Mfumo wa Uwekaji Nafasi wa VLC wa Uplink Unayotumia Mionzi ya Njia Nyingi

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Makala hii yanawasilisha njia ya kuvunja-vunja ya uwekaji nafasi ndani ya nyumba ndani ya mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC). Tofauti na mbinu za jadi zinazotibu mionzi ya njia nyingi kama kelele, mbinu hii inazitumia kikamilifu, hasa Kilele cha Nguvu cha Pili (SPP) katika mwitikio wa msukumo wa kituo cha uplink, ili kukadiria eneo la mtumiaji kutoka upande wa mtandao. Mfumo unaopendekezwa unafanya kazi katika uplink ya infrared, ukihitaji tu kitambuzi kimoja cha mwanga (PD) kwa uwekaji nafasi wa msingi, na usahihi ukiboreshwa kwa kiasi kikubwa kwa kuongeza sehemu za marejeo zaidi.

2. Mbinu ya Msingi na Mfano wa Mfumo

2.1. Usanifu wa Mfumo

Mfumo wa uwekaji nafasi umeundwa kwa ajili ya uplink ya mtandao wa VLC. Watumiaji wamepata vifaa vya utumaji vya infrared (k.m., LED), huku sehemu za kudumu za marejeo—vitambuzi vya mwanga (PD)—zikiwekwa kwenye dari au kuta. Upande wa mtandao huchakata ishara zilizopokelewa ili kukadiria viwianishi vya 2D au 3D vya mtumiaji. Usanifu huu hubadilisha utata wa hesabu kutoka kwenye kifaa cha mtumiaji hadi kwenye miundombinu, inayofaa kwa kazi za usimamizi wa mtandao kama vile kukabidhi (handoff) na mgao wa rasilimali.

2.2. Uchambuzi wa Mwitikio wa Msukumo wa Kituo

Ubunifu wa msingi upo katika kuchambua Mwitikio wa Msukumo wa Kituo (CIR). CIR kwa kawaida huwa na kilele kikuu cha Mstari wa Kuona (LOS) kinachofuatiwa na vilele vidogo kadhaa vinavyosababishwa na mionzi kutoka kuta na vitu. Waandishi wanatambua kilele cha kwanza muhimu cha mionzi baada ya LOS, kinachoitwa Kilele cha Nguvu cha Pili (SPP), kama chanzo cha thamani cha habari ya jiometri.

Vigezo Muhimu Vinavyotolewa:

• Sehemu ya LOS: Hutoa habari ya moja kwa moja ya umbali/pembe.
• Sehemu ya SPP: Hutoa habari kuhusu njia kuu ya kuakisi.
• Ucheleweshaji ($\Delta\tau$): Tofauti ya wakati kati ya kufika kwa LOS na SPP. Ucheleweshaji huu unahusiana moja kwa moja na tofauti katika urefu wa njia: $\Delta d = c \cdot \Delta\tau$, ambapo $c$ ni kasi ya mwanga.

3. Maelezo ya Kiufundi na Algorithm

3.1. Uundaji wa Kihisabati

Nguvu ya mwanga iliyopokelewa kwenye PD inajumuisha sehemu zote za LOS na zisizo za moja kwa moja (zilizoakisiwa). Mwitikio wa msukumo unaweza kuigwa kama:

$h(t) = h_{LOS}(t) + h_{diff}(t)$

Ambapo $h_{LOS}(t)$ ni sehemu ya LOS ya kuamuliwa na $h_{diff}(t)$ ni sehemu isiyo ya moja kwa moja kutoka kwa miakisi. Algorithm inalenga kutoa ucheleweshaji wa wakati na ukubwa wa SPP ndani ya $h_{diff}(t)$. Jiometri inayohusiana na nafasi ya mtumiaji $(x_u, y_u, z_u)$, nafasi ya PD $(x_{pd}, y_{pd}, z_{pd})$, na kikinzaji kikuu (k.m., ukuta) huunda duaradufu ya maeneo yanayowezekana ya mtumiaji kwa $\Delta\tau$ fulani.

3.2. Algorithm ya Uwekaji Nafasi

1. Kukadiria CIR: Pokewa ishara ya uplink na kadiria CIR kwa kutumia mbinu kama uchujaji unaolingana.
2. Kugundua Kilele: Tambua kilele cha LOS ($\tau_{LOS}$) na SPP muhimu zaidi ($\tau_{SPP}$). Hesabu $\Delta\tau = \tau_{SPP} - \tau_{LOS}$.
3. Kutatua Kijiometri: Kwa kutumia eneo linalojulikana la PD na jiometri ya chumba (maeneo ya viakisi), $\Delta\tau$ kutoka kwa PD moja hufafanua kizuizi cha duaradufu kwenye eneo la mtumiaji. Kwa PD moja na urefu unaojulikana wa mtumiaji, nafasi ya 2D inaweza kadiriwa. PD za ziada hutoa vikwazo vinavyokatiza, zikiboresha makadirio kupitia algorithm ya uboreshaji ya miraba ya chini au kama hiyo.

4. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

4.1. Usanidi wa Uigizaji

Utendaji ulitathminiwa kupitia uigizaji katika mfano wa kawaida wa chumba (k.m., 5m x 5m x 3m). Vitambuzi vya mwanga viliwekwa katika maeneo yanayojulikana ya dari. Mfano wa kituo wa kufuatia miale au kama huo ulitumika kuzalisha CIR za kweli zikiwemo LOS na miakisi hadi ya mpangilio wa pili.

4.2. Uchambuzi wa Usahihi

Kipimo kikuu kilikuwa kosa la uwekaji nafasi la Mzizi wa Maana ya Mraba (RMS).

• Hali ya PD Moja: Ilifikia kosa la RMS la takriban 25 cm. Hii inaonyesha uwezo wa msingi wa kutumia njia nyingi kutoka kwa sehemu moja ya marejeo.
• Hali ya PD Nne: Kosa la RMS liboreshwa kwa kiasi kikubwa hadi takriban 5 cm. Hii inasisitiza uwezo wa mfumo wa kupanuka na thamani ya utofauti wa anga katika sehemu za marejeo.

Maelezo ya Chati (Yaliyoelekezwa): Chati ya baa ingaonyesha kosa la RMS (mhimili-y) likipungua kwa kasi idadi ya PD (mhimili-x) inavyoongezeka kutoka 1 hadi 4. Mpangilio wa mstari wa pili unaweza kuonyesha CIR na vilele vya LOS na SPP vilivyo wazi vilivyotiwa lebo.

5. Ufahamu Muhimu na Uchambuzi wa Kulinganisha

Ufahamu wa Msingi: Uzuri wa karatasi hii ni mabadiliko yake ya dhana: kutibu njia nyingi sio kama usumbufu wa kusawazishwa (kama katika nadharia ya mawasiliano ya kitamaduni) bali kama chanzo tajiri cha alama za vidole vya jiometri. Hii inafanana na mageuzi katika kugundua kwa RF, ambapo mifumo kama Wi-Fi Radar sasa inatumia Habari ya Hali ya Kituo (CSI) kwa utambuzi wa shughuli. Waandishi wanatambua kwa usahihi uplink, usindikaji wa upande wa mtandao kama faida ya kimkakati kwa huduma zinazolenga miundombinu.

Mtiririko wa Kimantiki: Hoja hiyo ni ya kulazimisha. 1) Vituo vya VLC vina njia nyingi zenye nguvu, zinazoweza kutambulika kutokana na jiometri ya chumba. 2) SPP ni kipengele thabiti, kinachoweza kupimika. 3) Ucheleweshaji wa wakati huficha tofauti za umbali. 4) Kwa hivyo, inaweza kutatua eneo. Kuruka kutoka PD moja (duaradufu) hadi PD nyingi (sehemu ya makutano) kina mantiki na kuthibitishwa na matokeo ya uigizaji.

Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni ufanisi wa miundombinu (utendaji wa PD moja) na usahihi wa juu unaowezekana (5 cm). Kasoro muhimu, iliyokubaliwa lakini haijashughulikiwa kwa kina, ni utegemezi wa mazingira. Algorithm inadhania SPP zinazoweza kutambulika kutoka kwa viakisi vikuu (kuta). Katika mazingira yaliyochanganyikiwa, yanayobadilika (k.m., umati unaosonga kwenye uwanja wa ndege), CIR inakuwa fujo, na kilele cha "pili" kinaweza kusiendana na njia thabiti ya jiometri. Utendaji katika hali zisizo na mstari wa kuona (NLOS) ambapo LOS imezuiwa bado ni swali wazi.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti: Kulenga utoaji wa vipengele thabiti kutoka kwa CIR zenye kelele kwa kutumia ujifunzaji wa mashine, sawa na jinsi CycleGAN inavyojifunza kutafsiri kati ya nyanja bila data iliyowekwa pamoja—hapa, mtu anaweza kujifunza kuweka ramani CIR zilizosumbuliwa kwenye vipengele safi vya jiometri. Kwa tasnia (kama VLNCOMM, ushirika wa mwandishi): Hii inafaa kikamilifu kwa mazingira yaliyodhibitiwa, yasiyosonga kwanza—fikiria maghala kwa ajili ya kufuatilia roboti, makumbusho kwa viongozi wa kuingiliana, au sakafu za uzalishaji. Epuka kuitangaza kwa maeneo ya watumiaji yanayobadilika sana hadi uthabiti uthibitishwe.

6. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mfumo wa Kuthamini Mbinu za Uwekaji Nafasi za VLC:

1. Fremu ya Marejeo: Uplink (Upande wa mtandao) dhidi ya Downlink (Upande wa mtumiaji).
2. Kipengele cha Ishara: RSS, TOA/TDOA, AOA, au Kipengele cha CIR (kama SPP).
3. Miundombinu ya Chini: Idadi ya LED/PD inayohitajika kwa kurekebisha.
4. Usahihi na Uthabiti: Kosa la RMS katika mazingira yaliyodhibitiwa dhidi ya yanayobadilika.
5. Mizigo ya Hesabu: Kwenye kifaa cha mtumiaji dhidi ya kwenye seva ya mtandao.

Mfano wa Kesi: Ufuatiliaji wa Mali ya Ghala
Hali: Kufuatilia mikokoteni inayojitegemea katika ghala la 20m x 50m.
Matumizi ya Mbinu Iliyopendekezwa: Weka gridi ya PD za uplink za IR kwenye dari. Kila mkokoteni una lebo ya LED ya IR. Seva kuu huchakata ishara kutoka kwa PD zote.
Faida: Usahihi wa juu (~5-10 cm) huruhusu eneo sahihi la hesabu na kuepuka mgongano. Usindikaji wa upande wa mtandao humaanisha lebo rahisi, zenye nguvu ndogo kwenye mikokoteni.
Changamoto: Mazingira hayabadilika kabisa (rafu hazisongi, lakini mikokoteni mingine na watu husonga). Mfumo lazima uweze kutofautisha SPP kutoka kwa miakisi kutoka kwa rafu zilizowekwa dhidi ya vikwazo vinavyosonga. Hii ingehitaji algorithm zinazobadilika au muunganisho wa sensorer (k.m., na odometri ya magurudumu).

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

Matumizi:

• IoT ya Viwanda na Usafirishaji: Ufuatiliaji wa usahihi wa juu wa zana, roboti, na hesabu katika viwanda na maghala.
• Majengo Bora: Automatiki kulingana na eneo (taa, HVAC) na usalama (ufuatiliaji wa wafanyikazi katika maeneo yaliyozuiwa).
• Uhalisia Ulioimarishwa (AR): Kutoa uwekaji nafasi wa ndani wa sentimita sahihi ili kuweka maudhui ya AR bila kamera, ikikamilisha teknolojia kama ARKit/ARCore.
• Urambazaji wa Watoa Huduma wa Kwanza na Kijeshi: Urambazaji ulionyimwa GPS ndani ya majengo kwa wazima moto au askari.

Mwelekeo wa Utafiti:

• Ujifunzaji wa Mashine kwa Tafsiri ya CIR: Kutumia mitandao ya neva ya konvolusheni (CNN) au mitandao ya neva inayorudiwa (RNN) kuweka ramani moja kwa moja CIR ghafi au zilizochakatwa kwenye viwianishi vya eneo, na kufanya mfumo kuwa thabiti zaidi kwa mabadiliko ya mazingira.
• Muunganisho wa Sensorer: Kuchanganya uwekaji nafasi wa VLC na vitengo vya kipimo vya inertial (IMU), upana-uliojenga (UWB), au Wi-Fi iliyopo kwa uthabiti wakati wa hali za NLOS au utata wa CIR.
• Kuweka Viwango na Uigaji wa Kituo: Kukuza miundo sahihi zaidi na iliyowekwa viwango vya vituo vya VLC ambavyo vinajumuisha sifa tofauti za kuakisi vya vifaa (kama inavyopatikana katika hifadhidata kama mapendekezo ya ITU kwa RF) ili kuboresha uhalisi wa uigizaji.
• Itifaki Zenye Ufanisi wa Nishati: Kubuni itifaki za udhibiti wa upatikanaji wa kati (MAC) kwa mitandao mnene ya lebo za uwekaji nafasi za uplink ili kuepuka kuingiliwa na kuhifadhi muda wa betri.

8. Marejeo

1. H. Hosseinianfar, M. Noshad, M. Brandt-Pearce. "Positioning for Visible Light Communication System Exploiting Multipath Reflections." In Proc. of relevant conference/journal, 2023.
2. Z. Zhou, M. Kavehrad, na P. Deng, "Indoor positioning algorithm using light-emitting diode visible light communications," Optical Engineering, vol. 51, no. 8, 2012.
3. J. Zhu, T. Yamazato, "A Review of Visible Light Communication-based Positioning Systems," Sensors, vol. 22, no. 3, 2022.
4. S. Wu, H. Zhang, na Z. Xu, "Mitigating the multipath effect for VLC positioning systems using an optical receiver array," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 30, no. 19, 2018.
5. T. Q. Wang, Y. A. Sekercioglu, na J. Armstrong, "Analysis of an optical wireless receiver using a hemispherical lens with application in MIMO visible light communications," Journal of Lightwave Technology, vol. 31, no. 11, 2013.
6. P. Zhuang et al., "A Survey of Positioning Systems Using Visible LED Lights," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 3, 2018.
7. J. Yun, "Research on Indoor Positioning Technology Based on Visible Light Communication," Journal of Sensors, vol. 2022, 2022.
8. J.-Y. Zhu, T. Park, P. Isola, A. A. Efros. "Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks." IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV), 2017. (Kumbukumbu ya CycleGAN kwa mfano wa ML).
9. Shirika la Mawasiliano la Kimataifa (ITU). "Mapendekezo P.1238: Data ya uenezi na njia za utabiri kwa ajili ya upangaji wa mifumo ya rediokomunikasi ndani ya nyumba." (Mfano wa chanzo cha mfano wa kituo chenye mamlaka).