Uchambuzi wa Msimbo Mpya wa 5B10B RLL kwa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) Ulioimarishwa

1. Utangulizi & Muhtasari

Nakala hii inachambua msimbo mpya wa Run-Length Limited (RLL), unaoitwa 5B10B, unaopendekezwa kwa mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC). Uvumbuzi wa msingi upo katika muundo wake, unaolenga kutoa usawa muhimu wa DC unaohitajika kwa mwangaza usio na kukauka huku wakati huohuo ukiweka uwezo ulioimarishwa wa kusahihisha makosa—mchanganyiko ambao mara nyingi haupo katika misimbo ya jadi ya RLL kama Manchester, 4B6B, na 8B10B inayotakiwa na kiwango cha IEEE 802.15.7.

Motisha hii inatokana na hali ya matumizi mawili ya VLC, ambapo Diodi za Kutoa Mwanga (LED) lazima zitoe mwangaza na usambazaji wa data. Hii huweka vikwazo vikali kwa ishara inayotumwa ili kuepuka mabadiliko ya mwangaza yanayoweza kutambulika (kukauka) ambayo yanaweza kuwa hatari au kuchukiza. Ingawa misimbo ya kawaida ya RLL inashughulikia usawa wa DC na udhibiti wa urefu wa mkondo, kwa kawaida hutoa uwezo dhaifu wa kusahihisha makosa, mara nyingi huhitaji hatua za ziada na ngumu za Kusahihisha Makosa ya Mbele (FEC) ambazo hupunguza kiwango halisi cha data.

2. Msimbo Unapendekezwa wa 5B10B

Msimbo unaopendekezwa ni msimbo wa kuzuia ambao huorodhesha maneno ya data ya biti 5 hadi maneno ya msimbo ya biti 10, na kusababisha kiwango cha msimbo cha $R = \frac{5}{10} = 0.5$.

3. Uchambuzi wa Kiufundi & Utendaji

4. Matokeo ya Majaribio & Uigaji

PDF inaonyesha kuwa uchambuzi wa kinadharia na matokeo ya uigaji yanaonyesha ubora wa msimbo wa 5B10B. Kwa usambazaji ulioboreshwa wa OOK kwenye njia zenye Uwiano wa Ishara-kwa-Kejele (SNR) wa wastani hadi wa juu, msimbo unaopendekezwa unavuka mbinu za kawaida kwa suala la Uwiano wa Makosa ya Biti (BER).

Maelezo ya Chati ya Kubuni: Grafu ya BER dhidi ya SNR ingaonyesha mikondo mitatu: 1) 8B10B ya kawaida (sakafu ya juu ya BER), 2) 8B10B na msimbo wa nje wa RS (mstari mwinuko, utendaji bora lakini mgumu), na 3) 5B10B inayopendekezwa (mstari ulio kati yao, ukitoa BER bora kuliko 8B10B ya kawaida bila ugumu kamili wa usimbaji uliounganishwa). "Goti" la mstari wa 5B10B lingetokea kwa SNR ya chini kuliko msimbo wa kawaida wa RLL, na kuonyesha uthabiti wake ulioimarishwa.

5. Mtazamo wa Mchambuzi: Uelewa wa Msingi & Ukosoaji

Uelewa wa Msingi: Msimbo wa 5B10B wa Reguera sio uvumbuzi wa mapinduzi wa FEC; ni urekebishaji upya wenye busara na uhalisi wa kuzuia usimbaji wa safu ya kimwili kwa mazingira mahususi na yaliyozuiwa ya VLC. Inatambua kuwa katika matumizi mengi ya IoT na VLC ya watumiaji (Li-Fi kwa uwekaji wa nafasi ndani, udhibiti wa taa mahiri), njia mara nyingi ni nzuri kiasi lakini gharama ya mfumo na bajeti ya nguvu zimezuiwa sana. Ujanja upo katika kuweka uwezo wa kutosha wa kustahimili makosa ili kuepuka mzigo wa hatua tofauti ya FEC, na kusogeza kwa ufanisi mpaka wa utendaji-ugumu wa Pareto.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni thabiti: 1) VLC inahitaji usawa wa DC (kukauka). 2) Viwango hutumia misimbo ya RLL kwa hili. 3) Misimbo hii ina BER duni. 4) Kuongeza FEC kunaumiza kiwango/ugumu. 5) Kwa hivyo, unda msimbo mpya wa RLL ambao kwa asili una sifa bora za umbali. Mantiki inashughulikia moja kwa moja sehemu inayouma inayojulikana katika mkusanyiko wa itifaki.

Nguvu & Kasoro:
Nguvu: Uzuri wa suluhisho la msimbo mmoja ndio nguvu yake kuu. Hurahisisha muundo wa kipokeaji, hupunguza ucheleweshaji, na inalingana kikamilifu na mifumo iliyochongwa ya gharama nafuu na kiasi kikubwa. Falsafa yake ya kuelewana na nyuma (kubadilisha kizuizi kimoja katika mnyororo wa kisimbaji/kifafanuzi) inasaidia kupitishwa.
Kasoro: Badilisho la msingi ni kiwango cha msimbo cha 0.5. Katika enzi inayofuata ufanisi wa juu wa wigo, hii ni dhabihu kubwa. Haiwezi kufaa kwa matumizi ya VLC ya kiwango cha juu cha data. Zaidi ya haye, usahihishaji wake wa makosa umezuiwa kwa makosa ya biti ya nasibu ndani ya kizuizi; makosa ya mlipuko au njia kali bado yangehitaji msimbo wa nje. Karatasi, kama barua, uwezekano hauna uchambuzi kamili wa ugumu/kiwango cha utoaji ikilinganishwa na misimbo ya kisasa ya karibu na uwezo kama misimbo ya LDPC au Polar inayotumika katika 5G na Wi-Fi.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wasanifu wa mifumo: Fikiria msimbo huu kwa viungo vya VLC vyenye unyeti wa gharama, vya wastani wa SNR ambapo urahisi unavuka kiwango cha juu cha data. Ni bora kwa mitandao ya sensorer, udhibiti wa viwanda kupitia mwanga, au usafirishaji wa data ya msingi ya Li-Fi. Kwa watafiti: Kazi hii inasisitiza eneo la usimbaji wa pamoja wa chanzo-njia-mstari ambalo halijachunguzwa vya kutosha kwa njia zilizozuiwa. Hatua inayofuata ni kuchunguza matoleo ya kukabiliana au yasiyo na kiwango cha misimbo kama hii, labda kwa kutumia mbinu zilizochochewa na kanuni ya uhamishaji wa mtindo wa CycleGAN lakini ikitumika kwa muundo wa ishara—kubadilisha sifa za msimbo ili zilingane na hali ya nguvu ya njia.

6. Maelezo ya Kiufundi & Uundaji wa Kihisabati

Utendaji unaweza kuchambuliwa kwa sehemu kupitia umbali wa chini wa Hamming ($d_{min}$). Kwa msimbo wa kuzuia wa binary, idadi ya makosa yanayoweza kugundulika ni $d_{min} - 1$ na idadi ya makosa yanayoweza kusahihishwa (chini ya kufafanua kwa umbali ulio na mipaka) ni $t = \lfloor (d_{min} - 1)/2 \rfloor$.

Ikiwa msimbo wa 5B10B umeundwa kama msimbo wa uzito wa mara kwa mara au na tofauti iliyozuiwa kikamilifu, kila neno la msimbo la biti 10 linaweza kuwa na 1 haswa tano na 0 tano (uzito=5). Umbali wa Hamming kati ya maneno mawili kama haya ya msimbo ni sawa na angalau 2. Kitabu cha msimbo kilichoundwa vizuri kinaweza kufikia $d_{min}$ ya 4 au 6, na kuwezesha kusahihisha makosa 1 au 2 kwa kila kizuizi cha biti 10, mtawalia.

Faida ya usimbaji ya asimptoti (kwa ishara za orthogonal) juu ya usambazaji usiosimbwa inaweza kadiriwa kuwa $G = 10 \log_{10}(R \cdot d_{min})$ dB. Kwa $R=0.5$ na $d_{min}=4$, $G \approx 3 \text{ dB}$. Hii inapima madai ya "usahihishaji ulioimarishwa wa makosa".

7. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kimawazo

Uchunguzi wa Kesi: Mfumo wa Uwekaji Nafasi wa Li-Fi wa Ndani

Hali: Taa ya dari ya LED hutuma kitambulisho chake cha kipekee na data ya eneo kwa kamera ya simu mahiri kwa urambazaji wa ndani.

Changamoto: Njia inakabiliwa na kelele ya wastani ya mwanga wa mazingira na kuzibwa mara kwa mara. Simu mahiri ina nguvu ndogo ya usindikaji wa kufafanua.

Njia ya Kawaida (IEEE 802.15.7): Tumia usimbaji wa 8B10B. Ili kufikia uwekaji nafasi unaotegemewa, msimbo wa nje wa Reed-Solomon (RS) unaweza kuongezwa. Hii inahitaji simu kukimbia hatua mbili za kufafanua (RLL + RS), na kuongeza matumizi ya nguvu na ucheleweshaji, ambao ni muhimu kwa uwekaji nafasi wa wakati halisi.

Njia ya 5B10B Inayopendekezwa: Badilisha mnyororo wa 8B10B+RS na kifafanuzi cha 5B10B pekee. Usahihishaji wa asili wa 5B10B unashughulikia kelele ya wastani ya njia. Simu hufafanua kwa kasi zaidi na nguvu ndogo. Badilisho ni kupunguzwa kwa 37.5% kwa kiwango cha data ghafi (kutoka 0.8 hadi 0.5). Hata hivyo, kwa kutuma kitambulisho kifupi, kinachorudiwa, na kuratibu, kiwango hiki kinatosha. Mfumo hupata faida katika urahisi, gharama, na maisha ya betri.

Hitimisho la Mfumo: Mfano huu unatumia matriki rahisi ya uamuzi: Hali ya Njia dhidi ya Bajeti ya Ugumu wa Mfumo dhidi ya Hitaji la Kiwango cha Data. Msimbo wa 5B10B unalenga robo ya "Njia ya Wastani, Ugumu wa Chini, Kiwango cha Data cha Chini-Hadi-Wastani."

8. Matarajio ya Utumizi & Mwelekeo wa Baadaye

• VLC ya IoT ya Nguvu ya Chini Sana: Kikoa cha msingi cha utumizi. Fikiria sensorer zenye nguvu za betri zinazowasiliana kupitia mwanga ulioboreshwa kwa kituo kikuu, ambapo nishati ya kufafanua ni muhimu zaidi.
• VLC ya Chini ya Maji (UWVLC): Njia za chini ya maji zina mtawanyiko wa juu na upungufu. Msimbo thabiti, rahisi kama 5B10B unaweza kuwa wa thamani kwa viungo vya amri-na-udhibiti vya ufupi, vinavyotegemewa kati ya magari ya chini ya maji yanayojitegemea (AUV) na vituo vya kukutia.
• Kutambua na Mawasiliano Yanayounganishwa (ISAC): Katika ISAC inayotegemea VLC, ambapo mwanga hutumiwa kumulika chumba na kutambua uwepo, ishara ya mawasiliano lazima iwe isiyo na kukauka kabisa na thabiti. Udhibiti mkali wa DC na uwezo wa kustahimili makosa wa 5B10B hufanya iwe mgombea wa sehemu ya mawasiliano ya ishara kama hiyo ya kazi mbili.
• Utafiti wa Baadaye:
  • Kiwango cha Msimbo Cha Kukabiliana: Kuunda familia ya misimbo (mfano, 5B10B, 6B10B) ambayo inaweza kukabiliana na kiwango kulingana na maoni ya SNR ya njia.
  • Muundo Unaosaidiwa na Kujifunza kwa Mashine: Kutumia kushuka kwa gradient au kujifunza kwa uthibitisho (sawa na jinsi AlphaFold inatabiri miundo ya protini) kutafuta nafasi kubwa ya vitabu vinavyowezekana vya msimbo kwa vile vinavyoboresha kazi ya malengo mengi (usawa wa DC, $d_{min}$, urefu wa mkondo).
  • Unganishaji na Uboreshaji wa Juu: Kuchunguza utendaji wa msimbo na uboreshaji wa hali ya juu kama OFDM katika VLC (DCO-OFDM, ACO-OFDM), ambapo sifa zake zinaweza kusaidia kupunguza matatizo ya uwiano wa nguvu ya kilele-kwa-wastani (PAPR).

9. Marejeo

1. Reguera, V. A. (Mwaka). Msimbo Mpya wa RLL na Utendaji Bora wa Makosa kwa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana. IEEE Communications Letters.
2. Kiwango cha IEEE cha Mitandao ya Eneo la Karibu na Jiji–Sehemu ya 15.7: Mawasiliano ya Kioo ya Kifupi ya Wimbi Kwa Kutumia Mwanga Unaonekana, IEEE Std 802.15.7-2018.
3. Waandishi. (Mwaka). Kufafanua laini ya misimbo ya RS iliyounganishwa na msimbo wa ndani wa RLL. Jarida/Mkutano Unaofaa.
4. Waandishi. (Mwaka). Usimbaji wa pamoja wa FEC-RLL kwa kutumia misimbo ya convolutional na Miller. Jarida/Mkutano Unaofaa.
5. Waandishi. (Mwaka). Kufafanua kwa RLL kwa pato laini. Jarida/Mkutano Unaofaa.
6. Waandishi. (Mwaka). Kubadilisha kisimbaji cha RLL kupitia alama za fidia. Jarida/Mkutano Unaofaa.
7. Waandishi. (Mwaka). Msimbo wa Kiwango cha Umoja (URC) kwa kuongezeka kwa uwezo wa VLC. Jarida/Mkutano Unaofaa.
8. Waandishi. (Mwaka). Misimbo ya eMiller. Jarida/Mkutano Unaofaa.
9. Waandishi. (Mwaka). Misimbo ya Polar na biti zilizoganda zilizowekwa mapema kwa VLC. Jarida/Mkutano Unaofaa.
10. Zhu, J., et al. (2015). Kupunguza Kukauka katika Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana. Katika: Mifumo ya Juu ya Mawasiliano ya Kioo ya Wimbi. Cambridge University Press. (Mfano wa chanzo cha nje chenye mamlaka juu ya kukauka).
11. Isola, P., et al. (2017). Tafsiri ya Picha-hadi-Picha na Mitandao ya Adui ya Masharti. CVPR. (Kumbukumbu ya CycleGAN kwa msukumo wa kimawazo kwenye kazi za mabadiliko).
12. 3GPP Uainishaji wa Kiufundi 38.212. Kuchanganya na usimbaji wa njia. (Kumbukumbu kwa misimbo ya kisasa ya njia kama misimbo ya Polar).