Mfumo wa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) wa NOMA Wenye Vipokeaji vya Anuwai ya Pembe (ADR): Uchambuzi na Ufahamu

1. Utangulizi

Uhitaji usio na mwisho wa viwango vya juu vya data ni kiini cha utafiti katika mawasiliano. Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) yanatoa teknolojia ya ziada yenye matumaini kwa mifumo ya masafa ya redio (RF), ikitumia uwepo wa taa za LED kwa usambazaji wa data. Hata hivyo, VLC inakabiliwa na changamoto za asili kama vile upana mdogo wa ubadilishaji wa mawimbi ya LED, Usumbufu wa Ishara Kati ya Ishara (ISI), na Usumbufu wa Kituo Sawa (CCI) katika hali za watumiaji wengi. Karatasi hii inachunguza ushirikiano wa NOMA (Usaili Mwingi Usio wa Orthogonal) na Vipokeaji vya Anuwai ya Pembe (ADR) ili kushinda vikwazo hivi na kuimarisha utendaji wa mfumo katika mitandao ya VLC ya ndani.

2. Muundo wa Mfumo

Mfumo unaopendekezwa umetengenezwa ndani ya mazingira ya kawaida ya ndani ili kutathmini ushirikiano kati ya teknolojia ya NOMA na ADR.

2.1 Uundaji wa Chumba na Kituo cha Mawasiliano

Chumba cha mstatili chenye vipimo 8m (urefu) × 4m (upana) × 3m (kimo) kimechanganuliwa. Kuta na dari zimetengenezwa kama viraka vya Lambertian vilivyo na mgawo wa kutafakari (ρ) wa 0.8. Msukumo wa mwitikio wa kituo cha mwanga unahesabiwa kwa kutumia algorithm ya kufuatilia miale, ukizingatia mstari wa kuona (LOS) na kutafakari kwa mwangaza (hadi kiwango maalum). Faida ya kituo cha mawasiliano kwa kiungo inaweza kutengenezwa kama:

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

ambapo $m$ ni mpangilio wa Lambertian, $A$ ni eneo la kigunduzi, $d$ ni umbali, $\phi$ na $\psi$ ni pembe za mnururisho na mkazo, $T_s(\psi)$ ni faida ya kichujio, $g(\psi)$ ni faida ya mkusanyiko, na $\Psi_c$ ni Uwanja wa Mtazamo (FOV) wa kipokeaji.

2.2 Ubunifu wa Kipokeaji cha Anuwai ya Pembe (ADR)

Ubunifu mkuu ni matumizi ya ADR yenye matawi 4. Kila tawi lina kigunduzi cha mwanga chenye FOV nyembamba, kilichoelekezwa kwa mwelekeo tofauti (k.m., juu na kwa pembe maalum za azimuth). Ubunifu huu huruhusu kipokeaji kuchanganya ishara kutoka kwa tawi lenye faida kubwa zaidi ya kituo cha mawasiliano, na hivyo kupunguza usumbufu wa mwanga wa mazingira, mtawanyiko wa njia nyingi, na usumbufu wa kituo sawa kutoka kwa Vituo vingine vya Ufikiaji (AP).

2.3 Kanuni ya NOMA na Ugawaji wa Nguvu

NOMA hufanya kazi katika uwanja wa nguvu. Kwenye kipitishaji, ishara za watumiaji wengi huwekwa pamoja kwa viwango tofauti vya nguvu. Kanuni ya msingi ni kugawa nguvu zaidi kwa watumiaji wenye hali duni za kituo cha mawasiliano. Kwenye kipokeaji, Ufutaji wa Usumbufu wa Mfululizo (SIC) hutumiwa: mtumiaji mwenye kituo bora zaidi hutatua na kutoa ishara za watumiaji wenye vituo dhaifu kabla ya kutatua ishara yake mwenyewe. Kiwango kinachoweza kufikiwa na mtumiaji $i$ katika jozi ya watumiaji 2 ya NOMA kinatolewa na:

$R_i = B \log_2 \left(1 + \frac{\alpha_i P_t |h_i|^2}{\sum_{j>i} \alpha_j P_t |h_i|^2 + N_0 B}\right)$

ambapo $B$ ni upana wa ukanda, $P_t$ ni jumla ya nguvu ya kutuma, $h_i$ ni faida ya kituo cha mawasiliano kwa mtumiaji $i$, $\alpha_i$ ni mgawo wa ugawaji wa nguvu ($\alpha_1 + \alpha_2 = 1$, na $\alpha_1 > \alpha_2$ ikiwa $|h_1|^2 < |h_2|^2$), na $N_0$ ni msongamano wa nguvu ya kelele.

3. Matokeo ya Uchanganuzi wa Kompyuta na Majadiliano

Utendaji wa mfumo wa NOMA-VLC wenye ADR umelinganishwa na mfumo wa msingi unaotumia kipokeaji kimoja chenye FOV pana.

3.1 Vipimo vya Utendaji na Usanidi

Kipimo kikuu cha utendaji ni jumla ya kiwango cha data kwa watumiaji wengi ndani ya chumba. Watumiaji wamewekwa kwa nasibu, na ugawaji wa rasilimali (kuunganisha watumiaji kwa NOMA na ugawaji wa nguvu) umeboreshwa kulingana na habari ya hali ya kituo chao, kufuatia mbinu ya awali ya waandishi [36].

3.2 Ulinganisho wa Kiwango cha Data: ADR dhidi ya FOV Pana

Matokeo ya uchanganuzi wa kompyuta yanaonyesha faida kubwa kwa mfumo unaotumia ADR. Matumizi ya ADR yanaboresha kiwango cha wastani cha data kwa takriban 35% ikilinganishwa na mfumo unaotumia vipokeaji vya FOV pana. Faida hii inatokana na uwezo wa ADR wa kuchagua njia yenye nguvu zaidi ya ishara isiyo na uharibifu, na hivyo kuongeza uwiano wa ishara-kwa-kelele-na-usumbufu (SINR) kwa utatuzi wa NOMA.

3.3 Athari ya Ugawaji wa Rasilimali

Karatasi hii inasisitiza kwamba faida ya utendaji sio ya moja kwa moja bali inategemea ugawaji mzuri wa rasilimali. Kuunganisha watumiaji wenye tofauti kubwa ya faida za kituo cha mawasiliano (hitaji muhimu kwa NOMA yenye ufanisi) na kugawa nguvu ipasavyo ni muhimu ili kufikia uwezo kamili wa mchanganyiko wa ADR-NOMA.

Ufahamu Muhimu wa Utendaji

Ongezeko la 35% la Wastani wa Kiwango cha Data lililopatikana kwa kuunganisha ADR yenye matawi 4 na NOMA katika VLC, ikilinganishwa na vipokeaji vya kawaida vya FOV pana.

4. Hitimisho

Kazi hii imedhihirisha kwa mafanikio kwamba ushirikiano wa Vipokeaji vya Anuwai ya Pembe na NOMA ni mkakati wenye nguvu wa kuimarisha uwezo na uthabiti wa mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya ndani. Uwezo wa ADR wa kutoa pembejeo bora ya kituo cha mawasiliano kwa mchakato wa SIC wa NOMA husababisha uboreshaji mkubwa wa kiwango cha data, na hivyo kufanya muundo huu mchanganyiko kuwa wa kuvutia katika mitandao ya baadaye ya optiki isiyo na waya yenye msongamano mkubwa.

5. Uchambuzi wa Asili & Ufahamu wa Mtaalamu

Ufahamu Mkuu: Karatasi hii sio tu juu ya kuongeza kipokeaji bora; ni hack ya uhandisi yenye busara inayobadilisha muundo wa bajeti ya kiungo cha VLC katika sehemu yake dhaifu zaidi—sakafu ya kelele ya kipokeaji—ili kufungua uwezo kamili wa kinadharia wa NOMA. Waandishi wametambua kwa usahihi kwamba utendaji wa NOMA umepunguzwa sana na mafanikio ya SIC, ambayo inashindwa sana katika vituo vya VLC vilivyo na njia nyingi. ADR yenye matawi 4 hufanya kazi kama kichujio cha anga, na hivyo kuunda kituo "safi" zaidi kwa mtumiaji mkuu katika jozi ya NOMA, na kugeuza faida ya kinadharia kuwa ongezeko la vitendo la 35%.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii ni nzuri: 1) VLC inahitaji ufanisi wa wigo (NOMA inaingia). 2) NOMA inahitaji tofauti kubwa ya faida ya kituo cha mawasiliano (tatizo katika mwanga sawasawa). 3) ADR huunda tofauti hii kwa njia ya bandia kwa kuchagua njia yenye nguvu zaidi inayoingia. 4) Matokeo: SIC inafanya kazi vizuri zaidi, jumla ya kiwango cha data huongezeka. Hii ni mbinu ya kisasa zaidi kuliko kuongeza tu nguvu ya kutuma au upana wa ukanda, na inalingana na mienendo ya utafiti wa 6G inayolenga mazingira ya redio yenye akili, kama ilivyojadiliwa katika hati nyeupe za Next G Alliance.

Nguvu & Kasoro: Nguvu iko katika faida ya utendaji iliyothibitishwa na muhimu kwa kutumia uboreshaji wa kipokeaji wenye utata mdogo. Mbinu ni sahihi, ikitumia miundo ya kufuatilia miale na NOMA iliyothibitishwa. Hata hivyo, uchambuzi una mapungufu muhimu. Kwanza, unadhania habari kamili ya hali ya kituo cha mawasiliano (CSI) na SIC kamili—vyote viwili vina matumaini makubwa katika mifumo ya wakati halisi yenye watumiaji wanaosonga. Pili, ADR yenye matawi 4 inaongeza gharama, ukubwa, na utata wa usindikaji (mantiki ya uteuzi wa matawi) wa kipokeaji. Karatasi haijazingatia kikamilifu usawa huu. Ikilinganishwa na kazi muhimu za optiki zinazobadilika katika mawasiliano ya optiki ya anga huria (kama zile za MIT Media Lab), mbinu hii ya ADR ni tuli; inachagua lakini haielekezi au kuunda boriti kwa nguvu, na hivyo kuacha utendaji zaidi.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wasimamizi wa bidhaa na viongozi wa Utafiti na Maendeleo, utafiti huu unatoa mpango wazi: Kipaumbele kwa ubunifu wa kipokeaji. Kuwekeza katika vigunduzi vya mwanga vingi na vya kisasa ndio ufunguo wa kutofautisha bidhaa za baadaye za Li-Fi. Hatua inayofuata ya haraka inapaswa kuwa utengenezaji wa algorithm ya wakati halisi ya uteuzi wa matawi na kujaribu chini ya hali zinazobadilika za kituo cha mawasiliano na CSI isiyokamilika. Zaidi ya hayo, chunguza mbinu mchanganyiko: unganisha ADR hii na usaili mwingi wa msimbo mchache (SCMA) au mbinu za saini zenye msongamano mdogo (LDS) zilizochunguzwa katika 5G NR, ambazo zinaweza kutoa usawa bora wa utata-na-utendaji kuliko NOMA safi ya uwanja wa nguvu kwa vituo vya optiki.

6. Maelezo ya Kiufundi

Utendaji wa mfumo unategemea muundo wa kituo cha mawasiliano na mchakato wa utatuzi wa NOMA. Nguvu ya mwanga inayopokelewa na tawi la $k$ la ADR kutoka kwa LED ya $j$ ni:

$P_{r,(j,k)} = H_{j,k}(0) * P_{t,j}$

Kipokeaji kinachagua tawi $k^*$ lenye SNR ya juu zaidi: $k^* = \arg\max_k (\sum_j P_{r,(j,k)}^2 / N_0)$. Kwa jozi ya NOMA ya mstari wa chini na watumiaji $U_1$ (kituo dhaifu) na $U_2$ (kituo kizuri), ishara inayotumwa ni $x = \sqrt{\alpha P_t}s_1 + \sqrt{(1-\alpha)P_t}s_2$, ambapo $s_1, s_2$ ni ishara za watumiaji. $U_2$ hutatua $s_1$ kwanza, kuitoa, kisha kutatua $s_2$. $U_1$ huchukulia $s_2$ kama kelele na kutatua $s_1$ moja kwa moja. ADR inaboresha $|h_i|^2$ kwa mtumiaji aliyechaguliwa, na hivyo kuongeza hoja ya kitendakazi cha $\log_2$ katika mlinganyo wa kiwango cha data.

7. Matokeo ya Majaribio & Maelezo ya Chati

Ingawa sehemu ya PDF iliyotolewa haina takwimu wazi, matokeo yaliyoelezewa yanaweza kuonyeshwa kupitia chati mbili muhimu:

Chati 1: Kitendakazi cha Usambazaji wa Jumla (CDF) cha Kiwango cha Data cha Mtumiaji. Chati hii ingeonyesha mistari miwili: moja kwa mfumo wa kipokeaji cha FOV pana na moja kwa mfumo wa ADR. Mstari wa ADR ungehamishwa kwa kiasi kikubwa kulia, ikionyesha kwamba kwa uwezekano wowote (k.m., 50% ya watumiaji), kiwango cha data kinachoweza kufikiwa ni cha juu zaidi. Pengo kati ya mistari linaonyesha faida ya wastani ya ~35%.

Chati 2: Jumla ya Kiwango dhidi ya Idadi ya Watumiaji. Chati hii ingepanga uwezo wa jumla wa mfumo kadiri idadi ya watumiaji inavyoongezeka. Mstari wa NOMA+ADR ungeonyesha mteremko mkali zaidi na kiwango cha juu zaidi kuliko mstari wa NOMA+FOV-Pana, na hivyo kuonyesha ufanisi bora wa kuongeza idadi ya watumiaji. Mstari wa tatu kwa Usaili Mwingi wa Orthogonal (OMA) wa kawaida kama TDMA ungekuwa chini zaidi kuliko yote mawili, na hivyo kuonyesha faida ya ufanisi wa wigo wa NOMA.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi

Hali: Kutathmini mfumo wa VLC kwa eneo la kazi la ndani lenye msongamano mkubwa (k.m., ofisi ya mpango wazi yenye vituo 20 vya kazi).

Utumiaji wa Mfumo:

Uchambuzi wa Kituo cha Mawasiliano: Tumia programu ya kufuatilia miale kutengeneza chumba chenye vifaa vya LED kwenye dari. Hesabu matriki ya faida ya kituo cha mawasiliano $H$ kwa kila eneo linalowezekana la mtumiaji kwa miundo ya FOV pana na ADR yenye matawi mengi.
Kuunganisha Watumiaji kwa NOMA: Kwa kila muda wa kupanga, panga watumiaji kulingana na faida ya kituo chao kutoka kwa tawi lililochaguliwa la ADR. Unda jozi za NOMA kwa kuwakusanya mtumiaji mwenye kituo kizuri na mtumiaji mwenye kituo dhaifu.
Uboreshaji wa Ugawaji wa Nguvu: Tatua kwa mgawo wa nguvu $\alpha_i$ unaoongeza jumla ya kiwango cha data, kwa kuzingatia vikwazo: $\sum \alpha_i = 1$, $\alpha_i > 0$, na mahitaji ya chini ya kiwango $R_i \ge R_{min}$. Hili ni tatizo la uboreshaji la convex linaloweza kutatuliwa na algorithm za kawaida.
Makadirio ya Utendaji: Ingiza vigezo vilivyoboreshwa katika mlinganyo wa kiwango cha data $R_i$ ili kuhesabu kiwango cha data kilichokadiriwa kwa kila mtumiaji na jumla ya kiwango cha data cha mfumo. Linganisha matokeo ya muundo wa ADR na msingi wa FOV pana.

Mfumo huu unaonyesha moja kwa moja mbinu iliyoelezwa kwa uwazi katika karatasi na hutoa njia ya utaratibu wa kupima faida ya ADR katika utumiaji maalum.

9. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo

Mfumo wa ADR-NOMA-VLC una mwelekeo wenye matumaini:

Mawasiliano Yenye Uaminifu wa Juu na Ucheleweshaji Mdogo (URLLC) kwa IoT ya Viwanda: Katika viwanda vya kisasa, ADR zinaweza kutoa viungo thabiti kwa udhibiti wa mashine kwa kupunguza usumbufu kutoka kwa vifaa vinavyosonga na nyuso zinazotafakari.
Mawasiliano ya Optiki Chini ya Maji: Mazingira ya mtawanyiko chini ya maji yanafanana na VLC ya ndani iliyotawanyika. ADR zinaweza kusaidia kutenganisha njia kuu ya LOS katika maji yasiyo safi, na hivyo kuwezesha NOMA kwa mitandao ya chini ya maji yenye watumiaji wengi.
Uchunguzi na Mawasiliano Yanayounganishwa (ISAC): Matawi mengi ya mwelekeo ya ADR yanaweza kutumika kwa makadirio ya msingi ya pembe ya kufika, na hivyo kuwezesha uwekaji wa eneo la kifaa pamoja na mawasiliano—kipengele muhimu kwa majengo ya kisasa ya baadaye.
Mwelekeo wa Utafiti: Kazi ya baadaye lazima iende kuelekea ADR zinazobadilika kwa kutumia mfumo wa kioevu-kioo au mifumo ya umeme-mitambo ndogo (MEMS) kwa uelekezaji wa boriti unaobadilika. Zaidi ya hayo, kuunganisha ujifunzaji wa mashine kwa uteuzi wa watumiaji wa wakati halisi na thabiti na ugawaji wa nguvu katika hali za kusonga ni hatua muhimu inayofuata ili kuhama kutoka kwa uchanganuzi wa kompyuta hadi utumiaji.

10. Marejeo

Aljohani, M. K., et al. (2022). NOMA Visible Light Communication System with Angle Diversity Receivers. Source Journal/Conference.
Zeng, L., et al. (2017). High Data Rate Multiple Input Multiple Output (MIMO) Optical Wireless Communications Using White LED Lighting. IEEE Journal on Selected Areas in Communications.
Ding, Z., et al. (2017). A Survey on Non-Orthogonal Multiple Access for 5G Networks: Research Challenges and Future Trends. IEEE Journal on Selected Areas in Communications.
Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless Infrared Communications. Proceedings of the IEEE.
Next G Alliance. (2023). 6G Technology Report. ATIS.
IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. (2018). IEEE Std 802.15.7-2018.
Wang, Q., et al. (2020). Deep Learning for Optimal NOMA Power Allocation in Visible Light Communications. IEEE Wireless Communications Letters.