Sistem Komunikasi Cahaya Nampak NOMA dengan Penerima Kepelbagaian Sudut: Analisis dan Huraian

1. Pengenalan

Kertas kerja ini menyiasat sistem Komunikasi Cahaya Nampak (VLC) Capaian Pelbagai Bukan Ortogon (NOMA) yang dipertingkatkan oleh Penerima Kepelbagaian Sudut (ADR). Cabaran utama yang ditangani adalah keterbatasan sistem VLC konvensional dalam menyediakan kadar data tinggi disebabkan faktor seperti Gangguan Antara Simbol (ISI) dan Gangguan Saluran Sama (CCI). Sistem yang dicadangkan menggabungkan kecekapan spektrum NOMA dengan keupayaan pengurangan gangguan dan penangkapan isyarat ADR 4-cabang, bertujuan untuk memaksimumkan kadar data pengguna dalam persekitaran dalaman.

2. Model Sistem

Sistem ini dimodelkan dalam sebuah bilik kosong berukuran 8m × 4m × 3m. Saluran optik menggabungkan pantulan dari dinding dan siling, dimodelkan sebagai pemantul Lambertian dengan pekali pemantulan (ρ) 0.8. Penjejakan sinar digunakan untuk mensimulasikan perambatan isyarat cahaya berbilang laluan.

2.1 Pemodelan Bilik dan Saluran

Respon denyut saluran dalaman dikira dengan mempertimbangkan kedua-dua komponen garis-pandang (LOS) dan resapan (terpantul). Permukaan pemantul dibahagikan kepada elemen kecil berkeluasan dA. Gandaan DC saluran untuk penerima dengan luas pengesan $A_{pd}$ dan gandaan $T_s(\psi)$ diberikan oleh:

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

di mana $m$ ialah peringkat Lambertian, $d$ ialah jarak, $\phi$ ialah sudut penyinaran, $\psi$ ialah sudut kejadian, dan $\Psi_c$ ialah medan-pandang (FOV) penerima.

2.2 Reka Bentuk Penerima Kepelbagaian Sudut (ADR)

ADR terdiri daripada empat fotopengesan FOV sempit, setiap satu berorientasi ke arah yang berbeza (contohnya, ke arah penjuru bilik atau titik akses tertentu). Reka bentuk ini membolehkan penerima memilih cabang dengan nisbah isyarat-kepada-hingar (SNR) terkuat atau menggabungkan isyarat, secara efektif mengurangkan kesan cahaya ambien, penyebaran berbilang laluan, dan gangguan saluran sama.

2.3 Prinsip NOMA dan Peruntukan Kuasa

NOMA beroperasi dengan menindih isyarat untuk berbilang pengguna dalam domain kuasa di pemancar. Di penerima, Pembatalan Gangguan Berjujukan (SIC) digunakan untuk menyahkod isyarat. Kuasa diperuntukkan secara songsang dengan gandaan saluran: pengguna dengan keadaan saluran lebih baik (isyarat lebih kuat) diperuntukkan kuasa kurang, manakala pengguna dengan keadaan lebih lemah menerima lebih banyak kuasa untuk memastikan keadilan. Kadar yang boleh dicapai untuk pengguna $i$ ialah:

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

di mana $B$ ialah lebar jalur, $P_i$ ialah kuasa diperuntukkan kepada pengguna $i$, $h_i$ ialah gandaan saluran, dan $\sigma^2$ ialah varians hingar.

3. Keputusan Simulasi & Perbincangan

Prestasi sistem NOMA-VLC dengan ADR dibandingkan dengan sistem asas yang menggunakan penerima FOV luas tunggal.

3.1 Perbandingan Prestasi: ADR vs. FOV Luas

Penemuan utama ialah sistem berasaskan ADR mencapai peningkatan kadar data purata sebanyak 35% berbanding sistem penerima FOV luas. Keuntungan ini disebabkan oleh keupayaan ADR untuk menangkap isyarat yang lebih kuat dan kurang terherot secara selektif serta menolak komponen gangguan dari pemancar lain atau pantulan.

3.2 Analisis dan Pengoptimuman Kadar Data

Simulasi melibatkan pengoptimuman peruntukan sumber (kuasa) antara pengguna berdasarkan keadaan saluran segera mereka, yang diperoleh daripada pemilihan cabang ADR. Pengoptimuman bertujuan untuk memaksimumkan jumlah kadar data sambil mengekalkan keadilan pengguna, mengikut pendekatan terdahulu penulis [36]. Keputusan menunjukkan bahawa gabungan pemilihan cabang adaptif dan peruntukan kuasa NOMA meningkatkan kecekapan spektrum dengan ketara.

4. Kesimpulan

Kertas kerja ini menyimpulkan bahawa mengintegrasikan Penerima Kepelbagaian Sudut dengan NOMA dalam sistem VLC adalah strategi yang sangat berkesan untuk mengatasi keterbatasan utama seperti gangguan dan lebar jalur terhad. ADR 4-cabang memberikan keuntungan besar dalam kadar data dengan meningkatkan kualiti isyarat dan membolehkan peruntukan kuasa berbilang pengguna yang lebih cekap melalui NOMA. Kerja ini mengesahkan potensi reka bentuk penerima maju digabungkan dengan pemultipleksan bukan ortogon untuk rangkaian tanpa wayar optik generasi akan datang.

5. Huraian Inti Penganalisis

Huraian Inti: Kertas kerja ini bukan sekadar tentang peningkatan marginal; ia adalah perubahan hala tuju strategik. Ia mengenal pasti dengan betul bahawa kesesakan untuk VLC padat dan berkapasiti tinggi bukan hanya pemancar (di mana kebanyakan penyelidikan tertumpu, contohnya, pada µLED atau diod laser) tetapi secara kritikal, keupayaan penerima untuk membezakan isyarat dalam persekitaran bising dan berbilang laluan. Keuntungan 35% dari ADR 4-cabang yang agak mudah adalah bukti kuat bagi dimensi yang sering diabaikan ini.

Aliran Logik: Hujahnya kukuh: 1) VLC mengalami gangguan (CCI/ISI), 2) ADR mengurangkan gangguan melalui penapisan spatial, 3) Isyarat lebih bersih membolehkan pemultipleksan lebih agresif (NOMA), 4) Pemultipleksan domain-kuasa NOMA meningkatkan kecekapan spektrum. Simulasi dalam model bilik piawai (serupa dengan yang digunakan oleh kumpulan tugas IEEE 802.15.7r1) memberikan pengesahan yang boleh dipercayai.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan terletak pada gabungan pragmatik dua konsep matang (penerimaan kepelbagaian dan NOMA) untuk keuntungan yang jelas dan boleh diukur. Metodologi adalah teguh. Walau bagaimanapun, kelemahan adalah dalam kesederhanaan model ADR. ADR dunia sebenar menghadapi cabaran seperti korelasi cabang, peningkatan kerumitan perkakasan, dan keperluan algoritma pemilihan cabang pantas dan berkuasa rendah—isu yang hanya disentuh. Berbanding dengan penyelidikan terkini mengenai optik adaptif atau VLC berasaskan MIMO menggunakan penerima pengimejan (seperti dalam kerja dari Makmal Media MIT atau BWRC UC Berkeley), pendekatan ini lebih mudah disebarkan serta-merta tetapi mungkin mempunyai siling kapasiti muktamad yang lebih rendah.

Huraian Boleh Tindak: Bagi pengamal industri, kertas kerja ini adalah lampu hijau untuk melabur dalam inovasi sebelah penerima. Pengurus produk untuk sistem Li-Fi atau VLC industri harus mengutamakan pengintegrasian penerima berbilang elemen. Bagi penyelidik, langkah seterusnya jelas: 1) Siasat pembelajaran mesin untuk pemilihan cabang ADR dan pemadanan pengguna NOMA yang dinamik dan optimum. 2) Terokai integrasi dengan pemultipleksan pembahagian panjang gelombang (WDM) untuk keuntungan berganda. 3) Jalankan ujian dunia sebenar dengan pengguna mudah alih untuk mengesahkan prestasi dinamik. Mengabaikan kepelbagaian penerima dalam piawaian VLC masa depan akan menjadi satu pengawasan yang besar.

6. Butiran Teknikal & Rumusan Matematik

Sumbangan teknikal teras ialah pengoptimuman bersama pemilihan cabang ADR dan peruntukan kuasa NOMA. Isyarat yang diterima di cabang ke-$k$ ADR untuk pengguna $i$ ialah:

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

di mana $h_{i,k}$ ialah gandaan saluran dari pemancar ke cabang ke-$k$ untuk pengguna $i$, $P_u$ ialah kuasa diperuntukkan kepada isyarat $x_u$ pengguna $u$, dan $n_{i,k}$ ialah hingar putih Gaussian tambahan. Penerima memilih cabang $k^*$ untuk setiap pengguna atau langkah penyahkodan yang memaksimumkan SNR efektif. Proses SIC pada pengguna dengan gandaan saluran $|h_i|^2$ menyahkod isyarat mengikut tertib peningkatan gandaan saluran. Pekali peruntukan kuasa $\alpha_i$ (di mana $\sum \alpha_i = 1$, dan $\alpha_i < \alpha_j$ jika $|h_i|^2 > |h_j|^2$) dioptimumkan untuk memaksimumkan jumlah kadar $\sum R_i$ di bawah kekangan kuasa keseluruhan $P_T$.

7. Keputusan Eksperimen & Huraian Carta

Walaupun kertas kerja ini berasaskan simulasi, keputusan yang dihuraikan boleh divisualisasikan melalui carta utama:

• Carta 1: Jumlah Kadar vs. Kuasa Pancaran: Carta ini akan menunjukkan dua lengkung, satu untuk sistem ADR-NOMA dan satu untuk garis asas FOV-Luas-NOMA. Kedua-dua lengkung akan meningkat dengan kuasa, tetapi lengkung ADR akan menunjukkan cerun lebih curam dan dataran lebih tinggi, dengan jelas menggambarkan keuntungan purata 35% merentasi julat kuasa.
• Carta 2: Taburan Kadar Pengguna: Carta bar atau CDF menunjukkan kadar data yang dicapai oleh pengguna individu dalam bilik. Sistem ADR akan menunjukkan taburan yang lebih ketat dan tinggi, menunjukkan perkhidmatan yang lebih konsisten dan dipertingkatkan untuk pengguna di pelbagai lokasi (terutamanya berhampiran dinding atau di penjuru di mana penerima FOV luas mengalami masalah berbilang laluan).
• Carta 3: Kekerapan Pemilihan Cabang: Peta haba di lantai bilik menunjukkan berapa kerap setiap satu daripada empat cabang ADR dipilih sebagai cabang "terbaik". Ini akan menunjukkan secara visual sifat adaptif ADR, dengan cabang berbeza menjadi optimum di kawasan bilik yang berbeza.

8. Kerangka Analisis: Kajian Kes

Senario: Mereka bentuk rangkaian VLC untuk pejabat terbuka dengan 20 stesen kerja.

Aplikasi Kerangka:

1. Penguraian Masalah: Pisahkan analisis belanjawan pautan kepada: (a) Kuasa & Modulasi Pemancar, (b) Kehilangan Laluan & Respon Denyut Saluran (menggunakan penjejakan sinar), (c) Kepekaan & Medan-Pandang Penerima.
2. Kuantifikasi Manfaat ADR: Untuk setiap lokasi stesen kerja, simulasi kekuatan isyarat diterima dan penyebaran kelewatan menggunakan penerima FOV luas dan ADR 4-cabang. Kira peningkatan SNR potensi dan pengurangan ISI yang ditawarkan oleh keupayaan ADR untuk menolak pantulan yang tiba lewat.
3. Pengelompokan Pengguna NOMA: Kelompokkan pengguna ke dalam pasangan/kumpulan NOMA berdasarkan perbezaan gandaan saluran mereka, yang kini lebih ketara dan boleh dipercayai disebabkan anggaran saluran lebih bersih ADR.
4. Simulasi Tahap Sistem: Jalankan simulasi Monte Carlo mengubah aktiviti pengguna dan permintaan data. Bandingkan jumlah daya pemprosesan rangkaian dan kadar pengguna persentil ke-5 (metrik keadilan) untuk sistem ADR-NOMA vs. sistem OFDMA-VLC tradisional dengan penerima FOV luas.

9. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

• Backhaul/Downlink Li-Fi 6G: ADR-NOMA VLC adalah calon utama untuk downlink berketumpatan tinggi dalam rangkaian 6G masa depan, melengkapkan RF di stadium, lapangan terbang, dan kilang. Rintangannya terhadap gangguan RF adalah kelebihan utama.
• IoT Perindustrian Sangat Boleh Dipercayai: Dalam gudang automatik atau barisan pembuatan, di mana kependaman rendah dan kebolehpercayaan adalah kritikal, ADR boleh menyediakan pautan teguh untuk komunikasi mesin-ke-mesin, dengan NOMA menyokong ketersambungan sensor besar-besaran.
• Komunikasi Optik Bawah Air: Persekitaran penyebaran bawah air adalah analog kepada senario berbilang laluan teruk. ADR boleh meningkatkan jarak dan kebolehpercayaan komunikasi laser biru/hijau untuk kenderaan bawah air autonomi dengan ketara.
• Hala Tuju Penyelidikan:
  • ADR Pintar: Menggunakan sistem mikro-elektromekanikal (MEMS) atau pengemudian pancaran berasaskan hablur cecair untuk pelarasan sudut berterusan dan halus berbanding cabang tetap.
  • Pengoptimuman Rentas Lapisan: Mengoptimumkan bersama pemilihan ADR lapisan fizikal dengan penjadualan lapisan kawalan capaian medium (MAC) dan pengelompokan pengguna NOMA.
  • Sistem Hibrid RF/VLC: Menyiasat bagaimana ADR-NOMA VLC boleh diintegrasikan dengan lancar dengan RF mmWave atau sub-6 GHz dalam rangkaian heterogen, dengan pemunggahan trafik pintar.

10. Rujukan

1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (Pihak berkuasa mengenai pemodelan saluran VLC)
2. L. Yin, et al., "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (Kertas kerja seminal mengenai NOMA-VLC)
3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (Ulasan asas)
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. (Meliputi teknik kepelbagaian)
5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (Piawaian relevan)
6. M. O. I. Musa, et al., "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (Kerja terdahulu penulis, ruj [36])
7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (Peneraju industri dalam pengkomersialan VLC)
8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (Kajian pelaksanaan ADR khusus)