एन्हांस्ड विजिबल लाइट कम्युनिकेशन के लिए नए 5B10B RLL कोड का विश्लेषण

सामग्री

1. परिचय एवं अवलोकन

इस दस्तावेज़ में दृश्यमान प्रकाश संचार प्रणालियों के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए रन-लेंथ सीमित कोड (जिसे 5B10B नाम दिया गया है) का व्यापक विश्लेषण प्रस्तुत किया गया है। यह कोड दोहरी चुनौती का सामना करने के लिए तैयार किया गया है: सख्त डीसी संतुलन बनाए रखना (जो प्रकाश व्यवस्था में फ्लिकर दमन के लिए महत्वपूर्ण है) और बढ़ी हुई त्रुटि सुधार क्षमता प्रदान करना। पारंपरिक RLL कोड (जैसे मैनचेस्टर कोड, 4B6B कोड, और IEEE 802.15.7 मानक द्वारा निर्दिष्ट 8B10B कोड) अक्सर इन दोनों पहलुओं को एक साथ संतुलित करने में कठिनाई का सामना करते हैं। प्रस्तावित कोड कोड दर $R = \frac{5}{10} = 0.5$ पर कार्य करता है, जो 5-बिट डेटा शब्द को 10-बिट कोडवर्ड में मैप करता है।

2. मूल अंतर्दृष्टि: 5B10B का मूल्य प्रस्ताव

इस शोध पत्र की मूल अंतर्दृष्टि साहसिक और व्यावहारिक है: VLC की अपरिहार्य आवश्यकताओं (अर्थात डीसी संतुलन और रन-लेंथ नियंत्रण) का त्याग किए बिना, त्रुटि सुधार कार्यक्षमता को सीधे लाइन कोडिंग स्तर में एकीकृत किया जा सकता है। हालांकि उद्योग आमतौर पर फॉरवर्ड एरर करेक्शन और RLL को अलग-अलग, अनुक्रमिक परतों के रूप में देखता है - जिससे अक्सर सोपानी कोड दर हानि और जटिलता में वृद्धि होती है - यह कार्य एक एकीकृत डिज़ाइन की वकालत करता है। 5B10B कोड केवल एक और मैपिंग टेबल नहीं है; यह भौतिक स्तर की बुद्धिमत्ता को बढ़ाने की एक रणनीतिक पहल है, जिससे मध्यम सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात परिस्थितियों में रीड-सोलोमन कोड या LDPC कोड जैसे जटिल बाहरी कोड्स पर निर्भरता कम होने की संभावना है। यह आधुनिक वायरलेस मानकों में प्रतिबिंबित, संचार प्रणाली डिज़ाइन में क्रॉस-लेयर अनुकूलन की व्यापक प्रवृत्ति के अनुरूप है।

3. तार्किक संरचना: समस्या से समाधान तक

लेखक का तर्क प्रभावशाली है। सबसे पहले, उन्होंने मानक VLC कार्यान्वयन की घातक कमजोरी को सही ढंग से इंगित किया: शास्त्रीय RLL कोड के कमजोर त्रुटि सुधार प्रदर्शन के कारण अतिरिक्त चैनल कोडिंग का उपयोग करने के लिए मजबूर होना पड़ता है, जिससे शुद्ध थ्रूपुट गंभीर रूप से कमजोर हो जाता है। इसके बाद, उन्होंने मौजूदा तकनीकों की व्यवस्थित रूप से आलोचना की: [6] और [7] जैसे समाधान डीसी संतुलन से समझौता करते हैं (जो मानव आँख की सुरक्षा और फ्लिकर मानकों के लिए अस्वीकार्य है), जबकि कैस्केड योजनाएं [3,5,9] डिकोडिंग जटिलता बढ़ाती हैं। तार्किक निष्कर्ष अपरिहार्य है - एक नए कोड की आवश्यकता है। 5B10B कोड को उत्तर के रूप में प्रस्तुत किया गया है, जिसे शुरू से ही बेहतर दूरी स्पेक्ट्रम रखने के साथ-साथ RLL बाधाओं का पालन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। समस्या परिभाषा (RLL की कमजोर त्रुटि सुधार क्षमता) से लेकर विकल्पों की आलोचना, और फिर एकीकृत समाधान प्रस्तावित करने तक का प्रवाह स्पष्ट और प्रभावशाली है।

4. लाभ और सीमाएँ: आलोचनात्मक मूल्यांकन

लाभ:

• एकीकृत डिज़ाइन: FEC और RLL कार्यक्षमता का समन्वय इसकी सबसे बड़ी ताकत है, जो प्रणाली स्तर पर सरलता लाने की संभावना रखता है।
• पश्च-अनुकूलता अवधारणा: यह मैनचेस्टर कोड आदि के समान ही कोड दर ($1/2$) बनाए रखता है, जिससे मौजूदा IEEE 802.15.7 ढांचे में एकीकरण सुविधाजनक होता है।
• प्रदर्शन दावा: रिपोर्ट के अनुसार, 4B6B-OOK जैसे मानकों की तुलना में इसकी बिट एरर रेट में उल्लेखनीय सुधार है, जो स्वतंत्र रूप से सत्यापित होने पर एक प्रमुख विक्रय बिंदु होगा।

कमियाँ और अनसुलझे मुद्दे:

• मैपिंग तालिका में विवरण: पेपर एक विशिष्ट, अनुमानतः अनुकूलित 5B से 10B मैपिंग तालिका (Table I) पर निर्भर करता है। इस इष्टतम मैपिंग को प्राप्त करने की विधि - चाहे वह कंप्यूटर खोज, बीजगणितीय निर्माण, या अनुमानी अनुमान के माध्यम से हो - का गहन विवरण नहीं दिया गया है। विभिन्न चैनल क्षतियों के प्रति इस विशिष्ट मैपिंग तालिका की मजबूती पर और विचार करने की आवश्यकता है।
• जटिलता का ब्लैक बॉक्स: "कम जटिलता" का दावा प्रस्तुत किया गया है लेकिन मात्रात्मक रूप से परिभाषित नहीं किया गया है। इसकी डिकोडिंग जटिलता (संभवतः लुकअप टेबल या न्यूनतम ट्रेलिस डिकोडिंग) पारंपरिक RLL डिकोडर के बाद सरल FEC डिकोडर की तुलना में कैसी है? जटिलता-लाभ विश्लेषण का अभाव है।
• सीमित मॉड्यूलेशन रेंज: परिणाम मुख्य रूप से OOK के लिए प्रदर्शित किए गए हैं। VPPM मॉड्यूलेशन के तहत प्रदर्शन, जो IEEE मानक का एक हिस्सा है, अभी भी स्पष्ट नहीं है।

5. व्यावहारिक अंतर्दृष्टि एवं रणनीतिक महत्व

Li-Fi और VLC क्षेत्र में उत्पाद प्रबंधकों और सिस्टम आर्किटेक्ट्स के लिए, यह लेख स्पष्ट मार्गदर्शन प्रदान करता है:

1. भौतिक परत प्रोटोकॉल स्टैक का पुनर्मूल्यांकन: IEEE 802.15.7 के कोड सूची को संपूर्ण मानने की गलती न करें। स्वामित्व या उन्नत भौतिक परतें प्रतिस्पर्धात्मक लाभ का स्रोत बन सकती हैं, विशेष रूप से इनडोर पोजिशनिंग या उच्च विश्वसनीयता लिंक के संदर्भ में।
2. मध्यम-स्तरीय अनुप्रयोगों के लिए एकीकृत कोड को प्राथमिकता दें: ऐसे अनुप्रयोगों के लिए जिन्हें अच्छी विश्वसनीयता की आवश्यकता होती है लेकिन कम्प्यूटेशनल संसाधन या विलंब सीमित होते हैं (उदाहरण के लिए, VLC-आधारित IoT परिदृश्य), 5B10B जैसे एकीकृत कोड कैस्केड योजनाओं से बेहतर हो सकते हैं।
3. वास्तविक परिदृश्य सत्यापन की आवश्यकता है: अपनाने से पहले, वास्तविक VLC चैनल स्थितियों में परीक्षण करने पर जोर दें - जिसमें मल्टीपाथ, परिवेशी प्रकाश शोर और गतिशीलता शामिल हैं, न कि केवल AWGN चैनल। प्रदर्शन अंतर बढ़ या सिकुड़ सकता है।
4. मानकीकरण प्रक्रिया में भाग लें: यह कार्य भविष्य के VLC मानक संशोधन के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है। उद्योग के प्रतिभागियों को इसके स्वतंत्र मूल्यांकन और प्रचार में शामिल होना चाहिए।

5B10B कोड अधिक कुशल PHY लेयर डिज़ाइन की दिशा में एक कदम का प्रतिनिधित्व करता है। इसका अंतिम प्रभाव उद्योग की स्थापित मानकों को चुनौती देने और नई, समग्र पद्धतियों को मान्य करने की इच्छा पर निर्भर करेगा।

6. तकनीकी गहन विश्लेषण: 5B10B कोड

6.1 कोड संरचना एवं मैपिंग

प्रस्तावित कोड एक ब्लॉक कोड है, जिसे एक लुकअप टेबल द्वारा परिभाषित किया गया है। यह टेबल 32 संभावित 5-बिट डेटा शब्दों ($00000_2$ से $11111_2$ तक) में से प्रत्येक को एक सावधानीपूर्वक चुने गए 10-बिट कोडवर्ड पर मैप करती है। चयन मानदंड बहु-उद्देश्यीय हैं:

• DC संतुलन: चयनित कोडवर्ड में छोटी विंडो के भीतर लगभग बराबर संख्या में 1 और 0 होते हैं, ताकि प्रेषित सिग्नल के निम्न-आवृत्ति घटक को कम किया जा सके और दृश्यमान फ्लिकर को रोका जा सके।
• रन-लेंथ सीमा: सतत समान प्रतीकों की अधिकतम लंबाई (रनलेंथ) को सीमित करना, ताकि सिग्नल के बेसलाइन ड्रिफ्ट को नियंत्रित किया जा सके और क्लॉक रिकवरी सुनिश्चित हो सके।
• त्रुटि सुधार क्षमता: मैपिंग डिज़ाइन का उद्देश्य कोडवर्ड्स के बीच की हैमिंग दूरी को अधिकतम करना है।

6.2 गणितीय आधार एवं त्रुटि संशोधन क्षमता

त्रुटि संशोधन क्षमता कोड की न्यूनतम हैमिंग दूरी ($d_{min}$) से प्राप्त होती है। ब्लॉक कोड के लिए, $d_{min}$ किन्हीं दो भिन्न कोडवर्डों के बीच भिन्न बिट्स की न्यूनतम संख्या है। सिद्धांत रूप में, एक कोड अधिकतम $t$ त्रुटियों को ठीक कर सकता है, जहाँ $t = \lfloor \frac{d_{min} - 1}{2} \rfloor$ है। यद्यपि पेपर में पूर्ण 5B10B कोड के $d_{min}$ का स्पष्ट रूप से उल्लेख नहीं किया गया है, लेकिन इसके बेहतर BER प्रदर्शन का अर्थ है कि यह मानक 4B6B या 8B10B कोड से अधिक है। AWGN चैनल पर सॉफ्ट-डिसीजन डिकोडिंग के लिए, कोडिंग लाभ को लगभग $10 \log_{10}(R \cdot d_{min})$ dB के रूप में अनुमानित किया जा सकता है, जहाँ $R$ कोड दर है।

डिकोडिंग प्रक्रिया (हालांकि अंश में विस्तार से वर्णित नहीं) में आमतौर पर प्राप्त 10-बिट अनुक्रम और तालिका में सभी वैध कोडवर्डों के बीच हैमिंग दूरी की गणना शामिल होती है, और निकटतम मिलान (न्यूनतम दूरी डिकोडिंग) का चयन किया जाता है। केवल 32 प्रविष्टियों वाले कोडबुक के लिए, यह एक कम जटिलता वाला ऑपरेशन है।

7. प्रयोगात्मक परिणाम एवं प्रदर्शन विश्लेषण

पेपर OOK मॉड्यूलेशन के साथ AWGN चैनल का उपयोग करते हुए, प्रस्तावित 5B10B कोड की तुलना 4B6B और 8B10B जैसे मानक विकल्पों से करने वाले सैद्धांतिक और सिमुलेशन परिणाम प्रस्तुत करता है।

• प्रमुख मेट्रिक - बिट एरर रेट: मुख्य दावा यह है कि 5B10B कोड "बिट त्रुटि दर के मामले में अपने मानक-अनिवार्य समकक्ष से बेहतर है"। इसका अर्थ है कि दिए गए सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात पर, 5B10B प्रणाली निम्न BER प्राप्त करती है।
• प्रदर्शन अंतर: पाठ इंगित करता है कि यह लाभ "मध्यम से उच्च SNR" सीमा में विशेष रूप से स्पष्ट है। यह एक महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि है; कोड में निहित त्रुटि सुधार क्षमता बहुत कम SNR पर, जब चैनल बहुत खराब होता है, तो घटती प्रतिफल देती है, लेकिन कई VLC अनुप्रयोगों की विशिष्ट परिचालन स्थितियों में एक स्पष्ट लाभ प्रदान करती है।
• दृश्य प्रतिनिधित्व (अंतर्निहित): इस प्रकार के पेपर का एक मानक परिणाम BER बनाम SNR (Eb/N0) का ग्राफ है। हम अनकोडेड OOK, 4B6B-OOK, 8B10B-OOK और 5B10B-OOK के कर्व्स देखने की अपेक्षा करते हैं। 5B10B कर्व को बाईं ओर शिफ्ट दिखाना चाहिए, जिसका अर्थ है कि अन्य कोड के समान BER तक पहुंचने के लिए इसे कम SNR की आवश्यकता है, जिससे इसके एन्कोडिंग लाभ का प्रमाण मिलता है।

8. विश्लेषणात्मक ढांचा: तुलनात्मक केस अध्ययन

परिदृश्य: इंडोर पोजिशनिंग सिस्टम के लिए VLC डाउनलिंक डिज़ाइन करें, जहां LED पोजिशनिंग बीकन प्रसारित करते हैं। आवश्यकताएँ: कम विलंबता, उच्च विश्वसनीयता (कम BER), सख्ती से फ़्लिकर-मुक्त प्रकाश व्यवस्था का पालन।

1. बेसलाइन (मानकों के अनुरूप): IEEE 802.15.7 के 4B6B कोड का उपयोग करें, जिसके बाद बाहरी FEC के रूप में एक (15,11) हैमिंग कोड हो। शुद्ध कोड दर: $R_{net} = (4/6) * (11/15) \approx 0.489$। जटिलता: दो-स्तरीय एन्कोडिंग/डिकोडिंग।
2. प्रस्तावित समाधान: 5B10B कोड का अकेले उपयोग। शुद्ध कोड दर: $R_{net} = 5/10 = 0.5$। जटिलता: एकल-चरण एन्कोडिंग/डिकोडिंग (लुक-अप टेबल)।
3. विश्लेषण: 5B10B समाधान थोड़ी अधिक डेटा दर और काफी कम कार्यान्वयन जटिलता प्रदान करता है। यदि इसकी अंतर्निहित त्रुटि सुधार क्षमता सिस्टम के BER लक्ष्य को पूरा करती है (पेपर दावा करता है कि मध्यम SNR पर यह कर सकता है), तो यह एक बेहतर विकल्प बन जाता है, जिससे रिसीवर डिज़ाइन सरल हो जाता है और संभवतः बिजली की खपत कम हो जाती है - यह बैटरी से चलने वाले पोजिशनिंग टैग के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है।
4. ट्रेड-ऑफ: जोखिम यह है कि 5B10B का निश्चित, अंतर्निहित त्रुटि सुधार एक स्वतंत्र FEC परत जितना लचीला नहीं हो सकता है, जिसे विभिन्न चैनल स्थितियों के लिए समायोजित किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, हैमिंग कोड की ताकत बदलकर)।

9. भविष्य के अनुप्रयोग और शोध दिशाएं

5B10B कोड ने कई आशाजनक दिशाएँ खोली हैं:

• OOK से परे: उन्नत VLC मॉड्यूलेशन (जैसे ऑर्थोगोनल फ़्रीक्वेंसी डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग या कलर शिफ्ट कीइंग) के साथ इसके संयोजन का प्रदर्शन अध्ययन, मजबूती बनाए रखते हुए उच्च डेटा दरों को अनलॉक कर सकता है।
• सॉफ्ट डिकोडिंग एक्सटेंशन: हालांकि यह वर्तमान में हार्ड डिसीजन डिकोडिंग के लिए लागू है, 5B10B डिकोडर का एक सॉफ्ट-आउटपुट संस्करण विकसित करने से इसे आधुनिक क्षमता-समीपस्थ कोड (जैसे पोलर कोड या LDPC कोड) के साथ कुशलतापूर्वक कैस्केड किया जा सकता है, जिससे एक मजबूत हाइब्रिड FEC योजना बनती है।
• मानकीकरण को आगे बढ़ाना: इसका सबसे सीधा अनुप्रयोग भविष्य के IEEE 802.15.7 मानक के संशोधन में शामिल होने की संभावना है, या pureLiFi या Signify जैसी कंपनियों के स्वामित्व वाले Li-Fi समाधानों में, मौजूदा RLL विकल्पों के लिए प्लग-एंड-प्ले सुधार प्रदान करना।
• ऑटोमोटिव और अंडरवाटर VLC: ये चैनल गतिशील रूप से बदलने वाले कठोर वातावरण हैं। कोड की बेहतर त्रुटि-सहिष्णुता वाहन-से-वाहन संचार या अंडरवाटर ऑप्टिकल नेटवर्क के लिए विशेष रूप से मूल्यवान हो सकती है, जहां लिंक विश्वसनीयता महत्वपूर्ण है।

10. मौलिक विश्लेषण और विशेषज्ञ टिप्पणी

Reguera द्वारा प्रस्तावित 5B10B RLL कोड VLC क्षेत्र में एक समय पर और तकनीकी रूप से ठोस हस्तक्षेप है, एक ऐसा क्षेत्र जो लंबे समय से भौतिक परत कोडिंग के प्रति रूढ़िवादी रवैये से बंधा हुआ है। इस कार्य का मुख्य लाभ इसकी समग्र डिजाइन अवधारणा में निहित है। यह झिलमिलाहट दमन (डीसी संतुलन के माध्यम से) और त्रुटि नियंत्रण को अनुक्रमिक, स्वतंत्र समस्याओं के रूप में नहीं देखता - जो कि वायर्ड संचार की एक विरासती मानसिकता है - बल्कि VLC की विशिष्ट पृष्ठभूमि में उनकी परस्पर निर्भरता को स्वीकार करता है। यह संचार इंजीनियरिंग में संयुक्त स्रोत चैनल कोडिंग और क्रॉस-लेयर डिजाइन की ओर व्यापक प्रतिमान बदलाव को दर्शाता है, जैसा कि वायरलेस सिस्टम में मशीन लर्निंग-आधारित सिग्नल प्रोसेसिंग अनुसंधान द्वारा प्रदर्शित किया गया है।

पेपर मौजूदा तकनीकों की सीमाओं को सही ढंग से इंगित करता है। डीसी संतुलन को शिथिल करने वाली योजनाएं [6,7] उन वाणिज्यिक प्रकाश उत्पादों के लिए व्यवहार्य नहीं हैं जिन्हें IEEE PAR1789 जैसे सख्त स्वास्थ्य सुरक्षा नियमों का पालन करना चाहिए। इसके विपरीत, एक शक्तिशाली FEC कोड को एक क्लासिक RLL कोड के साथ केवल साधारण रूप से जोड़ना [3,5,9], हालांकि प्रभावी है, अक्सर एक बड़े हथौड़े से अखरोट तोड़ने जैसा लगता है - कई मध्यम विश्वसनीयता वाले VLC उपयोग मामलों के लिए, यह अनावश्यक जटिलता और विलंबता पेश करता है। 5B10B कोड ने इस मध्य मार्ग को सुंदरता से खोज लिया है।

हालाँकि, विश्लेषण को एक अधिक कठोर सूचना सिद्धांत ढांचे के माध्यम से मजबूत किया जा सकता है। यह मैन्युअल रूप से डिज़ाइन किया गया, निश्चित कोड दर 0.5 वाला कोड, डीसी संतुलन बाधा के तहत, एक विशिष्ट VLC-AWGN लिंक की चैनल क्षमता के कितना करीब है? यहां तक कि एक मोटा तुलना भी इसकी दक्षता को संदर्भ में रख सकती है। इसके अलावा, हालांकि OOK पर ध्यान केंद्रित करना समझ में आता है, एडिनबर्ग विश्वविद्यालय के Li-Fi अनुसंधान केंद्र और पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी जैसी टीमों के नेतृत्व वाला VLC अनुसंधान समुदाय तेजी से उच्च स्पेक्ट्रम दक्षता वाले मॉड्यूलेशन तरीकों की ओर बढ़ रहा है। इन योजनाओं के लिए इस कोड की अनुकूलनशीलता को प्रदर्शित करना इसकी अपील को काफी बढ़ा देगा।

अंततः, 5B10B कोड की सफलता दो कारकों पर निर्भर करेगी: परिवेशी प्रकाश शोर वाली वास्तविक, डिमेबल VLC चैनल स्थितियों के तहत स्वतंत्र प्रायोगिक सत्यापन, और अति-कम शक्ति वाले डिकोडर आर्किटेक्चर का विकास। यदि ये शर्तें पूरी होती हैं, तो यह विश्वसनीयता-संवेदी VLC अनुप्रयोगों (स्मार्ट फैक्ट्रियों से लेकर अस्पताल संचार नेटवर्क तक) के लिए अगली पीढ़ी के डी फैक्टो मानक RLL कोड के रूप में उभरने की क्षमता रखता है, जिससे एकीकृत भौतिक परत डिजाइन के लिए एक नया मानक स्थापित हो सकता है।

11. संदर्भ सूची

1. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, IEEE Std 802.15.7-2018, 2018.
2. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, and S. Rajbhandari, ऑप्टिकल वायरलेस कम्युनिकेशंस: सिस्टम एंड चैनल मॉडलिंग विद MATLAB®, CRC Press, 2019.
3. K. Lee and H. Park, "Communications Series T: Joint DC-Balance and Error Control Coding for Visual Light Communications," ETRI Journal, vol. 33, no. 4, pp. 613-615, Aug. 2011.
4. D. Tsonev, S. Videv, and H. Haas, "Light Fidelity (Li-Fi): Towards All-Optical Networking," Proc. SPIE 9007, Broadband Access Communication Technologies VIII, 900702, 2014. (यूनिवर्सिटी ऑफ एडिनबर्ग का Li-Fi पर अग्रणी शोध पत्र)
5. J. R. Barry, वायरलेस इन्फ्रारेड कम्युनिकेशंस, Kluwer Academic Publishers, 1994. (ऑप्टिकल वायरलेस संचार पर मौलिक कार्य)
6. विजिबल लाइट कम्युनिकेशन एलायंस (VLCA) - उद्योग संघ। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: http://www.vlca.net
7. I. Goodfellow et al., "Generative Adversarial Nets," in Advances in Neural Information Processing Systems (NIPS), 2014. (एक विघटनकारी, अंतःविषय पद्धति के उदाहरण के रूप में उद्धृत, जैसा कि इस पत्र में प्रस्तावित एकीकृत डिजाइन)
8. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), "Guidelines on Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz)," Health Physics, vol. 118, no. 5, pp. 483-524, 2020. (Flicker and safety standards related)