Komunikasi Cahaya Nampak (VLC) Dwi Hala telah lama terkongkong oleh ketiadaan penyelesaian uplink yang praktikal dan berprestasi tinggi. Downlink tradisional memanfaatkan LED untuk penyiaran data berkelajuan tinggi, tetapi saluran uplink menghadapi halangan besar: retro-reflektor menawarkan kadar rendah, penyelesaian berasaskan RF (Wi-Fi/Bluetooth) dilarang di kawasan sensitif (hospital, kapal terbang), dan uplink VLC inframerah atau semua-optik mengalami kearahantinggi, gangguan dengan downlink, atau senario aplikasi terhad di mana pencahayaan uplink tidak diperlukan. Kertas kerja ini menangani jurang kritikal ini dengan mencadangkan kaedah uplink berdasarkan gelombang ultrasonik tak kedengaran, menggunakan modulasi Penguncian Anjakan Frekuensi (FSK) dan pembentukan alur digital melalui tatasusunan mikrofon untuk mencipta saluran komunikasi tak simetri berarah yang tidak mengganggu downlink optik.
Inovasi teras terletak pada pemisahan uplink daripada spektrum optik. Daripada cahaya, ia menggunakan gelombang bunyi dalam julat hampir-ultrasonik/tak kedengaran (contohnya, di atas 15 kHz) sebagai pembawa.
Peranti pengguna menghantar data dengan memodulasikannya ke atas pembawa audio tak kedengaran menggunakan Penguncian Anjakan Frekuensi (FSK). Untuk pengesahan prototaip, empat frekuensi kedengaran (0.5, 1.5, 2.5, 3.5 kHz) digunakan untuk mensimulasikan skim 4-FSK, mewakili simbol digital. Pilihan ini mengeksploitasi margin frekuensi di luar pendengaran manusia tipikal (20Hz-20kHz) untuk penghantaran data.
Satu tatasusunan linear 10 mikrofon omnidirectional (berjarak 0.05m) menerima isyarat akustik komposit. Algoritma pembentukan alur digital (khususnya, pembentuk alur Frost) kemudiannya digunakan. Algoritma ini memproses isyarat daripada setiap mikrofon untuk membentuk pancaran penerimaan berarah, secara efektif mengasingkan isyarat uplink yang dikehendaki daripada bunyi ambien atau sumber bunyi mengganggu yang tiba dari arah berbeza (contohnya, -10°, -30°, 20° seperti yang disimulasikan).
Persediaan eksperimen melibatkan tatasusunan mikrofon linear yang menerima isyarat komposit mengandungi isyarat data sasaran dan dua isyarat gangguan. Sistem menunjukkan keupayaan untuk menapis secara spasial penghantaran uplink sasaran.
Rajah 3 dalam kertas kerja mempersembahkan bentuk gelombang kritikal: (a) data yang dihantar dan isyarat gangguan, dan (b) isyarat diterima komposit, isyarat mikrofon individu, dan isyarat data yang berjaya dipulihkan selepas pembentukan alur. Keputusan secara visual mengesahkan bahawa algoritma pembentukan alur berkesan membatalkan gangguan dan mengekstrak bentuk gelombang data bersih, mengesahkan konsep teras penapisan spasial akustik untuk pemulihan uplink.
Pembentuk alur Frost adalah pembentuk alur adaptif terkekang. Ia meminimumkan kuasa output (menindas gangguan dan bunyi) tertakluk kepada kekangan linear yang memastikan gandaan kesatuan dalam arah pandang (arah ketibaan isyarat yang dikehendaki). Vektor pemberat $\mathbf{w}$ diadaptasi untuk menyelesaikan: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{subject to} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ di mana $\mathbf{R}_{xx}$ ialah matriks kovarians isyarat input, $\mathbf{C}$ ialah matriks kekangan, dan $\mathbf{g}$ ialah vektor respons yang dikehendaki. Ini membolehkan penapisan spasial yang berkesan.
Dalam 4-FSK, 2 bit data diwakili oleh salah satu daripada empat frekuensi pembawa berbeza $f_1, f_2, f_3, f_4$. Isyarat yang dihantar ialah: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{for symbol } i$$ Demodulasi biasanya melibatkan bank penapis atau korelator yang ditala kepada setiap frekuensi, diikuti oleh litar keputusan untuk memilih frekuensi dengan tenaga tertinggi dalam tempoh simbol.
Aplikasi Kerangka: Menilai Penyelesaian Uplink VLC
Untuk menilai teknologi ini dan pesaingnya, kita boleh menggunakan kerangka keputusan pelbagai kriteria:
Kajian Kes: Senario ICU Hospital
Dalam ICU di mana RF dilarang untuk mengelakkan gangguan dengan peralatan perubatan, dan downlink VLC menyediakan pencahayaan dan data berkelajuan tinggi kepada monitor pesakit. Uplink ultrasonik yang dicadangkan membolehkan tablet jururawat menghantar kemas kini status jalur lebar rendah atau isyarat kawalan kembali ke rangkaian tanpa pancaran RF dan tanpa menjejaskan cahaya downlink kritikal. Pembentukan alur membantu mengasingkan isyarat dari sisi katil berbeza, meningkatkan privasi dan mengurangkan silang bicara—satu kelebihan jelas berbanding RF atau inframerah omnidirectional yang mungkin memerlukan penunjukan tepat.
Pandangan Teras: Proposisi nilai asas kertas kerja ini adalah strategi pemisahan spektrum dan spasial yang bijak. Ia mengakui bahawa masalah uplink VLC bukan sekadar mencari medium tanpa wayar lain, tetapi mencari satu yang saling melengkapi, tidak mengganggu, dan kos efektif untuk kes penggunaan tak simetri. Menggunakan domain akustik, khususnya jalur hampir-ultrasonik yang kurang digunakan, adalah langkah pemikiran lateral yang mengelakkan batasan pendahulunya.
Aliran Logik: Hujahnya kukuh: 1) RF tidak boleh digunakan dalam banyak persekitaran sasaran VLC. 2) Uplink optik (IR/VLC) bermasalah disebabkan gangguan, kearahantinggi, dan pencahayaan tidak perlu. 3) Bunyi ada di mana-mana, murah, dan boleh dibuat tak kedengaran. 4) Cabaran utama bunyi adalah sifat omnidirectional dan bunyinya. 5) Penyelesaian: Gunakan teknik pemprosesan tatasusunan RF yang mantap (pembentukan alur) pada domain akustik untuk mendapatkan semula kearahantinggi dan kekebalan bunyi. Demonstrasi eksperimen dengan pembentuk alur Frost mengesahkan rantaian logik ini.
Kekuatan & Kelemahan:
Kekuatan: Keanggunan menggunakan perkakasan komoditi (mikrofon, pembesar suara) adalah kelebihan utama untuk kos dan penyebaran. Penerimaan berarah melalui pembentukan alur adalah ciri kritikal yang membezakannya daripada pautan akustik naif, menawarkan potensi untuk sokongan pelbagai pengguna dan penolakan gangguan. Keserasian semula jadinya dengan persekitaran sensitif RF adalah ciri pembunuh untuk pasaran khusus seperti aeroangkasa dan penjagaan kesihatan.
Kelemahan & Soalan Terbuka: Isu utama ialah kadar data. Prototaip menggunakan pembawa julat kHz, secara asasnya menghadkan potensi jalur lebar berbanding pembawa RF GHz atau optik THz. Kertas kerja senyap tentang kadar bit yang dicapai, yang mungkin rendah (julat kbps). Pengecilan ultrasonik dalam udara dan kesan pelbagai laluan dalam ruang tertutup boleh menghadkan jarak dan kebolehpercayaan dengan teruk. Ketepatan pembentukan alur dengan tatasusunan linear kecil dalam bilik bergema bukan perkara remeh. Keperluan untuk tatasusunan mikrofon di penerima meningkatkan kerumitan infrastruktur berbanding fotodiod tunggal.
Pandangan Boleh Tindak: Untuk penyelidik, kerja ini membuka bidang hibrid yang menjanjikan: Penyebaran Balik Akustik untuk VLC. Daripada penghantaran ultrasonik aktif, bolehkah peranti pengguna hanya memodulasi bunyi ambien atau isyarat cahaya downlink secara akustik? Untuk pengurus produk dalam sektor IoT perindustrian atau bangunan pintar, teknologi ini bukan calon untuk menggantikan uplink Wi-Fi untuk panggilan video. Walau bagaimanapun, ia adalah sangat sesuai untuk uplink kawalan-dan-perintah kadar rendah, berselang dalam persekitaran bermusuhan RF. Utamakan projek perintis dalam tetapan seperti kemudahan kerajaan selamat, bilik bersih pembuatan, atau di atas kapal di mana peraturan, bukan prestasi, adalah pemacu utama. Langkah seterusnya segera untuk penulis haruslah pencirian ketat kadar ralat-bit (BER) yang boleh dicapai berbanding jarak dan kadar data, menanda arasnya terhadap had asas saluran akustik, serupa dengan analisis yang dilakukan untuk rangkaian komunikasi penyebaran balik.