द्विदिश दृश्यमान प्रकाश संचार (VLC) लंबे समय से एक व्यावहारिक, उच्च-प्रदर्शन अपलिंक समाधान की कमी से सीमित रहा है। पारंपरिक डाउनलिंक उच्च-गति डेटा प्रसारण के लिए एलईडी का लाभ उठाते हैं, लेकिन अपलिंक चैनलों को महत्वपूर्ण बाधाओं का सामना करना पड़ता है: रेट्रो-रिफ्लेक्टर्स कम दर प्रदान करते हैं, आरएफ-आधारित समाधान (वाई-फाई/ब्लूटूथ) संवेदनशील क्षेत्रों (अस्पताल, विमान) में प्रतिबंधित हैं, और इन्फ्रारेड या ऑल-ऑप्टिकल VLC अपलिंक उच्च दिशात्मकता, डाउनलिंक के साथ हस्तक्षेप, या सीमित अनुप्रयोग परिदृश्यों से ग्रस्त हैं जहां अपलिंक प्रकाश व्यवस्था अनावश्यक है। यह शोध पत्र अश्रव्य अल्ट्रासोनिक तरंगों पर आधारित एक अपलिंक विधि प्रस्तावित करके इस महत्वपूर्ण अंतर को संबोधित करता है, जो फ्रीक्वेंसी-शिफ्ट कीइंग (FSK) मॉड्यूलेशन और माइक्रोफोन ऐरे के माध्यम से डिजिटल बीमफॉर्मिंग का उपयोग करके एक दिशात्मक, असममित संचार चैनल बनाता है जो ऑप्टिकल डाउनलिंक के साथ हस्तक्षेप नहीं करता।
मूल नवाचार अपलिंक को ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम से अलग करने में निहित है। यह प्रकाश के बजाय वाहक के रूप में निकट-अल्ट्रासोनिक/अश्रव्य रेंज (जैसे, 15 kHz से ऊपर) में ध्वनि तरंगों का उपयोग करता है।
उपयोगकर्ता डिवाइस फ्रीक्वेंसी-शिफ्ट कीइंग (FSK) का उपयोग करके डेटा को एक अश्रव्य ऑडियो वाहक पर मॉड्यूलेट करके प्रसारित करता है। प्रोटोटाइप सत्यापन के लिए, चार श्रव्य आवृत्तियों (0.5, 1.5, 2.5, 3.5 kHz) का उपयोग एक 4-FSK योजना का अनुकरण करने के लिए किया गया, जो डिजिटल प्रतीकों का प्रतिनिधित्व करती हैं। यह विकल्प डेटा संचरण के लिए सामान्य मानव श्रवण (20Hz-20kHz) के बाहर आवृत्ति मार्जिन का दोहन करता है।
10 ओम्नीडायरेक्शनल माइक्रोफोन (0.05m अंतराल पर स्थित) की एक रैखिक सरणी समग्र ध्वनिक सिग्नल प्राप्त करती है। फिर एक डिजिटल बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम (विशेष रूप से, फ्रॉस्ट बीमफॉर्मर) लागू किया जाता है। यह एल्गोरिदम प्रत्येक माइक्रोफोन से सिग्नल को संसाधित करके एक निर्देशित रिसेप्शन बीम बनाता है, जो प्रभावी रूप से वांछित अपलिंक सिग्नल को परिवेशी शोर या विभिन्न दिशाओं से आने वाले हस्तक्षेप करने वाले ध्वनि स्रोतों (जैसे, -10°, -30°, 20° के रूप में अनुकरणित) से अलग करता है।
प्रायोगिक सेटअप में एक रैखिक माइक्रोफोन सरणी शामिल थी जो वांछित डेटा सिग्नल और दो हस्तक्षेप सिग्नल युक्त एक समग्र सिग्नल प्राप्त करती थी। सिस्टम ने लक्ष्य अपलिंक ट्रांसमिशन को स्थानिक रूप से फ़िल्टर करने की क्षमता प्रदर्शित की।
शोध पत्र में चित्र 3 महत्वपूर्ण तरंगरूप प्रस्तुत करता है: (क) प्रसारित डेटा और हस्तक्षेप सिग्नल, और (ख) समग्र प्राप्त सिग्नल, व्यक्तिगत माइक्रोफोन सिग्नल, और बीमफॉर्मिंग के बाद सफलतापूर्वक पुनर्प्राप्त डेटा सिग्नल। परिणाम दृश्य रूप से पुष्टि करते हैं कि बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम ने हस्तक्षेप को प्रभावी ढंग से समाप्त कर दिया और स्वच्छ डेटा तरंगरूप निकाला, जिससे अपलिंक पुनर्प्राप्ति के लिए ध्वनिक स्थानिक फ़िल्टरिंग की मूल अवधारणा को मान्य किया गया।
फ्रॉस्ट बीमफॉर्मर एक बाधित अनुकूली बीमफॉर्मर है। यह आउटपुट पावर को कम करता है (हस्तक्षेप और शोर को दबाता है) एक रैखिक बाधा के अधीन जो लुक दिशा (वांछित सिग्नल के आगमन की दिशा) में एकता लाभ सुनिश्चित करती है। वेट वेक्टर $\mathbf{w}$ को हल करने के लिए अनुकूलित किया जाता है: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{subject to} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ जहां $\mathbf{R}_{xx}$ इनपुट सिग्नल का कोवेरिएंस मैट्रिक्स है, $\mathbf{C}$ बाधा मैट्रिक्स है, और $\mathbf{g}$ वांछित प्रतिक्रिया वेक्टर है। यह प्रभावी स्थानिक फ़िल्टरिंग की अनुमति देता है।
4-FSK में, डेटा के 2 बिट्स चार अलग-अलग वाहक आवृत्तियों $f_1, f_2, f_3, f_4$ में से एक द्वारा दर्शाए जाते हैं। प्रसारित सिग्नल है: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{for symbol } i$$ डिमॉड्यूलेशन में आम तौर पर प्रत्येक आवृत्ति के लिए ट्यून किए गए फ़िल्टर या सहसंबंधकों का एक बैंक शामिल होता है, इसके बाद एक निर्णय सर्किट होता है जो एक प्रतीक अवधि में उच्चतम ऊर्जा वाली आवृत्ति का चयन करता है।
ढांचा अनुप्रयोग: VLC अपलिंक समाधानों का मूल्यांकन
इस और प्रतिस्पर्धी तकनीकों का आकलन करने के लिए, हम एक बहु-मापदंड निर्णय ढांचे का उपयोग कर सकते हैं:
केस स्टडी: अस्पताल ICU परिदृश्य
एक ICU में जहां चिकित्सा उपकरणों में हस्तक्षेप से बचने के लिए आरएफ प्रतिबंधित है, और डाउनलिंक VLC रोगी मॉनिटरों को प्रकाश व्यवस्था और उच्च-गति डेटा प्रदान करता है। प्रस्तावित अल्ट्रासोनिक अपलिंक नर्सों के टैबलेट को आरएफ उत्सर्जन के बिना और महत्वपूर्ण डाउनलिंक प्रकाश को प्रभावित किए बिना नेटवर्क पर वापस कम-बैंडविड्थ स्थिति अपडेट या नियंत्रण सिग्नल भेजने की अनुमति देता है। बीमफॉर्मिंग विभिन्न बेडसाइड से सिग्नल को अलग करने में मदद करता है, गोपनीयता बढ़ाता है और क्रॉस-टॉक कम करता है—यह ओम्नीडायरेक्शनल आरएफ या इन्फ्रारेड पर एक स्पष्ट लाभ है जिसके लिए सटीक इंगित की आवश्यकता हो सकती है।
मूल अंतर्दृष्टि: इस शोध पत्र का मौलिक मूल्य प्रस्ताव एक चतुर स्पेक्ट्रल और स्थानिक डिकपलिंग रणनीति है। यह पहचानता है कि VLC अपलिंक समस्या केवल एक और वायरलेस माध्यम खोजने के बारे में नहीं है, बल्कि एक ऐसा माध्यम खोजने के बारे में है जो असममित उपयोग के मामले के लिए पूरक, गैर-हस्तक्षेपकारी और लागत-प्रभावी हो। ध्वनिक डोमेन, विशेष रूप से अल्प-उपयोगित निकट-अल्ट्रासोनिक बैंड का उपयोग करना, एक पार्श्विक चिंतन कदम है जो अपने पूर्ववर्तियों की सीमाओं से बचता है।
तार्किक प्रवाह: तर्क ठोस है: 1) कई VLC-लक्षित वातावरणों में आरएफ बाहर है। 2) ऑप्टिकल अपलिंक (IR/VLC) हस्तक्षेप, दिशात्मकता और अनावश्यक प्रकाश व्यवस्था के कारण समस्याग्रस्त है। 3) ध्वनि सर्वव्यापी, सस्ती है और इसे अश्रव्य बनाया जा सकता है। 4) ध्वनि की मुख्य चुनौती इसकी सर्वदिशात्मक प्रकृति और शोर है। 5) समाधान: दिशात्मकता और शोर प्रतिरक्षा पुनः प्राप्त करने के लिए ध्वनिक डोमेन में सुस्थापित आरएफ सरणी प्रसंस्करण तकनीकों (बीमफॉर्मिंग) को लागू करना। फ्रॉस्ट बीमफॉर्मर के साथ प्रायोगिक प्रदर्शन इस तार्किक श्रृंखला को मान्य करता है।
शक्तियाँ एवं दोष:
शक्तियाँ: कमोडिटी हार्डवेयर (माइक्रोफोन, स्पीकर) का उपयोग करने की सुंदरता लागत और तैनाती के लिए एक प्रमुख प्लस है। बीमफॉर्मिंग के माध्यम से दिशात्मक रिसेप्शन एक महत्वपूर्ण विशेषता है जो इसे सरल ध्वनिक लिंक से अलग करती है, बहु-उपयोगकर्ता समर्थन और हस्तक्षेप अस्वीकृति की संभावना प्रदान करती है। आरएफ-संवेदनशील वातावरण के साथ इसकी अंतर्निहित संगतता एयरोस्पेस और स्वास्थ्य सेवा जैसे विशिष्ट बाजारों के लिए एक किलर फीचर है।
दोष एवं खुले प्रश्न: कमरे में हाथी डेटा दर है। प्रोटोटाइप kHz-रेंज वाहकों का उपयोग करता है, जो मौलिक रूप से GHz आरएफ या THz ऑप्टिकल वाहकों की तुलना में संभावित बैंडविड्थ को सीमित करता है। शोध पत्र प्राप्त बिटरेट पर मौन है, जो संभवतः कम है (kbps रेंज)। हवा में अल्ट्रासोनिक क्षीणन और बंद स्थानों में मल्टीपाथ प्रभाव रेंज और विश्वसनीयता को गंभीर रूप से सीमित कर सकते हैं। एक प्रतिध्वनित कमरे में एक छोटी, रैखिक सरणी के साथ बीमफॉर्मिंग सटीकता गैर-तुच्छ है। रिसीवर पर एक माइक्रोफोन सरणी की आवश्यकता एक एकल फोटोडायोड की तुलना में अवसंरचना जटिलता बढ़ाती है।
कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: शोधकर्ताओं के लिए, यह कार्य एक आशाजनक संकर क्षेत्र खोलता है: VLC के लिए ध्वनिक बैकस्कैटर। सक्रिय अल्ट्रासोनिक ट्रांसमिशन के बजाय, क्या उपयोगकर्ता डिवाइस केवल परिवेशी ध्वनि या डाउनलिंक प्रकाश सिग्नल को ध्वनिक रूप से मॉड्यूलेट कर सकते हैं? औद्योगिक IoT या स्मार्ट बिल्डिंग क्षेत्रों में उत्पाद प्रबंधकों के लिए, यह तकनीक वीडियो कॉल के लिए वाई-फाई अपलिंक को बदलने का उम्मीदवार नहीं है। हालांकि, यह आरएफ-विरोधी वातावरण में कम-दर, रुक-रुक कर आने वाले कमांड-एंड-कंट्रोल अपलिंक के लिए एकदम सही फिट है। सुरक्षित सरकारी सुविधाओं, विनिर्माण क्लीनरूम, या जहाजों पर बोर्ड जैसी सेटिंग्स में पायलट परियोजनाओं को प्राथमिकता दें जहां विनियमन, प्रदर्शन नहीं, प्राथमिक चालक है। लेखकों के लिए तत्काल अगला कदम प्राप्त करने योग्य बिट-त्रुटि दर (BER) बनाम दूरी और डेटा दर का एक कठोर अभिलक्षण होना चाहिए, जिसे बैकस्कैटर संचार नेटवर्क के लिए किए गए विश्लेषणों के समान ध्वनिक चैनल की मौलिक सीमाओं के विरुद्ध बेंचमार्क किया जाए।