1. Introduction

Cet article étudie un système de Communication par Lumière Visible (VLC) à Accès Multiple Non Orthogonal (NOMA) amélioré par des Récepteurs à Diversité Angulaire (ADR). Le principal défi abordé est la limitation des systèmes VLC conventionnels à fournir des débits élevés en raison de facteurs tels que l'Interférence Inter-Symbole (ISI) et l'Interférence de Canal Coexistant (CCI). Le système proposé combine l'efficacité spectrale du NOMA avec les capacités d'atténuation des interférences et de capture du signal d'un ADR à 4 branches, visant à maximiser les débits utilisateur dans un environnement intérieur.

2. Modèle du système

Le système est modélisé dans une pièce vide de 8m × 4m × 3m. Le canal optique intègre les réflexions sur les murs et les plafonds, modélisés comme des réflecteurs lambertiens avec un coefficient de réflectivité (ρ) de 0,8. Le lancer de rayons est utilisé pour simuler la propagation multipath des signaux lumineux.

2.1 Modélisation de la pièce et du canal

La réponse impulsionnelle du canal intérieur est calculée en considérant à la fois les composantes en ligne de vue (LOS) et diffuses (réfléchies). Les surfaces réfléchissantes sont divisées en petits éléments d'aire dA. Le gain continu du canal pour un récepteur avec une surface de détecteur $A_{pd}$ et un gain $T_s(\psi)$ est donné par :

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

où $m$ est l'ordre lambertien, $d$ est la distance, $\phi$ est l'angle d'irradiance, $\psi$ est l'angle d'incidence, et $\Psi_c$ est le champ de vision (FOV) du récepteur.

2.2 Conception du Récepteur à Diversité Angulaire (ADR)

L'ADR est constitué de quatre photodétecteurs à champ de vision étroit, chacun orienté dans une direction différente (par exemple, vers les coins de la pièce ou des points d'accès spécifiques). Cette conception permet au récepteur de sélectionner la branche avec le meilleur rapport signal sur bruit (SNR) ou de combiner les signaux, réduisant ainsi efficacement l'impact de la lumière ambiante, de la dispersion multipath et des interférences de canal coexistant.

2.3 Principe NOMA et Allocation de Puissance

Le NOMA fonctionne en superposant les signaux de plusieurs utilisateurs dans le domaine de la puissance au niveau de l'émetteur. Au niveau du récepteur, l'Annulation Successive d'Interférence (SIC) est utilisée pour décoder les signaux. La puissance est allouée inversement au gain du canal : les utilisateurs avec de meilleures conditions de canal (signaux plus forts) reçoivent moins de puissance, tandis que les utilisateurs avec des conditions plus défavorables reçoivent plus de puissance pour assurer l'équité. Le débit atteignable pour l'utilisateur $i$ est :

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

où $B$ est la bande passante, $P_i$ est la puissance allouée à l'utilisateur $i$, $h_i$ est le gain du canal, et $\sigma^2$ est la variance du bruit.

3. Résultats de simulation & Discussion

La performance du système NOMA-VLC avec ADR est comparée à un système de référence utilisant un seul récepteur à grand champ de vision.

3.1 Comparaison de performance : ADR vs. Grand Champ de Vision

Le résultat clé est que le système basé sur ADR atteint une amélioration du débit de données moyen de 35% par rapport au système avec récepteur à grand champ de vision. Ce gain est attribué à la capacité de l'ADR à capturer sélectivement des signaux plus forts et moins déformés et à rejeter les composantes interférentes provenant d'autres émetteurs ou de réflexions.

3.2 Analyse et Optimisation du Débit de Données

Les simulations impliquent l'optimisation de l'allocation des ressources (puissance) entre les utilisateurs en fonction de leurs conditions de canal instantanées, dérivées des sélections de branches de l'ADR. L'optimisation vise à maximiser le débit de données total tout en maintenant l'équité entre utilisateurs, suivant l'approche antérieure des auteurs [36]. Les résultats démontrent que la combinaison de la sélection adaptative de branche et de l'allocation de puissance NOMA améliore significativement l'efficacité spectrale.

Métrique de Performance Clé

Gain de Débit de Données Moyen de 35% obtenu par le système NOMA-VLC basé sur ADR par rapport à une référence avec récepteur à grand champ de vision.

4. Conclusion

L'article conclut que l'intégration de Récepteurs à Diversité Angulaire avec le NOMA dans les systèmes VLC est une stratégie très efficace pour surmonter les limitations clés comme les interférences et la bande passante limitée. L'ADR à 4 branches procure des gains substantiels en débit de données en améliorant la qualité du signal et en permettant une allocation de puissance multi-utilisateur plus efficace via le NOMA. Ce travail valide le potentiel d'une conception de récepteur avancée combinée à un multiplexage non orthogonal pour les réseaux optiques sans fil de nouvelle génération.

5. Insight central de l'analyste

Insight central : Cet article ne traite pas seulement d'une amélioration marginale ; il s'agit d'un pivot stratégique. Il identifie correctement que le goulot d'étranglement pour un VLC dense et à haute capacité n'est pas seulement l'émetteur (où se concentre la plupart des recherches, par exemple sur les µLED ou les diodes laser) mais, de manière critique, la capacité du récepteur à discriminer les signaux dans un environnement bruyant et multipath. Le gain de 35% obtenu avec un ADR à 4 branches relativement simple témoigne puissamment de cette dimension souvent négligée.

Enchaînement logique : L'argumentation est solide : 1) Le VLC souffre d'interférences (CCI/ISI), 2) Les ADR atténuent les interférences par filtrage spatial, 3) Des signaux plus propres permettent un multiplexage plus agressif (NOMA), 4) Le multiplexage dans le domaine de la puissance du NOMA améliore l'efficacité spectrale. La simulation dans un modèle de pièce standardisé (similaire à ceux utilisés par le groupe de travail IEEE 802.15.7r1) fournit une validation crédible.

Points forts & Faiblesses : La force réside dans la combinaison pragmatique de deux concepts matures (réception en diversité et NOMA) pour un gain clair et quantifiable. La méthodologie est robuste. Cependant, la faiblesse réside dans la simplicité du modèle ADR. Les ADR du monde réel font face à des défis comme la corrélation entre branches, la complexité matérielle accrue et le besoin d'algorithmes de sélection de branche rapides et à faible consommation — des problèmes seulement évoqués. Comparée aux recherches de pointe sur l'optique adaptative ou le VLC MIMO utilisant des récepteurs d'imagerie (comme dans les travaux du MIT Media Lab ou du BWRC de UC Berkeley), cette approche est plus immédiatement déployable mais pourrait avoir un plafond de capacité ultime plus bas.

Perspectives actionnables : Pour les praticiens de l'industrie, cet article est un feu vert pour investir dans l'innovation côté récepteur. Les chefs de produit pour les systèmes Li-Fi ou VLC industriels devraient prioriser l'intégration de récepteurs multi-éléments. Pour les chercheurs, les prochaines étapes sont claires : 1) Étudier l'apprentissage automatique pour une sélection de branche ADR et un appariement d'utilisateurs NOMA dynamiques et optimaux. 2) Explorer l'intégration avec le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) pour des gains multiplicatifs. 3) Effectuer des tests en conditions réelles avec des utilisateurs mobiles pour valider les performances dynamiques. Ignorer la diversité des récepteurs dans les futures normes VLC serait une erreur significative.

6. Détails techniques & Formulation mathématique

La contribution technique centrale est l'optimisation conjointe de la sélection de branche ADR et de l'allocation de puissance NOMA. Le signal reçu à la $k$-ième branche de l'ADR pour l'utilisateur $i$ est :

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

où $h_{i,k}$ est le gain du canal de l'émetteur vers la $k$-ième branche pour l'utilisateur $i$, $P_u$ est la puissance allouée au signal $x_u$ de l'utilisateur $u$, et $n_{i,k}$ est un bruit blanc gaussien additif. Le récepteur sélectionne la branche $k^*$ pour chaque utilisateur ou étape de décodage qui maximise le SNR effectif. Le processus SIC chez un utilisateur avec un gain de canal $|h_i|^2$ décode les signaux dans l'ordre des gains de canal croissants. Les coefficients d'allocation de puissance $\alpha_i$ (où $\sum \alpha_i = 1$, et $\alpha_i < \alpha_j$ si $|h_i|^2 > |h_j|^2$) sont optimisés pour maximiser le débit total $\sum R_i$ sous une contrainte de puissance totale $P_T$.

7. Résultats expérimentaux & Description des graphiques

Bien que l'article soit basé sur des simulations, les résultats décrits peuvent être visualisés par des graphiques clés :

  • Graphique 1 : Débit total vs. Puissance d'émission : Ce graphique montrerait deux courbes, une pour le système ADR-NOMA et une pour la référence Wide-FOV-NOMA. Les deux courbes augmenteraient avec la puissance, mais la courbe ADR montrerait une pente plus raide et un plateau plus élevé, illustrant clairement le gain moyen de 35% sur toute la plage de puissance.
  • Graphique 2 : Distribution du débit utilisateur : Un diagramme à barres ou une CDF montrant les débits de données atteints par les utilisateurs individuels dans la pièce. Le système ADR montrerait une distribution plus resserrée et plus élevée, indiquant un service plus constant et amélioré pour les utilisateurs à divers endroits (surtout près des murs ou dans les coins où les récepteurs à grand champ de vision souffrent du multipath).
  • Graphique 3 : Fréquence de sélection des branches : Une carte de chaleur sur le sol de la pièce indiquant la fréquence à laquelle chacune des quatre branches de l'ADR est sélectionnée comme la "meilleure" branche. Cela démontrerait visuellement la nature adaptative de l'ADR, avec différentes branches étant optimales dans différentes régions de la pièce.

8. Cadre d'analyse : Une étude de cas

Scénario : Conception d'un réseau VLC pour un bureau ouvert avec 20 postes de travail.

Application du cadre :

  1. Décomposition du problème : Séparer l'analyse du bilan de liaison en : (a) Puissance de l'émetteur & Modulation, (b) Affaiblissement de parcours du canal & Réponse impulsionnelle (en utilisant le lancer de rayons), (c) Sensibilité du récepteur & Champ de vision.
  2. Quantification du bénéfice ADR : Pour chaque emplacement de poste de travail, simuler la force du signal reçu et l'étalement du retard en utilisant un récepteur à grand champ de vision et l'ADR à 4 branches. Calculer l'amélioration potentielle du SNR et la réduction de l'ISI offertes par la capacité de l'ADR à rejeter les réflexions arrivant tardivement.
  3. Regroupement des utilisateurs NOMA : Regrouper les utilisateurs en paires/groupes NOMA basés sur la disparité de leur gain de canal, qui est maintenant plus marquée et fiable grâce aux estimations de canal plus propres de l'ADR.
  4. Simulation au niveau système : Exécuter une simulation de Monte Carlo faisant varier l'activité et la demande de données des utilisateurs. Comparer le débit total du réseau et le débit du 5e centile utilisateur (une métrique d'équité) pour le système ADR-NOMA par rapport à un système VLC-OFDMA traditionnel avec récepteurs à grand champ de vision.
Ce cadre permet à un concepteur de réseau d'évaluer systématiquement le rapport coût-bénéfice du déploiement de matériel ADR plus complexe par rapport aux gains de capacité promis.

9. Applications futures & Directions de recherche

  • Réseau dorsal/descendant Li-Fi pour la 6G : Le VLC ADR-NOMA est un candidat de premier choix pour les liaisons descendantes à haute densité dans les futurs réseaux 6G, complétant les RF dans les stades, aéroports et usines. Sa résistance aux interférences RF est un avantage clé.
  • IoT industriel ultra-fiable : Dans les entrepôts automatisés ou les lignes de production, où la faible latence et la fiabilité sont critiques, les ADR peuvent fournir des liaisons robustes pour la communication machine-à-machine, avec le NOMA supportant une connectivité massive de capteurs.
  • Communications optiques sous-marines : L'environnement de diffusion sous-marin est analogue à un scénario multipath sévère. Les ADR pourraient significativement améliorer la portée et la fiabilité des communications par laser bleu/vert pour les véhicules sous-marins autonomes.
  • Directions de recherche :
    • ADR intelligents : Utiliser des systèmes micro-électromécaniques (MEMS) ou une orientation de faisceau à base de cristaux liquides pour un ajustement angulaire continu et fin plutôt que des branches fixes.
    • Optimisation inter-couches : Optimiser conjointement la sélection ADR de la couche physique avec l'ordonnancement de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) et le regroupement d'utilisateurs NOMA.
    • Systèmes hybrides RF/VLC : Étudier comment le VLC ADR-NOMA peut être intégré de manière transparente avec des RF mmWave ou sub-6 GHz dans un réseau hétérogène, avec un délestage intelligent du trafic.

10. Références

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (Autorité en modélisation de canal VLC)
  2. L. Yin, et al., "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (Article fondateur sur NOMA-VLC)
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (Revue fondamentale)
  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. (Traite des techniques de diversité)
  5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (Norme pertinente)
  6. M. O. I. Musa, et al., "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (Travail antérieur des auteurs, réf [36])
  7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (Leader industriel dans la commercialisation VLC)
  8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (Étude d'implémentation ADR spécifique)