Metodi di Mitigazione del Rumore per la Comunicazione Digitale in Luce Visibile (DVLC) - IJCNC Vol.18, No.1

Indice dei Contenuti

1. Introduzione

La Comunicazione in Luce Visibile (VLC) è emersa come una tecnologia complementare promettente rispetto ai sistemi RF, sfruttando l'infrastruttura di illuminazione ubiqua per la trasmissione dati. La VLC Digitale (DVLC) impiega schemi di modulazione come OOK e PPM. Tuttavia, le sue prestazioni sono gravemente ostacolate dal rumore ottico proveniente da sorgenti luminose ambientali (es. lampade fluorescenti), portando a distorsioni della forma d'onda e a un aumento del Tasso di Errore sui Bit (BER). Questo articolo di Uemura e Hamano, pubblicato su IJCNC Vol.18, No.1 (2026), affronta questa sfida critica proponendo e valutando due distinti metodi di mitigazione del rumore.

2. Comunicazione in Luce Visibile (VLC)

La VLC opera nello spettro visibile tra 380 e 780 nm. I LED bianchi sono trasmettitori comuni. Nella modulazione digitale a impulsi (es. OOK), uno stato di luce ON rappresenta un livello binario ALTO, e OFF rappresenta BASSO. I dati vengono trasmessi come una sequenza di questi intervalli di tempo. Il ricevitore applica tipicamente una soglia di tensione per distinguere tra gli stati.

3. Problemi di Rumore nei Sistemi VLC

Il rumore ottico sovrapposto al segnale VLC può causare un rilevamento errato dei simboli durante il processo di sogliatura al ricevitore, degradando l'affidabilità della comunicazione.

3.1 Rumore Periodico (Interferenza da RETE AC)

Questo rumore origina da sorgenti luminose ambientali alimentate in corrente alternata (es. lampade fluorescenti). La sua frequenza è legata alla rete elettrica locale (50/60 Hz). In questo studio, gli esperimenti sono stati condotti in condizioni a 60 Hz (Giappone occidentale). La forma d'onda del rumore presenta una natura periodica e prevedibile.

3.2 Rumore Non Periodico

Questa categoria include rumore imprevedibile da varie fonti, privo di una struttura periodica fissa, rendendolo più difficile da mitigare con semplici metodi sincroni.

4. Metodo Proposto 1: Sottrazione del Rumore Periodico

Questo metodo mira all'interferenza periodica proveniente da luci alimentate in AC.

4.1 Principio e Implementazione

L'idea centrale è campionare un ciclo completo della forma d'onda del rumore (durante un periodo di silenzio noto o tramite stima). Questo profilo di rumore campionato, $n_{sample}(t)$, viene quindi sottratto dal segnale ricevuto $r(t)$, che contiene sia il segnale desiderato $s(t)$ che il rumore $n(t)$: $r(t) = s(t) + n(t)$. Il segnale ripulito è approssimato come: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - n_{sample}(t)$.

4.2 Dettagli Tecnici e Formulazione Matematica

L'efficacia si basa su una sincronizzazione accurata al periodo del rumore $T_{noise}$ (es. 1/60 s). La sottrazione viene eseguita nel dominio digitale dopo la Conversione Analogico-Digitale (ADC). Una sfida chiave è l'allineamento di fase; un piccolo errore di fase $\phi$ può portare a rumore residuo: $n_{residual}(t) = n(t) - n_{sample}(t - \phi)$.

5. Metodo Proposto 2: Cancellazione del Rumore in Tempo Reale Ispirata all'ANC

Ispirato al Controllo Attivo del Rumore (ANC) acustico, questo metodo gestisce sia il rumore periodico che quello non periodico.

5.1 Architettura del Sistema

Il sistema introduce un fotodetettore ausiliario posizionato strategicamente per catturare principalmente la componente di rumore ambientale $n(t)$, minimizzando la ricezione del segnale VLC intenzionale $s(t)$. Questo fornisce un segnale di riferimento del rumore.

5.2 Progettazione del Circuito di Sottrazione

Un circuito di sottrazione analogico (es. basato su un amplificatore differenziale) riceve due ingressi: il segnale primario $r(t) = s(t) + n(t)$ e il rumore di riferimento $n_{ref}(t) \approx n(t)$. Il circuito restituisce in uscita: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - G \cdot n_{ref}(t)$, dove $G$ è un fattore di guadagno regolato per adattare l'ampiezza del rumore nel canale primario. Ciò consente una cancellazione del rumore adattiva e in tempo reale.

6. Risultati Sperimentali e Valutazione delle Prestazioni

Le prestazioni sono state quantificate utilizzando la metrica standard del Tasso di Errore sui Bit (BER) rispetto al rapporto Energia-per-bit su Densità spettrale di potenza del rumore ($E_b/N_0$).

6.1 Analisi BER vs. Eb/N0

I risultati mostrano chiaramente che entrambi i metodi proposti spostano verso il basso la curva BER vs. $E_b/N_0$ rispetto al ricevitore convenzionale. Per un BER target (es. $10^{-3}$), il metodo ispirato all'ANC lo raggiunge a un $E_b/N_0$ inferiore, indicando una maggiore efficienza energetica e robustezza.

6.2 Prestazioni Comparative

Metodo 1 è più semplice ed efficace per il rumore periodico dominante, ma fallisce contro le componenti non periodiche. Metodo 2 è più complesso (richiede un fotodiodo extra e un circuito) ma offre una protezione completa e in tempo reale, rendendolo adatto per ambienti dinamici con rumore misto.

7. Quadro di Analisi ed Esempio Pratico

Scenario: Un sistema DVLC per il posizionamento indoor in un supermercato. Le luci fluorescenti (60 Hz) causano rumore periodico, e la luce solare dalle finestre causa rumore non periodico e variabile nel tempo.

Applicazione del Quadro:

1. Profilazione del Rumore: Utilizzare il fotodiodo ausiliario (Metodo 2) per registrare la firma del rumore composito nel tempo.
2. Selezione del Metodo: Implementare il metodo ispirato all'ANC come cancellatore primario per la sua adattabilità.
3. Sintonizzazione dei Parametri: Regolare dinamicamente il guadagno di sottrazione $G$ basandosi sulla correlazione tra i canali primario e di riferimento. Un semplice filtro adattivo come l'algoritmo dei Minimi Quadrati Medi (LMS) potrebbe essere implementato in un microcontrollore: $G_{k+1} = G_k + \mu \cdot e_k \cdot n_{ref,k}$, dove $e_k$ è il segnale di errore (uscita ripulita) e $\mu$ è la dimensione del passo.
4. Validazione: Misurare l'accuratezza del posizionamento (es. errore in cm) con e senza il sistema di mitigazione del rumore attivato.

Questo quadro dimostra un approccio sistematico per implementare la ricerca in un contesto reale.

8. Prospettive Applicative e Direzioni Future

Applicazioni Immediate: VLC robusta per Li-Fi in uffici/industrie con illuminazione aggressiva, posizionamento/navigazione indoor basata su VLC e comunicazione sicura in ambienti rumorosi.

Direzioni di Ricerca Future:

• Cancellazione Potenziata dall'IA: Integrare l'apprendimento automatico (es. reti neurali ricorrenti) per prevedere e cancellare pattern di rumore complessi e non stazionari oltre l'ANC tradizionale.
• Circuiti Fotonici Integrati: Miniaturizzare il sistema ANC (fotodiodo + circuito di sottrazione) in un singolo chip fotonico integrato (PIC) per una diffusione di massa economicamente vantaggiosa.
• Sistemi Ibridi RF/VLC: Utilizzare il segnale di riferimento del rumore dal ricevitore VLC per mitigare anche le interferenze nei sistemi RF co-localizzati (es. WiFi), come esplorato negli studi sull'interferenza cross-tecnologia.
• Standardizzazione: Proporre queste tecniche di mitigazione come parte delle future revisioni dello standard IEEE 802.15.7r1 (VLC) o di altri emendamenti standard Li-Fi per una migliore interoperabilità.

9. Riferimenti Bibliografici

1. Uemura, W., & Hamano, T. (2026). Noise Mitigation Methods for Digital Visible Light Communication. International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), Vol.18, No.1, pp.51-52.
2. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless Infrared Communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
3. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi? Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
4. Kuo, S. M., & Morgan, D. R. (1996). Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations. John Wiley & Sons. (Testo fondamentale sui principi ANC).
5. 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.

10. Analisi Originale e Commento Esperto