ارتباط دوطرفه نور مرئی (VLC) همواره به دلیل فقدان یک راهحل عملی و پربازده برای ارتباط صعودی با محدودیت مواجه بوده است. ارتباطات نزولی سنتی از LEDها برای پخش پرسرعت داده استفاده میکنند، اما کانالهای صعودی با موانع قابل توجهی روبرو هستند: بازتابندههای واپسین نرخ پایینی ارائه میدهند، راهحلهای مبتنی بر RF (وایفای/بلوتوث) در مناطق حساس (بیمارستانها، هواپیماها) ممنوع هستند، و ارتباطات صعودی VLC مادون قرمز یا تمام-نوری از جهتگیری بالا، تداخل با ارتباط نزولی، یا محدودیت در سناریوهای کاربردی که در آنها نیازی به روشنایی صعودی نیست، رنج میبرند. این مقاله با پیشنهاد یک روش ارتباط صعودی مبتنی بر امواج فراصوت غیرقابل شنیدن، بهرهگیری از مدولاسیون کلیدزنی جابجایی فرکانس (FSK) و شکلدهی پرتو دیجیتال از طریق یک آرایه میکروفون برای ایجاد یک کانال ارتباطی جهتدار و نامتقارن که با ارتباط نزولی نوری تداخل ندارد، به پر کردن این شکاف حیاتی میپردازد.
نوآوری اصلی در جداسازی ارتباط صعودی از طیف نوری نهفته است. به جای نور، از امواج صوتی در محدوده نزدیک به فراصوت/غیرقابل شنیدن (مثلاً بالای 15 کیلوهرتز) به عنوان حامل استفاده میکند.
دستگاه کاربر با استفاده از کلیدزنی جابجایی فرکانس (FSK)، دادهها را بر روی یک حامل صوتی غیرقابل شنیدن مدوله کرده و ارسال میکند. برای اعتبارسنجی نمونه اولیه، از چهار فرکانس قابل شنیدن (0.5، 1.5، 2.5، 3.5 کیلوهرتز) برای شبیهسازی یک طرح 4-FSK، که نمادهای دیجیتال را نشان میدهد، استفاده شد. این انتخاب از حاشیه فرکانسی خارج از محدوده شنوایی معمول انسان (20 هرتز تا 20 کیلوهرتز) برای انتقال داده بهره میبرد.
یک آرایه خطی متشکل از 10 میکروفون همهجهته (با فاصله 0.05 متر از یکدیگر) سیگنال صوتی ترکیبی را دریافت میکند. سپس یک الگوریتم شکلدهی پرتو دیجیتال (به طور خاص، شکلدهنده پرتو فراست) اعمال میشود. این الگوریتم سیگنالهای هر میکروفون را پردازش میکند تا یک پرتو دریافت جهتدار تشکیل دهد و به طور مؤثر سیگنال صعودی مطلوب را از نویز محیطی یا منابع صوتی تداخلی که از جهات مختلف میآیند (مانند 10-، 30-، 20 درجه که شبیهسازی شدهاند) جدا کند.
راهاندازی تجربی شامل یک آرایه میکروفون خطی بود که یک سیگنال ترکیبی حاوی سیگنال داده مطلوب و دو سیگنال تداخلی را دریافت میکرد. سیستم توانایی فیلتر کردن فضایی انتقال صعودی هدف را نشان داد.
شکل 3 در مقاله، شکلموجهای حیاتی را ارائه میدهد: (الف) سیگنالهای داده ارسالی و تداخلی، و (ب) سیگنال دریافتی ترکیبی، سیگنالهای میکروفونهای مجزا، و سیگنال داده با موفقیت بازیابی شده پس از شکلدهی پرتو. نتایج به صورت بصری تأیید میکنند که الگوریتم شکلدهی پرتو به طور مؤثر تداخل را خنثی کرده و شکل موج داده تمیز را استخراج کرده است که مفهوم اصلی فیلتر کردن فضایی آکوستیک برای بازیابی ارتباط صعودی را اعتبار میبخشد.
شکلدهنده پرتو فراست یک شکلدهنده پرتو تطبیقی با قید است. این الگوریتم توان خروجی را (برای سرکوب تداخل و نویز) به حداقل میرساند، مشروط به یک قید خطی که یک بهره واحد در جهت نگاه (جهت ورود سیگنال مطلوب) را تضمین میکند. بردار وزن $\mathbf{w}$ برای حل مسئله زیر تطبیق داده میشود: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{subject to} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ که در آن $\mathbf{R}_{xx}$ ماتریس کوواریانس سیگنالهای ورودی، $\mathbf{C}$ ماتریس قیود، و $\mathbf{g}$ بردار پاسخ مطلوب است. این امر امکان فیلتر کردن فضایی مؤثر را فراهم میکند.
در 4-FSK، 2 بیت داده توسط یکی از چهار فرکانس حامل متمایز $f_1, f_2, f_3, f_4$ نشان داده میشود. سیگنال ارسالی به صورت زیر است: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{for symbol } i$$ دمودولاسیون معمولاً شامل یک بانک فیلتر یا همبستگیساز تنظیمشده بر روی هر فرکانس، و به دنبال آن یک مدار تصمیمگیری برای انتخاب فرکانسی با بیشترین انرژی در یک دوره نماد است.
کاربرد چارچوب: ارزیابی راهحلهای ارتباط صعودی VLC
برای ارزیابی این فناوری و فناوریهای رقیب، میتوانیم از یک چارچوب تصمیمگیری چندمعیاره استفاده کنیم:
مطالعه موردی: سناریوی بخش مراقبتهای ویژه بیمارستان
در بخش مراقبتهای ویژه که RF برای جلوگیری از تداخل با تجهیزات پزشکی ممنوع است، و ارتباط نزولی VLC روشنایی و داده پرسرعت را برای مانیتورهای بیمار فراهم میکند، ارتباط صعودی فراصوت پیشنهادی به تبلتهای پرستاران اجازه میدهد تا بهروزرسانیهای وضعیت کمپهنای باند یا سیگنالهای کنترلی را بدون انتشار RF و بدون تأثیر بر نور نزولی حیاتی، به شبکه بازگردانند. شکلدهی پرتو به جداسازی سیگنالهای کنار تختهای مختلف کمک میکند و حریم خصوصی را افزایش و گفتگوی متقاطع را کاهش میدهد - مزیتی آشکار نسبت به RF یا مادون قرمز همهجهته که ممکن است نیاز به نشانهگیری دقیق داشته باشند.
بینش اصلی: ارزش بنیادی این مقاله در یک استراتژی هوشمندانه جداسازی طیفی و فضایی است. این مقاله تشخیص میدهد که مشکل ارتباط صعودی VLC فقط یافتن یک رسانه بیسیم دیگر نیست، بلکه یافتن رسانهای است که برای مورد استفاده نامتقارن، مکمل، غیرتداخلی و مقرونبهصرفه باشد. استفاده از حوزه آکوستیک، به ویژه باند نزدیک به فراصوت کماستفاده، یک حرکت تفکر جانبی است که محدودیتهای پیشینیان خود را دور میزند.
جریان منطقی: استدلال محکم است: 1) RF در بسیاری از محیطهای هدف VLC حذف شده است. 2) ارتباط صعودی نوری (مادون قرمز/VLC) به دلیل تداخل، جهتگیری و روشنایی غیرضروری مشکلساز است. 3) صدا همهجا حاضر، ارزان است و میتوان آن را غیرقابل شنیدن کرد. 4) چالش اصلی صدا، طبیعت همهجهته و نویز آن است. 5) راهحل: اعمال تکنیکهای پردازش آرایه RF (شکلدهی پرتو) که به خوبی تثبیت شدهاند، به حوزه آکوستیک برای بازیابی جهتگیری و مصونیت در برابر نویز. نمایش تجربی با شکلدهنده پرتو فراست این زنجیره منطقی را اعتبار میبخشد.
نقاط قوت و ضعف:
نقاط قوت: زیبایی استفاده از سختافزارهای معمول (میکروفونها، بلندگوها) یک مزیت عمده برای هزینه و استقرار است. دریافت جهتدار از طریق شکلدهی پرتو یک ویژگی حیاتی است که آن را از پیوندهای آکوستیک ساده متمایز میکند و پتانسیل پشتیبانی چندکاربره و حذف تداخل را ارائه میدهد. سازگاری ذاتی آن با محیطهای حساس به RF یک ویژگی کلیدی برای بازارهای خاص مانند هوافضا و بهداشت و درمان است.
نقاط ضعف و سؤالات باز: فیل در اتاق نرخ داده است. نمونه اولیه از حاملهای محدوده کیلوهرتز استفاده میکند که اساساً پهنای باند بالقوه را در مقایسه با حاملهای RF گیگاهرتزی یا نوری تراهرتزی محدود میکند. مقاله در مورد نرخ بیت به دست آمده سکوت کرده است که احتمالاً پایین است (محدوده کیلوبیت بر ثانیه). تضعیف فراصوت در هوا و اثرات چندمسیره در فضاهای بسته میتواند به شدت برد و قابلیت اطمینان را محدود کند. دقت شکلدهی پرتو با یک آرایه خطی کوچک در یک اتاق پژواکدار، امری پیش پا افتاده نیست. نیاز به یک آرایه میکروفون در گیرنده، پیچیدگی زیرساخت را در مقایسه با یک فوتودیود منفرد افزایش میدهد.
بینشهای عملی: برای پژوهشگران، این کار یک زمینه ترکیبی امیدوارکننده را باز میکند: پسپراکندگی آکوستیک برای VLC. به جای انتقال فعال فراصوت، آیا دستگاههای کاربر میتوانند به سادگی صداهای محیطی یا سیگنال نور نزولی را به صورت آکوستیکی مدوله کنند؟ برای مدیران محصول در بخشهای اینترنت اشیاء صنعتی یا ساختمانهای هوشمند، این فناوری یک نامزد برای جایگزینی ارتباطات صعودی وایفای برای تماسهای ویدیویی نیست. با این حال، برای ارتباطات صعودی کمنرخ و متناوب فرمان و کنترل در محیطهای خصمانه نسبت به RF مناسب است. پروژههای پایلوت را در محیطهایی مانند تأسیسات دولتی امن، اتاقهای تمیز تولید یا روی کشتیها که مقررات، نه عملکرد، محرک اصلی است، در اولویت قرار دهید. گام بعدی فوری برای نویسندگان باید یک توصیف دقیق از نرخ خطای بیت (BER) قابل دستیابی در مقابل فاصله و نرخ داده باشد، و مقایسه آن با محدودیتهای اساسی کانال آکوستیک، مشابه تحلیلهای انجام شده برای شبکههای ارتباطی پسپراکندگی.