दृश्य प्रकाश संचार प्रणाली: मूल सिद्धांत, चुनौतियाँ और अनुप्रयोग

1. परिचय

दृश्यमान प्रकाश संचार (VLC) वायरलेस संचार के क्षेत्र में एक प्रतिमान परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है, जो प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) का उपयोग करके प्रकाश व्यवस्था और डेटा संचरण दोहरे कार्य को साकार करता है। यह तकनीक 155-700nm तरंगदैर्ध्य सीमा के भीतर अनियमित 200 THz बैंडविड्थ का उपयोग करके "अंतिम मीटर" कनेक्टिविटी की महत्वपूर्ण बाधा को हल करती है। पारंपरिक रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) प्रणालियों के विपरीत, VLC में अंतर्निहित सुरक्षा लाभ है क्योंकि प्रकाश संकेत दीवारों से नहीं गुजर सकते, जो इसे सिग्नल पृथक्करण की आवश्यकता वाले इनडोर वातावरण के लिए आदर्श विकल्प बनाता है।

LED निर्माण प्रौद्योगिकी के तीव्र विकास ने VLC को सैद्धांतिक अवधारणा से व्यावहारिक अनुप्रयोग में बदल दिया है। आधुनिक LED उच्च दक्षता, स्थायित्व और लंबी आयु को एक साथ जोड़ते हैं, जिनकी मॉड्यूलेशन क्षमता 100 MHz से अधिक है, जो पारंपरिक Wi-Fi प्रणालियों के बराबर डेटा दर प्राप्त करने में सक्षम बनाती है। यह लेख वर्तमान VLC अनुसंधान और विकास को परिभाषित करने वाले मूल सिद्धांतों, सिस्टम घटकों और चैनल मॉडलिंग चुनौतियों की पड़ताल करता है।

2. VLC प्रणाली के मूल सिद्धांत

VLC प्रणाली संरचना में तीन मुख्य घटक शामिल हैं: ऑप्टिकल ट्रांसमीटर, प्रसार चैनल और ऑप्टिकल रिसीवर। प्रत्येक घटक अद्वितीय डिजाइन चुनौतियाँ और अनुकूलन के अवसर प्रस्तुत करता है।

3. इंडोर चैनल मॉडलिंग

वास्तविक इनडोर वातावरण में VLC सिस्टम के प्रदर्शन की भविष्यवाणी के लिए सटीक चैनल मॉडलिंग महत्वपूर्ण है। इनडोर ऑप्टिकल वायरलेस चैनल अद्वितीय विशेषताएं प्रदर्शित करते हैं, जो उन्हें RF वायरलेस चैनल और ऑप्टिकल फाइबर चैनल से अलग करती हैं।

4. Technical Analysis and Mathematical Framework

VLC चैनल को LED के लैम्बर्टियन विकिरण पैटर्न का उपयोग करके मॉडल किया जा सकता है। एकल LED ट्रांसमीटर से प्राप्त प्रकाश शक्ति $P_r$ निम्न समीकरण द्वारा दी जाती है:

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

जहाँ:

• $P_t$: प्रेषित प्रकाश शक्ति
• $m$: लैम्बर्टियन क्रम ($m = -\ln2 / \ln(\cos\Phi_{1/2})$)
• $\Phi_{1/2}$: LED अर्ध-शक्ति कोण
• $A$: डिटेक्टर का भौतिक क्षेत्रफल
• $d$: ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच की दूरी
• $\phi$: विकिरण कोण
• $\psi$: आपतन कोण
• $T_s(\psi)$: ऑप्टिकल फ़िल्टर लाभ
• $g(\psi)$: कंसंट्रेटर गेन
• $\Psi_c$: फील्ड ऑफ व्यू (FOV)

लाइन-ऑफ-साइट प्रोपेगेशन के लिए चैनल का डीसी गेन $H(0)$ है:

$H(0) = \begin{cases} \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi), & 0 \leq \psi \leq \Psi_c \\ 0, & \psi > \Psi_c \end{cases}$

5. Experimental Results and Performance Metrics

हाल के प्रायोगिक कार्यान्वयन ने VLC की व्यावहारिक क्षमताओं को प्रदर्शित किया है:

चित्र 1: BER और SNR प्रदर्शन संबंध - प्रायोगिक परिणाम दर्शाते हैं कि OOK मॉड्यूलेशन का उपयोग करने वाली VLC प्रणाली लगभग 15 dB SNR पर $10^{-3}$ BER प्राप्त कर सकती है, और फॉरवर्ड एरर करेक्शन लागू करने के बाद, 20 dB SNR पर इसे $10^{-6}$ तक सुधारा जा सकता है।

चित्र 2: चैनल क्षमता और बैंडविड्थ के बीच संबंध - सैद्धांतिक विश्लेषण से पता चलता है कि OFDM जैसे उन्नत मॉड्यूलेशन प्रारूपों का उपयोग करके और अनुकूली बिट लोडिंग के साथ संयुक्त, VLC चैनल 20 MHz बैंडविड्थ के भीतर 10 Gbps तक की दर का समर्थन कर सकता है।

6. विश्लेषणात्मक ढांचा: केस स्टडी

दृश्य: 10m × 10m × 3m के एक सम्मेलन कक्ष के लिए VLC सिस्टम डिज़ाइन करें, जिसकी छत पर चार LED ऐरे लगे हों।

विश्लेषण ढांचा:

1. चैनल वर्णन: आवेग प्रतिक्रिया की गणना के लिए पुनरावर्ती विधि का उपयोग करें, अधिकतम 3-क्रम परावर्तन पर विचार करें
2. लिंक बजट विश्लेषण: लक्ष्य BER $10^{-6}$ प्राप्त करने के लिए आवश्यक न्यूनतम संचारण शक्ति निर्धारित करें
3. हस्तक्षेप प्रबंधन: बहु-उपयोगकर्ता के लिए समय विभाजन बहु पहुंच (TDMA) लागू करें
4. प्रदर्शन सत्यापन: मोंटे कार्लो विधि का उपयोग करके अनुकरण, $10^6$ बिट्स संचारित करना

प्रमुख पैरामीटर:

• LED अर्ध-शक्ति कोण: 60°
• रिसीवर दृश्य क्षेत्र कोण: 60°
• दीवार परावर्तन: 0.8
• लक्ष्य डेटा दर: प्रति उपयोगकर्ता 100 Mbps
• अधिकतम विलंब प्रसार: 8.2 ns (गणना मूल्य)

परिणाम: 分析确认了可行性，2W总光功率可在所有接收机位置实现SNR > 25 dB，支持8个用户同时以100 Mbps速率通信。

7. भविष्य के अनुप्रयोग और विकास की दिशाएं

VLC प्रौद्योगिकी विशिष्ट अनुप्रयोगों से आगे बढ़कर उल्लेखनीय विस्तार प्राप्त करने की संभावना रखती है:

7.1 5G/6G एकीकरण

जैसा कि IEEE 802.15.7r1 मानकीकरण कार्य द्वारा निर्धारित किया गया है, VLC विषम नेटवर्क में RF के पूरक प्रौद्योगिकी के रूप में कार्य करेगा। यूनिवर्सिटी ऑफ एडिनबर्ग के प्रोफेसर हेराल्ड हास द्वारा प्रतिपादित Li-Fi (लाइट फिडेलिटी) अवधारणा दर्शाती है कि VLC सघन शहरी वातावरण में भीड़भाड़ वाले RF बैंड ट्रैफ़िक को कैसे ऑफलोड कर सकता है।

7.2 इंटेलिजेंट ट्रांसपोर्टेशन सिस्टम

使用车灯和交通信号灯进行车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信是前景广阔的应用。卡内基梅隆大学的研究表明，VLC可为自动驾驶汽车实现精确的定位（精度 < 10 cm）。

7.3 अंडरवाटर कम्युनिकेशन

नीले/हरे एलईडी, पानी के भीतर के ऐसे वातावरण में संचार सक्षम कर सकते हैं जहां आरएफ सिग्नल तेजी से क्षीण हो जाते हैं। NATO STO के शोध से पता चलता है कि साफ पानी की स्थितियों में, VLC 100 मीटर से अधिक की संचार दूरी प्राप्त कर सकता है।

7.4 चिकित्सा एवं स्वास्थ्य

विद्युत चुम्बकीय व्यतिकरण (EMI) से मुक्त होने के गुण के कारण, VLC अस्पतालों और चिकित्सा सुविधाओं के लिए एक आदर्श विकल्प है। Massachusetts General Hospital के शोध ने VLC-आधारित रीयल-टाइम रोगी निगरानी प्रदर्शित की है, जो संवेदनशील चिकित्सा उपकरणों में हस्तक्षेप नहीं करती है।

7.5 प्रमुख अनुसंधान दिशाएँ:

• मशीन लर्निंग आधारित चैनल अनुमान एवं समीकरण
• सीमलेस हैंडओवर क्षमता युक्त हाइब्रिड RF/VLC सिस्टम
• क्वांटम लिमिट रिसीवर जो चरम संवेदनशीलता प्राप्त करता है
• एकीकृत ऊर्जा संग्रहण कार्यक्षमता वाला रिसीवर
• क्रॉस-एप्लिकेशन डोमेन मानकीकरण

8. संदर्भ सूची

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9. मूल विश्लेषण: उद्योग परिप्रेक्ष्य