लंबी दूरी के बाहरी वातावरण में इवेंट-आधारित ऑप्टिकल कैमरा संचार का प्रायोगिक प्रदर्शन

1. परिचय एवं अवलोकन

यह शोध पत्र लंबी दूरी, उच्च-डेटा-दर बाहरी संचार के लिए इवेंट-आधारित दृष्टि सेंसर (EVS) का लाभ उठाकर ऑप्टिकल कैमरा संचार (OCC) में एक क्रांतिकारी प्रगति प्रस्तुत करता है। मुख्य योगदान एक नवीन, मजबूत डिमॉड्यूलेशन योजना है जो ऑन-ऑफ कीइंग (OOK) को टॉगल डिमॉड्यूलेशन और एक डिजिटल फेज-लॉक्ड लूप (DPLL) के साथ जोड़ती है। यह प्रणाली पारंपरिक फ्रेम-आधारित OCC की प्रमुख सीमाओं, जैसे कैमरा फ्रेम दरों से जुड़ी थ्रूपुट बाधाएँ और उच्च कम्प्यूटेशनल ओवरहेड, का समाधान करती है। प्रस्तावित विधि रिकॉर्ड-सेटिंग प्रदर्शन प्रदर्शित करती है, जो बाहरी वातावरण में 200 मीटर (60 kbps) और 400 मीटर (30 kbps) की दूरी पर $10^{-3}$ से कम की बिट एरर रेट (BER) हासिल करती है, जो OCC प्रौद्योगिकी के व्यावहारिक परिनियोजन में एक महत्वपूर्ण छलांग का प्रतीक है।

2. मूल अंतर्दृष्टि एवं विश्लेषक का परिप्रेक्ष्य

मूल अंतर्दृष्टि: इस पत्र की मौलिक सफलता केवल दूरी या डेटा दर बढ़ाने के बारे में नहीं है; यह व्यावहारिक सिस्टम एकीकरण में एक उत्कृष्ट उदाहरण है। असामान्य मॉड्यूलेशन योजनाओं का पीछा करने के बजाय, लेखकों ने चतुराई से मानक OOK का पुनः उपयोग किया है, इसे इवेंट-आधारित संवेदन की शोरगुल भरी, अतुल्यकालिक दुनिया के लिए मजबूत बनाया है। वास्तविक प्रतिभा रिसीवर-साइड डिजिटल फेज-लॉक्ड लूप (DPLL) में निहित है, जो एक "समयबद्ध शॉक अब्जॉर्बर" की तरह कार्य करता है, ट्रांसमीटर में कम लागत वाले, ऑफ-द-शेल्फ माइक्रोकंट्रोलर्स (जैसे Arduino) के उपयोग से उत्पन्न अपरिहार्य जिटर की क्षतिपूर्ति करता है। यह दृष्टिकोण सैद्धांतिक शुद्धता पर सिस्टम-स्तरीय लचीलापन और लागत-प्रभावशीलता को प्राथमिकता देता है—वास्तविक दुनिया में अपनाने के लिए एक महत्वपूर्ण मानसिकता।

तार्किक प्रवाह: तर्क सुंदर ढंग से निर्मित है: 1) फ्रेम-आधारित OCC एक दीवार से टकराती है (बैंडविड्थ, प्रसंस्करण)। 2) इवेंट-आधारित सेंसर एक प्रतिमान बदलाव प्रदान करते हैं (अतुल्यकालिक, विरल डेटा)। 3) लेकिन संचार के लिए कच्चा EVS आउटपुट अव्यवस्थित है। 4) इसलिए, सेंसर की आवृत्ति प्रतिक्रिया को अनुकूलित करें और टाइमिंग रिकवरी के लिए एक DPLL जोड़ें। 5) परिणाम: अभूतपूर्व बाहरी प्रदर्शन। यह प्रवाह अन्य क्षेत्रों में सफल नवाचारों को दर्पण करता है, जैसे कि CycleGAN ने एक चक्र-संगति हानि शुरू करके अयुग्मित छवि अनुवाद को संबोधित किया—एक सरल, सुंदर बाधा जिसने एक जटिल समस्या का समाधान किया।

शक्तियाँ एवं कमियाँ:

• शक्तियाँ: बाहरी सत्यापन इसकी सबसे बड़ी विशेषता है। IEEE और ACM डिजिटल लाइब्रेरीज में उल्लिखित अधिकांश पूर्व कार्य, प्रयोगशाला सेटिंग्स तक ही सीमित रहते हैं। कम लागत वाले हार्डवेयर का उपयोग प्रभावशाली इंजीनियरिंग और स्केलेबिलिटी क्षमता प्रदर्शित करता है। बेंचमार्क तुलना (PDF में Fig. 1b) प्रभावशाली है और प्रदर्शन छलांग को स्पष्ट रूप से दृश्यमान बनाती है।
• कमियाँ: यह पत्र मल्टी-पाथ इंटरफेरेंस और परिवेश प्रकाश फ्लिकर (जैसे, सूर्य के प्रकाश या फ्लोरोसेंट लैंप से) के विश्लेषण पर हल्का है, जो वास्तविक बाहरी/आंतरिक परिदृश्यों में प्रमुख शोर स्रोत हैं। $10^{-3}$ का BER लक्ष्य प्रदर्शन के लिए अच्छा है लेकिन विश्वसनीय डेटा सेवाओं के लिए आवश्यक $10^{-6}$ से $10^{-9}$ से कम है। गतिशीलता के तहत या एकाधिक ट्रांसमीटर के साथ सिस्टम का प्रदर्शन एक खुला प्रश्न बना हुआ है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: शोधकर्ताओं के लिए: इवेंट-आधारित OCC के लिए चैनल मॉडलिंग पर ध्यान केंद्रित करें और छूटे हुए इवेंट्स से उत्पन्न बर्स्ट एरर के लिए तैयार फॉरवर्ड एरर करेक्शन कोड्स का अन्वेषण करें। उद्योग के लिए (जैसे, Sony, एक योगदानकर्ता): यह कार्य RF-संवेदनशील क्षेत्रों में डिजिटल साइनेज या IoT बीकन से सुरक्षित, स्थानीयकृत डेटा प्रसारण में अनुप्रयोगों को सीधे सक्षम बनाता है। अगला कदम रिसीवर को स्मार्टफोन-संगत मॉड्यूल में लघुकरण करना है, एक चुनौती जो मोबाइल उपकरणों में LiDAR सेंसर को एकीकृत करने के समान है—कठिन लेकिन परिवर्तनकारी।

3. सिस्टम आर्किटेक्चर एवं प्रस्तावित विधि

प्रस्तावित सिस्टम आर्किटेक्चर में एक ट्रांसमीटर जो एक कम लागत वाले माइक्रोकंट्रोलर (जैसे Arduino, M5Stack) द्वारा संचालित एक LED को मॉड्यूलेट करता है, और एक रिसीवर जो एक इवेंट-आधारित दृष्टि सेंसर (EVS) पर आधारित है, शामिल हैं।

4. तकनीकी विवरण एवं गणितीय सूत्रीकरण

EVS पिक्सेल आउटपुट को इवेंट्स $E_i = \{x_i, y_i, t_i, p_i\}$ की एक स्ट्रीम के रूप में मॉडल किया जा सकता है। एक प्रेषित OOK सिग्नल $s(t) \in \{0, 1\}$ के लिए, एक इवेंट जनरेट होने की संभावना लॉग इंटेंसिटी के समय व्युत्पन्न से संबंधित है। DPLL ऑपरेशन को एक असतत-समय अद्यतन समीकरण के रूप में सरलीकृत किया जा सकता है:

$$\phi[n+1] = \phi[n] + K_p \cdot e[n] + K_i \cdot \sum_{k=0}^{n} e[k]$$

जहाँ $\phi[n]$ चरण $n$ पर फेज अनुमान है, $e[n]$ फेज त्रुटि है (पता चले इवेंट टाइमिंग और DPLL के आंतरिक क्लॉक के बीच का अंतर), और $K_p$, $K_i$ क्रमशः आनुपातिक और अभिन्न लाभ स्थिरांक हैं। यह रिसीवर को जिटर के बावजूद ट्रांसमीटर के क्लॉक पर "लॉक ऑन" करने की अनुमति देता है।

5. प्रायोगिक परिणाम एवं प्रदर्शन

6. विश्लेषण ढांचा एवं केस उदाहरण

ढांचा: लचीलापन-प्रथम संचार स्टैक
यह पत्र अंतर्निहित रूप से एक डिजाइन ढांचा प्रस्तावित करता है जहाँ हार्डवेयर अपूर्णता के प्रति लचीलापन एक प्रथम-श्रेणी का नागरिक है। एक नए OCC प्रस्ताव का विश्लेषण करने के लिए एक केस उदाहरण होगा:

1. हार्डवेयर एब्स्ट्रैक्शन लेयर विश्लेषण: चुने गए ट्रांसमीटर/रिसीवर की अंतर्निहित शोर/जिटर विशेषताएँ क्या हैं? (जैसे, MCU जिटर, सेंसर विलंबता)।
2. लचीलापन तंत्र: उन अपूर्णताओं को अवशोषित करने के लिए कौन सा एल्गोरिदमिक घटक (जैसे, DPLL, विशिष्ट कोडिंग) शुरू किया गया है?
3. चैनल यथार्थवाद: परीक्षण एक यथार्थवादी चैनल (बाहरी प्रकाश, गतिशीलता) में या एक नियंत्रित प्रयोगशाला में किया गया है? संबोधित प्रमुख शोर स्रोत क्या हैं?
4. प्रदर्शन व्यापार-बंद त्रिकोण: डेटा दर, दूरी और बिट एरर रेट के त्रिकोण पर सिस्टम को प्लॉट करें। यह कार्य एक व्यावहारिक BER बनाए रखते हुए दर-दूरी किनारे की सीमा को आगे बढ़ाता है।

7. भविष्य के अनुप्रयोग एवं शोध दिशाएँ

अनुप्रयोग:

• सुरक्षित स्थान-आधारित सेवाएँ: स्ट्रीटलाइट्स, साइनेज, या संग्रहालय प्रदर्शनों से विशिष्ट स्मार्टफोन्स को RF हस्तक्षेप के बिना एन्क्रिप्टेड कुंजियाँ या डेटा प्रसारित करना।
• RF-संवेदनशील क्षेत्रों में औद्योगिक IoT: तेल रिफाइनरियों, चिकित्सा MRI कमरों, या विमान केबिन में संचार।
• वाहन-से-अवसंरचना (V2I): ट्रैफिक लाइट्स से स्वायत्त वाहनों तक उच्च-दिशात्मकता प्रकाश लिंक के साथ RF-आधारित संचार को पूरक बनाना।
• अंतर्जलीय संचार: नीले/हरे LEDs और कैमरे इस प्रौद्योगिकी को लघु-सीमा अंतर्जलीय डेटा लिंक के लिए अनुकूलित कर सकते हैं।

शोध दिशाएँ:

• लगभग त्रुटि-मुक्त प्रदर्शन ($BER < 10^{-6}$) हासिल करने के लिए उन्नत चैनल कोडिंग (जैसे, LDPC, Polar कोड) का एकीकरण।
• स्थानिक मल्टीप्लेक्सिंग और बढ़ी हुई क्षमता के लिए EVS ऐरे का उपयोग करके मल्टी-इनपुट मल्टी-आउटपुट (MIMO) तकनीकों का विकास।
• वास्तविक समय में बदलती परिवेश प्रकाश स्थितियों के अनुकूल होने के लिए EVS पिक्सेल के लिए गतिशील पैरामीटर ट्यूनिंग।
• अंतरसंचालनीयता सुनिश्चित करने के लिए, संभवतः IEEE या विजिबल लाइट कम्युनिकेशन एसोसिएशन जैसे निकायों के माध्यम से, मानकीकरण के प्रयास।

8. संदर्भ

1. Z. Wang et al., "Event-based High-Speed Optical Camera Communication," in IEEE Transactions on Communications, 2022.
2. W.-H. Shen et al., "High-Speed Optical Camera Communication Using an Event-Based Sensor," in Proc. OFC, 2018.
3. J. Geng, "Structured-light 3D surface imaging: a tutorial," Optics and Lasers in Engineering, 2011. (उन्नत ऑप्टिकल संवेदन का उदाहरण)
4. P. Lichtsteiner et al., "A 128×128 120 dB 15 μs Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor," IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008. (मौलिक EVS पेपर)
5. IEEE Xplore Digital Library. Search: "Optical Camera Communication".
6. ACM Digital Library. Search: "Event-based Vision Communication".
7. Zhu, J.Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A.A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV. (समान समस्या-समाधान पद्धति के लिए उद्धृत)।