1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Dokumen ini menganalisis kod Panjang Larian Terhad (RLL) baharu, yang ditetapkan sebagai 5B10B, yang dicadangkan untuk sistem Komunikasi Cahaya Nampak (VLC). Inovasi teras terletak pada reka bentuknya, yang bertujuan untuk menyediakan keseimbangan DC penting yang diperlukan untuk pencahayaan tanpa kelipan sambil secara serentak menanamkan keupayaan pembetulan ralat yang dipertingkatkan—gabungan yang sering kali tiada dalam kod RLL tradisional seperti Manchester, 4B6B, dan 8B10B yang diwajibkan oleh piawaian IEEE 802.15.7.

Motivasi ini berpunca daripada sifat dwiguna VLC, di mana Diod Pemancar Cahaya (LED) mesti menyediakan kedua-dua pencahayaan dan penghantaran data. Ini mengenakan kekangan ketat pada isyarat yang dihantar untuk mengelakkan turun naik kecerahan yang boleh dilihat (kelipan) yang boleh memudaratkan atau mengganggu. Walaupun kod RLL piawai menangani keseimbangan DC dan kawalan panjang larian, mereka biasanya menawarkan pembetulan ralat semula jadi yang lemah, sering memerlukan peringkat Pembetulan Ralat Ke Hadapan (FEC) tambahan yang kompleks yang mengurangkan kadar data berkesan.

2. Kod 5B10B yang Dicadangkan

Kod yang dicadangkan ialah kod blok yang memetakan perkataan data 5-bit kepada perkataan kod 10-bit, menghasilkan kadar kod $R = \frac{5}{10} = 0.5$.

2.1 Struktur & Pemetaan Kod

Pengekodan ditakrifkan oleh jadual carian (yang tersirat dalam PDF). Perkataan kod 10-bit direka bentuk khusus untuk memiliki sifat-sifat penting untuk VLC.

2.2 Sifat Utama

  • Keseimbangan DC yang Ketat: Perkataan kod direka untuk mengekalkan komponen DC purata hampir sifar dari semasa ke semasa, penting untuk mitigasi kelipan seperti yang ditakrifkan oleh Tempoh Masa Kelipan Maksimum (MFTP).
  • Had Panjang Larian: Menghadkan larian berturut-turut bit yang sama (contohnya, '1' atau '0'), memastikan pemulihan jam dan kestabilan isyarat.
  • Pengesanan/Pembetulan Ralat yang Dipertingkatkan: Ruang perkataan kod ($2^{10}$ kemungkinan untuk memetakan $2^5$ perkataan data) membolehkan jarak Hamming yang lebih besar antara perkataan kod yang sah berbanding kod yang lebih mudah, membolehkan tahap pengesanan dan pembetulan ralat tertentu semasa penyahkodan.
  • Kerumitan Rendah: Mengekalkan struktur pengekodan/penyahkodan yang mudah, berkemungkinan berdasarkan carian jadual, mengekalkan kelebihan kerumitan rendah kod RLL tradisional.

3. Analisis Teknikal & Prestasi

3.1 Mekanisme Pembetulan Ralat

Keupayaan pembetulan ralat bukan daripada semakan pariti yang ditambah tetapi adalah semula jadi dalam reka bentuk buku kod. Dengan memilih dengan teliti urutan 10-bit yang mewakili 32 input 5-bit yang mungkin, jarak Hamming minimum ($d_{min}$) antara mana-mana dua perkataan kod yang sah dimaksimumkan. Penyahkod kemudiannya boleh mengenal pasti blok 10-bit yang diterima, yang mungkin mempunyai ralat, sebagai perkataan kod sah yang paling hampir dengannya dari segi jarak Hamming, membetulkan bilangan ralat bit yang terhad. Ini adalah satu bentuk pengekodan blok.

3.2 Keseimbangan DC & Mitigasi Kelipan

Kod ini memastikan jumlah digital berjalan (RDS) atau perbezaan aliran bit yang dihantar adalah terbatas. Ini adalah kritikal kerana dalam VLC menggunakan Pengekuncian Hidup-Mati (OOK), '1' biasanya menghidupkan LED, dan '0' mematikannya. Ketidakseimbangan yang berterusan akan menyebabkan tempoh terang atau malap yang boleh dilihat, melanggar piawaian kelipan. Reka bentuk kod 5B10B secara eksplisit mengawal ini.

3.3 Analisis Perbandingan dengan Kod Piawai

  • berbanding Manchester (1B2B, R=0.5): Manchester mempunyai peralihan terjamin di tengah-tengah setiap bit, menawarkan pemulihan jam yang sangat baik tetapi tiada pembetulan ralat. 5B10B menyediakan kadar kod yang serupa dengan ketahanan ralat tambahan.
  • berbanding 4B6B (R≈0.67) & 8B10B (R=0.8): Ini mempunyai kadar kod yang lebih tinggi tetapi pembetulan ralat semula jadi yang lebih lemah. 5B10B yang dicadangkan menukar sebahagian kadar kod untuk prestasi ralat yang jauh lebih kuat, berpotensi memudahkan atau menghapuskan keperluan kod FEC luaran dalam keadaan SNR sederhana.
  • berbanding Skema Bergabung (contohnya, RS + 8B10B): Walaupun kod bergabung (seperti yang menggunakan Reed-Solomon) menawarkan pembetulan yang kuat, mereka menambah kependaman dan kerumitan. 5B10B bertujuan untuk titik optimum: lebih baik daripada RLL asas, lebih mudah daripada FEC penuh.

4. Keputusan Eksperimen & Simulasi

PDF menunjukkan bahawa analisis teori dan keputusan simulasi menunjukkan keunggulan kod 5B10B. Untuk penghantaran termodulasi OOK melalui saluran dengan Nisbah Isyarat-kepada-Hingar (SNR) sederhana hingga tinggi, kod yang dicadangkan mengatasi teknik piawai dari segi Nisbah Ralat Bit (BER).

Penerangan Carta Hipotesis: Plot BER vs. SNR berkemungkinan menunjukkan tiga lengkung: 1) 8B10B Piawai (lantai BER tinggi), 2) 8B10B dengan kod RS luaran (lengkung curam, prestasi terbaik tetapi kompleks), dan 3) 5B10B yang dicadangkan (lengkung terletak di antara mereka, menawarkan BER yang lebih baik daripada 8B10B piawai tanpa kerumitan penuh pengekodan bergabung). "Lutut" lengkung 5B10B akan berlaku pada SNR yang lebih rendah daripada kod RLL piawai, menunjukkan ketahanannya yang dipertingkatkan.

5. Perspektif Penganalisis: Inti Pati & Kritikan

Inti Pati: Kod 5B10B Reguera bukanlah satu kejayaan FEC revolusioner; ia adalah pengoptimuman semula yang bijak dan pragmatik bagi blok pengekodan lapisan fizikal untuk persekitaran khusus dan terkekang VLC. Ia mengakui bahawa dalam banyak aplikasi VLC IoT dan pengguna (Li-Fi untuk penentududukan dalaman, kawalan pencahayaan pintar), saluran sering kali agak baik tetapi kos sistem dan belanjawan kuasa sangat terkekang. Kejeniusannya terletak pada menanamkan ketahanan ralat yang cukup untuk mengelakkan overhead peringkat FEC berasingan, secara efektif mengalihkan sempadan Pareto prestasi-kerumitan.

Aliran Logik: Hujahnya kukuh: 1) VLC memerlukan keseimbangan DC (kelipan). 2) Piawaian menggunakan kod RLL untuk ini. 3) Kod ini mempunyai BER yang lemah. 4) Menambah FEC menjejaskan kadar/kerumitan. 5) Oleh itu, reka kod RLL baharu yang secara intrinsik mempunyai sifat jarak yang lebih baik. Logik ini secara langsung menangani titik kesakitan yang diketahui dalam timbunan protokol.

Kekuatan & Kelemahan:
Kekuatan: Keanggunan penyelesaian kod tunggal adalah kekuatan utamanya. Ia memudahkan reka bentuk penerima, mengurangkan kependaman, dan selaras dengan sistem terbenam kos rendah, isipadu tinggi. Falsafah keserasian ke belakangnya (menggantikan satu blok dalam rantai pengekod/penyahkod) membantu penerimaan.
Kelemahan: Pertukaran asas ialah kadar kod 0.5. Dalam era mengejar kecekapan spektrum yang lebih tinggi, ini adalah pengorbanan yang ketara. Ia mungkin tidak sesuai untuk aplikasi VLC kadar data tinggi. Tambahan pula, pembetulan ralatnya terhad kepada ralat bit rawak dalam blok; ralat letusan atau saluran teruk masih memerlukan kod luaran. Kertas kerja, sebagai surat, berkemungkinan kekurangan analisis kerumitan/melalui penuh berbanding kod hampir kapasiti moden seperti kod LDPC atau Polar yang digunakan dalam 5G dan Wi-Fi.

Wawasan Boleh Tindak: Untuk arkitek sistem: Pertimbangkan kod ini untuk pautan VLC sensitif kos, SNR sederhana di mana kesederhanaan mengatasi kadar data maksimum. Ia sesuai untuk rangkaian sensor, kawalan industri melalui cahaya, atau backhaul data Li-Fi asas. Untuk penyelidik: Kerja ini menyerlahkan niche yang kurang diterokai pengekodan sumber-saluran-garis bersama untuk saluran terkekang. Langkah seterusnya ialah meneroka versi adaptif atau tanpa kadar kod sedemikian, mungkin menggunakan teknik yang diilhamkan oleh prinsip pemindahan gaya CycleGAN tetapi digunakan untuk reka bentuk isyarat—mengubah sifat kod untuk sepadan dengan keadaan saluran dinamik.

6. Butiran Teknikal & Formulasi Matematik

Prestasi boleh dianalisis sebahagiannya melalui jarak Hamming minimum ($d_{min}$). Untuk kod blok perduaan, bilangan ralat yang boleh dikesan ialah $d_{min} - 1$ dan bilangan ralat yang boleh dibetulkan (di bawah penyahkodan jarak terbatas) ialah $t = \lfloor (d_{min} - 1)/2 \rfloor$.

Jika kod 5B10B direka sebagai kod berat malar atau dengan perbezaan yang sangat terbatas, setiap perkataan kod 10-bit mungkin mempunyai tepat lima 1 dan lima 0 (berat=5). Jarak Hamming antara dua perkataan kod sedemikian adalah genap dan sekurang-kurangnya 2. Buku kod yang direka dengan baik boleh mencapai $d_{min}$ 4 atau 6, membolehkan pembetulan 1 atau 2 ralat setiap blok 10-bit, masing-masing.

Keuntungan pengekodan asimptotik (untuk pensinyalan ortogon) berbanding penghantaran tidak terkod boleh dianggarkan sebagai $G = 10 \log_{10}(R \cdot d_{min})$ dB. Untuk $R=0.5$ dan $d_{min}=4$, $G \approx 3 \text{ dB}$. Ini mengukur tuntutan "pembetulan ralat yang dipertingkatkan".

7. Kerangka Analisis & Contoh Konseptual

Kajian Kes: Sistem Penentududukan Li-Fi Dalaman

Skenario: Lampu siling LED menghantar ID unik dan data lokasinya ke kamera telefon pintar untuk navigasi dalaman.

Cabaran: Saluran mengalami hingar cahaya ambien sederhana dan kadangkala okklusi. Telefon pintar mempunyai kuasa pemprosesan terhad untuk penyahkodan.

Pendekatan Piawai (IEEE 802.15.7): Gunakan pengekodan 8B10B. Untuk mencapai penentududukan yang boleh dipercayai, kod Reed-Solomon (RS) luaran mungkin ditambah. Ini memerlukan telefon menjalankan dua peringkat penyahkodan (RLL + RS), meningkatkan penggunaan kuasa dan kependaman, yang kritikal untuk penentududukan masa nyata.

Pendekatan 5B10B Dicadangkan: Gantikan rantai 8B10B+RS dengan hanya penyahkod 5B10B. Pembetulan ralat semula jadi 5B10B mengendalikan hingar saluran sederhana. Telefon menyahkod lebih pantas dengan kuasa lebih rendah. Pertukarannya ialah pengurangan 37.5% dalam kadar data mentalah (dari 0.8 ke 0.5). Walau bagaimanapun, untuk menghantar ID dan koordinat pendek yang berulang, kadar ini mencukupi. Sistem mendapat kelebihan dalam kesederhanaan, kos, dan hayat bateri.

Pengambilan Kerangka: Contoh ini menggunakan matriks keputusan mudah: Keadaan Saluran vs. Belanjawan Kerumitan Sistem vs. Keperluan Kadar Data. Kod 5B10B mensasarkan kuadran "Saluran Sederhana, Kerumitan Rendah, Kadar Data Rendah-Sederhana."

8. Prospek Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

  • VLC IoT Kuasa Ultra Rendah: Domain aplikasi utama. Fikirkan sensor berkuasa bateri berkomunikasi melalui cahaya termodulat ke hab pusat, di mana tenaga penyahkodan adalah paling penting.
  • VLC Bawah Air (UWVLC): Saluran bawah air mempunyai serakan dan pelemahan tinggi. Kod yang teguh dan mudah seperti 5B10B boleh berharga untuk pautan kawalan-dan-perintah jarak pendek yang boleh dipercayai antara kenderaan bawah air autonomi (AUV) dan stesen dok.
  • Penderiaan dan Komunikasi Bersepadu (ISAC): Dalam ISAC berasaskan VLC, di mana cahaya digunakan untuk menerangi bilik dan mengesan kehadiran, isyarat komunikasi mesti bebas kelipan dan teguh secara luar biasa. Kawalan DC kuat dan ketahanan ralat 5B10B menjadikannya calon untuk komponen komunikasi isyarat dwifungsi sedemikian.
  • Penyelidikan Masa Depan:
    • Kadar Kod Adaptif: Membangunkan keluarga kod (contohnya, 5B10B, 6B10B) yang boleh menyesuaikan kadar berdasarkan maklum balas SNR saluran.
    • Reka Bentuk Dibantu Pembelajaran Mesin: Menggunakan susutan kecerunan atau pembelajaran pengukuhan (serupa dengan cara AlphaFold meramalkan struktur protein) untuk mencari ruang besar buku kod yang mungkin untuk yang mengoptimumkan fungsi pelbagai objektif (keseimbangan DC, $d_{min}$, panjang larian).
    • Integrasi dengan Modulasi Lanjutan: Meneroka prestasi kod dengan modulasi peringkat tinggi seperti OFDM dalam VLC (DCO-OFDM, ACO-OFDM), di mana sifatnya mungkin membantu mengurangkan isu nisbah kuasa puncak-kepada-purata (PAPR).

9. Rujukan

  1. Reguera, V. A. (Tahun). Kod RLL Baharu dengan Prestasi Ralat yang Dipertingkatkan untuk Komunikasi Cahaya Nampak. IEEE Communications Letters.
  2. 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.
  3. Penulis. (Tahun). Penyahkodan lembut kod RS digabungkan dengan kod RLL dalaman. Jurnal/ Persidangan Berkaitan.
  4. Penulis. (Tahun). Pengekodan FEC-RLL bersama menggunakan kod konvolusi dan Miller. Jurnal/ Persidangan Berkaitan.
  5. Penulis. (Tahun). Penyahkodan RLL dipertingkatkan dengan output lembut. Jurnal/ Persidangan Berkaitan.
  6. Penulis. (Tahun). Penggantian pengekod RLL melalui simbol pampasan. Jurnal/ Persidangan Berkaitan.
  7. Penulis. (Tahun). Kod Kadar Kesatuan (URC) untuk peningkatan kapasiti VLC. Jurnal/ Persidangan Berkaitan.
  8. Penulis. (Tahun). Kod eMiller. Jurnal/ Persidangan Berkaitan.
  9. Penulis. (Tahun). Kod Polar dengan bit beku yang telah ditentukan untuk VLC. Jurnal/ Persidangan Berkaitan.
  10. Zhu, J., et al. (2015). Mitigasi Kelipan dalam Komunikasi Cahaya Nampak. Dalam: Sistem Komunikasi Optik Wayarles Lanjutan. Cambridge University Press. (Contoh sumber berwibawa luaran mengenai kelipan).
  11. Isola, P., et al. (2017). Terjemahan Imej-ke-Imej dengan Rangkaian Adversari Bersyarat. CVPR. (Rujukan CycleGAN untuk inspirasi konseptual mengenai tugas transformasi).
  12. Spesifikasi Teknikal 3GPP 38.212. Multipleks dan pengekodan saluran. (Rujukan untuk kod saluran moden seperti kod Polar).