1. Giriş & Genel Bakış

Bu belge, Görünür Işık Haberleşmesi (VLC) sistemleri için önerilen, 5B10B olarak adlandırılan yeni bir Run-Length Limited (RLL) kodunu analiz etmektedir. Temel yenilik, geleneksel Manchester, 4B6B ve IEEE 802.15.7 standardı tarafından zorunlu kılınan 8B10B gibi RLL kodlarında genellikle eksik olan bir kombinasyonu, yani titreme önleyici aydınlatma için gerekli olan temel DC-dengesini sağlarken aynı anda geliştirilmiş hata düzeltme yeteneklerini gömme amacına yönelik tasarımında yatmaktadır.

Motivasyon, Işık Yayan Diyotların (LED'ler) hem aydınlatma hem de veri iletimi sağlaması gereken VLC'nin çift kullanım doğasından kaynaklanmaktadır. Bu, zararlı veya rahatsız edici olabilen algılanabilir parlaklık dalgalanmalarını (titreşim) önlemek için iletilen sinyale katı kısıtlamalar getirir. Standart RLL kodları DC-dengesini ve run-length kontrolünü ele alırken, genellikle zayıf doğal hata düzeltme sunarlar ve bu da etkin veri hızını düşüren ek, karmaşık İleri Hata Düzeltme (FEC) aşamalarını gerektirir.

2. Önerilen 5B10B Kodu

Önerilen kod, 5-bit veri kelimelerini 10-bit kod kelimelerine eşleyen, $R = \frac{5}{10} = 0.5$ kod oranına sahip bir blok kodudur.

2.1 Kod Yapısı & Eşleme

Kodlama, bir arama tablosu (PDF'de ima edilen) ile tanımlanır. 10-bit kod kelimeleri özellikle VLC için kritik öneme sahip özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanmıştır.

2.2 Temel Özellikler

  • Katı DC-Dengesi: Kod kelimeleri, Maksimum Titreşim Zaman Periyodu (MFTP) tarafından tanımlandığı gibi titreşim azaltma için gerekli olan, zaman içinde sıfıra yakın bir ortalama DC bileşeni koruyacak şekilde tasarlanmıştır.
  • Run-Length Sınırlaması: Aynı bitlerin (örn., '1' veya '0') ardışık tekrarlarını sınırlayarak saat kurtarma ve sinyal kararlılığını sağlar.
  • Geliştirilmiş Hata Tespiti/Düzeltmesi: Kod kelime uzayı ($2^5$ veri kelimesini eşlemek için $2^{10}$ olasılık), daha basit kodlara kıyasla geçerli kod kelimeleri arasında daha büyük bir Hamming mesafesine izin vererek, kod çözme sırasında bir miktar hata tespiti ve düzeltmesi sağlar.
  • Düşük Karmaşıklık: Geleneksel RLL kodlarının düşük karmaşıklık avantajını koruyan, muhtemelen bir tablo aramasına dayalı basit bir kodlama/kod çözme yapısını korur.

3. Teknik Analiz & Performans

3.1 Hata Düzeltme Mekanizması

Hata düzeltme yeteneği, eklenmiş bir parite kontrolünden değil, kod kitabı tasarımında doğal olarak bulunur. 32 olası 5-bit girişi hangi 10-bit dizilerin temsil edeceği dikkatlice seçilerek, herhangi iki geçerli kod kelimesi arasındaki minimum Hamming mesafesi ($d_{min}$) maksimize edilir. Bir kod çözücü daha sonra, alınan ve muhtemelen hatalı olan 10-bit bloğu, Hamming mesafesinde kendisine en yakın geçerli kod kelimesi olarak tanımlayarak sınırlı sayıda bit hatasını düzeltebilir. Bu bir tür blok kodlama şeklidir.

3.2 DC-Dengesi & Titreşim Azaltma

Kod, iletilen bit akışının kümülatif dijital toplamının (RDS) veya disparitesinin sınırlı olduğunu garanti eder. Bu kritiktir çünkü Aç-Kapa Anahtarlamalı (OOK) VLC'de, '1' tipik olarak LED'i açar ve '0' kapatır. Sürekli bir dengesizlik, görünür bir parlak veya loş döneme neden olarak titreşim standartlarını ihlal eder. 5B10B kodunun tasarımı bunu açıkça kontrol eder.

3.3 Standart Kodlarla Karşılaştırmalı Analiz

  • Manchester'a karşı (1B2B, R=0.5): Manchester, her bitin ortasında garanti edilmiş bir geçişe sahiptir, mükemmel saat kurtarma sağlar ancak hata düzeltme sunmaz. 5B10B, eklenmiş hata dayanıklılığı ile benzer bir kod oranı sağlar.
  • 4B6B (R≈0.67) & 8B10B'ye (R=0.8) karşı: Bunlar daha yüksek kod oranlarına sahiptir ancak daha zayıf doğal hata düzeltmeye sahiptir. Önerilen 5B10B, bazı kod oranını önemli ölçüde daha güçlü hata performansı için feda eder, orta SNR koşullarında harici bir FEC koduna olan ihtiyacı basitleştirebilir veya hatta ortadan kaldırabilir.
  • Birleştirilmiş Şemalara karşı (örn., RS + 8B10B): Birleştirilmiş kodlar (Reed-Solomon kullananlar gibi) güçlü düzeltme sunarken, gecikme ve karmaşıklık ekler. 5B10B, tatlı bir noktayı hedefler: temel RLL'den daha iyi, tam FEC'den daha basit.

4. Deneysel Sonuçlar & Simülasyon

PDF, teorik analiz ve simülasyon sonuçlarının 5B10B kodunun üstünlüğünü gösterdiğini belirtmektedir. Orta ila yüksek Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) olan kanallar üzerinden OOK-modüleli iletimler için, önerilen kod Bit Hata Oranı (BER) açısından standart teknikleri geride bırakmaktadır.

Varsayımsal Grafik Açıklaması: Bir BER vs. SNR grafiği muhtemelen üç eğri gösterecektir: 1) Standart 8B10B (yüksek BER tabanı), 2) Harici RS kodu ile 8B10B (dik eğri, en iyi performans ancak karmaşık) ve 3) Önerilen 5B10B (arada yer alan eğri, birleştirilmiş kodlamanın tam karmaşıklığı olmadan standart 8B10B'den daha iyi bir BER sunar). 5B10B eğrisinin "diz" noktası, standart RLL kodundan daha düşük bir SNR'de gerçekleşir, bu da geliştirilmiş sağlamlığını gösterir.

5. Analist Perspektifi: Temel Kavrayış & Eleştiri

Temel Kavrayış: Reguera'nın 5B10B kodu devrim niteliğinde bir FEC atılımı değildir; VLC'nin spesifik, kısıtlı ortamı için fiziksel katman kodlama bloğunun kurnaz, pragmatik bir yeniden optimizasyonudur. Birçok IoT ve tüketici VLC uygulamasında (kapalı alan konumlandırma için Li-Fi, akıllı aydınlatma kontrolü) kanalın genellikle orta derecede uygun olduğunu, ancak sistem maliyeti ve güç bütçesinin ciddi şekilde kısıtlı olduğunu kabul eder. Deha, ayrı bir FEC aşamasının ek yükünden kaçınmak için yeterli hata dayanıklılığını gömmekte ve böylece performans-karmaşıklık Pareto sınırını etkin bir şekilde ilerletmektedir.

Mantıksal Akış: Argüman sağlamdır: 1) VLC'nin DC-dengesine (titreşim önleme) ihtiyacı vardır. 2) Standartlar bunun için RLL kodları kullanır. 3) Bu kodların BER'i zayıftır. 4) FEC eklemek oranı/karmaşıklığı olumsuz etkiler. 5) Bu nedenle, doğal olarak daha iyi mesafe özelliklerine sahip yeni bir RLL kodu tasarlayın. Mantık, protokol yığınındaki bilinen bir sorun noktasını doğrudan ele alır.

Güçlü & Zayıf Yönler:
Güçlü Yönler: Tek kod çözümünün zarafeti ana gücüdür. Alıcı tasarımını basitleştirir, gecikmeyi azaltır ve düşük maliyetli, yüksek hacimli gömülü sistemlerle mükemmel uyumludur. Geriye dönük uyumlu felsefesi (kodlayıcı/kod çözücü zincirindeki bir bloğu değiştirme) benimsemeyi kolaylaştırır.
Zayıf Yönler: Temel ödünleşim 0.5 kod oranıdır. Daha yüksek spektral verimlilik peşinde koşulan bir çağda bu önemli bir fedakarlıktır. Yüksek veri hızlı VLC uygulamaları için uygun olmayabilir. Ayrıca, hata düzeltmesi bir blok içindeki rastgele bit hatalarıyla sınırlıdır; patlama hataları veya şiddetli kanallar hala harici bir kod gerektirecektir. Makale, bir mektup olarak, muhtemelen 5G ve Wi-Fi'da kullanılan LDPC veya Polar kodlar gibi modern kapasiteye yakın kodlarla karşılaştırmalı tam bir karmaşıklık/verim analizinden yoksundur.

Eyleme Dönüştürülebilir Kavrayışlar: Sistem mimarları için: Bu kodu, basitliğin maksimum veri hızından daha önemli olduğu, orta SNR'li, maliyet duyarlı VLC bağlantıları için düşünün. Sensör ağları, ışıkla endüstriyel kontrol veya temel Li-Fi veri geri iletimi için idealdir. Araştırmacılar için: Bu çalışma, kısıtlı kanallar için ortak kaynak-kanal-hat kodlamasının yeterince keşfedilmemiş nişini vurgulamaktadır. Bir sonraki adım, bu tür kodların uyarlanabilir veya oransız versiyonlarını keşfetmek, belki de CycleGAN'ın stil aktarım prensibinden ilham alan ancak sinyal tasarımına uygulanan teknikleri kullanarak - bir kodun özelliklerini dinamik kanal koşullarına uyacak şekilde dönüştürmektir.

6. Teknik Detaylar & Matematiksel Formülasyon

Performans kısmen minimum Hamming mesafesi ($d_{min}$) aracılığıyla analiz edilebilir. İkili bir blok kodu için tespit edilebilir hata sayısı $d_{min} - 1$ ve düzeltilebilir hata sayısı (sınırlı mesafe kod çözme altında) $t = \lfloor (d_{min} - 1)/2 \rfloor$'dir.

Eğer 5B10B kodu bir sabit-ağırlık kodu olarak veya sıkı sınırlı disparite ile tasarlanmışsa, her 10-bit kod kelimesi tam olarak beş 1 ve beş 0 (ağırlık=5) içerebilir. İki böyle kod kelimesi arasındaki Hamming mesafesi çifttir ve en az 2'dir. İyi tasarlanmış bir kod kitabı, 10-bit blok başına sırasıyla 1 veya 2 hatayı düzeltmeyi sağlayan 4 veya 6'lık bir $d_{min}$ değerine ulaşabilir.

Kodlanmamış iletim üzerindeki asimptotik kodlama kazancı (dikgen sinyalleme için) yaklaşık olarak $G = 10 \log_{10}(R \cdot d_{min})$ dB olarak ifade edilebilir. $R=0.5$ ve $d_{min}=4$ için, $G \approx 3 \text{ dB}$'dir. Bu, "geliştirilmiş hata düzeltme" iddiasını nicelendirir.

7. Analiz Çerçevesi & Kavramsal Örnek

Vaka Çalışması: Kapalı Alan Li-Fi Konumlandırma Sistemi

Senaryo: Bir LED tavan lambası, kapalı alan navigasyonu için bir akıllı telefon kamerasına benzersiz kimliğini ve konum verilerini iletir.

Zorluk: Kanal, orta düzeyde ortam ışığı gürültüsünden ve ara sıra engellemeden muzdariptir. Akıllı telefonun kod çözme için sınırlı işlem gücü vardır.

Standart Yaklaşım (IEEE 802.15.7): 8B10B kodlaması kullanın. Güvenilir konumlandırma elde etmek için harici bir Reed-Solomon (RS) kodu eklenebilir. Bu, telefonun iki kod çözme aşaması (RLL + RS) çalıştırmasını gerektirir, bu da gerçek zamanlı konumlandırma için kritik olan güç tüketimini ve gecikmeyi artırır.

Önerilen 5B10B Yaklaşımı: 8B10B+RS zincirini sadece 5B10B kod çözücüsü ile değiştirin. 5B10B'nin doğal hata düzeltmesi, orta düzey kanal gürültüsünü halleder. Telefon daha düşük güçle daha hızlı kod çözer. Ödünleşim, ham veri hızında %37.5'lik bir azalmadır (0.8'den 0.5'e). Ancak, kısa, tekrarlayan bir kimlik ve koordinatları iletmek için bu hız yeterlidir. Sistem, basitlik, maliyet ve pil ömrü açısından kazanç sağlar.

Çerçeve Çıkarımı: Bu örnek, basit bir karar matrisi kullanır: Kanal Durumu vs. Sistem Karmaşıklık Bütçesi vs. Veri Hızı Gereksinimi. 5B10B kodu, "Orta Kanal, Düşük Karmaşıklık, Düşük-Orta Veri Hızı" kadranını hedefler.

8. Uygulama Öngörüsü & Gelecek Yönelimler

  • Ultra Düşük Güçlü IoT VLC: Birincil uygulama alanı. Pil ile çalışan sensörlerin, kod çözme enerjisinin en önemli olduğu merkezi bir hub'a modüle edilmiş ışık aracılığıyla iletişim kurduğunu düşünün.
  • Sualtı VLC (UWVLC): Sualtı kanalları yüksek saçılma ve zayıflamaya sahiptir. 5B10B gibi sağlam, basit bir kod, otonom sualtı araçları (AUV'ler) ve yerleştirme istasyonları arasındaki kısa menzilli, güvenilir komuta ve kontrol bağlantıları için değerli olabilir.
  • Entegre Algılama ve Haberleşme (ISAC): Işığın hem bir odayı aydınlatmak hem de doluluk algılamak için kullanıldığı VLC tabanlı ISAC'de, iletişim sinyali son derece titreme önleyici ve sağlam olmalıdır. 5B10B'nin güçlü DC-kontrolü ve hata dayanıklılığı, böyle bir çift işlevli sinyalin iletişim bileşeni için bir aday yapar.
  • Gelecek Araştırma:
    • Uyarlanabilir Kod Oranı: Kanal SNR geri bildirimine dayalı olarak oranı uyarlayabilen bir kod ailesi (örn., 5B10B, 6B10B) geliştirmek.
    • Makine Öğrenimi Destekli Tasarım: Gradyan inişi veya pekiştirmeli öğrenmeyi (AlphaFold'un protein yapılarını nasıl tahmin ettiğine benzer şekilde) kullanarak, çok amaçlı bir fonksiyonu (DC-dengesi, $d_{min}$, run-length) optimize eden olası kod kitaplarının geniş alanını araştırmak.
    • Gelişmiş Modülasyonla Entegrasyon: Kodun performansını, VLC'de OFDM gibi daha yüksek dereceli modülasyonlarla (DCO-OFDM, ACO-OFDM) keşfetmek, burada özellikleri tepe-ortalama güç oranı (PAPR) sorunlarını hafifletmeye yardımcı olabilir.

9. Referanslar

  1. Reguera, V. A. (Yıl). Görünür Işık Haberleşmesi için Geliştirilmiş Hata Performansına Sahip Yeni RLL Kodu. IEEE Communications Letters.
  2. 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.
  3. Yazarlar. (Yıl). İç RLL kodu ile birleştirilmiş RS kodlarının yumuşak kod çözümü. İlgili Dergi/Konferans.
  4. Yazarlar. (Yıl). Evrişimsel ve Miller kodları kullanılarak Ortak FEC-RLL kodlaması. İlgili Dergi/Konferans.
  5. Yazarlar. (Yıl). Yumuşak çıktı ile geliştirilmiş RLL kod çözümü. İlgili Dergi/Konferans.
  6. Yazarlar. (Yıl). Telafi sembolleri aracılığıyla RLL kodlayıcı değiştirme. İlgili Dergi/Konferans.
  7. Yazarlar. (Yıl). VLC kapasite artışı için Birim-Oran Kodu (URC). İlgili Dergi/Konferans.
  8. Yazarlar. (Yıl). eMiller kodları. İlgili Dergi/Konferans.
  9. Yazarlar. (Yıl). VLC için önceden belirlenmiş donmuş bitlere sahip Polar kodlar. İlgili Dergi/Konferans.
  10. Zhu, J., vd. (2015). Görünür Işık Haberleşmesinde Titreşim Azaltma. In: Advanced Optical Wireless Communication Systems. Cambridge University Press. (Titreşim konusunda harici otoriter kaynak örneği).
  11. Isola, P., vd. (2017). Koşullu Çekişmeli Ağlarla Görüntüden Görüntüye Çeviri. CVPR. (Dönüşüm görevleri için kavramsal ilham için CycleGAN referansı).
  12. 3GPP Technical Specification 38.212. Çoğullama ve kanal kodlama. (Polar kodlar gibi modern kanal kodları için referans).