مروری بر سیستم‌های ارتباطی نور مرئی – اصول پایه، چالش‌ها و کاربردها

1. مقدمه

ارتباطات نور مرئی (VLC) نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم در حوزه ارتباطات بی‌سیم است که از دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) برای عملکرد دوگانه روشنایی و انتقال داده استفاده می‌کند. این فناوری با بهره‌گیری از پهنای باند 200 تراهرتز تنظیم‌نشده در محدوده طول موج 155-700 نانومتر، گلوگاه حیاتی اتصال "آخرین متر" را حل می‌کند. برخلاف سیستم‌های سنتی فرکانس رادیویی (RF)، VLC دارای مزیت امنیتی ذاتی است زیرا سیگنال‌های نوری نمی‌توانند از دیوارها عبور کنند و آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای محیط‌های داخلی که نیاز به جداسازی سیگنال دارند تبدیل می‌کند.

پیشرفت سریع فناوری ساخت LED، VLC را از یک مفهوم نظری به یک کاربرد عملی تبدیل کرده است. LEDهای مدرن کارایی بالا، دوام و طول عمر طولانی را در خود جای داده‌اند و قابلیت مدولاسیون آنها بیش از 100 مگاهرتز است که نرخ‌های داده قابل مقایسه با سیستم‌های Wi-Fi سنتی را ممکن می‌سازد. این مقاله اصول اساسی، اجزای سیستم و چالش‌های مدل‌سازی کانال را که تحقیق و توسعه فعلی VLC را تعریف می‌کنند، بررسی می‌کند.

2. اصول پایه‌ای سیستم VLC

معماری سیستم VLC شامل سه مؤلفه اصلی است: فرستنده نوری، کانال انتشار و گیرنده نوری. هر مؤلفه چالش‌های طراحی منحصربه‌فرد و فرصت‌های بهینه‌سازی خاص خود را به همراه می‌آورد.

3. مدل‌سازی کانال داخلی

مدلسازی دقیق کانال برای پیشبینی عملکرد سیستم VLC در محیطهای داخلی واقعی حیاتی است. کانال بیسیم نوری داخلی ویژگیهای منحصربهفردی را نشان میدهد که آن را از کانالهای بیسیم RF و کانالهای فیبر نوری متمایز میکند.

4. تحلیل فنی و چارچوب ریاضی

کانال VLC را می‌توان با استفاده از الگوی تابش لامبرتین LED مدل کرد. توان نوری دریافتی $P_r$ از یک فرستنده LED تکی توسط رابطه زیر ارائه می‌شود:

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

که در آن:

• $P_t$: توان نوری منتشرشده
• $m$: مرتبه لامبرت ($m = -\ln2 / \ln(\cos\Phi_{1/2})$)
• $\Phi_{1/2}$: زاویه نیمتوان LED
• $A$: مساحت فیزیکی آشکارساز
• $d$: فاصله بین فرستنده و گیرنده
• $\phi$: زاویه تابش
• ψ: زاویه برخورد
• $T_s(\psi)$: بهره فیلتر نوری
• $g(\psi)$: بهره‌ی متمرکزکننده
• $\Psi_c$: زاویه‌ی دید (FOV)

بهره‌ی DC کانال برای انتشار خط دید $H(0)$ به صورت زیر است:

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

5. نتایج آزمایش و شاخص‌های عملکرد

پیاده‌سازی‌های آزمایشی اخیر، قابلیت‌های عملی VLC را نشان داده‌اند:

شکل 1: رابطه عملکرد BER با SNR - نتایج آزمایش نشان می‌دهد که یک سیستم VLC با استفاده از مدولاسیون OOK می‌تواند به BER معادل $10^{-3}$ در حدود SNR 15 دسی‌بل دست یابد و پس از اعمال تصحیح خطای رو به جلو، در SNR 20 دسی‌بل به $10^{-6}$ بهبود یابد.

شکل ۲: رابطه ظرفیت کانال با پهنای باند - تحلیل نظری نشان میدهد که با استفاده از فرمت‌های مدولاسیون پیشرفته‌ای مانند OFDM و در ترکیب با بارگذاری بیت تطبیقی، کانال VLC می‌تواند در پهنای باند 20 مگاهرتز از نرخ‌هایی تا 10 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی کند.

6. چارچوب تحلیلی: مطالعه موردی

صحنه: طراحی سیستم VLC برای یک اتاق کنفرانس به ابعاد 10 متر × 10 متر × 3 متر که چهار آرایه LED در سقف آن نصب شده است.

چارچوب تحلیلی:

1. مشخصه‌سازی کانال: محاسبه پاسخ ضربه با استفاده از روش بازگشتی، با در نظر گرفتن حداکثر بازتاب‌های مرتبه سوم
2. تحلیل بودجه لینک: تعیین حداقل توان فرستنده مورد نیاز برای دستیابی به BER هدف $10^{-6}$
3. مدیریت تداخل: پیاده‌سازی دسترسی چندگانه تقسیم زمانی (TDMA) برای چند کاربر
4. تأیید عملکرد: شبیه‌سازی با استفاده از روش مونت‌کارلو، انتقال $10^6$ بیت

پارامترهای کلیدی:

• زاویه نیم‌توان LED: 60°
• زاویه دید گیرنده: 60°
• ضریب بازتاب دیوار: 0.8
• نرخ داده هدف: 100 Mbps به ازای هر کاربر
• بیشینه گسترش تاخیر: 8.2 ns (مقدار محاسبه‌شده)

نتیجه: 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. کاربردهای آینده و جهت‌های توسعه

فناوری VLC پتانسیل آن را دارد که از کاربردهای خاص فراتر رفته و گسترش چشمگیری یابد:

7.1 یکپارچه‌سازی 5G/6G

همانطور که توسط کار استانداردسازی IEEE 802.15.7r1 مشخص شده است، VLC به‌عنوان یک فناوری مکمل برای RF در شبکه‌های ناهمگن عمل خواهد کرد. مفهوم Li-Fi (وفاداری نوری) که توسط پروفسور Harald Haas از دانشگاه ادینبورگ معرفی شد، نشان می‌دهد که چگونه VLC می‌تواند ترافیک باندهای شلوغ RF را در محیط‌های شهری متراکم منحرف کند.

7.2 سیستم‌های حمل و نقل هوشمند

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 ارتباطات زیرآبی

LEDهای آبی/سبز می‌توانند در محیط‌های زیرآبی که سیگنال‌های RF به سرعت تضعیف می‌شوند، ارتباط را ممکن سازند. تحقیقات سازمان علم و فناوری ناتو (STO) نشان می‌دهد که در شرایط آب زلال، VLC می‌تواند فاصله ارتباطی بیش از ۱۰۰ متر را محقق کند.

7.4 مراقبت‌های پزشکی و سلامت

ویژگی عدم تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، VLC را به گزینه‌ای ایده‌آل برای بیمارستان‌ها و مراکز درمانی تبدیل می‌کند. تحقیقات بیمارستان عمومی ماساچوست، نظارت بر بیمار به صورت زنده مبتنی بر VLC را نشان می‌دهد که با تجهیزات پزشکی حساس تداخلی ندارد.

7.5 حوزه‌های کلیدی پژوهش:

• تخمین و همسان‌سازی کانال مبتنی بر یادگیری ماشین
• سیستم‌های ترکیبی RF/VLC با قابلیت تعویض یکپارچه
• گیرنده‌ی کوانتومی با حساسیت حدی
• گیرنده با قابلیت جمع‌آوری انرژی یکپارچه
• استانداردسازی در حوزه‌های کاربردی متقابل

8. مراجع

1. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi?. Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
2. استاندارد IEEE برای شبکه‌های محلی و کلان‌شهری–قسمت 15.7: ارتباط نوری بی‌سیم برد کوتاه با استفاده از نور مرئی. 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. تحلیل اصیل: دیدگاه صنعت