1. परिचय

यह शोध पत्र कोण विविधता रिसीवरों (ADR) द्वारा संवर्धित एक नॉन-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (NOMA) दृश्यमान प्रकाश संचार (VLC) प्रणाली की जाँच करता है। संबोधित प्रमुख चुनौती प्रतीक-अंतर व्यवधान (ISI) और सह-चैनल व्यवधान (CCI) जैसे कारकों के कारण उच्च डेटा दर प्रदान करने में पारंपरिक VLC प्रणालियों की सीमा है। प्रस्तावित प्रणाली NOMA की स्पेक्ट्रल दक्षता को 4-शाखा ADR की व्यवधान न्यूनीकरण और सिग्नल अधिग्रहण क्षमताओं के साथ जोड़ती है, जिसका लक्ष्य एक इनडोर वातावरण में उपयोगकर्ता डेटा दरों को अधिकतम करना है।

2. प्रणाली मॉडल

प्रणाली को एक 8m × 4m × 3m खाली कक्ष के भीतर मॉडल किया गया है। ऑप्टिकल चैनल में दीवारों और छतों से परावर्तन शामिल हैं, जिन्हें 0.8 के परावर्तन गुणांक (ρ) वाले लैम्बर्टियन परावर्तकों के रूप में मॉडल किया गया है। प्रकाश संकेतों के बहुपथ प्रसार का अनुकरण करने के लिए रे ट्रेसिंग का उपयोग किया जाता है।

2.1 कक्ष और चैनल मॉडलिंग

इनडोर चैनल आवेग प्रतिक्रिया की गणना दृष्टि-रेखा (LOS) और विसरित (परावर्तित) दोनों घटकों को ध्यान में रखकर की जाती है। परावर्तक सतहों को क्षेत्र dA के छोटे तत्वों में विभाजित किया जाता है। डिटेक्टर क्षेत्र $A_{pd}$ और लाभ $T_s(\psi)$ वाले रिसीवर के लिए चैनल DC लाभ इस प्रकार दिया जाता है:

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

जहाँ $m$ लैम्बर्टियन क्रम है, $d$ दूरी है, $\phi$ विकिरण कोण है, $\psi$ आपतन कोण है, और $\Psi_c$ रिसीवर का दृष्टि-क्षेत्र (FOV) है।

2.2 कोण विविधता रिसीवर (ADR) डिज़ाइन

ADR में चार संकीर्ण-FOV फोटोडिटेक्टर होते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक अलग दिशा (जैसे, कक्ष के कोनों या विशिष्ट एक्सेस पॉइंट्स की ओर) में उन्मुख होता है। यह डिज़ाइन रिसीवर को सबसे मजबूत सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) वाली शाखा का चयन करने या संकेतों को संयोजित करने की अनुमति देता है, जिससे परिवेशी प्रकाश, बहुपथ विसरण और सह-चैनल व्यवधान का प्रभाव प्रभावी रूप से कम हो जाता है।

2.3 NOMA सिद्धांत और शक्ति आवंटन

NOMA ट्रांसमीटर पर शक्ति डोमेन में कई उपयोगकर्ताओं के लिए संकेतों को अध्यारोपित करके कार्य करता है। रिसीवर पर, संकेतों को डिकोड करने के लिए सक्सेसिव इंटरफेरेंस कैंसिलेशन (SIC) का उपयोग किया जाता है। शक्ति का आवंटन चैनल लाभ के विपरीत आनुपातिक होता है: बेहतर चैनल स्थितियों (मजबूत संकेतों) वाले उपयोगकर्ताओं को कम शक्ति आवंटित की जाती है, जबकि खराब स्थितियों वाले उपयोगकर्ताओं को निष्पक्षता सुनिश्चित करने के लिए अधिक शक्ति प्राप्त होती है। उपयोगकर्ता $i$ के लिए प्राप्य दर है:

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

जहाँ $B$ बैंडविड्थ है, $P_i$ उपयोगकर्ता $i$ को आवंटित शक्ति है, $h_i$ चैनल लाभ है, और $\sigma^2$ शोर प्रसरण है।

3. सिमुलेशन परिणाम और चर्चा

ADR के साथ NOMA-VLC प्रणाली के प्रदर्शन की तुलना एकल विस्तृत-FOV रिसीवर का उपयोग करने वाली आधारभूत प्रणाली के विरुद्ध की जाती है।

3.1 प्रदर्शन तुलना: ADR बनाम विस्तृत FOV

मुख्य निष्कर्ष यह है कि ADR-आधारित प्रणाली विस्तृत-FOV रिसीवर प्रणाली की तुलना में 35% की औसत डेटा दर सुधार प्राप्त करती है। यह लाभ ADR की मजबूत, कम विकृत संकेतों का चयनात्मक रूप से अधिग्रहण करने और अन्य ट्रांसमीटरों या परावर्तनों से व्यवधानकारी घटकों को अस्वीकार करने की क्षमता के लिए जिम्मेदार है।

3.2 डेटा दर विश्लेषण और अनुकूलन

सिमुलेशन में ADR शाखा चयनों से प्राप्त उपयोगकर्ताओं की तात्कालिक चैनल स्थितियों के आधार पर संसाधन (शक्ति) आवंटन का अनुकूलन शामिल है। अनुकूलन का लक्ष्य उपयोगकर्ता निष्पक्षता बनाए रखते हुए कुल डेटा दर को अधिकतम करना है, जो लेखकों के पूर्व दृष्टिकोण [36] का अनुसरण करता है। परिणाम दर्शाते हैं कि अनुकूली शाखा चयन और NOMA शक्ति आवंटन का संयोजन स्पेक्ट्रल दक्षता को काफी बढ़ाता है।

मुख्य प्रदर्शन मापदंड

35% औसत डेटा दर लाभ ADR-आधारित NOMA-VLC प्रणाली द्वारा विस्तृत-FOV रिसीवर आधारभूत की तुलना में प्राप्त किया गया।

4. निष्कर्ष

पत्र इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि VLC प्रणालियों में कोण विविधता रिसीवरों को NOMA के साथ एकीकृत करना व्यवधान और सीमित बैंडविड्थ जैसी प्रमुख सीमाओं को दूर करने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी रणनीति है। 4-शाखा ADR सिग्नल गुणवत्ता में सुधार करके और NOMA के माध्यम से अधिक कुशल बहु-उपयोगकर्ता शक्ति आवंटन को सक्षम करके डेटा दर में पर्याप्त लाभ प्रदान करता है। यह कार्य अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल वायरलेस नेटवर्क के लिए उन्नत रिसीवर डिज़ाइन को गैर-ऑर्थोगोनल मल्टीप्लेक्सिंग के साथ संयोजित करने की क्षमता को मान्य करता है।

5. मुख्य विश्लेषक अंतर्दृष्टि

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह पत्र केवल एक सीमांत सुधार के बारे में नहीं है; यह एक रणनीतिक पिवट है। यह सही ढंग से पहचानता है कि सघन, उच्च-क्षमता VLC के लिए अड़चन केवल ट्रांसमीटर (जहाँ अधिकांश शोध केंद्रित है, जैसे µLED या लेजर डायोड पर) नहीं है, बल्कि महत्वपूर्ण रूप से, एक शोरग्रस्त, बहुपथ वातावरण में संकेतों को विभेदित करने की रिसीवर की क्षमता है। अपेक्षाकृत सरल 4-शाखा ADR से 35% लाभ इस अक्सर अनदेखी किए गए आयाम का एक शक्तिशाली प्रमाण है।

तार्किक प्रवाह: तर्क ठोस है: 1) VLC व्यवधान (CCI/ISI) से ग्रस्त है, 2) ADR स्थानिक फ़िल्टरिंग द्वारा व्यवधान को कम करते हैं, 3) साफ़ संकेत अधिक आक्रामक मल्टीप्लेक्सिंग (NOMA) को सक्षम करते हैं, 4) NOMA की शक्ति-डोमेन मल्टीप्लेक्सिंग स्पेक्ट्रल दक्षता को बढ़ाती है। एक मानकीकृत कक्ष मॉडल (IEEE 802.15.7r1 टास्क ग्रुप द्वारा उपयोग किए जाने वाले समान) में सिमुलेशन विश्वसनीय मान्यता प्रदान करता है।

शक्तियाँ और कमियाँ: शक्ति दो परिपक्व अवधारणाओं (विविधता रिसीवर और NOMA) के व्यावहारिक संयोजन में निहित है, जो एक स्पष्ट, मात्रात्मक लाभ के लिए है। पद्धति मजबूत है। हालाँकि, कमी ADR मॉडल की सरलता में है। वास्तविक दुनिया के ADR को शाखा सहसंबंध, बढ़ी हुई हार्डवेयर जटिलता, और तेज़, कम-शक्ति शाखा चयन एल्गोरिदम की आवश्यकता जैसी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है—ऐसे मुद्दे जिनकी केवल झलक दी गई है। अनुकूली ऑप्टिक्स या इमेजिंग रिसीवर का उपयोग करके MIMO-आधारित VLC पर अत्याधुनिक शोध (जैसे MIT के मीडिया लैब या UC Berkeley के BWRC के कार्यों में देखा गया) की तुलना में, यह दृष्टिकोण तत्काल तैनाती के लिए अधिक उपयुक्त है लेकिन इसकी अंतिम क्षमता सीमा कम हो सकती है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: उद्योग के व्यवसायियों के लिए, यह पत्र रिसीवर-पक्ष नवाचार में निवेश करने के लिए हरी झंडी है। Li-Fi या औद्योगिक VLC प्रणालियों के उत्पाद प्रबंधकों को बहु-तत्व रिसीवरों के एकीकरण को प्राथमिकता देनी चाहिए। शोधकर्ताओं के लिए, अगले कदम स्पष्ट हैं: 1) गतिशील, इष्टतम ADR शाखा चयन और NOMA उपयोगकर्ता युग्मन के लिए मशीन लर्निंग की जाँच करें। 2) गुणात्मक लाभों के लिए तरंगदैर्घ्य-विभाजन मल्टीप्लेक्सिंग (WDM) के साथ एकीकरण का अन्वेषण करें। 3) गतिशील प्रदर्शन को मान्य करने के लिए मोबाइल उपयोगकर्ताओं के साथ वास्तविक दुनिया के परीक्षण करें। भविष्य के VLC मानकों में रिसीवर विविधता की अनदेखी करना एक महत्वपूर्ण चूक होगी।

6. तकनीकी विवरण और गणितीय सूत्रीकरण

मुख्य तकनीकी योगदान ADR शाखा चयन और NOMA शक्ति आवंटन का संयुक्त अनुकूलन है। उपयोगकर्ता $i$ के लिए ADR की $k$-वीं शाखा पर प्राप्त संकेत है:

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

जहाँ $h_{i,k}$ ट्रांसमीटर से उपयोगकर्ता $i$ के लिए $k$-वीं शाखा का चैनल लाभ है, $P_u$ उपयोगकर्ता $u$ के संकेत $x_u$ को आवंटित शक्ति है, और $n_{i,k}$ योगात्मक सफेद गाऊसी शोर है। रिसीवर प्रत्येक उपयोगकर्ता या डिकोडिंग चरण के लिए उस शाखा $k^*$ का चयन करता है जो प्रभावी SNR को अधिकतम करती है। चैनल लाभ $|h_i|^2$ वाले उपयोगकर्ता पर SIC प्रक्रिया बढ़ते चैनल लाभ के क्रम में संकेतों को डिकोड करती है। शक्ति आवंटन गुणांक $\alpha_i$ (जहाँ $\sum \alpha_i = 1$, और $\alpha_i < \alpha_j$ यदि $|h_i|^2 > |h_j|^2$) को कुल शक्ति बाधा $P_T$ के तहत कुल दर $\sum R_i$ को अधिकतम करने के लिए अनुकूलित किया जाता है।

7. प्रायोगिक परिणाम और चार्ट विवरण

हालाँकि पत्र सिमुलेशन-आधारित है, वर्णित परिणामों को मुख्य चार्टों के माध्यम से दृश्य बनाया जा सकता है:

  • चार्ट 1: कुल दर बनाम प्रसारण शक्ति: यह चार्ट दो वक्र दिखाएगा, एक ADR-NOMA प्रणाली के लिए और एक विस्तृत-FOV-NOMA आधारभूत के लिए। दोनों वक्र शक्ति के साथ बढ़ेंगे, लेकिन ADR वक्र एक तीव्र ढलान और एक उच्च पठार दिखाएगा, जो शक्ति सीमा में 35% औसत लाभ को स्पष्ट रूप से दर्शाता है।
  • चार्ट 2: उपयोगकर्ता दर वितरण: एक बार चार्ट या CDF जो कक्ष में व्यक्तिगत उपयोगकर्ताओं द्वारा प्राप्त डेटा दरों को दर्शाता है। ADR प्रणाली एक सघन, उच्च वितरण दिखाएगी, जो विभिन्न स्थानों (विशेष रूप से दीवारों के पास या कोनों में जहाँ विस्तृत-FOV रिसीवर बहुपथ से ग्रस्त होते हैं) में उपयोगकर्ताओं के लिए अधिक सुसंगत और बेहतर सेवा का संकेत देती है।
  • चार्ट 3: शाखा चयन आवृत्ति: कक्ष के फर्श पर एक हीटमैप जो दर्शाता है कि ADR की चारों शाखाओं में से प्रत्येक को "सर्वश्रेष्ठ" शाखा के रूप में कितनी बार चुना जाता है। यह ADR की अनुकूली प्रकृति को दृश्य रूप से प्रदर्शित करेगा, जिसमें विभिन्न कक्ष क्षेत्रों में विभिन्न शाखाएँ इष्टतम होती हैं।

8. विश्लेषण ढांचा: एक केस स्टडी

परिदृश्य: 20 वर्कस्टेशन वाले ओपन-प्लान कार्यालय के लिए एक VLC नेटवर्क डिजाइन करना।

ढांचा अनुप्रयोग:

  1. समस्या अपघटन: लिंक बजट विश्लेषण को अलग करें: (a) ट्रांसमीटर शक्ति और मॉड्यूलेशन, (b) चैनल पथ हानि और आवेग प्रतिक्रिया (रे-ट्रेसिंग का उपयोग करके), (c) रिसीवर संवेदनशीलता और दृष्टि-क्षेत्र।
  2. ADR लाभ मात्रात्मकीकरण: प्रत्येक वर्कस्टेशन स्थान के लिए, विस्तृत-FOV रिसीवर और 4-शाखा ADR का उपयोग करके प्राप्त संकेत शक्ति और विलंब प्रसार का अनुकरण करें। ADR की देर से आने वाले परावर्तनों को अस्वीकार करने की क्षमता द्वारा प्रदान किए गए संभावित SNR सुधार और ISI कमी की गणना करें।
  3. NOMA उपयोगकर्ता समूहीकरण: उपयोगकर्ताओं को उनके चैनल लाभ असमानता के आधार पर NOMA जोड़े/समूहों में समूहित करें, जो अब ADR की साफ़ चैनल अनुमानों के कारण अधिक स्पष्ट और विश्वसनीय है।
  4. प्रणाली-स्तरीय सिमुलेशन: उपयोगकर्ता गतिविधि और डेटा मांगों को बदलते हुए एक मोंटे कार्लो सिमुलेशन चलाएँ। ADR-NOMA प्रणाली बनाम विस्तृत-FOV रिसीवरों के साथ पारंपरिक OFDMA-VLC प्रणाली के लिए कुल नेटवर्क थ्रूपुट और 5वें-प्रतिशतक उपयोगकर्ता दर (एक निष्पक्षता मापदंड) की तुलना करें।
यह ढांचा एक नेटवर्क डिजाइनर को अधिक जटिल ADR हार्डवेयर की तैनाती की लागत-लाभ का व्यवस्थित रूप से मूल्यांकन करने की अनुमति देता है, जो वादा किए गए क्षमता लाभों के विरुद्ध है।

9. भविष्य के अनुप्रयोग और शोध दिशाएँ

  • 6G Li-Fi बैकहॉल/डाउनलिंक: ADR-NOMA VLC भविष्य के 6G नेटवर्क में उच्च-घनत्व डाउनलिंक के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार है, जो स्टेडियमों, हवाई अड्डों और कारखानों में RF का पूरक है। RF व्यवधान के प्रति इसका प्रतिरोध एक प्रमुख लाभ है।
  • अति-विश्वसनीय औद्योगिक IoT: स्वचालित गोदामों या विनिर्माण लाइनों में, जहाँ कम विलंब और विश्वसनीयता महत्वपूर्ण है, ADR मशीन-टू-मशीन संचार के लिए मजबूत लिंक प्रदान कर सकते हैं, जिसमें NOMA बड़े पैमाने पर सेंसर कनेक्टिविटी का समर्थन करता है।
  • जलमग्न ऑप्टिकल संचार: पानी के भीतर का प्रकीर्णन वातावरण एक गंभीर बहुपथ परिदृश्य के समान है। ADR स्वायत्त पनडुब्बी वाहनों के लिए नीले/हरे लेजर संचार की सीमा और विश्वसनीयता में काफी सुधार कर सकते हैं।
  • शोध दिशाएँ:
    • बुद्धिमान ADR: स्थिर शाखाओं के बजाय निरंतर, सूक्ष्म-स्तरीय कोण समायोजन के लिए माइक्रो-इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (MEMS) या लिक्विड क्रिस्टल-आधारित बीम स्टीयरिंग का उपयोग करना।
    • क्रॉस-लेयर अनुकूलन: भौतिक-परत ADR चयन को माध्यम-अभिगम नियंत्रण (MAC) परत शेड्यूलिंग और NOMA उपयोगकर्ता क्लस्टरिंग के साथ संयुक्त रूप से अनुकूलित करना।
    • हाइब्रिड RF/VLC प्रणालियाँ: जाँच करना कि ADR-NOMA VLC को एक विषम नेटवर्क में mmWave या sub-6 GHz RF के साथ कैसे सहजता से एकीकृत किया जा सकता है, जिसमें बुद्धिमान ट्रैफिक ऑफलोडिंग शामिल है।

10. संदर्भ

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (VLC चैनल मॉडलिंग पर प्राधिकार)
  2. L. Yin, et al., "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (NOMA-VLC पर मौलिक पत्र)
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (आधारभूत समीक्षा)
  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. (विविधता तकनीकों को शामिल करता है)
  5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (प्रासंगिक मानक)
  6. M. O. I. Musa, et al., "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (लेखकों का पूर्व कार्य, संदर्भ [36])
  7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (VLC व्यावसायीकरण में उद्योग अग्रणी)
  8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (विशिष्ट ADR कार्यान्वयन अध्ययन)