Çift yönlü Görünür Işık Haberleşmesi (VLC), uzun süredir pratik ve yüksek performanslı bir yükseltme bağlantısı çözümünün eksikliği ile sınırlanmıştır. Geleneksel alçaltma bağlantıları, yüksek hızlı veri yayını için LED'lerden yararlanır, ancak yükseltme bağlantı kanalları önemli engellerle karşılaşır: yansıtıcılar düşük hızlar sunar, RF tabanlı çözümler (Wi-Fi/Bluetooth) hassas alanlarda (hastaneler, uçaklar) yasaktır ve kızılötesi veya tamamen optik VLC yükseltme bağlantıları ise yüksek yönlülük, alçaltma bağlantısıyla girişim veya yükseltme bağlantısı aydınlatmasının gerekmediği sınırlı uygulama senaryolarından muzdariptir. Bu makale, optik alçaltma bağlantısıyla girişim yapmayan, yönlü ve asimetrik bir haberleşme kanalı oluşturmak için duyulamayan ultrasonik dalgalar temelinde, Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (FSK) modülasyonu ve bir mikrofon dizisi aracılığıyla sayısal ışın şekillendirme kullanan bir yükseltme bağlantısı yöntemi önererek bu kritik boşluğu ele almaktadır.
Temel yenilik, yükseltme bağlantısını optik spektrumdan ayırmaktadır. Işık yerine, taşıyıcı olarak yakın ultrasonik/duyulamayan aralıktaki (örneğin, 15 kHz üzeri) ses dalgalarını kullanır.
Kullanıcı cihazı, veriyi Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (FSK) kullanarak duyulamayan bir ses taşıyıcısı üzerine modüle ederek iletir. Prototip doğrulaması için, dijital sembolleri temsil eden bir 4-FSK şemasını simüle etmek amacıyla dört duyulabilir frekans (0.5, 1.5, 2.5, 3.5 kHz) kullanılmıştır. Bu seçim, tipik insan işitme aralığının (20Hz-20kHz) dışındaki frekans marjını veri iletimi için kullanır.
10 adet yönsüz mikrofonun (0.05m aralıklarla) doğrusal bir dizisi, bileşik akustik sinyali alır. Daha sonra bir sayısal ışın şekillendirme algoritması (özellikle Frost ışın şekillendirici) uygulanır. Bu algoritma, her bir mikrofonun sinyallerini işleyerek yönlü bir alım ışını oluşturur ve böylece istenen yükseltme bağlantısı sinyalini ortam gürültüsünden veya farklı yönlerden gelen (örneğin, simüle edilen -10°, -30°, 20°) girişim yapan ses kaynaklarından etkili bir şekilde ayırır.
Deneysel kurulum, istenen veri sinyalini ve iki girişim sinyalini içeren bileşik bir sinyali alan doğrusal bir mikrofon dizisini içermiştir. Sistem, hedef yükseltme bağlantısı iletimini uzamsal olarak filtreleme yeteneğini göstermiştir.
Makaledeki Şekil 3, kritik dalga formlarını sunmaktadır: (a) iletilen veri ve girişim sinyalleri ve (b) bileşik alınan sinyal, bireysel mikrofon sinyalleri ve ışın şekillendirmeden sonra başarıyla kurtarılan veri sinyali. Sonuçlar, ışın şekillendirme algoritmasının girişimi etkili bir şekilde bastırdığını ve temiz veri dalga formunu çıkardığını görsel olarak doğrulamakta ve yükseltme bağlantısı kurtarması için akustik uzamsal filtreleme temel kavramını geçerli kılmaktadır.
Frost ışın şekillendirici, kısıtlı bir uyarlamalı ışın şekillendiricidir. Çıkış gücünü (girişim ve gürültüyü bastırarak) minimize ederken, bakış yönünde (istenen sinyalin geliş yönü) birim kazanç sağlayan doğrusal bir kısıta tabidir. Ağırlık vektörü $\mathbf{w}$, aşağıdaki problemi çözmek için uyarlanır: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{kısıt:} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ Burada $\mathbf{R}_{xx}$ giriş sinyallerinin kovaryans matrisi, $\mathbf{C}$ kısıt matrisi ve $\mathbf{g}$ istenen tepki vektörüdür. Bu, etkili uzamsal filtrelemeye olanak tanır.
4-FSK'de, 2 bit veri dört farklı taşıyıcı frekanstan $f_1, f_2, f_3, f_4$ biri ile temsil edilir. İletilen sinyal şudur: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{sembol } i \text{ için}$$ Demodülasyon tipik olarak, her bir frekansa ayarlanmış bir filtre veya korelasyon bankasını ve ardından bir sembol periyodunda en yüksek enerjiye sahip frekansı seçmek için bir karar devresini içerir.
Çerçeve Uygulaması: VLC Yükseltme Bağlantısı Çözümlerinin Değerlendirilmesi
Bu ve rakip teknolojileri değerlendirmek için çok kriterli bir karar çerçevesi kullanılabilir:
Vaka Çalışması: Hastane Yoğun Bakım Ünitesi Senaryosu
RF'nin tıbbi ekipmanlarla girişimi önlemek için yasaklandığı ve alçaltma bağlantısı VLC'nin hasta monitörlerine aydınlatma ve yüksek hızlı veri sağladığı bir Yoğun Bakım Ünitesi'nde. Önerilen ultrasonik yükseltme bağlantısı, hemşirelerin tabletlerinin RF emisyonu olmadan ve kritik alçaltma bağlantısı ışığını etkilemeden düşük bant genişlikli durum güncellemelerini veya kontrol sinyallerini ağa geri göndermesine olanak tanır. Işın şekillendirme, farklı yatak başlarından gelen sinyalleri ayırmaya yardımcı olarak gizliliği artırır ve çapraz konuşmayı azaltır—bu, hassas yönlendirme gerektirebilecek yönsüz RF veya kızılötesine göre belirgin bir avantajdır.
Temel İçgörü: Bu makalenin temel değer önerisi, akıllı bir spektral ve uzamsal ayrıştırma stratejisidir. VLC yükseltme bağlantısı probleminin sadece başka bir kablosuz ortam bulmak değil, aynı zamanda asimetrik kullanım durumu için tamamlayıcı, girişim yapmayan ve uygun maliyetli bir ortam bulmak olduğunu kabul eder. Akustik alanı, özellikle yetersiz kullanılan yakın ultrasonik bandı kullanmak, öncüllerinin sınırlamalarını aşan yanal bir düşünme hamlesidir.
Mantıksal Akış: Argüman sağlamdır: 1) Birçok VLC hedefli ortamda RF uygun değildir. 2) Optik yükseltme bağlantısı (Kızılötesi/VLC), girişim, yönlülük ve gereksiz aydınlatma nedeniyle sorunludur. 3) Ses her yerde bulunur, ucuzdur ve duyulamaz hale getirilebilir. 4) Sesin ana zorluğu yönsüz doğası ve gürültüdür. 5) Çözüm: Yönlülüğü ve gürültü bağışıklığını yeniden kazanmak için iyi bilinen RF dizi işleme tekniklerini (ışın şekillendirme) akustik alana uygulamak. Frost ışın şekillendirici ile yapılan deneysel gösterim, bu mantıksal zinciri doğrulamaktadır.
Güçlü ve Zayıf Yönler:
Güçlü Yönler: Ticari donanım (mikrofonlar, hoparlörler) kullanmanın zarafeti, maliyet ve dağıtım açısından büyük bir artıdır. Işın şekillendirme yoluyla yönlü alım, onu naif akustik bağlantılardan ayıran kritik bir özelliktir ve çok kullanıcı desteği ve girişim bastırma potansiyeli sunar. RF hassas ortamlarla doğal uyumluluğu, havacılık ve sağlık hizmetleri gibi niş pazarlar için önemli bir özelliktir.
Zayıf Yönler ve Açık Sorular: Odadaki fil veri hızıdır. Prototip, GHz RF veya THz optik taşıyıcılara kıyasla potansiyel bant genişliğini temelden sınırlayan kHz aralığında taşıyıcılar kullanmaktadır. Makale, muhtemelen düşük (kbps aralığı) olan elde edilen bit hızından bahsetmemektedir. Havadaki ultrasonik zayıflama ve kapalı alanlardaki çok yollu etkiler, menzil ve güvenilirliği ciddi şekilde sınırlayabilir. Yankılı bir odada küçük, doğrusal bir dizi ile ışın şekillendirme doğruluğu önemsiz değildir. Alıcıda bir mikrofon dizisine duyulan ihtiyaç, tek bir fotodiyota kıyasla altyapı karmaşıklığını artırır.
Eyleme Dönüştürülebilir İçgörüler: Araştırmacılar için bu çalışma, umut verici bir hibrit alan açmaktadır: VLC için Akustik Geri Saçılım. Aktif ultrasonik iletim yerine, kullanıcı cihazları sadece ortam sesini veya alçaltma bağlantısı ışık sinyalini akustik olarak modüle edebilir mi? Endüstriyel Nesnelerin İnterneti veya akıllı bina sektörlerindeki ürün yöneticileri için bu teknoloji, video görüşmeleri için Wi-Fi yükseltme bağlantılarının yerini alacak bir aday değildir. Ancak, RF'ye düşman ortamlarda düşük hızlı, aralıklı komuta ve kontrol yükseltme bağlantıları için mükemmel bir uyumdur. Performansın değil, düzenlemenin birincil itici güç olduğu güvenli devlet tesisleri, üretim temiz odaları veya gemi içi gibi ortamlarda pilot projelere öncelik verin. Yazarlar için bir sonraki acil adım, geri saçılım haberleşme ağları için yapılan analizlere benzer şekilde, akustik kanalın temel limitlerine karşı kıyaslama yaparak, elde edilebilir bit hata oranı (BER) ile mesafe ve veri hızı arasındaki ilişkinin titiz bir karakterizasyonu olmalıdır.