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

1. Utangulizi & Muhtasari

Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) yanatumia miundombinu ya taa za LED kwa usambazaji wa data, yakileta changamoto za kipekee kama vile kupunguza kuwashakuwasha na udhibiti wa mwangaza. Kiwango cha IEEE 802.15.7 kinatilia mkazo matumizi ya misimbo ya Run-Length Limited (RLL) kama vile Manchester, 4B6B, na 8B10B ili kuhakikisha usawa-DC, kuzuia athari mbaya za mwanga. Hata hivyo, misimbo hii ya jadi inatoa urekebishaji wa makosa wa ndani uliokithiri, mara nyingi inahitaji hatua za ziada za usimbaji wa kituo ambazo hupunguza viwango bora vya data. Karatasi hii inatanguliza msimbo mpya wa 5B10B RLL ulioundwa kujaza pengo hili, ukitoa uwezo thabiti wa kurekebisha makosa huku ukidumisha usawa-DC muhimu na uchangamano mdio unaohitajika kwa mifumo ya VLC ya vitendo.

2. Ubunifu wa Msimbo 5B10B Unaopendekezwa

Ubunifu mkuu upo katika urambazaji mpya wa biti 5 hadi biti 10 (5B10B). Hii inadumisha kiwango cha msimbo cha $R = \frac{5}{10} = 0.5$, sawa na usimbaji wa Manchester, ikihakikisha utangamano na matarajio ya kawaida ya upanuzi wa upana wa bendi katika mipango ya RLL.

2.1. Muundo wa Msimbo & Urambazaji

Msimbo umefafanuliwa na jedwali la kutafutia (lililoelezwa kutoka kwa maandishi) ambalo hurambaza kila moja ya maneno ya data ya biti 5 32 yanayowezekana kwa neno la msimbo maalum la biti 10. Urambazaji umeundwa kwa makini kufikia malengo mengi wakati huo huo: kupunguza biti zinazofanana zinazofuatana (urefu wa mfululizo), kudumisha jumla ya kidijitali inayokaribia sifuri (usawa-DC), na kuongeza umbali wa Hamming kati ya maneno ya msimbo kwa ajili ya kugundua/kurekebisha makosa.

2.2. Usawa-DC & Udhibiti wa Urefu wa Mfululizo

Usawa-DC mkali ni muhimu kwa VLC ili kuepuka mabadiliko ya mwangaza ya masafa ya chini yanayosababisha kuwashakuwasha unaoonekana, ambao umesimamiwa na viwango vinavyofafanua Kipindi cha Muda cha Juu cha Kuwashakuwasha (MFTP). Maneno ya msimbo wa 5B10B yaliyopendekezwa yameundwa kupunguza jumla ya kidijitali inayotumika, yakishughulikia kikwazo hiki cha kiwango cha vifaa kwa ufanisi zaidi kuliko mapendekezo ya awali kama vile Misimbo ya Kiwango cha Umoja (URC) ambayo ilipunguza usawa-DC kwa ajili ya kiwango cha juu zaidi.

3. Uchambuzi wa Kiufundi & Utendaji

3.1. Utaratibu wa Kurekebisha Makosa

Utendaji ulioboreshwa wa makosa unatokana na umbali wa chini wa Hamming ($d_{min}$) ulioundwa wa msimbo. Wakati misimbo ya kawaida ya RLL kama vile Manchester ina $d_{min}=2$ (ikiruhusu tu kugundua makosa), urambazaji wa msimbo wa 5B10B huongeza umbali huu. $d_{min}$ ya juu zaidi huwezesha kisimbaji kurekebisha idadi fulani ya makosa ya biti ($t$) kwa kila neno la msimbo, ambapo $t = \lfloor (d_{min} - 1)/2 \rfloor$. Uwezo huu wa kurekebisha wa ndani hupunguza Kiwango cha Hitilafu ya Biti (BER) kwenye kipokeaji bila kuongeza hatua tofauti ya kisimbaji cha FEC.

3.2. Uchambuzi wa Kinadharia wa BER

Kwa ishara iliyobadilishwa ya OOK juu ya kituo cha AWGN, BER ya kinadharia kwa mfumo usiosimbwa hutolewa na $P_b = Q\left(\sqrt{\frac{2E_b}{N_0}}\right)$, ambapo $Q(\cdot)$ ni kitendakazi cha Q. Mfumo uliosimbwa wenye kiwango cha msimbo $R$ na umbali wa chini $d_{min}$ unaweza kufikia kikomo cha juu cha takriban kwenye BER: $P_b \lessapprox \frac{1}{2} \text{erfc}\left(\sqrt{R \cdot d_{min} \cdot \frac{E_b}{N_0}}\right)$. Msimbo uliopendekezwa unaboresha hoja ndani ya kitendakazi cha $Q$ kwa sababu ya $R \cdot d_{min}$ ikilinganishwa na mfumo usiosimbwa, ikielezea utendaji wake bora katika hali za SNR za wastani hadi za juu.

4. Matokeo ya Uigizaji & Ulinganisho

4.1. Utendaji wa BER dhidi ya Misimbo ya Kawaida

Karatasi inawasilisha matokeo ya uigizaji yanayolinganisha msimbo wa 5B10B dhidi ya misimbo ya kawaida ya IEEE 802.15.7 (k.m., Manchester, 4B6B) chini ya ubadilishaji wa OOK. Ugunduzi mkuu ni kupunguzwa kwa kiasi kikubwa kwa BER kwa msimbo wa 5B10B kwa Uwiano wa Ishara-kwa-Kepelelezi (SNR) sawa. Kwa mfano, kufikia lengo la BER la $10^{-5}$, msimbo wa 5B10B unaweza kuhitaji SNR ndogo zaidi kwa 1-2 dB kuliko msimbo wa Manchester. Faida hii inahusishwa moja kwa moja na sifa zake za kurekebisha makosa. Utendaji huu unazidi ule wa mifumo iliyounganishwa (k.m., RS + 4B6B) kwa uchangamano mdogo, kwani huzuia ucheleweshaji na mzigo wa usindikaji wa kisimbaji tofauti cha FEC.

4.2. Tathmini ya Uchangamano

Faida kubwa ni kudumishwa kwa uchangamano mdogo. Usimbaji na usimbaji upya vinaweza kutekelezwa kupitia jedwali rahisi la kutafutia (ROM) au mantiki ya kuchanganya, sawa na misimbo ya kawaida ya 4B6B/8B10B. Hii inatofautiana na mipango changamano zaidi ya usimbaji upya laini kwa misimbo iliyounganishwa [3,5] au usimbaji upya wa misimbo ya eMiller unaotegemea trellis [8], na kufanya msimbo wa 5B10B uwe unaofaa sana kwa vifaa vya upokeaji na usambazaji vya VLC vya kasi ya juu vilivyo na vikwazo vya rasilimali.

5. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Msimbo wa 5B10B wa Reguera sio marekebisho madogo tu; ni mabadiliko ya kimkakati kutoka kwa kuchukulia RLL kama "kurekebisha wigo" tu hadi kuutambua kama safu ya msingi ya usimbaji wa kituo. Mafanikio halisi ni utambuzi kwamba katika viungo vya VLC vinavyohitaji nguvu na usumbufu wa muda (fikiria Li-Fi kwa IoT au mawasiliano ya gari-kwa-gari), mzigo wa FEC tofauti, yenye nguvu kama vile misimbo ya LDPC au Polar inaweza kuwa ghali sana. Kazi hii inaingiza kwa ujanvi uhitaji wa kutosha ndani ya muundo wa RLL yenyewe kupambana na muundo wa makosa wakubwa katika VLC ya kawaida inayotegemea OOK, na kwa ufanisi kuunda FEC "ya kutosha" kwa hali nyingi za vitendo. Inafuata mwelekeo unaoonekana katika vituo vingine vilivyo na vikwazo, kama vile usimbaji wenye ufanisi kwa kumbukumbu ya flash, ambapo ubunifu wa msimbo umeunganishwa kwa kina na maelezo maalum ya safu ya kimwili.

Mtiririko wa Kimantiki: Hoja ni rahisi na yenye mvuto: 1) VLC inahitaji misimbo yenye usawa-DC (RLL). 2) Viwango hutumia RLL lakini kisha vinahitaji FEC ya ziada, ikiharibu kiwango/uchangamano. 3) Kazi za awali zinaweza kuwa ngumu zaidi kwa usimbaji upya [3,5,9] au kukataa usawa-DC [6,7]. 4) Kwa hivyo, unda msimbo mpya wa RLL kutoka mwanzo wenye sifa za FEC. Mantiki ni sahihi, lakini mkazo mkubwa wa karatasi kwenye OOK na SNR ya wastani-hadiju ni kukubali kimya kwa eneo lake maalum: sio msimbo wa ulimwengu wote lakini ni suluhisho lililoboreshwa kwa hali maalum, muhimu ya uendeshaji.

Nguvu & Kasoro: Nguvu ni uzuri usiokataliwa na utendaji wa vitendo. Utekelezaji wa jedwali la kutafutia ni ndoto kwa wabunifu wa FPGA/ASIC. Hata hivyo, kasoro iko katika upeo mdogo. Inafanya vipi chini ya ISI kali kutoka kwa njia nyingi katika VLC ya ndani? Karatasi haisemi chochote kuhusu utendaji na ubadilishaji wa hali ya juu zaidi (kama vile VPPM pia katika 802.15.7), ambayo ni muhimu kwa usaidizi wa kupunguza mwangaza. Zaidi ya hayo, "urekebishaji wa makosa ulioboreshwa" ni wa jamaa; kwa SNR ya chini sana, FEC tofauti yenye nguvu bado itahitajika. Msimbo ni daraja, sio badala, kwa usimbaji wa kituo wa hali ya juu katika mazingira magumu.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wabunifu wa mifumo: tathmini mara moja msimbo huu wa 5B10B kwa ubunifu wowote mpya wa bidhaa ya VLC inayotegemea OOK, hasa ambapo gharama na nguvu ni muhimu. Inaweza kupunguza idadi ya vipengele. Kwa watafiti: Hii inafungua njia tajiri. Je, kanuni hii inaweza kupanuliwa kwa misimbo ya 6B12B au 8B16B kwa mabadiliko tofauti ya kiwango/utendaji? Je, ujifunzaji wa kina unaweza kutumika kuboresha jedwali la urambazaji la maneno ya msimbo kwa aina maalum za kituo, sawa na jinsi mitandao ya neva inavyotumika kubuni misimbo kwa vituo maalum? Kwa mashirika ya viwango (IEEE, ITU): Ni wakati wa kukagua upya zana za safu ya kimwili ya VLC. Misimbo kama vile 5B10B inapaswa kuzingatiwa kwa makini kama misimbo ya hiari au iliyopendekezwa katika marekebisho ya baadaye ya 802.15.7 au katika viwango vipya kama vile vinavyojadiliwa kwa Li-Fi (IEEE 802.11bb). Enzi ya kuchukulia usimbaji wa mstari na usimbaji wa kituo kama matatizo tofauti, yanayofuatana katika VLC inapaswa kutiwa changamoto.

6. Maelezo ya Kiufundi & Uundaji wa Kihisabati

Utendaji wa msimbo unaweza kuchambuliwa kupitia kiorodheshaji chake cha uzito au wigo wa umbali. Acha $A_d$ iwe idadi ya maneno ya msimbo yenye uzito wa Hamming $d$. Kikomo cha umoja kwenye uwezekano wa hitilafu ya neno la msimbo kwa msimbo wa mstari wa binary juu ya kituo cha AWGN na BPSK/OOK ni: $$P_e \leq \sum_{d=d_{min}}^{n} A_d \, Q\left(\sqrt{\frac{2d R E_b}{N_0}}\right)$$ ambapo $n=10$ ni urefu wa neno la msimbo. Lengo kuu la ubunifu ni kuongeza $d_{min}$ na kupunguza viwango $A_d$ kwa maneno ya msimbo yenye uzito mdogo, na hivyo kuimarisha kikomo hiki. Kikwazo cha usawa-DC kinaongeza safu nyingine kwa ubora, mara nyingi huwekwa rasmi kama kupunguza thamani kamili ya juu zaidi ya Jumla ya Kidijitali Inayotumika (RDS): $\text{RDS} = \sum_{i=1}^{k} (2c_i - 1)$, ambapo $c_i$ ni biti zilizosimbwa zilizorambazwa hadi ±1. Msimbo uliopendekezwa uwezekano hudumisha $|\text{RDS}| \leq S_{max}$ kwa $S_{max}$ ndogo juu ya neno lolote la msimbo au mlolongo mfupi wa maneno ya msimbo.

7. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kufikiri

Mfumo: Kutathmini msimbo mpya wa mstari wa VLC kunahusisha nafasi ya mabadiliko ya pande nyingi: 1) Wigo & Usawa-DC (RDS, PSD), 2) Utendaji wa Makosa ($d_{min}$, BER dhidi ya SNR), 3) Uchangamano wa Utekelezaji (idadi ya lango, ukubwa wa kumbukumbu), 4) Unganishaji wa Mfumo (utangamano na kupunguza mwangaza, ubadilishaji).

Uchunguzi wa Kufikiria - Mfumo wa Uwekaji Ndani: Fikiria mfumo wa uwekaji ndani unaotegemea VLC ambapo taa za LED hupitisha kitambulisho chao na data ya eneo. Kituo kina kelele za wastani (SNR ~12-15 dB), na ucheleweshaji mdogo ni muhimu kwa kufuatilia halisi ya wakati. Kutumia usimbaji wa kawaida wa Manchester kungalipunguza masafa au kuhitaji kisimbaji tofauti cha FEC, na kuongeza nguvu na ucheleweshaji. Kutekeleza msimbo wa 5B10B huruhusu vifaa sawa vya kiendeshi cha LED kupitisha na BER ya chini ya awali. Hii inabadilisha moja kwa moja kwa eneo lililopanuliwa la usambazaji kwa nguvu sawa ya LED, kiwango cha juu cha usasishaji wa uwekaji, au uaminifu wa juu wa marekebisho ya eneo, yote bila kubadilisha ubadilishaji wa msingi (OOK) au kuongeza chips ngumu za usimbaji upya. Hii inaonyesha thamani ya msimbo katika matumizi ya VLC ya nguvu ndogo, ya kompyuta ya makali.

8. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

Msimbo wa 5B10B unafungua njia kwa matumizi kadhaa ya hali ya juu na nyuzi za utafiti:

• Zaidi ya OOK: Kuchunguza utendaji wa msimbo na VPPM na Ubadilishaji wa Ukubwa wa Pigo (PAM) kwa mawasiliano ya wakati mmoja na udhibiti sahihi wa kupunguza mwangaza.
• Misimbo Iliyoboreshwa na Kujifunza kwa Mashine: Kutumia ujifunzaji wa kuimarisha au algoriti za maumbile kutafuta nafasi kubwa ya urambazaji wa 5B10B kwa wigo bora zaidi wa umbali chini ya vikwazo vingi (RDS, kuwashakuwasha, sakafu ya makosa).
• Unganishaji na FEC ya Hali ya Juu: Kutumia msimbo wa 5B10B kama msimbo wa ndani katika mpango uliounganishwa na msimbo wa nje wa kisasa kama vile msimbo wa Polar wa kiwango cha chini (kama katika 5G) au msimbo wa LDPC uliounganishwa kwa anga. Msimbo wa 5B10B ungeshughulikia kuwashakuwasha na kutoa safu ya kwanza ya marekebisho, na kurahisisha kazi ya msimbo wa nje.
• Uwekaji wa Kiwango katika Nyanja Mpya za VLC: Kukuza matumizi ya msimbo katika VLC ya chini ya maji (UWVLC), ambapo hali ya kituo ni ngumu na ufanisi wa nguvu ni muhimu zaidi, au katika mawasiliano ya kamera ya macho (OCC) kwa simu janja.
• Vionyeshi vya Vifaa: Kuendeleza utekelezaji wa chanzo wazi wa FPGA au ASIC kupima matumizi halisi ya nguvu na uwezo dhidi ya misaada ya 4B6B na 8B10B.

9. Marejeo

1. Kiwango cha IEEE cha Mitandao ya Eneo na Jiji--Sehemu ya 15.7: Mawasiliano ya Kioo ya Kifupi ya Wimbi Kwa Kutumia Mwanga Unaonekana, IEEE Std 802.15.7-2018.
2. Komine, T., & Nakagawa, M. (2004). Uchambuzi wa msingi wa mfumo wa mawasiliano ya mwanga unaoonekana kwa kutumia taa za LED. IEEE Transactions on Consumer Electronics.
3. Griffin, R. A., & Carter, A. C. (2002). Usambazaji wa msimbo wa Manchester wa kioo kwa kutumia kiongeza cha kioo cha semiconductor. Electronics Letters.
4. Lee, K., & Park, H. (2011). Msimbo mpya wa RLL kwa mawasiliano ya mwanga unaoonekana na urekebishaji wa makosa wa ndani. Proc. ICTC. (Mtangulizi wa kufikiria kwa FEC-RLL ya pamoja).
5. Wang, Q., et al. (2020). Ujifunzaji wa Kina kwa Usimbaji wa Kituo: Uchunguzi Kamili. IEEE Communications Surveys & Tutorials. (Muktadha wa ubunifu wa msimbo unaotegemea ML).
6. 3GPP TS 38.212. (2020). NR; Uchanganyaji na usimbaji wa kituo. (Kwa marejeo ya misimbo ya Polar inayotumika katika redio ya hali ya juu).
7. Reguera, V. A., et al. (2022). Kuhusu Kupunguza Kuwashakuwasha katika Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana na Misimbo ya Kiwango cha Umoja. IEEE Photonics Journal. (Kazi ya awali ya mwandishi iliyorejelewa kwenye PDF).