1. Utangulizi

Makala haya yanachunguza mfumo wa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) wa Upataji Wasiokabidhiana (NOMA) ulioboreshwa na Vipokeaji anuwai ya Pembe (ADR). Changamoto kuu inayoshughulikiwa ni ukomo wa mifumo ya kawaida ya VLC katika kutoa viwango vya juu vya data kutokana na mambo kama Usumbufu wa Ishara kati ya Ishara (ISI) na Usumbufu wa Kituo Sawa (CCI). Mfumo unaopendekezwa unachanganya ufanisi wa wigo wa NOMA na uwezo wa kupunguza usumbufu na ukamataji wa ishara wa ADR yenye matawi 4, kwa lengo la kuongeza kiwango cha data cha watumiaji katika mazingira ya ndani.

2. Muundo wa Mfumo

Mfumo umetengenezwa ndani ya chumba tupu chenye ukubwa wa 8m × 4m × 3m. Kituo cha mwanga kinajumuisha miongo kutoka kuta na dari, ikitengenezwa kama viongozi vya Lambertian vilivyo na mgawo wa kuakisi (ρ) wa 0.8. Ufuatiliaji wa miale unatumika kuiga usambazaji wa njia nyingi za ishara za mwanga.

2.1 Uundaji wa Chumba na Kituo cha Mawasiliano

Msukumo wa kituo cha ndani unahesabiwa kwa kuzingatia vipengele vyote vya mstari wa kuona (LOS) na vilivyojitokeza (vilivyoakisiwa). Nyuso zinazoakisiwa zimegawanywa katika vipengele vidogo vya eneo dA. Faida ya DC ya kituo kwa kipokeaji chenye eneo la kigunduzi $A_{pd}$ na faida $T_s(\psi)$ inatolewa na:

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

ambapo $m$ ni mpangilio wa Lambertian, $d$ ni umbali, $\phi$ ni pembe ya mnururisho, $\psi$ ni pembe ya kuingia, na $\Psi_c$ ni uwanja wa mtazamo (FOV) wa kipokeaji.

2.2 Ubunifu wa Kipokeaji anuwai ya Pembe (ADR)

ADR inajumuisha vigunduzi vinne vya mwanga vilivyo na FOV nyembamba, kila kimo kimeelekezwa kwa mwelekeo tofauti (k.m., kuelekea pembe za chumba au vituo maalum vya upatikanaji). Ubunifu huu unaruhusu kipokeaji kuchagua tawi lenye uwiano wa ishara kwa kelele (SNR) kali zaidi au kuchanganya ishara, na hivyo kupunguza athari za mwanga wa mazingira, mtawanyiko wa njia nyingi, na usumbufu wa kituo sawa.

2.3 Kanuni ya NOMA na Ugawaji wa Nguvu

NOMA hufanya kazi kwa kuweka ishara za watumiaji wengi juu ya kila mmoja katika kikoa cha nguvu kwenye kipitishaji. Kwenye kipokeaji, Ufutaji wa Usumbufu wa Mfululizo (SIC) hutumiwa kusimbua ishara. Nguvu hugawiwa kinyume na faida ya kituo: watumiaji wenye hali bora za kituo (ishara kali) hupatiwa nguvu kidogo, huku watumiaji wenye hali duni wakipata nguvu zaidi ili kuhakikisha usawa. Kiwango kinachoweza kufikiwa na mtumiaji $i$ ni:

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

ambapo $B$ ni upana wa wigo, $P_i$ ni nguvu iliyogawiwa kwa mtumiaji $i$, $h_i$ ni faida ya kituo, na $\sigma^2$ ni tofauti ya kelele.

3. Matokeo ya Uigizaji & Majadiliano

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

3.1 Ulinganisho wa Utendaji: ADR dhidi ya FOV Pana

Uchunguzi mkuu ni kwamba mfumo unaotegemea ADR unafikia uboreshaji wa wastani wa kiwango cha data wa 35% ikilinganishwa na mfumo wa kipokeaji chenye FOV pana. Faida hii inasababishwa na uwezo wa ADR wa kuchagua kukamata ishara kali zaidi, zisizo na uharibifu, na kukataa vipengele vya kusumbua kutoka kwa vipitishaji vingine au miongo.

3.2 Uchambuzi wa Kiwango cha Data na Uboreshaji

Uigizaji unajumuisha kuboresha ugawaji wa rasilimali (nguvu) miongoni mwa watumiaji kulingana na hali zao za sasa za kituo, zinazotokana na uchaguzi wa matawi ya ADR. Uboreshaji unalenga kuongeza jumla ya kiwango cha data huku ukidumisha usawa wa watumiaji, kufuatia mbinu ya awali ya waandishi [36]. Matokeo yanaonyesha kwamba mchanganyiko wa uchaguzi wa tawi linalobadilika na ugawaji wa nguvu wa NOMA huongeza kwa kiasi kikubwa ufanisi wa wigo.

Kipimo Muhimu cha Utendaji

Faida ya Wastani ya Kiwango cha Data ya 35% imefikiwa na mfumo wa NOMA-VLC unaotegemea ADR ikilinganishwa na msingi wa kipokeaji chenye FOV pana.

4. Hitimisho

Makala yanahitimisha kuwa kuunganisha Vipokeaji anuwai ya Pembe na NOMA katika mifumo ya VLC ni mkakati wenye ufanisi mkubwa wa kushinda vikwazo muhimu kama usumbufu na upana wa wigo mdogo. ADR yenye matawi 4 hutoa faida kubwa katika kiwango cha data kwa kuboresha ubora wa ishara na kuwezesha ugawaji wa nguvu wenye ufanisi zaidi kwa watumiaji wengi kupitia NOMA. Kazi hii inathibitisha uwezekano wa ubunifu wa hali ya juu wa kipokeaji uliochanganywa na uunganishaji usio wa kawaida kwa mitandao ya baadaye ya waya ya mwanga.

5. Ufahamu Mkuu wa Mchambuzi

Ufahamu Mkuu: Makala haya si tu juu ya uboreshaji mdogo; ni mabadiliko ya kimkakati. Yanatambua kwa usahihi kwamba kikwazo cha VLC yenye msongamano mkubwa na uwezo mkubwa sio tu kipitishaji (ambapo utafiti mwingi unazingatia, k.m., kwenye µLEDs au diodes za laser) lakini kwa muhimu, uwezo wa kipokeaji kutofautisha ishara katika mazingira yenye kelele na njia nyingi. Faida ya 35% kutoka kwa ADR rahisi ya matawi 4 ni ushahidi wenye nguvu wa mwelekeo huu unaopuuzwa mara nyingi.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni sahihi: 1) VLC inakabiliwa na usumbufu (CCI/ISI), 2) ADR hupunguza usumbufu kwa kuchuja anga, 3) Ishara safi huwezesha uunganishaji mkali zaidi (NOMA), 4) Uunganishaji wa kikoa cha nguvu wa NOMA huongeza ufanisi wa wigo. Uigizaji katika muundo wa kawaida wa chumba (sawa na ule unaotumiwa na kikundi cha kazi cha IEEE 802.15.7r1) hutoa uthibitisho wa kuaminika.

Nguvu & Kasoro: Nguvu iko katika mchanganyiko wa vitendo wa dhana mbili zilizokomaa (upokeaji anuwai na NOMA) kwa faida wazi, inayoweza kupimika. Njia ni thabiti. Hata hivyo, kasoro iko katika unyenyekevu wa muundo wa ADR. ADR za ulimwengu wa kweli zinakabiliwa na changamoto kama uhusiano wa matawi, ugumu wa ziada wa vifaa, na hitaji la algoriti za haraka, zenye nguvu ndogo za kuchagua matawi—masuala yanayotajwa tu kwa kifupi. Ikilinganishwa na utafiti wa hali ya juu juu ya optiki inayobadilika au VLC ya MIMO inayotumia vipokeaji vya picha (kama inavyoonekana katika kazi kutoka Maabara ya Media ya MIT au BWRC ya UC Berkeley), mbinu hii inaweza kutekelezwa haraka lakini inaweza kuwa na kiwango cha chini cha mwisho cha uwezo.

Ufahamu Unaotekelezeka: Kwa watendaji wa tasnia, makala haya ni ishara ya kuwia kwa ubunifu upande wa kipokeaji. Wasimamizi wa bidhaa za mifumo ya Li-Fi au VLC ya viwanda wanapaswa kukipa kipaumbele kuunganisha vipokeaji vyenye vipengele vingi. Kwa watafiti, hatua zinazofuata ni wazi: 1) Chunguza masomo ya mashine kwa uchaguzi wa tawi la ADR bora, linalobadilika na kuunganisha watumiaji wa NOMA. 2) Chunguza kuunganishwa na uunganishaji wa mgawanyiko wa urefu wa wimbi (WDM) kwa faida zinazozidishana. 3) Fanya majaribio ya ulimwengu wa kweli na watumiaji wasio na msimamo ili kuthibitisha utendaji unaobadilika. Kupuuza anuwai ya vipokeaji katika viwango vya baadaye vya VLC itakuwa kosa kubwa.

6. Maelezo ya Kiufundi & Uundaji wa Kihisabati

Mchango mkuu wa kiufundi ni uboreshaji wa pamoja wa uchaguzi wa tawi la ADR na ugawaji wa nguvu wa NOMA. Ishara iliyopokelewa kwenye tawi la $k$-th la ADR kwa mtumiaji $i$ ni:

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

ambapo $h_{i,k}$ ni faida ya kituo kutoka kipitishaji hadi tawi la $k$-th kwa mtumiaji $i$, $P_u$ ni nguvu iliyogawiwa kwa ishara $x_u$ ya mtumiaji $u$, na $n_{i,k}$ ni kelele ya ziada ya Gaussian nyeupe. Kipokeaji huchagua tawi $k^*$ kwa kila mtumiaji au hatua ya kusimbua ambalo huongeza SNR bora. Mchakato wa SIC kwa mtumiaji mwenye faida ya kituo $|h_i|^2$ husimbua ishara kwa mpangilio wa kuongezeka kwa faida ya kituo. Vigawo vya ugawaji wa nguvu $\alpha_i$ (ambapo $\sum \alpha_i = 1$, na $\alpha_i < \alpha_j$ ikiwa $|h_i|^2 > |h_j|^2$) huboreshwa ili kuongeza jumla ya kiwango $\sum R_i$ chini ya kizuizi cha jumla cha nguvu $P_T$.

7. Matokeo ya Majaribio & Maelezo ya Chati

Ingawa makala yanategemea uigizaji, matokeo yaliyoelezewa yanaweza kuonekana kupitia chati muhimu:

  • Chati 1: Jumla ya Kiwango dhidi ya Nguvu ya Kufidia: Chati hii ingeonyesha mikunjo miwili, moja kwa mfumo wa ADR-NOMA na nyingine kwa msingi wa Wide-FOV-NOMA. Mikunjo yote ingeongezeka kwa nguvu, lakini mkunjio wa ADR ungeonyesha mwinuko mkali zaidi na kiwango cha juu zaidi, na hivyo kuonyesha wazi faida ya wastani ya 35% katika anuwai ya nguvu.
  • Chati 2: Usambazaji wa Kiwango cha Mtumiaji: Chati ya mistari au CDF inayoonyesha viwango vya data vilivyofikiwa na watumiaji binafsi ndani ya chumba. Mfumo wa ADR ungeonyesha usambazaji mwembamba zaidi, wa juu zaidi, na hivyo kuonyesha huduma thabiti zaidi na iliyoboreshwa kwa watumiaji katika maeneo mbalimbali (hasa karibu na kuta au pembe ambapo vipokeaji vya FOV pana vinakabiliwa na njia nyingi).
  • Chati 3: Mzunguko wa Uchaguzi wa Tawi: Ramani ya joto kwenye sakafu ya chumba inayoonyesha mara ngapi kila tawi la nne la ADR linachaguliwa kuwa tawi "bora". Hii ingeonyesha kwa kuona asili ya kukabiliana ya ADR, na matawi tofauti kuwa bora katika maeneo tofauti ya chumba.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi wa Kesi

Hali: Kubuni mtandao wa VLC kwa ofisi ya mpango wazi yenye vituo 20 vya kazi.

Utumiaji wa Mfumo:

  1. Mgawanyiko wa Tatizo: Tenga uchambuzi wa bajeti ya kiunga katika: (a) Nguvu ya Kipitishaji & Ubadilishaji, (b) Upotezaji wa Njia ya Kituo & Msukumo wa Kituo (kwa kutumia ufuatiliaji wa miale), (c) Uthabiti wa Kipokeaji & Uwanja wa Mtazamo.
  2. Kupima Faida ya ADR: Kwa kila eneo la kituo cha kazi, iga nguvu ya ishara iliyopokelewa na ueneaji wa kuchelewa kwa kutumia kipokeaji chenye FOV pana na ADR yenye matawi 4. Hesabu uboreshaji unaowezekana wa SNR na upunguzaji wa ISI unaotolewa na uwezo wa ADR wa kukataa miongo inayofika baadaye.
  3. Kuwakusanya Watumiaji wa NOMA: Watawanya watumiaji katika jozi/vikundi vya NOMA kulingana na tofauti yao ya faida ya kituo, ambayo sasa ni dhahiri zaidi na ya kuaminika kutokana na makadirio safi zaidi ya kituo ya ADR.
  4. Uigizaji wa Kiwango cha Mfumo: Endesha uigizaji wa Monte Carlo ukibadilisha shughuli za watumiaji na mahitaji ya data. Linganisha uwezo wa jumla wa mtandao na kiwango cha asilimia 5 cha mtumiaji (kipimo cha usawa) kwa mfumo wa ADR-NOMA dhidi ya mfumo wa kawaida wa OFDMA-VLC wenye vipokeaji vya FOV pana.
Mfumo huu unaruhusu mbuni wa mtandao kutathmini kwa utaratibu gharama na faida ya kuweka vifaa ngumu zaidi vya ADR dhidi ya faida za uwezo zilizoahidiwa.

9. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

  • Mwongozo wa Chini/Mtiririko wa Chini wa Li-Fi wa 6G: VLC ya ADR-NOMA ni mgombea bora wa mtiririko wa chini wenye msongamano mkubwa katika mitandao ya baadaye ya 6G, ikikamilisha RF katika uwanja wa michezo, uwanja wa ndege, na viwanda. Upinzani wake kwa usumbufu wa RF ni faida muhimu.
  • IoT ya Viwanda Yenye Kuaminika Sana: Katika ghala zilizojitengenezea au mistari ya uzalishaji, ambapo kuchelewa kwa chini na kuaminika ni muhimu, ADR zinaweza kutoa viungo thabiti vya mawasiliano ya mashine-kwa-mashine, na NOMA ikisaidia muunganisho mkubwa wa sensorer.
  • Mawasiliano ya Optiki Chini ya Maji: Mazingira ya kutawanyika chini ya maji yanafanana na hali mbaya ya njia nyingi. ADR zinaweza kuboresha kwa kiasi kikubwa masafa na uaminifu wa mawasiliano ya laser ya bluu/kijani kwa magari yasiyo na rubani chini ya maji.
  • Mwelekeo wa Utafiti:
    • ADR Zenye Akili: Kutumia mifumo ya umeme-mitambo ndogo (MEMS) au uongoaji wa miale unaotegemea kristali ya kioevu kwa marekebisho ya pembe endelevu, laini badala ya matawi yaliyowekwa.
    • Uboreshaji wa Tabaka Zilizovuka: Kuboresha kwa pamoja uchaguzi wa ADR wa tabaka ya kimwili na ratiba ya tabaka ya udhibiti wa kati (MAC) na kuwakusanya watumiaji wa NOMA.
    • Mifumo ya Mseto ya RF/VLC: Kuchunguza jinsi VLC ya ADR-NOMA inaweza kuunganishwa kwa usawa na RF ya mmWave au chini ya GHz 6 katika mtandao mchanganyiko, na uhamisho wa trafiki wenye akili.

10. Marejeo

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Mawasiliano ya Waya ya Mwanga: Mfumo na Uundaji wa Kituo na MATLAB®, CRC Press, 2019. (Mtaalamu wa uundaji wa kituo cha VLC)
  2. L. Yin, et al., "Upataji wasiokabidhiana kwa mawasiliano ya mwanga unaonekana," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (Makala muhimu juu ya NOMA-VLC)
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Mawasiliano ya infrared isiyo na waya," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (Mapitio ya msingi)
  4. T. Fath, H. Haas, "Ulinganisho wa utendaji wa mbinu za MIMO kwa mawasiliano ya waya ya mwanga katika mazingira ya ndani," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 2, 2013. (Inashughulikia mbinu za anuwai)
  5. Kiwango cha IEEE cha Mitandao ya Eneo na Jiji–Sehemu ya 15.7: Mawasiliano ya Waya ya Mwanga ya Masafa Mafupi, IEEE Std 802.15.7-2018. (Kiwango kinachohusika)
  6. M. O. I. Musa, et al., "Ugawaji wa Rasilimali katika Mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana," Journal of Lightwave Technology, 2022. (Kazi ya awali ya waandishi, marejeo [36])
  7. PureLiFi. "Teknolojia ya Li-Fi." https://purelifi.com/ (Kiongozi wa tasnia katika uuzaji wa VLC)
  8. Z. Wang, et al., "Kipokeaji anuwai ya pembe kwa mawasiliano ya mwanga unaonekana ya MIMO," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (Utafiti maalum wa utekelezaji wa ADR)