شده است.

جریان منطقی: استدلال محکم است: ۱) VLC از تداخل (CCI/ISI) رنج می‌برد، ۲) ADRها با فیلتر کردن فضایی تداخل را کاهش می‌دهند، ۳) سیگنال‌های تمیزتر امکان مالتی‌پلکسینگ تهاجمی‌تر (NOMA) را فراهم می‌کنند، ۴) مالتی‌پلکسینگ حوزه توان NOMA کارایی طیفی را افزایش می‌دهد. شبیه‌سازی در یک مدل اتاق استاندارد (مشابه مدل‌های مورد استفاده گروه وظیفه IEEE 802.15.7r1) اعتبارسنجی معتبری ارائه می‌دهد.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت در ترکیب عملی دو مفهوم بالغ (دریافت تنوع و NOMA) برای یک سود کمی‌شده و واضح نهفته است. روش‌شناسی قوی است. با این حال، ضعف در سادگی مدل ADR است. ADRهای دنیای واقعی با چالش‌هایی مانند همبستگی شاخه‌ها، پیچیدگی سخت‌افزاری افزایش‌یافته و نیاز به الگوریتم‌های انتخاب شاخه سریع و کم‌مصرف مواجه هستند - مسائلی که تنها به آنها اشاره شده است. در مقایسه با تحقیقات پیشرفته در مورد اپتیک تطبیقی یا VLC مبتنی بر MIMO با استفاده از گیرنده‌های تصویربرداری (همانطور که در کارهای آزمایشگاه رسانه MIT یا مرکز تحقیقات بی‌سیم برکلی دیده می‌شود)، این رویکرد بلافاصله قابل استقرارتر است اما ممکن است سقف ظرفیت نهایی پایین‌تری داشته باشد.

بینش‌های عملی: برای متخصصان صنعت، این مقاله چراغ سبزی برای سرمایه‌گذاری در نوآوری سمت گیرنده است. مدیران محصول برای سیستم‌های Li-Fi یا VLC صنعتی باید ادغام گیرنده‌های چندعنصری را در اولویت قرار دهند. برای پژوهشگران، گام‌های بعدی واضح است: ۱) بررسی یادگیری ماشین برای انتخاب شاخه ADR و جفت‌سازی کاربران NOMA بهینه و پویا. ۲) کاوش در ادغام با مالتی‌پلکسینگ تقسیم طول موج (WDM) برای سودهای ضربی. ۳) انجام آزمایش‌های دنیای واقعی با کاربران متحرک برای اعتبارسنجی عملکرد پویا. نادیده گرفتن تنوع گیرنده در استانداردهای آینده VLC یک غفلت قابل توجه خواهد بود.

6. جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

مشارکت فنی اصلی، بهینه‌سازی مشترک انتخاب شاخه ADR و تخصیص توان NOMA است. سیگنال دریافتی در شاخه $k$-ام ADR برای کاربر $i$ برابر است با:

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

که در آن $h_{i,k}$ بهره کانال از فرستنده به شاخه $k$-ام برای کاربر $i$، $P_u$ توان تخصیص‌یافته به سیگنال $x_u$ کاربر $u$ و $n_{i,k}$ نویز گوسی سفید افزودنی است. گیرنده شاخه $k^*$ را برای هر کاربر یا مرحله رمزگشایی انتخاب می‌کند که SNR مؤثر را بیشینه کند. فرآیند SIC در کاربری با بهره کانال $|h_i|^2$، سیگنال‌ها را به ترتیب افزایش بهره کانال رمزگشایی می‌کند. ضرایب تخصیص توان $\alpha_i$ (که در آن $\sum \alpha_i = 1$ و $\alpha_i < \alpha_j$ اگر $|h_i|^2 > |h_j|^2$) به منظور بیشینه‌سازی مجموع نرخ $\sum R_i$ تحت قید توان کل $P_T$ بهینه می‌شوند.

7. نتایج تجربی و توصیف نمودار

اگرچه مقاله مبتنی بر شبیه‌سازی است، نتایج توصیف‌شده را می‌توان از طریق نمودارهای کلیدی زیر تصویرسازی کرد:

  • نمودار ۱: مجموع نرخ در مقابل توان ارسال: این نمودار دو منحنی را نشان می‌دهد، یکی برای سیستم ADR-NOMA و دیگری برای سیستم پایه Wide-FOV-NOMA. هر دو منحنی با افزایش توان افزایش می‌یابند، اما منحنی ADR شیب تندتر و فلات بالاتری را نشان می‌دهد که به وضوح سود متوسط ۳۵٪ را در محدوده توان نشان می‌دهد.
  • نمودار ۲: توزیع نرخ کاربران: یک نمودار میله‌ای یا CDF که نرخ داده‌های دست‌یافته توسط کاربران منفرد در اتاق را نشان می‌دهد. سیستم ADR توزیع فشرده‌تر و بالاتری را نشان می‌دهد که نشان‌دهنده خدمات بهبودیافته و یکنواخت‌تر برای کاربران در مکان‌های مختلف (به ویژه نزدیک دیوارها یا گوشه‌ها که گیرنده‌های میدان دید گسترده از چندمسیری رنج می‌برند) است.
  • نمودار ۳: فرکانس انتخاب شاخه: یک نقشه حرارتی روی کف اتاق که نشان می‌دهد هر یک از چهار شاخه ADR با چه فرکانسی به عنوان شاخه "بهترین" انتخاب شده است. این امر ماهیت تطبیقی ADR را به صورت بصری نشان می‌دهد، به طوری که شاخه‌های مختلف در مناطق مختلف اتاق بهینه هستند.

8. چارچوب تحلیل: یک مطالعه موردی

سناریو: طراحی یک شبکه VLC برای یک دفتر کار باز با ۲۰ ایستگاه کاری.

کاربرد چارچوب:

  1. تجزیه مسئله: تحلیل بودجه لینک را به موارد زیر جدا کنید: (الف) توان فرستنده و مدولاسیون، (ب) تلفات مسیر کانال و پاسخ ضربه (با استفاده از ردیابی پرتو)، (ج) حساسیت گیرنده و میدان دید.
  2. کمی‌سازی سود ADR: برای هر مکان ایستگاه کاری، قدرت سیگنال دریافتی و گسترش تأخیر را با استفاده از یک گیرنده میدان دید گسترده و گیرنده ADR چهارشاخه شبیه‌سازی کنید. بهبود بالقوه SNR و کاهش ISI ارائه‌شده توسط توانایی ADR در حذف بازتاب‌های دیررس را محاسبه کنید.
  3. گروه‌بندی کاربران NOMA: کاربران را بر اساس اختلاف بهره کانال آن‌ها، که اکنون به دلیل تخمین‌های کانال تمیزتر ADR پررنگ‌تر و قابل اعتمادتر است، در جفت‌ها/گروه‌های NOMA خوشه‌بندی کنید.
  4. شبیه‌سازی در سطح سیستم: یک شبیه‌سازی مونت‌کارلو با تغییر فعالیت کاربر و تقاضای داده اجرا کنید. توان عملیاتی کل شبکه و نرخ کاربر صدک پنجم (یک معیار انصاف) را برای سیستم ADR-NOMA در مقابل یک سیستم سنتی OFDMA-VLC با گیرنده‌های میدان دید گسترده مقایسه کنید.
این چارچوب به طراح شبکه اجازه می‌دهد تا به صورت سیستماتیک هزینه-فایده استقرار سخت‌افزار پیچیده‌تر ADR را در برابر سود ظرفیت وعده‌داده‌شده ارزیابی کند.

9. کاربردهای آینده و جهت‌های پژوهشی

  • بک‌هال/داون‌لینک Li-Fi در ۶G: ADR-NOMA VLC یک نامزد اصلی برای داون‌لینک با تراکم بالا در شبکه‌های آینده ۶G است که RF را در استادیوم‌ها، فرودگاه‌ها و کارخانه‌ها تکمیل می‌کند. مقاومت آن در برابر تداخل RF یک مزیت کلیدی است.
  • اینترنت اشیاء صنعتی فوق‌قابل اعتماد: در انبارهای خودکار یا خطوط تولید، که تأخیر کم و قابلیت اطمینان حیاتی است، ADRها می‌توانند لینک‌های مستحکمی برای ارتباط ماشین به ماشین فراهم کنند و NOMA از اتصال انبوه سنسورها پشتیبانی می‌کند.
  • ارتباطات نوری زیر آب: محیط پراکنده زیر آب مشابه یک سناریوی چندمسیره شدید است. ADRها می‌توانند به طور قابل توجهی برد و قابلیت اطمینان ارتباطات لیزر آبی/سبز را برای وسایل نقلیه زیر آب خودکار بهبود بخشند.
  • جهت‌های پژوهشی:
    • ADRهای هوشمند: استفاده از سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) یا هدایت پرتو مبتنی بر کریستال مایع برای تنظیم زاویه پیوسته و ریزدانه به جای شاخه‌های ثابت.
    • بهینه‌سازی لایه‌ای متقاطع: بهینه‌سازی مشترک انتخاب ADR در لایه فیزیکی با زمان‌بندی لایه کنترل دسترسی به رسانه (MAC) و خوشه‌بندی کاربران NOMA.
    • سیستم‌های ترکیبی RF/VLC: بررسی چگونگی ادغام یکپارچه ADR-NOMA VLC با RF موج میلی‌متری یا زیر ۶ گیگاهرتز در یک شبکه ناهمگن، همراه با تخلیه هوشمند ترافیک.

10. مراجع

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (مرجع معتبر در مدل‌سازی کانال VLC)
  2. L. Yin, et al., "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (مقاله بنیادی در مورد NOMA-VLC)
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (مرور پایه‌ای)
  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. (پوشش تکنیک‌های تنوع)
  5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (استاندارد مرتبط)
  6. M. O. I. Musa, et al., "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (کار قبلی نویسندگان، مرجع [۳۶])
  7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (پیشرو صنعت در تجاری‌سازی VLC)
  8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (مطالعه پیاده‌سازی خاص ADR)