Mfumo wa Uwekaji Nafasi Ndani ya Nyumba Unayotumia Mawimbi ya Mwanga Unaoweza Kuonekana (VLC) Kwa Kuchukua Faida ya Mionzi ya Njia Nyingi

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Makala hii yanawasilisha njia ya kuvunja-vunja ya uwekaji nafasi ndani ya nyumba katika mifumo ya Mawimbi ya Mwanga Unaoweza Kuonekana (VLC). Kukiuka mbinu za jadi zinazotumia mawimbi ya njia nyingi kama kelele, utafiti huu unapendekeza mfumo wa uwekaji nafasi wa upakiaji unaochukua faida kikamilifu mionzi iliyotawanyika kutoka kwa msukumo wa kituo cha mawimbi (CIR). Uvumbuzi wa msingi upo katika kutumia sio tu sehemu ya Mstari wa Kuona (LOS), bali pia Kilele cha Nguvu cha Pili (SPP)—sehemu iliyotawanyika muhimu zaidi—na ucheleweshaji wa muda kati ya LOS na SPP ili kukadiria mahali pa mtumiaji kutoka upande wa mtandao. Njia hii inapinga hekima ya jadi katika fasihi ya uwekaji nafasi ya VLC na inatoa njia ya uwekaji nafasi wa usahihi wa juu kwa miundombinu kidogo sana, ikihitaji tu kitambuzi kimoja cha mwanga (PD) katika umbo lake la msingi.

2. Mbinu ya Msingi na Muundo wa Mfumo

Mfumo uliopendekezwa unabadilisha mfano wa kawaida wa uwekaji nafasi wa upakiaji chini. Badala ya kifaa cha mtumiaji kukokotoa nafasi yake kutoka kwa taa za LED zilizowekwa, mtandao unakadiria mahali pa mtumiaji kwa kutumia mawimbi yanayotumwa kutoka kwa kifaa cha mkononi cha mtumiaji (k.m., kipitishaji cha IR) hadi vipokeaji vya upakiaji vilivyowekwa (vitambuzi vya mwanga) kwenye dari.

2.1. Usanifu wa Mfumo

Usanidi huu unahusisha Kitambuzi kimoja au zaidi cha Mwanga (PD) kilichowekwa kama kielelezo kwenye dari. Mtumiaji hubeba kipitishaji cha infrared (IR). PD zinashika mawimbi ya upakiaji, ambayo yanajumuisha njia ya moja kwa moja ya LOS na mionzi mingi kutoka kuta na vitu.

2.2. Kuchukua Faida ya Msukumo wa Kituo cha Mawimbi (CIR)

Ujanja wa algoriti upo katika usindikaji wake wa mawimbi. Inachambua Msukumo wa Kituo cha Mawimbi uliopokelewa $h(t)$:

• Sehemu ya LOS ($P_{LOS}$): Kilele cha kwanza na chenye nguvu zaidi, kinacholingana na njia ya moja kwa moja.
• Kilele cha Nguvu cha Pili (SPP) ($P_{SPP}$): Kilele kinachofuata muhimu zaidi, kilichotambuliwa kutoka kwa sehemu zilizotawanyika. Hii kwa kawaida hulingana na mionzi ya kwanza yenye nguvu.
• Ucheleweshaji wa Muda ($\Delta \tau$): Tofauti ya muda $\Delta \tau = \tau_{SPP} - \tau_{LOS}$ kati ya kufika kwa sehemu za LOS na SPP.

Vigezo hivi vitatu ($P_{LOS}$, $P_{SPP}$, $\Delta \tau$) huunda saini ya kipekee inayozuia mahali panayowezekana pa mtumiaji kuhusiana na PD na jiometri ya chumba.

3. Maelezo ya Kiufundi na Uundaji wa Hisabati

Ukadiriaji wa nafasi unachukua faida ya uhusiano wa jiometri. Umbali kutoka kwa mtumiaji hadi PD kupitia njia ya LOS ni $d_{LOS} = c \cdot \tau_{LOS}$, ambapo $c$ ni kasi ya mwanga. SPP inalingana na njia iliyojitokeza. Kwa kuiga chumba na kudhania kuwa SPP ni mionzi ya kwanza kutoka kwa ukuta mkubwa, urefu wa jumla wa njia $d_{SPP}$ unaweza kuhusishwa na viwianishi vya mtumiaji $(x_u, y_u, z_u)$ na viwianishi vya PD $(x_{PD}, y_{PD}, z_{PD})$ kupitia njia ya picha.

Nguvu ya mwanga iliyopokelewa kwa njia fulani inaigwa kama: $$P_r = P_t \cdot H(0)$$ ambapo $H(0)$ ni faida ya kituo cha DC. Kwa kiungo cha LOS chenye kipitishaji cha Lambertian, inatolewa na: $$H_{LOS}(0) = \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) \cos(\psi) \text{rect}\left(\frac{\psi}{\Psi_c}\right)$$ ambapo $m$ ni mpangilio wa Lambertian, $A$ ni eneo la PD, $d$ ni umbali, $\phi$ na $\psi$ ni pembe za mnururisho na matukio, na $\Psi_c$ ni uwanja wa mtazamo wa mpokeaji. Uundaji sawa, unaozidi kuwa tata, unatumika kwa njia ya kutafakari (SPP), ikihusisha uwezo wa kutafakari wa nyuso na urefu wa ziada wa njia.

Kimsingi, algoriti inatatua seti ya milinganyo isiyo ya mstari inayotokana na uhusiano huu kwa nafasi ya mtumiaji.

4. Matokeo ya Uchunguzi na Utendaji

Utendaji ulithibitishwa kupitia uigaji. Kipimo muhimu ni Kosa la Uwekaji Nafasi la Mzizi wa Maana ya Mraba (RMS).

• Hali ya PD Moja: Kwa kutumia mpokeaji mmoja tu wa upakiaji, mfumo ulifikia usahihi wa RMS wa 25 cm. Hii inaonyesha uwezo wa msingi wa mbinu ya kuchukua faida ya njia nyingi.
• Hali ya PD Nne: Kwa kuongeza sehemu za kumbukumbu zaidi (PD nne), usahihi uliboreshwa kwa kasi hadi 5 cm. Hii inaonyesha uwezo wa mfumo wa kuongezeka na uwezekano wa matumizi ya usahihi wa juu.

Matokeo haya yanashindana na mara nyingi huzidi mifumo mingi ya uwekaji nafasi ndani ya nyumba inayotumia mawimbi ya redio (kama Wi-Fi au Bluetooth RSSI fingerprinting) na inapinga mbinu nyingine za VLC ambazo zinahitaji vipitishaji vingi (LED) kwa utafutaji wa nafasi tatu.

Maelezo ya Chati (Yaliyodokezwa): Chati ya mihimili ingeonyesha kosa la RMS (mhimili-y) likipungua kwa kasi idadi ya Vitambuzi vya Mwanga (mhimili-x) inavyoongezeka kutoka 1 hadi 4. Grafu ya mstari wa pili ingeweza kupanga CIR, ikiannoti kwa uwazi kilele cha LOS na SPP, na $\Delta \tau$ ikiwa alama kati yao.

5. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mfumo wa Kutathmini Mbinu za Uwekaji Nafasi za VLC:

1. Mahitaji ya Miundombinu: Idadi ya nodi zilizowekwa (LED/PD) zinazohitajika kwa urekebishaji wa msingi.
2. Kipengele cha Mawimbi Kinachotumika: RSS, TOA, AOA, au kinachotegemea CIR (kama katika makala hii).
3. Usindikaji wa Njia Nyingi: Inatibu kama kelele (jadi) au inachukua faida kama kipengele (kibunifu).
4. Kituo cha Uhesabuji: Upande wa mtumiaji (huongeza utata wa kifaa) dhidi ya Upande wa mtandao (huwezesha ujanja wa mtandao).
5. Usahihi dhidi ya Ushindani wa Utata: Kosa la RMS linaloweza kufikiwa kuhusiana na gharama ya mfumo na mzigo wa usindikaji.

Mfano wa Kesi - Ufuatiliaji wa Mali ya Ghala: Fikiria ghala kubwa ambapo roboti na wafanyakazi hubeba beji za IR. Kusanidi PD nne kwenye dari kwa kila sehemu kwa kutumia njia hii ya upakiaji huruhusu mfumo wa kati kufuatilia vyombo vyote kwa usahihi wa ~5 cm. Hii ni bora kuliko VLC ya upakiaji chini (ambayo ingehitaji kila taa kuwa LED iliyobadilishwa) au UWB (gharama kubwa zaidi kwa kila nanga). Usindikaji wa upande wa mtandao huwezesha ugawaji wa rasilimali kwa wakati halisi kulingana na eneo kwa magari yaliyoelekezwa kiotomatiki (AGV).

6. Uchambuzi Muhimu na Ufahamu wa Wataalamu

Ufahamu wa Msingi: Pendekezo la kikwazo zaidi la makala hii ni uundaji upya wa kimkakati wa njia nyingi kutoka adui wa uwekaji nafasi hadi rafiki. Wakati uwanja wa maono ya kompyuta ulikuwa na mabadiliko sawa ya mfano na mafanikio ya Neural Radiance Fields (NeRF)—kubadilisha mionzi changamano ya mwanga kuwa mali inayoweza kujengwa upya—kutumia hii kwa uigaji wa kituo cha uhakika kwa uwekaji nafasi ni jambo jipya kabisa katika VLC. Ni kesi ya jadi ya kugeuza kikwazo kikubwa zaidi cha mfumo (upana mdogo wa bandi, mtawanyiko wa njia nyingi) kuwa faida yake ya msingi.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni nzuri: 1) Mawimbi ya IR ya upakiaji yana njia nyingi. 2) Muundo wa CIR ni utendakazi wa uhakika wa jiometri na vifaa. 3) SPP ni kipengele thabiti, kinachoweza kutambulika. 4) Kwa hivyo, mpokeaji mmoja anaweza kutoa vikwazo vya kutosha vya jiometri kwa uwekaji nafasi wa 3D. Mantiki inashikilia, lakini uthabiti wake nje ya uigaji ndio swali muhimu.

Nguvu na Kasoro:

• Nguvu: Miundombinu kidogo sana (utendaji wa PD moja), ujanja wa upande wa mtandao, matumizi mazuri ya fizikia, na uwezekano wa kiwango cha sentimita. Inalingana na mienendo katika kompyuta ya ukingo na urahisishaji wa mtandao.
• Kasoro Muhimu: Tembo katika chumba ni mienendo ya mazingira. Njia hii inadhania muundo wa chumba uliojulikana, usiobadilika ili kuhusisha SPP na kitu maalum cha kutafakari. Kusogeza fanicha, kufungua milango, au hata watu wakitembea kunaweza kubadilisha njia za kutafakari na kufanya muundo usiwe halali, na kusababisha kushindwa kwa janga isipokuwa mfumo una uwezo wa ramani endelevu, ya masafa ya juu—hitaji lisilo la kawaida. Hii ndio kisigino chake cha Achilles ikilinganishwa na mbinu za kuvumilia zaidi, ingawa zisizo sahihi sana, za alama za RSS.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti: Dhana ya msingi ina matumaini lakini lazima iunganishwe. Kazi ya baadaye inapaswa kuunganisha safu ya SLAM (Uwekaji Nafasi na Urambazaji Pamoja), sawa na mifumo ya odometri ya kuona-inertial, ili kusasisha ramani ya kutafakari kwa nguvu. Kwa watendaji wa tasnia: Teknolojia hii bado haija tayari kwa kuzima na kuanza. Uanzishaji wa majaribio unapaswa kuanza katika mazingira yaliyodhibitiwa, yasiyobadilika kiasi kama vyumba safi, mistari ya utengenezaji, au maeneo ya hifadhi yasiyobadilika. Matokeo ya PD 4, 5 cm ndio lengo linaloweza kutekelezeka kwa matumizi ya karibuni, sio hali ya PD moja.

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

Matumizi:

• IoT ya Viwanda na Usafirishaji: Ufuatiliaji wa usahihi wa juu wa zana, mali, na roboti katika viwanda na maghala.
• Majengo Bora: Uwekaji nafasi wa mtu upande wa mtandao kwa udhibiti wa hali ya hewa, usalama, na uchambuzi wa matumizi ya nafasi bila kuvamia faragha ya kifaa cha kibinafsi.
• Uhalisia Ulioongezwa (AR): Kutoa data ya nafasi ya usahihi wa juu, ya ucheleweshaji mdogo kwa urambazaji wa AR ndani ya nyumba katika makumbusho, uwanja wa ndege, au maduka makubwa inapounganishwa na usambazaji wa data wa VLC.
• Roboti: Kama sensor ya ziada kwa uwekaji nafasi wa roboti katika mazingira ambapo GPS na LiDAR yanaweza kuwa haitoshi au ghali sana.

Mwelekeo wa Utafiti:

1. Ubadilishaji wa Mazingira ya Nguvu: Kuunda algoriti zinazoweza kugundua na kujibadilisha kwa mabadiliko katika mazingira ya kutafakari kwa wakati halisi, kwa uwezekano wa kutumia masomo ya mashine kutambua na kufuatilia vipengele vya kutafakari.
2. Mifumo Mseto: Kuchanganya mbinu hii inayotegemea CIR na data ya sensor nyingine (vitengo vya kipimo cha inertial, RSS kutoka kwa bendi nyingine) kwa uthabiti.
3. Uwekaji wa Kawaida na Uigaji wa Kituo: Kuunda miundo ya kituo ya VLC iliyozidi kuwa changamani na ya kawaida inayofafanua kwa usahihi mionzi iliyotawanyika kwa vifaa na jiometri mbalimbali.
4. Uundaji wa Vifaa: Kubuni vitambuzi vya mwanga na vipitishaji vya IR vya gharama nafuu, vya upana wa bandi wa juu vilivyoboreshwa kwa kukamata taarifa sahihi za CIR.

8. Marejeo

1. H. Hosseinianfar, M. Noshad, M. Brandt-Pearce, "Positioning for Visible Light Communication System Exploiting Multipath Reflections," katika mkutano au jarida husika, 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. T.-H. Do na M. Yoo, "Potentialities and Challenges of VLC Based Indoor Positioning," International Conference on Computing, Management and Telecommunications, 2014.
4. S. H. Yang, E. M. Jeong, D. R. Kim, H. S. Kim, na Y. H. Son, "Indoor Three-Dimensional Location Estimation Based on LED Visible Light Communication," Electronics Letters, vol. 49, no. 1, 2013.
5. S. Hann, J.-H. Choi, na S. Park, "A Novel Visible Light Communication System for Enhanced Indoor Positioning," IEEE Sensors Journal, vol. 18, no. 1, 2018.
6. Mildenhall, B., et al. "NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis." ECCV. 2020. (Marejeo ya nje kwa mabadiliko ya mfano katika kutumia data changamani ya mwanga).
7. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, IEEE Std 802.15.7-2018.