Analisis Kod RLL 5B10B Baharu untuk Komunikasi Cahaya Nampak yang Dipertingkatkan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Komunikasi Cahaya Nampak (VLC) memanfaatkan infrastruktur pencahayaan LED untuk penghantaran data, membentangkan cabaran unik seperti pengurangan kelipan dan kawalan kecerahan. Piawaian IEEE 802.15.7 mewajibkan penggunaan kod Panjang Larian Terhad (RLL) seperti Manchester, 4B6B, dan 8B10B untuk memastikan keseimbangan DC, mencegah artifak cahaya berbahaya. Walau bagaimanapun, kod tradisional ini menawarkan pembetulan ralat semula jadi yang terhadap, selalunya memerlukan peringkat pengekodan saluran tambahan yang mengurangkan kadar data berkesan. Kertas kerja ini memperkenalkan kod RLL 5B10B baharu yang direka untuk merapatkan jurang ini, menyediakan keupayaan pembetulan ralat yang teguh sambil mengekalkan keseimbangan DC penting dan kerumitan rendah yang diperlukan untuk sistem VLC praktikal.

2. Reka Bentuk Kod 5B10B yang Dicadangkan

Inovasi teras terletak pada pemetaan baharu 5-bit kepada 10-bit (5B10B). Ini mengekalkan kadar kod $R = \frac{5}{10} = 0.5$, sama dengan pengekodan Manchester, memastikan keserasian dengan jangkaan piawai untuk pengembangan lebar jalur dalam skim RLL.

2.1. Struktur & Pemetaan Kod

Kod ditakrifkan oleh jadual carian (diimplikasikan daripada teks) yang memetakan setiap 32 kata data 5-bit yang mungkin kepada kata kod 10-bit tertentu. Pemetaan direka dengan teliti untuk mencapai pelbagai objektif serentak: mengehadkan bit serupa berturut-turut (panjang larian), mengekalkan jumlah digital berhampiran sifar (keseimbangan DC), dan memaksimumkan jarak Hamming antara kata kod untuk pengesanan/pembetulan ralat.

2.2. Kawalan Keseimbangan DC & Panjang Larian

Keseimbangan DC yang ketat adalah kritikal untuk VLC untuk mengelakkan turun naik kecerahan frekuensi rendah yang menyebabkan kelipan kelihatan, yang dikawal oleh piawaian yang mentakrifkan Tempoh Masa Kelipan Maksimum (MFTP). Kata kod kod 5B10B yang dicadangkan dibina untuk meminimumkan jumlah digital berjalan, menangani kekangan peringkat perkakasan ini dengan lebih berkesan berbanding beberapa cadangan terdahulu seperti Kod Kadar Kesatuan (URC) yang melonggarkan keseimbangan DC untuk kadar yang lebih tinggi.

3. Analisis Teknikal & Prestasi

3.1. Mekanisme Pembetulan Ralat

Prestasi ralat yang dipertingkatkan berpunca daripada jarak Hamming minimum yang direka kod ($d_{min}$). Walaupun kod RLL klasik seperti Manchester mempunyai $d_{min}=2$ (hanya membenarkan pengesanan ralat), pemetaan kod 5B10B meningkatkan jarak ini. $d_{min}$ yang lebih tinggi membolehkan penyahkod membetulkan sejumlah ralat bit tertentu ($t$) setiap kata kod, di mana $t = \lfloor (d_{min} - 1)/2 \rfloor$. Keupayaan pembetulan intrinsik ini mengurangkan Kadar Ralat Bit (BER) pada penerima tanpa menambah peringkat penyahkod FEC berasingan.

3.2. Analisis BER Teoretikal

Untuk isyarat termodulat OOK melalui saluran AWGN, BER teoretikal untuk sistem tidak terkod diberikan oleh $P_b = Q\left(\sqrt{\frac{2E_b}{N_0}}\right)$, di mana $Q(\cdot)$ ialah fungsi-Q. Sistem terkod dengan kadar kod $R$ dan jarak minimum $d_{min}$ boleh mencapai anggaran atas untuk BER: $P_b \lessapprox \frac{1}{2} \text{erfc}\left(\sqrt{R \cdot d_{min} \cdot \frac{E_b}{N_0}}\right)$. Kod yang dicadangkan memperbaiki argumen di dalam fungsi-$Q$ dengan faktor $R \cdot d_{min}$ berbanding sistem tidak terkod, menerangkan prestasi unggulnya dalam rejim SNR sederhana-ke-tinggi.

4. Keputusan Simulasi & Perbandingan

4.1. Prestasi BER vs. Kod Piawai

Kertas kerja ini membentangkan keputusan simulasi membandingkan kod 5B10B dengan kod piawai IEEE 802.15.7 (cth., Manchester, 4B6B) di bawah modulasi OOK. Penemuan utama ialah pengurangan BER yang ketara untuk kod 5B10B pada Nisbah Isyarat-kepada-Hingar (SNR) setara. Sebagai contoh, untuk mencapai sasaran BER $10^{-5}$, kod 5B10B mungkin memerlukan 1-2 dB kurang SNR berbanding kod Manchester. Keuntungan ini secara langsung dikaitkan dengan sifat pembetulan ralatnya. Prestasi melebihi sistem berangkai (cth., RS + 4B6B) pada kerumitan yang lebih rendah, kerana ia mengelakkan kependaman dan overhead pemprosesan penyahkod FEC berasingan.

4.2. Penilaian Kerumitan

Kelebihan utama ialah kerumitan rendah yang dikekalkan. Pengekodan dan penyahkodan boleh dilaksanakan melalui jadual carian mudah (ROM) atau logik kombinatori, serupa dengan kod tradisional 4B6B/8B10B. Ini berbeza dengan skim penyahkodan lembut yang lebih kompleks untuk kod berangkai [3,5] atau penyahkodan berasaskan trellis kod eMiller [8], menjadikan kod 5B10B sangat sesuai untuk transceiver VLC berkelajuan tinggi dengan sumber terhadap.

5. Inti Pati & Perspektif Penganalisis

Inti Pati: Kod 5B10B Reguera bukan sekadar pelarasan tambahan; ia adalah perubahan strategik daripada merawat RLL sebagai sekadar "pembentuk spektrum" kepada mengiktirafnya sebagai lapisan pengekodan saluran utama. Kejayaan sebenar ialah pengakuan bahawa dalam pautan VLC sensitif kuasa dan kependaman (fikirkan Li-Fi untuk IoT atau komunikasi kenderaan-ke-kenderaan), overhead FEC berasingan yang berkuasa seperti kod LDPC atau Polar boleh menjadi penghalang. Kerja ini dengan bijak menyematkan lebihan yang mencukupi dalam struktur RLL itu sendiri untuk melawan corak ralat dominan dalam VLC berasaskan OOK tipikal, secara berkesan mencipta FEC "cukup baik" untuk banyak senario praktikal. Ia mengikuti trend yang dilihat dalam saluran terhadap lain, seperti pengekodan cekap untuk memori kilat, di mana reka bentuk kod terjalin rapat dengan spesifik lapisan fizikal.

Aliran Logik: Hujahnya mudah dan meyakinkan: 1) VLC memerlukan kod seimbang DC (RLL). 2) Piawaian menggunakan RLL tetapi kemudian memerlukan FEC tambahan, menjejaskan kadar/kerumitan. 3) Karya terdahulu sama ada merumitkan penyahkodan [3,5,9] atau mengorbankan keseimbangan DC [6,7]. 4) Oleh itu, reka kod RLL baharu dari awal dengan sifat FEC. Logiknya kukuh, tetapi tumpuan berat kertas kerja pada OOK dan SNR sederhana-tinggi adalah pengakuan tersirat niche-nya: ia bukan kod universal tetapi penyelesaian optimum untuk rejim operasi spesifik yang penting.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan ialah keanggunan dan kepraktisan yang tidak dapat dinafikan. Pelaksanaan jadual carian adalah impian untuk pereka FPGA/ASIC. Walau bagaimanapun, kelemahan adalah dalam skop terhadap. Bagaimana prestasinya di bawah ISI teruk daripada multipath dalam VLC dalaman? Kertas kerja senyap tentang prestasi dengan modulasi peringkat tinggi (seperti VPPM juga dalam 802.15.7), yang penting untuk sokongan pemudaran. Tambahan pula, "pembetulan ralat dipertingkatkan" adalah relatif; untuk SNR sangat rendah, FEC kuat berdedikasi masih diperlukan. Kod ini adalah jambatan, bukan pengganti, untuk pengekodan saluran maju dalam persekitaran mencabar.

Wawasan Boleh Tindak: Untuk arkitek sistem: segera nilai kod 5B10B ini untuk sebarang reka bentuk produk VLC berasaskan OOK baharu, terutamanya di mana kos dan kuasa kritikal. Ia boleh mengurangkan bilangan komponen. Untuk penyelidik: Ini membuka bidang yang kaya. Bolehkah prinsip ini dilanjutkan kepada kod 6B12B atau 8B16B untuk pertukaran kadar/prestasi berbeza? Bolehkah pembelajaran mendalam digunakan untuk mengoptimumkan jadual pemetaan kata kod untuk model saluran spesifik, serupa dengan bagaimana rangkaian neural digunakan untuk mereka bentuk kod untuk saluran spesifik? Untuk badan piawai (IEEE, ITU): Sudah tiba masanya untuk menyemak semula kotak alat lapisan fizikal VLC. Kod seperti 5B10B harus dipertimbangkan serius sebagai kod pilihan atau disyorkan dalam pindaan masa depan kepada 802.15.7 atau dalam piawaian baharu seperti yang dibincangkan untuk Li-Fi (IEEE 802.11bb). Era merawat pengekodan baris dan pengekodan saluran sebagai masalah berasingan, berurutan dalam VLC harus dicabar.

6. Butiran Teknikal & Formulasi Matematik

Prestasi kod boleh dianalisis melalui enumerator berat atau spektrum jaraknya. Biarkan $A_d$ menjadi bilangan kata kod dengan berat Hamming $d$. Batasan kesatuan pada kebarangkalian ralat kata kod untuk kod linear binari melalui saluran AWGN dengan BPSK/OOK ialah: $$P_e \leq \sum_{d=d_{min}}^{n} A_d \, Q\left(\sqrt{\frac{2d R E_b}{N_0}}\right)$$ di mana $n=10$ ialah panjang kata kod. Matlamat reka bentuk utama adalah untuk memaksimumkan $d_{min}$ dan meminimumkan pekali $A_d$ untuk kata kod berat rendah, seterusnya mengetatkan batasan ini. Kekangan keseimbangan DC menambah lapisan lain kepada pengoptimuman, selalunya diformalkan sebagai meminimumkan nilai mutlak maksimum Jumlah Digital Berjalan (RDS): $\text{RDS} = \sum_{i=1}^{k} (2c_i - 1)$, di mana $c_i$ ialah bit terkod dipetakan kepada ±1. Kod yang dicadangkan berkemungkinan mengekalkan $|\text{RDS}| \leq S_{max}$ untuk $S_{max}$ kecil ke atas sebarang kata kod atau jujukan pendek kata kod.

7. Kerangka Analisis & Contoh Konseptual

Kerangka: Menilai kod baris VLC baharu melibatkan ruang pertukaran pelbagai dimensi: 1) Spektrum & Keseimbangan DC (RDS, PSD), 2) Prestasi Ralat ($d_{min}$, BER vs. SNR), 3) Kerumitan Pelaksanaan (bilangan get, saiz memori), 4) Integrasi Sistem (keserasian dengan pemudaran, modulasi).

Kajian Kes Konseptual - Sistem Penentududukan Dalaman: Pertimbangkan sistem penentududukan dalaman berasaskan VLC di mana LED menghantar ID dan data lokasi mereka. Saluran adalah sederhana bising (SNR ~12-15 dB), dan kependaman rendah adalah penting untuk penjejakan masa nyata. Menggunakan pengekodan Manchester piawai sama ada akan mengehadkan julat atau memerlukan penyahkod FEC berasingan, meningkatkan kuasa dan kependaman. Melaksanakan kod 5B10B membolehkan perkakasan pemacu LED yang sama menghantar dengan BER mentalah yang lebih rendah. Ini secara langsung diterjemahkan kepada sama ada kawasan liputan diperluas untuk kuasa LED yang sama, kadar kemas kini penentududukan meningkat, atau kebolehpercayaan lebih tinggi penetapan lokasi, semua tanpa mengubah modulasi asas (OOK) atau menambah cip penyahkod kompleks. Ini menunjukkan nilai kod dalam aplikasi VLC kuasa rendah, pengiraan tepi.

8. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

Kod 5B10B membuka jalan untuk beberapa aplikasi maju dan benang penyelidikan:

• Melangkaui OOK: Menyiasat prestasi kod dengan VPPM dan Modulasi Amplitud Denyut (PAM) untuk komunikasi serentak dan kawalan pemudaran tepat.
• Kod Dioptimumkan Pembelajaran Mesin: Menggunakan pembelajaran pengukuhan atau algoritma genetik untuk mencari ruang luas pemetaan 5B10B untuk spektrum jarak lebih baik di bawah pelbagai kekangan (RDS, kelipan, lantai ralat).
• Integrasi dengan FEC Maju: Menggunakan kod 5B10B sebagai kod dalaman dalam skim berangkai dengan kod luar moden seperti kod Polar kadar rendah (seperti dalam 5G) atau kod LDPC gandingan ruang. 5B10B akan mengendalikan kelipan dan menyediakan lapisan pembetulan pertama, memudahkan tugas untuk kod luar.
• Pemiawaian dalam Bidang VLC Muncul: Mempromosikan kod untuk digunakan dalam VLC bawah air (UWVLC), di mana keadaan saluran sukar dan kecekapan kuasa penting, atau dalam komunikasi kamera optik (OCC) untuk telefon pintar.
• Pendemonstrasi Perkakasan: Membangunkan pelaksanaan FPGA atau ASIC sumber terbuka untuk penanda aras penggunaan kuasa dunia sebenar dan kadar pemindahan berbanding teras 4B6B dan 8B10B.

9. Rujukan

1. Piawaian IEEE untuk Rangkaian Kawasan Setempat dan Metropolitan--Bahagian 15.7: Komunikasi Optik Wayarles Jarak Pendek Menggunakan Cahaya Nampak, IEEE Std 802.15.7-2018.
2. Komine, T., & Nakagawa, M. (2004). Analisis asas untuk sistem komunikasi cahaya nampak menggunakan lampu LED. IEEE Transactions on Consumer Electronics.
3. Griffin, R. A., & Carter, A. C. (2002). Penghantaran terkod Manchester optik menggunakan penguat optik semikonduktor. Electronics Letters.
4. Lee, K., & Park, H. (2011). Kod RLL baharu untuk komunikasi cahaya nampak dengan pembetulan ralat semula jadi. Proc. ICTC. (Pendahulu konseptual kepada FEC-RLL bersama).
5. Wang, Q., et al. (2020). Pembelajaran Mendalam untuk Pengekodan Saluran: Tinjauan Komprehensif. IEEE Communications Surveys & Tutorials. (Konteks reka bentuk kod berasaskan ML).
6. 3GPP TS 38.212. (2020). NR; Pemultipleksan dan pengekodan saluran. (Untuk rujukan kod Polar digunakan dalam wayarles maju).
7. Reguera, V. A., et al. (2022). Mengenai Pengurangan Kelipan dalam Komunikasi Cahaya Nampak dengan Kod Kadar Kesatuan. IEEE Photonics Journal. (Karya terdahulu pengarang dirujuk dalam PDF).