कोण विविधता रिसीवर आधारित NOMA दृश्यमान प्रकाश संचार प्रणाली: विश्लेषण एवं अंतर्दृष्टि

1. परिचय

उच्च डेटा दरों की निरंतर मांग दूरसंचार अनुसंधान की एक प्रमुख प्रेरक शक्ति है। विज़िबल लाइट कम्युनिकेशन (VLC), जो डेटा ट्रांसमिशन के लिए सर्वव्यापी LED प्रकाश व्यवस्था का उपयोग करता है, रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) प्रणालियों के लिए एक आशाजनक पूरक प्रौद्योगिकी है। हालाँकि, VLC को अंतर्निहित चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जैसे LED की सीमित मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, इंटर-सिंबल इंटरफेरेंस (ISI), और बहु-उपयोगकर्ता परिदृश्यों में को-चैनल इंटरफेरेंस (CCI)। यह पेपर इन सीमाओं को दूर करने और इनडोर VLC नेटवर्क के सिस्टम प्रदर्शन में उल्लेखनीय वृद्धि करने के लिए नॉन-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (NOMA) को एंगल डायवर्सिटी रिसीवर (ADR) के साथ एकीकृत करने की जाँच करता है।

2. सिस्टम मॉडल

प्रस्तावित प्रणाली को NOMA और ADR तकनीकों के बीच सहक्रियात्मक प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए एक मानक इनडोर वातावरण में मॉडल किया गया है।

2.1 कक्ष और चैनल मॉडलिंग

8 मीटर (लंबाई) × 4 मीटर (चौड़ाई) × 3 मीटर (ऊंचाई) आयाम वाले एक आयताकार कक्ष का अनुकरण किया गया। दीवारों और छत को 0.8 के परावर्तन गुणांक (ρ) के साथ लैम्बर्टियन परावर्तक के रूप में मॉडल किया गया। प्रकाश चैनल आवेग प्रतिक्रिया की गणना एक नियतात्मक रे ट्रेसिंग एल्गोरिदम का उपयोग करके की गई, जिसमें लाइन-ऑफ-साइट (LOS) और विसरित परावर्तन (एक निर्दिष्ट क्रम तक) दोनों पर विचार किया गया। लिंक का चैनल लाभ इस प्रकार मॉडल किया जा सकता है:

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

जहाँ, $m$ लैम्बर्टियन क्रम है, $A$ डिटेक्टर क्षेत्रफल है, $d$ दूरी है, $\phi$ और $\psi$ क्रमशः उत्सर्जन कोण और आपतन कोण हैं, $T_s(\psi)$ फ़िल्टर लाभ है, $g(\psi)$ कंसंट्रेटर लाभ है, और $\Psi_c$ रिसीवर का दृष्टि क्षेत्र (FOV) है।

2.2 एंगल डायवर्सिटी रिसीवर (ADR) डिज़ाइन

मूल नवाचार एक 4-शाखा ADR के उपयोग में निहित है। प्रत्येक शाखा में एक संकीर्ण दृष्टि क्षेत्र वाला फोटोडिटेक्टर होता है, जो विभिन्न दिशाओं (जैसे, ऊपर की ओर और विशिष्ट अज़ीमुथ) में उन्मुख होता है। यह डिज़ाइन रिसीवर को सबसे मजबूत चैनल लाभ वाली शाखा से संकेतों का चयनात्मक रूप से संयोजन करने में सक्षम बनाता है, जिससे परिवेशी प्रकाश शोर, बहुपथ विसरण और अन्य एक्सेस पॉइंट्स (AP) के सह-चैनल हस्तक्षेप को प्रभावी ढंग से दबाया जा सकता है।

2.3 NOMA सिद्धांत और पावर एलोकेशन

NOMA शक्ति डोमेन में कार्य करता है। ट्रांसमिटर पर, कई उपयोगकर्ताओं के संकेतों को विभिन्न शक्ति स्तरों पर सुपरइम्पोज़ किया जाता है। इसका मूल सिद्धांत खराब चैनल स्थिति वाले उपयोगकर्ताओं को अधिक शक्ति आवंटित करना है। रिसीवर पर, सक्सेसिव इंटरफेरेंस कैंसिलेशन (SIC) का उपयोग किया जाता है: सबसे अच्छी चैनल स्थिति वाला उपयोगकर्ता पहले कमजोर चैनल स्थिति वाले उपयोगकर्ता के संकेत को डिकोड करता है और घटाता है, फिर अपने स्वयं के संकेत को डिकोड करता है। 2-उपयोगकर्ता NOMA जोड़ी में, उपयोगकर्ता $i$ की प्राप्य दर निम्नलिखित समीकरण द्वारा दी जाती है:

$R_i = B \log_2 \left(1 + \frac{\alpha_i P_t |h_i|^2}{\sum_{j>i} \alpha_j P_t |h_i|^2 + N_0 B}\right)$

其中，$B$ 是带宽，$P_t$ 是总发射功率，$h_i$ 是用户 $i$ 的信道增益，$\alpha_i$ 是功率分配系数（$\alpha_1 + \alpha_2 = 1$，且如果 $|h_1|^2 < |h_2|^2$，则 $\alpha_1 > \alpha_2$），$N_0$ 是噪声功率谱密度。

3. सिमुलेशन परिणाम और चर्चा

ADR से सुसज्जित NOMA-VLC प्रणाली के प्रदर्शन की तुलना एकल चौड़े FOV रिसीवर का उपयोग करने वाली आधारभूत प्रणाली से की गई।

3.1 प्रदर्शन मेट्रिक्स और सिमुलेशन सेटअप

प्रमुख प्रदर्शन मेट्रिक एक कमरे में कई उपयोगकर्ताओं का कुल डेटा दर है। उपयोगकर्ताओं को यादृच्छिक रूप से रखा गया है, और संसाधन आवंटन (NOMA के लिए उपयोगकर्ता युग्मन और शक्ति आवंटन) उनकी चैनल स्थिति जानकारी के आधार पर अनुकूलित किया गया है, लेखकों की पिछली विधि [36] का पालन करते हुए।

3.2 डेटा दर तुलना: ADR बनाम वाइड-फील्ड-ऑफ-व्यू रिसीवर

सिमुलेशन परिणाम दर्शाते हैं कि ADR-आधारित प्रणाली का निर्णायक लाभ है।चौड़े FOV रिसीवर का उपयोग करने वाली प्रणाली की तुलना में, ADR का उपयोग औसत डेटा दर को लगभग 35% तक बढ़ा देता है। यह लाभ ADR की मजबूत और कम विकृत सिग्नल पथों का चयन करने की क्षमता के कारण है, जिससे NOMA डिकोडिंग के लिए प्रभावी सिग्नल-टू-इंटरफेरेंस-प्लस-नॉइज़ रेशियो (SINR) में सुधार होता है।

3.3 संसाधन आवंटन का प्रभाव

यह पत्र इस बात पर जोर देता है कि प्रदर्शन लाभ स्वचालित रूप से प्राप्त नहीं होता है, बल्कि बुद्धिमान संसाधन आवंटन पर निर्भर करता है। उन उपयोगकर्ताओं को गतिशील रूप से जोड़ना जिनके चैनल लाभ में महत्वपूर्ण अंतर हो (जो कुशल NOMA की एक प्रमुख आवश्यकता है) और तदनुसार शक्ति आवंटित करना, ADR-NOMA संयोजन की पूरी क्षमता को उजागर करने के लिए महत्वपूर्ण है।

4. निष्कर्ष

इस कार्य ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है कि कोणीय विविधता रिसीवर को गैर-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस के साथ संयोजित करना, इनडोर दृश्यमान प्रकाश संचार प्रणाली की क्षमता और मजबूती बढ़ाने की एक प्रभावी रणनीति है। ADR, NOMA SIC प्रक्रिया के लिए बेहतर चैनल इनपुट प्रदान कर सकता है, जो सीधे उल्लेखनीय डेटा दर वृद्धि में परिवर्तित होता है, और भविष्य के उच्च-घनत्व प्रकाश वायरलेस नेटवर्क में इस संकर वास्तुकला के अनुप्रयोग के लिए एक मजबूत तर्क प्रस्तुत करता है।

5. मौलिक विश्लेषण एवं विशेषज्ञ दृष्टिकोण

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह लेख केवल एक बेहतर रिसीवर जोड़ने के बारे में नहीं है; यह एक चतुर इंजीनियरिंग तकनीक है जो VLC लिंक बजट के सबसे कमजोर बिंदु - रिसीवर शोर तल - को पुनर्गठित करती है ताकि NOMA की पूर्ण सैद्धांतिक क्षमता को मुक्त किया जा सके। लेखक सही ढंग से इंगित करते हैं कि NOMA का प्रदर्शन SIC की सफलता से महत्वपूर्ण रूप से सीमित है, और प्रसारित, बहुपथ VLC चैनल में SIC की प्रभावशीलता कम हो जाती है। 4-शाखा ADR एक स्थानिक फिल्टर के रूप में कार्य करता है, जो प्रभावी रूप से NOMA जोड़ी में प्राथमिक उपयोगकर्ता के लिए एक "स्वच्छतर" चैनल बनाता है, जिससे सैद्धांतिक लाभ को वास्तविक 35% प्रदर्शन वृद्धि में परिवर्तित किया जाता है।

तार्किक संरचना: तर्क प्रक्रिया अत्यंत सूक्ष्म है: 1) VLC को स्पेक्ट्रम दक्षता की आवश्यकता है (NOMA का परिचय)। 2) NOMA को उल्लेखनीय चैनल लाभ अंतर की आवश्यकता है (एकसमान प्रकाश व्यवस्था के तहत यह एक समस्या है)। 3) ADR सबसे मजबूत आपतित पथ का चयन करके कृत्रिम रूप से यह अंतर पैदा करता है। 4) परिणाम: SIC अधिक प्रभावी होता है, कुल दर बढ़ जाती है। यह केवल संचरण शक्ति या बैंडविड्थ बढ़ाने की तुलना में एक अधिक परिष्कृत दृष्टिकोण है, और 6G अनुसंधान में बुद्धिमान रेडियो वातावरण पर ध्यान केंद्रित करने की प्रवृत्ति के अनुरूप है, जैसा कि Next G Alliance श्वेत पत्र में चर्चा की गई है।

लाभ एवं सीमाएँ: लाभ यह है कि अपेक्षाकृत कम जटिलता वाले रिसीवर अपग्रेड के माध्यम से, सिद्ध महत्वपूर्ण प्रदर्शन लाभ प्राप्त किया गया है। पद्धति विश्वसनीय है, जिसमें परिपक्व रे ट्रेसिंग और NOMA मॉडल का उपयोग किया गया है। हालाँकि, विश्लेषण में स्पष्ट अंध धब्बे हैं। सबसे पहले, यह पूर्ण चैनल स्टेट इनफॉर्मेशन (CSI) और पूर्ण SIC मानता है - यूज़र मोबिलिटी वाले रियल-टाइम सिस्टम में, ये दोनों धारणाएँ अत्यधिक आशावादी हैं। दूसरे, 4-ब्रांच ADR रिसीवर की लागत, आकार और प्रोसेसिंग जटिलता (ब्रांच चयन लॉजिक) बढ़ाता है। यह पेपर इस ट्रेड-ऑफ़ को हल्के में लेता है। फ्री-स्पेस ऑप्टिकल कम्युनिकेशन में एडेप्टिव ऑप्टिक्स के अग्रणी कार्य (जैसे MIT मीडिया लैब के शोध) की तुलना में, यह ADR पद्धति स्थैतिक है; यह चुनती है लेकिन सक्रिय रूप से बीम को निर्देशित या आकार नहीं देती, इसलिए और प्रदर्शन सुधार की गुंजाइश बनी रहती है।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि: उत्पाद प्रबंधकों और अनुसंधान एवं विकास प्रमुखों के लिए, यह अध्ययन एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है:रिसीवर नवाचार को प्राथमिकता दें। भविष्य के Li-Fi उत्पादों को अलग करने की कुंजी के रूप में बुद्धिमान, मल्टी-यूनिट फोटोडिटेक्टरों में निवेश करें। अगला कदम तुरंत रियल-टाइम ब्रांच चयन एल्गोरिदम के प्रोटोटाइप विकसित करने और अपूर्ण CSI वाली गतिशील चैनल स्थितियों में उनका परीक्षण करने पर काम करना चाहिए। इसके अलावा, संकर तकनीकों की खोज करें: इस ADR को स्पार्स कोड मल्टीपल एक्सेस (SCMA) या 5G NR में खोजी गई लो-डेंसिटी सिग्नेचर (LDS) तकनीक के साथ जोड़ना, शुद्ध पावर डोमेन NOMA की तुलना में ऑप्टिकल चैनलों के लिए बेहतर जटिलता-प्रदर्शन ट्रेड-ऑफ़ प्रदान कर सकता है।

6. तकनीकी विवरण

सिस्टम का प्रदर्शन चैनल मॉडल और NOMA डिकोडिंग प्रक्रिया पर निर्भर करता है। ADR के $k$वें ब्रांच द्वारा $j$वें LED से प्राप्त ऑप्टिकल पावर है:

$P_{r,(j,k)} = H_{j,k}(0) * P_{t,j}$

रिसीवर उस शाखा $k^*$ का चयन करता है जिसका सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) सबसे अधिक है: $k^* = \arg\max_k (\sum_j P_{r,(j,k)}^2 / N_0)$। डाउनलिंक NOMA जोड़ी के लिए, जिसमें उपयोगकर्ता $U_1$ (कमजोर चैनल) और $U_2$ (मजबूत चैनल) हैं, प्रेषित सिग्नल $x = \sqrt{\alpha P_t}s_1 + \sqrt{(1-\alpha)P_t}s_2$ है, जहाँ $s_1, s_2$ उपयोगकर्ता सिग्नल हैं। $U_2$ पहले $s_1$ को डिकोड करता है, इसे घटाता है, और फिर $s_2$ को डिकोड करता है। $U_1$, $s_2$ को शोर मानकर सीधे $s_1$ को डिकोड करता है। ADR चयनित उपयोगकर्ता के $|h_i|^2$ को बढ़ाता है, जो सीधे दर समीकरण में $\log_2$ फ़ंक्शन के तर्क के मूल्य को बढ़ाता है।

7. प्रयोगात्मक परिणाम एवं आरेख स्पष्टीकरण

हालांकि प्रदान की गई PDF अंशों में स्पष्ट ग्राफ़ शामिल नहीं हैं, वर्णित परिणामों को दो प्रमुख ग्राफ़ के माध्यम से दृश्य रूप दिया जा सकता है:

ग्राफ़ 1: उपयोगकर्ता डेटा दर का संचयी वितरण फलन (CDF)। यह ग्राफ़ दो वक्र दिखाएगा: एक वाइड फील्ड-ऑफ-व्यू रिसीवर सिस्टम के लिए और दूसरा ADR सिस्टम के लिए। ADR वक्र काफी दाईं ओर स्थानांतरित होगा, यह दर्शाता है कि किसी भी दी गई संभावना (उदाहरण के लिए, 50% उपयोगकर्ता) के लिए, प्राप्त की जा सकने वाली डेटा दर अधिक है। दोनों वक्रों के बीच का अंतर लगभग 35% के औसत लाभ का सहज प्रतिनिधित्व करता है।

ग्राफ़ 2: कुल दर बनाम उपयोगकर्ताओं की संख्या। यह चित्र प्रणाली की कुल क्षमता को उपयोगकर्ताओं की संख्या बढ़ने के साथ दर्शाएगा। NOMA+ADR रेखा, NOMA+वाइड FOV रेखा की तुलना में अधिक खड़ी ढलान और उच्चतर पठार प्रदर्शित करेगी, जो बेहतर स्केलेबिलिटी और बहु-उपयोगकर्ता दक्षता सिद्ध करती है। पारंपरिक ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (OMA) (जैसे TDMA) का प्रतिनिधित्व करने वाली तीसरी रेखा पहले दोनों से काफी नीचे होगी, जो NOMA के स्पेक्ट्रम दक्षता लाभ को उजागर करती है।

8. विश्लेषणात्मक ढांचा: केस उदाहरण

परिदृश्य: एक उच्च-घनत्व इनडोर कार्यस्थल (उदाहरण के लिए, 20 वर्कस्टेशन वाला एक खुला कार्यालय) के लिए एक VLC प्रणाली का मूल्यांकन करें।

ढांचा अनुप्रयोग:

1. चैनल विश्लेषण: छत पर लगे LED ल्यूमिनेयर वाले कमरे का मॉडल बनाने के लिए रे ट्रेसिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करें। प्रत्येक संभावित उपयोगकर्ता स्थान के लिए वाइड FOV और मल्टी-ब्रांच ADR मॉडल तक चैनल लाभ मैट्रिक्स $H$ की गणना करें।
2. NOMA उपयोगकर्ता युग्मन: प्रत्येक शेड्यूलिंग अंतराल के लिए, उपयोगकर्ताओं को चयनित ADR शाखा से प्राप्त चैनल लाभ के आधार पर क्रमबद्ध किया जाता है। मजबूत चैनल वाले उपयोगकर्ता और कमजोर चैनल वाले उपयोगकर्ता को समूहीकृत करके NOMA युग्म बनाए जाते हैं।
3. शक्ति आवंटन अनुकूलन: 求解使总速率最大化的功率系数 $\alpha_i$，需满足约束条件：$\sum \alpha_i = 1$，$\alpha_i > 0$，以及最低速率要求 $R_i \ge R_{min}$。这是一个可通过标准算法求解的凸优化问题。
4. प्रदर्शन पूर्वानुमान: अनुकूलित मापदंडों को दर समीकरण $R_i$ में इनपुट करें, प्रत्येक उपयोगकर्ता की पूर्वानुमानित डेटा दर और सिस्टम की कुल दर की गणना करें। ADR मॉडल के परिणामों की तुलना वाइड-फील्ड-ऑफ-व्यू बेसलाइन से करें।

यह ढांचा सीधे तौर पर इस पत्र में निहित पद्धति को दर्शाता है और एक विशिष्ट तैनाती में ADR के लाभ को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने का एक व्यवस्थित तरीका प्रदान करता है।

9. भविष्य के अनुप्रयोग और शोध दिशाएँ

ADR-NOMA-VLC प्रतिमान के व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं:

• औद्योगिक इंटरनेट ऑफ थिंग्स के लिए अल्ट्रा-रिलायबल लो-लेटेंसी कम्युनिकेशन (URLLC): स्मार्ट फैक्ट्रियों में, ADR मोबाइल उपकरणों और परावर्तक सतहों से हस्तक्षेप को दबाकर मशीन नियंत्रण के लिए एक मजबूत लिंक प्रदान कर सकता है।
• अंडरवाटर ऑप्टिकल कम्युनिकेशन: पानी के भीतर का प्रकीर्णन वातावरण डिफ्यूज़ इंडोर VLC के समान है। ADR गंदले पानी में प्रमुख लाइन-ऑफ-साइट पथ को अलग करने में मदद कर सकता है, जिससे बहु-उपयोगकर्ता अंडरवाटर नेटवर्क के लिए NOMA साकार हो सके।
• एकीकृत संवेदन एवं संचार (ISAC): ADR की कई दिशात्मक शाखाओं का उपयोग आगमन कोण का मूल अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है, जिससे संचार के साथ-साथ उपकरण स्थान निर्धारण संभव हो - यह भविष्य की स्मार्ट इमारतों की एक प्रमुख विशेषता है।
• शोध दिशाएँ: भविष्य के कार्य को डायनेमिक बीमफॉर्मिंग के लिए लिक्विड क्रिस्टल या माइक्रो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल सिस्टम (MEMS) के उपयोग की ओर अग्रसर होना चाहिए।अनुकूलीADR विकास। इसके अलावा, मोबाइल परिदृश्यों में वास्तविक समय, मजबूत उपयोगकर्ता जोड़ी बनाने और शक्ति आवंटन हासिल करने के लिए मशीन लर्निंग को एकीकृत करना, सिमुलेशन से तैनाती की ओर अगला महत्वपूर्ण कदम है।

10. संदर्भ

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6. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. (2018). IEEE Std 802.15.7-2018.
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