Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana Yenye Mwelekeo Mbili (VLC) yamekuwa yamezuiliwa kwa muda mrefu kutokana na ukosefu wa suluhisho la uplink la vitendo na la utendakazi wa juu. Downlink za jadi hutumia LED kwa utangazaji wa data wa kasi ya juu, lakini njia za uplink zinakabiliwa na vikwazo vikubwa: virejeshi vya nyuma vinatoa viwango vya chini, suluhisho zinazotegemea RF (Wi-Fi/Bluetooth) zimekatazwa katika maeneo nyeti (hospitali, ndege), na uplink za VLC za infrared au mwanga wote zinakabiliwa na mwelekeo mkubwa, usumbufu na downlink, au hali ya matumizi duni ambapo mwanga wa uplink hauhitajiki. Karatasi hii inashughulikia pengo hili muhimu kwa kupendekeza mbinu ya uplink inayotegemea mawimbi ya ultrasonic yasiyosikika, ikitumia modulasyon ya Ubadilishaji wa Mzunguko (FSK) na beamforming ya dijiti kupitia safu ya mikrofoni ili kuunda njia ya mawasiliano yenye mwelekeo na isiyo na ulinganifu ambayo haisumbui downlink ya mwanga.
Ubunifu wa msingi upo katika kutenganisha uplink kutoka kwa wigo wa mwanga. Badala ya mwanga, inatumia mawimbi ya sauti katika safu ya karibu-ultrasonic/asiyosikika (kwa mfano, zaidi ya 15 kHz) kama kielekezi.
Kifaa cha mtumiaji kinatuma data kwa kuitengeneza kwenye kielekezi cha sauti kisichosikika kwa kutumia Ubadilishaji wa Mzunguko (FSK). Kwa uthibitishaji wa prototayp, masafa manne yanayosikika (0.5, 1.5, 2.5, 3.5 kHz) yalitumika kuiga mpango wa 4-FSK, ukionyesha alama za dijiti. Uchaguzi huu unatumia ukingo wa masafa nje ya masikio ya kawaida ya mwanadamu (20Hz-20kHz) kwa utumaji wa data.
Safu ya mstari wa mikrofoni 10 yenye mwelekeo wote (iliyopangwa umbali wa 0.05m) hupokea ishara ya sauti iliyochanganywa. Kisha algorithm ya beamforming ya dijiti (hasa, Frost beamformer) inatumika. Algorithm hii inachakata ishara kutoka kwa kila mikrofoni ili kuunda boriti ya upokeaji iliyoelekezwa, kwa ufanisi ikitenganisha ishara ya uplink inayotaka kutoka kwa kelele ya mazingira au vyanzo vya sauti vinavyosumbua vinavyofika kutoka mwelekeo tofauti (kwa mfano, -10°, -30°, 20° kama ilivyoigwa).
Usanidi wa majaribio ulihusisha safu ya mikrofoni ya mstari ikipokea ishara iliyochanganywa iliyo na ishara ya data inayotaka na ishara mbili za usumbufu. Mfumo ulionyesha uwezo wa kuchuja kwa anga utumaji wa uplink wa lengo.
Kielelezo 3 katika karatasi kinaonyesha muundo muhimu wa mawimbi: (a) data iliyotumwa na ishara za usumbufu, na (b) ishara iliyopokelewa iliyochanganywa, ishara za mikrofoni binafsi, na ishara ya data iliyorejeshwa kwa mafanikio baada ya beamforming. Matokeo yanaonyesha wazi kuwa algorithm ya beamforming ilifanikiwa kuzima usumbufu na kutoa muundo safi wa mawimbi ya data, ikithibitisha dhana ya msingi ya uchujaji wa anga wa sauti kwa ajili ya urejeshaji wa uplink.
Frost beamformer ni beamformer inayobadilika yenye vikwazo. Inapunguza nguvu ya pato (kukandamiza usumbufu na kelele) chini ya kikwazo cha mstari kinachohakikisha faida ya umoja katika mwelekeo wa kutazama (mwelekeo wa kufika wa ishara inayotaka). Vekta ya uzito $\mathbf{w}$ inarekebishwa ili kutatua: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{subject to} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ ambapo $\mathbf{R}_{xx}$ ni matriki ya uhusiano wa ishara za pembejeo, $\mathbf{C}$ ni matriki ya kikwazo, na $\mathbf{g}$ ni vekta ya majibu inayotaka. Hii inaruhusu uchujaji bora wa anga.
Katika 4-FSK, biti 2 za data zinawakilishwa na mojawapo ya masafa manne tofauti ya kielekezi $f_1, f_2, f_3, f_4$. Ishara iliyotumwa ni: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{for symbol } i$$ Demodulasyon kwa kawaida inahusisha benki ya vichujio au viunganishi vilivyowekwa kwa kila masafa, ikifuatiwa na mzunguko wa uamuzi wa kuchagua masafa yenye nguvu kubwa zaidi katika kipindi cha alama.
Utumiaji wa Mfumo: Kutathmini Suluhisho za Uplink za VLC
Ili kutathmini teknolojia hii na nyingine zinazoshindana, tunaweza kutumia mfumo wa uamuzi wenye vigezo vingi:
Kisa cha Utafiti: Hali ya ICU ya Hospitali
Katika ICU ambapo RF imekatazwa ili kuepuka kusumbua vifaa vya matibabu, na downlink ya VLC inatoa taa na data ya kasi ya juu kwa vifaa vya kufuatilia wagonjwa. Uplink ya ultrasonic iliyopendekezwa inaruhusu kompyuta kibao za wauguzi kutuma sasisho za hali za upana wa bandi duni au ishara za udhibiti kurudi kwenye mtandao bila uzalishaji wa RF na bila kuathiri mwanga muhimu wa downlink. Beamforming inasaidia kutenganisha ishara kutoka vitanda tofauti, ikiboresha faragha na kupunguza msongamano—faida wazi ikilinganishwa na RF au infrared yenye mwelekeo wote ambayo inaweza kuhitaji uelekezaji sahihi.
Ufahamu wa Msingi: Thamani ya msingi ya karatasi hii ni mkakati wa kutenganisha wigo na anga wenye akili. Inatambua kwamba tatizo la uplink ya VLC sio tu juu ya kupata chombo kingine cha wasifu, bali kupata kimoja kinachosaidiana, kisichosumbua, na cha gharama nafuu kwa hali ya matumizi isiyo na ulinganifu. Kutumia kikoa cha sauti, hasa bendi ya karibu-ultrasonic isiyotumiwa kikamilifu, ni hatua ya mawazo ya upande inayozuia mipaka ya waliotangulia.
Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni sahihi: 1) RF haipo katika mazingira mengi yanayolengwa na VLC. 2) Uplink ya mwanga (IR/VLC) ina shida kutokana na usumbufu, mwelekeo, na mwanga usiohitajika. 3) Sauti iko kila mahali, ni rahisi, na inaweza kufanywa isisikike. 4) Changamoto kuu ya sauti ni asili yake ya mwelekeo wote na kelele. 5) Suluhisho: Tumia mbinu zilizothibitishwa za usindikaji wa safu za RF (beamforming) kwenye kikoa cha sauti ili kupata tena mwelekeo na kinga dhidi ya kelele. Uthibitishaji wa majaribio na Frost beamformer unathibitisha mnyororo huu wa mantiki.
Nguvu na Kasoro:
Nguvu: Uzuri wa kutumia vifaa vya kawaida (mikrofoni, vipaza sauti) ni faida kubwa kwa gharama na utekelezaji. Upokeaji wa mwelekeo kupitia beamforming ni kipengele muhimu kinachoitofautisha na viungo vya sauti vya kawaida, kikitoa uwezekano wa usaidizi wa watumiaji wengi na kukataa usumbufu. Upatanishi wake wa asili na mazingira nyeti ya RF ni kipengele cha kufa kwa soko maalum kama vile anga na afya.
Kasoro na Maswali Yasiyojibiwa: Jambo kubwa la kujadiliwa ni kiwango cha data. Prototayp inatumia vielekezi vya safu ya kHz, kikizuizi cha msingi cha upana wa bandi unaowezekana ikilinganishwa na vielekezi vya RF vya GHz au mwanga vya THz. Karatasi haisemi kuhusu kiwango cha bitrate kilichopatikana, ambacho kinalinganishwa kuwa cha chini (safu ya kbps). Kupungua kwa ultrasonic hewani na athari za njia nyingi katika maeneo yaliyofungwa kunaweza kudhibiti kikomo masafa na uaminifu. Usahihi wa beamforming na safu ndogo, ya mstari katika chumba kinachorudisha sauti sio jambo la kawaida. Hitaji la safu ya mikrofoni kwenye kipokeaji kinaongeza ugumu wa miundombinu ikilinganishwa na photodiode moja.
Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti, kazi hii inafungua uwanja mchanganyiko unaotumainiwa: Acoustic Backscatter for VLC. Badala ya utumaji wa ultrasonic unaotumika, je, vifaa vya watumiaji vinaweza tu kurekebisha sauti ya mazingira au ishara ya mwanga ya downlink kwa sauti? Kwa wasimamizi wa bidhaa katika sekta ya IoT ya viwanda au majengo smart, teknolojia hii sio mgombea wa kuchukua nafasi ya uplink za Wi-Fi kwa simu za video. Hata hivyo, ni mfanano kamili kwa uplink za chini, za mara kwa mara za amri na udhibiti katika mazingira yasiyopendelea RF. Kipaumbele miradi ya majaribio katika mazingira kama vile vituo vya serikali salama, vyumba safi vya utengenezaji, au ndani ya meli ambapo kanuni, sio utendakazi, ndio kiendeshi kikuu. Hatua inayofuata ya haraka kwa waandiki inapaswa kuwa sifa kamili ya kiwango cha makosa ya biti (BER) kinachoweza kupatikana dhidi ya umbali na kiwango cha data, ikilinganishwa na mipaka ya msingi ya njia ya sauti, sawa na uchambuzi uliofanywa kwa mitandao ya mawasiliano ya backscatter.