1. Introdução

Este artigo investiga um sistema de Comunicação por Luz Visível (VLC) com Acesso Múltiplo Não Ortogonal (NOMA) aprimorado por Receptores de Diversidade Angular (ADRs). O principal desafio abordado é a limitação dos sistemas VLC convencionais em fornecer altas taxas de dados devido a fatores como Interferência Inter-Simbólica (ISI) e Interferência de Canal Coexistente (CCI). O sistema proposto combina a eficiência espectral do NOMA com as capacidades de mitigação de interferência e captura de sinal de um ADR de 4 ramos, visando maximizar as taxas de dados dos utilizadores num ambiente interior.

2. Modelo do Sistema

O sistema é modelado numa sala vazia de 8m × 4m × 3m. O canal óptico incorpora reflexões das paredes e do teto, modeladas como refletores Lambertianos com um coeficiente de refletividade (ρ) de 0,8. O rastreamento de raios é empregue para simular a propagação multipath dos sinais luminosos.

2.1 Modelagem da Sala e do Canal

A resposta ao impulso do canal interior é calculada considerando tanto os componentes de linha de vista (LOS) como os difusos (refletidos). As superfícies refletoras são divididas em pequenos elementos de área dA. O ganho DC do canal para um recetor com área do detetor $A_{pd}$ e ganho $T_s(\psi)$ é dado por:

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

onde $m$ é a ordem Lambertiana, $d$ é a distância, $\phi$ é o ângulo de irradiância, $\psi$ é o ângulo de incidência e $\Psi_c$ é o campo de visão (FOV) do recetor.

2.2 Projeto do Receptor de Diversidade Angular (ADR)

O ADR consiste em quatro fotodetetores de FOV estreito, cada um orientado numa direção diferente (por exemplo, para os cantos da sala ou pontos de acesso específicos). Este projeto permite ao recetor selecionar o ramo com a melhor relação sinal-ruído (SNR) ou combinar sinais, reduzindo eficazmente o impacto da luz ambiente, da dispersão multipath e da interferência de canal coexistente.

2.3 Princípio NOMA e Alocação de Potência

O NOMA funciona sobrepondo sinais de múltiplos utilizadores no domínio da potência no transmissor. No recetor, é utilizada a Cancelamento Sucessivo de Interferência (SIC) para descodificar os sinais. A potência é alocada inversamente ao ganho do canal: utilizadores com melhores condições de canal (sinais mais fortes) recebem menos potência, enquanto utilizadores com condições piores recebem mais potência para garantir equidade. A taxa alcançável para o utilizador $i$ é:

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

onde $B$ é a largura de banda, $P_i$ é a potência alocada ao utilizador $i$, $h_i$ é o ganho do canal e $\sigma^2$ é a variância do ruído.

3. Resultados da Simulação & Discussão

O desempenho do sistema NOMA-VLC com ADR é comparado com um sistema de referência que utiliza um único recetor de FOV largo.

3.1 Comparação de Desempenho: ADR vs. Campo de Visão Largo

A principal conclusão é que o sistema baseado em ADR atinge uma melhoria média na taxa de dados de 35% em relação ao sistema com recetor de FOV largo. Este ganho é atribuído à capacidade do ADR de capturar seletivamente sinais mais fortes e menos distorcidos e rejeitar componentes interferentes de outros transmissores ou reflexões.

3.2 Análise e Otimização da Taxa de Dados

As simulações envolvem a otimização da alocação de recursos (potência) entre os utilizadores com base nas suas condições de canal instantâneas, derivadas das seleções dos ramos do ADR. A otimização visa maximizar a taxa de dados total mantendo a equidade entre utilizadores, seguindo a abordagem prévia dos autores [36]. Os resultados demonstram que a combinação da seleção adaptativa de ramos e da alocação de potência NOMA aumenta significativamente a eficiência espectral.

Métrica de Desempenho Chave

Ganho Médio de Taxa de Dados de 35% alcançado pelo sistema NOMA-VLC baseado em ADR em comparação com a linha de base de recetor de FOV largo.

4. Conclusão

O artigo conclui que a integração de Receptores de Diversidade Angular com NOMA em sistemas VLC é uma estratégia altamente eficaz para superar limitações-chave como interferência e largura de banda limitada. O ADR de 4 ramos proporciona ganhos substanciais na taxa de dados ao melhorar a qualidade do sinal e permitir uma alocação de potência multiutilizador mais eficiente via NOMA. Este trabalho valida o potencial do projeto avançado de recetores combinado com multiplexagem não ortogonal para as redes ópticas sem fio de próxima geração.

5. Insight Central do Analista

Insight Central: Este artigo não trata apenas de uma melhoria marginal; é uma mudança estratégica. Identifica corretamente que o gargalo para VLC denso e de alta capacidade não está apenas no transmissor (onde a maioria da investigação se foca, por exemplo, em µLEDs ou díodos laser), mas criticamente, na capacidade do recetor de discriminar sinais num ambiente ruidoso e multipath. O ganho de 35% de um ADR de 4 ramos relativamente simples é um testemunho poderoso desta dimensão frequentemente negligenciada.

Fluxo Lógico: O argumento é sólido: 1) O VLC sofre de interferência (CCI/ISI), 2) Os ADRs mitigam a interferência através de filtragem espacial, 3) Sinais mais limpos permitem multiplexagem mais agressiva (NOMA), 4) A multiplexagem no domínio da potência do NOMA aumenta a eficiência espectral. A simulação num modelo de sala padronizado (semelhante aos usados pelo grupo de trabalho IEEE 802.15.7r1) fornece uma validação credível.

Pontos Fortes & Fraquezas: A força reside na combinação pragmática de dois conceitos maduros (recepção por diversidade e NOMA) para um ganho claro e quantificável. A metodologia é robusta. No entanto, a fraqueza está na simplicidade do modelo ADR. Os ADRs do mundo real enfrentam desafios como correlação entre ramos, maior complexidade de hardware e a necessidade de algoritmos de seleção de ramos rápidos e de baixo consumo — questões apenas sugeridas. Comparado com a investigação de ponta em ótica adaptativa ou VLC baseado em MIMO usando recetores de imagem (como visto em trabalhos do MIT Media Lab ou do BWRC da UC Berkeley), esta abordagem é mais imediatamente implementável, mas pode ter um limite de capacidade final mais baixo.

Insights Acionáveis: Para profissionais da indústria, este artigo é um sinal verde para investir em inovação no lado do recetor. Gestores de produto para sistemas Li-Fi ou VLC industriais devem priorizar a integração de recetores multi-elemento. Para investigadores, os próximos passos são claros: 1) Investigar aprendizagem automática para seleção dinâmica e ótima de ramos ADR e emparelhamento de utilizadores NOMA. 2) Explorar a integração com multiplexagem por divisão de comprimento de onda (WDM) para ganhos multiplicativos. 3) Realizar testes no mundo real com utilizadores móveis para validar o desempenho dinâmico. Ignorar a diversidade de recetores em futuros padrões VLC seria um erro significativo.

6. Detalhes Técnicos & Formulação Matemática

A contribuição técnica central é a otimização conjunta da seleção de ramos ADR e da alocação de potência NOMA. O sinal recebido no $k$-ésimo ramo do ADR para o utilizador $i$ é:

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

onde $h_{i,k}$ é o ganho do canal do transmissor para o $k$-ésimo ramo do utilizador $i$, $P_u$ é a potência alocada ao sinal $x_u$ do utilizador $u$, e $n_{i,k}$ é ruído branco gaussiano aditivo. O recetor seleciona o ramo $k^*$ para cada utilizador ou etapa de descodificação que maximiza o SNR efetivo. O processo SIC num utilizador com ganho de canal $|h_i|^2$ descodifica os sinais por ordem crescente de ganho de canal. Os coeficientes de alocação de potência $\alpha_i$ (onde $\sum \alpha_i = 1$, e $\alpha_i < \alpha_j$ se $|h_i|^2 > |h_j|^2$) são otimizados para maximizar a taxa total $\sum R_i$ sob uma restrição de potência total $P_T$.

7. Resultados Experimentais & Descrição de Gráficos

Embora o artigo seja baseado em simulação, os resultados descritos podem ser visualizados através de gráficos-chave:

  • Gráfico 1: Taxa Total vs. Potência de Transmissão: Este gráfico mostraria duas curvas, uma para o sistema ADR-NOMA e outra para a linha de base Wide-FOV-NOMA. Ambas as curvas aumentariam com a potência, mas a curva ADR mostraria uma inclinação mais acentuada e um patamar mais alto, ilustrando claramente o ganho médio de 35% ao longo da gama de potência.
  • Gráfico 2: Distribuição da Taxa por Utilizador: Um gráfico de barras ou CDF mostrando as taxas de dados alcançadas por utilizadores individuais na sala. O sistema ADR mostraria uma distribuição mais compacta e elevada, indicando um serviço mais consistente e melhorado para utilizadores em várias localizações (especialmente perto de paredes ou cantos onde os recetores de FOV largo sofrem com multipath).
  • Gráfico 3: Frequência de Seleção de Ramos: Um mapa de calor no chão da sala indicando a frequência com que cada um dos quatro ramos do ADR é selecionado como o "melhor" ramo. Isto demonstraria visualmente a natureza adaptativa do ADR, com diferentes ramos sendo ótimos em diferentes regiões da sala.

8. Estrutura de Análise: Um Estudo de Caso

Cenário: Projetar uma rede VLC para um escritório de planta aberta com 20 postos de trabalho.

Aplicação da Estrutura:

  1. Decomposição do Problema: Separar a análise do orçamento de ligação em: (a) Potência do Transmissor & Modulação, (b) Perda de Percurso do Canal & Resposta ao Impulso (usando rastreamento de raios), (c) Sensibilidade do Recetor & Campo de Visão.
  2. Quantificação do Benefício do ADR: Para cada localização do posto de trabalho, simular a força do sinal recebido e o espalhamento de atraso usando um recetor de FOV largo e o ADR de 4 ramos. Calcular a melhoria potencial do SNR e a redução de ISI proporcionada pela capacidade do ADR de rejeitar reflexões de chegada tardia.
  3. Agrupamento de Utilizadores NOMA: Agrupar utilizadores em pares/grupos NOMA com base na disparidade do seu ganho de canal, que agora é mais pronunciada e fiável devido às estimativas de canal mais limpas do ADR.
  4. Simulação a Nível de Sistema: Executar uma simulação de Monte Carlo variando a atividade do utilizador e as exigências de dados. Comparar o débito total da rede e a taxa do utilizador no 5º percentil (uma métrica de equidade) para o sistema ADR-NOMA vs. um sistema VLC-OFDMA tradicional com recetores de FOV largo.
Esta estrutura permite a um projetista de rede avaliar sistematicamente a relação custo-benefício de implementar hardware ADR mais complexo face aos ganhos de capacidade prometidos.

9. Aplicações Futuras & Direções de Pesquisa

  • Backhaul/Downlink Li-Fi para 6G: O VLC ADR-NOMA é um candidato principal para downlink de alta densidade em futuras redes 6G, complementando RF em estádios, aeroportos e fábricas. A sua resistência à interferência RF é uma vantagem chave.
  • IoT Industrial Ultra-Fiável: Em armazéns automatizados ou linhas de produção, onde baixa latência e fiabilidade são críticas, os ADRs podem fornecer ligações robustas para comunicação máquina-a-máquina, com o NOMA a suportar conectividade massiva de sensores.
  • Comunicações Ópticas Subaquáticas: O ambiente de dispersão subaquático é análogo a um cenário multipath severo. Os ADRs poderiam melhorar significativamente o alcance e a fiabilidade das comunicações por laser azul/verde para veículos subaquáticos autónomos.
  • Direções de Pesquisa:
    • ADRs Inteligentes: Usar sistemas microeletromecânicos (MEMS) ou direcionamento de feixe baseado em cristais líquidos para ajuste angular contínuo e de alta granularidade, em vez de ramos fixos.
    • Otimização Transversal: Otimizar conjuntamente a seleção de ramos ADR na camada física com o escalonamento da camada de controlo de acesso ao meio (MAC) e o agrupamento de utilizadores NOMA.
    • Sistemas Híbridos RF/VLC: Investigar como o VLC ADR-NOMA pode ser integrado de forma transparente com RF de ondas milimétricas ou sub-6 GHz numa rede heterogénea, com descarga de tráfego inteligente.

10. Referências

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (Autoridade em modelagem de canal VLC)
  2. L. Yin, et al., "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (Artigo seminal sobre NOMA-VLC)
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (Revisão fundamental)
  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. (Aborda técnicas de diversidade)
  5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (Padrão relevante)
  6. M. O. I. Musa, et al., "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (Trabalho prévio dos autores, ref [36])
  7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (Líder da indústria na comercialização VLC)
  8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (Estudo de implementação específica de ADR)