1. 引言

本文研究一種由角度分集接收器（ADR）增強嘅非正交多址接入（NOMA）可見光通訊（VLC）系統。主要解決嘅挑戰係傳統VLC系統因符號間干擾（ISI）同共通道干擾（CCI）等因素而喺提供高數據速率方面受到限制。所提出嘅系統將NOMA嘅頻譜效率同4分支ADR嘅干擾抑制同信號捕捉能力結合，旨在最大化室內環境中嘅用戶數據速率。

2. 系統模型

系統喺一個8米 × 4米 × 3米嘅空房間內建模。光通道包含牆壁同天花板嘅反射，建模為反射係數（ρ）為0.8嘅朗伯反射體。採用射線追蹤來模擬光信號嘅多路徑傳播。

2.1 房間與通道建模

室內通道脈衝響應嘅計算考慮咗直視（LOS）同漫射（反射）分量。反射面被劃分為面積為dA嘅細小元素。對於探測器面積為 $A_{pd}$、增益為 $T_s(\psi)$ 嘅接收器，其通道直流增益為：

$H(0) = \frac{(m+1)A_{pd}}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$ for $0 \le \psi \le \Psi_c$

其中 $m$ 係朗伯階數，$d$ 係距離，$\phi$ 係輻照角，$\psi$ 係入射角，$\Psi_c$ 係接收器嘅視場角（FOV）。

2.2 角度分集接收器（ADR）設計

ADR由四個窄視場光電探測器組成，每個探測器朝向唔同方向（例如，朝向房間角落或特定接入點）。呢種設計允許接收器選擇信噪比（SNR）最強嘅分支或組合信號，有效減輕環境光、多路徑色散同共通道干擾嘅影響。

2.3 NOMA原理與功率分配

NOMA通過喺發射端嘅功率域中疊加多個用戶嘅信號來運作。喺接收端，使用連續干擾消除（SIC）來解碼信號。功率分配與通道增益成反比：通道條件較好（信號較強）嘅用戶分配較少功率，而條件較差嘅用戶則獲得更多功率以確保公平性。用戶 $i$ 可實現嘅速率為：

$R_i = B \log_2 \left(1 + \frac{P_i |h_i|^2}{\sum_{j>i} P_j |h_i|^2 + \sigma^2}\right)$

其中 $B$ 係帶寬，$P_i$ 係分配畀用戶 $i$ 嘅功率，$h_i$ 係通道增益，$\sigma^2$ 係噪聲方差。

3. 模擬結果與討論

將採用ADR嘅NOMA-VLC系統嘅性能同使用單個寬視場接收器嘅基準系統進行比較。

3.1 性能比較：ADR 對比 寬視場接收器

關鍵發現係，基於ADR嘅系統相比寬視場接收器系統實現咗平均數據速率提升 35%。呢個增益歸功於ADR能夠選擇性捕捉更強、失真更少嘅信號，並抑制來自其他發射器或反射嘅干擾分量。

3.2 數據速率分析與優化

模擬涉及根據用戶嘅瞬時通道條件（源自ADR分支選擇）優化用戶之間嘅資源（功率）分配。優化目標係喺保持用戶公平性嘅同時最大化總數據速率，遵循作者先前嘅方法 [36]。結果表明，自適應分支選擇同NOMA功率分配嘅結合顯著提升咗頻譜效率。

關鍵性能指標

35% 平均數據速率增益 – 基於ADR嘅NOMA-VLC系統相比寬視場接收器基準所實現。

4. 結論

本文總結指出，將角度分集接收器與NOMA整合到VLC系統中，係克服干擾同有限帶寬等關鍵限制嘅高效策略。4分支ADR通過改善信號質量並通過NOMA實現更高效嘅多用戶功率分配，從而喺數據速率上提供顯著增益。呢項工作驗證咗先進接收器設計結合非正交複用技術喺下一代光無線網絡中嘅潛力。

5. 核心分析師見解

核心見解： 本文唔只係關於邊際改進；佢係一個戰略性轉向。佢正確指出，對於密集、高容量VLC嘅瓶頸唔只喺發射端（大多數研究集中於此，例如µLED或激光二極管），關鍵仲在於接收器喺嘈雜、多路徑環境中區分信號嘅能力。來自相對簡單嘅4分支ADR嘅35%增益，有力證明咗呢個經常被忽視嘅維度。

邏輯流程： 論證合理：1) VLC受干擾（CCI/ISI）影響，2) ADR通過空間濾波減輕干擾，3) 更乾淨嘅信號允許更進取嘅複用（NOMA），4) NOMA嘅功率域複用提升頻譜效率。喺標準化房間模型（類似於IEEE 802.15.7r1任務組使用嘅模型）中嘅模擬提供咗可信嘅驗證。

優點與不足： 優點在於務實地結合兩個成熟概念（分集接收同NOMA）以獲得清晰、可量化嘅增益。方法論穩健。然而，不足之處在於ADR模型嘅簡單性。現實中嘅ADR面臨分支相關性、硬件複雜度增加以及需要快速、低功耗分支選擇算法等挑戰——呢啲問題只係被略微提及。相比於使用成像接收器嘅自適應光學或基於MIMO嘅VLC尖端研究（如MIT媒體實驗室或UC Berkeley BWRC嘅工作），呢種方法更易於立即部署，但可能具有較低嘅最終容量上限。

可行建議： 對於業界從業者，本文係投資接收端創新嘅綠燈。Li-Fi或工業VLC系統嘅產品經理應優先考慮集成多元件接收器。對於研究人員，下一步清晰明確：1) 研究機器學習用於動態、最優嘅ADR分支選擇同NOMA用戶配對。2) 探索與波分複用（WDM）整合以實現倍增增益。3) 使用移動用戶進行真實世界測試以驗證動態性能。喺未來VLC標準中忽略接收器分集將係一個重大疏忽。

6. 技術細節與數學公式

核心技術貢獻係ADR分支選擇同NOMA功率分配嘅聯合優化。用戶 $i$ 喺ADR第 $k$ 個分支接收到嘅信號為：

$y_{i,k} = h_{i,k} \sum_{u=1}^{U} \sqrt{P_u} x_u + n_{i,k}$

其中 $h_{i,k}$ 係從發射器到用戶 $i$ 第 $k$ 個分支嘅通道增益，$P_u$ 係分配畀用戶 $u$ 信號 $x_u$ 嘅功率，$n_{i,k}$ 係加性高斯白噪聲。接收器為每個用戶或解碼步驟選擇能最大化有效SNR嘅分支 $k^*$。具有通道增益 $|h_i|^2$ 嘅用戶處嘅SIC過程按通道增益遞增嘅順序解碼信號。功率分配係數 $\alpha_i$（其中 $\sum \alpha_i = 1$，且若 $|h_i|^2 > |h_j|^2$ 則 $\alpha_i < \alpha_j$）喺總功率約束 $P_T$ 下被優化以最大化總速率 $\sum R_i$。

7. 實驗結果與圖表描述

雖然本文基於模擬，但所描述嘅結果可以通過關鍵圖表可視化：

  • 圖表1：總速率 vs. 發射功率： 呢張圖會顯示兩條曲線，一條用於ADR-NOMA系統，一條用於寬視場-NOMA基準。兩條曲線都會隨功率增加而上升，但ADR曲線會顯示更陡峭嘅斜率同更高嘅平台，清晰說明咗喺整個功率範圍內嘅35%平均增益。
  • 圖表2：用戶速率分佈： 一張柱狀圖或累積分佈函數圖，顯示房間內各個用戶實現嘅數據速率。ADR系統會顯示更緊密、更高嘅分佈，表明對於唔同位置（尤其係靠近牆壁或角落，寬視場接收器受多路徑影響嚴重）嘅用戶提供更一致同改善嘅服務。
  • 圖表3：分支選擇頻率： 房間地板上一張熱力圖，顯示ADR四個分支中每個被選為「最佳」分支嘅頻率。呢張圖會直觀展示ADR嘅自適應特性，唔同分支喺房間唔同區域最優。

8. 分析框架：個案研究

場景： 為一個有20個工作站嘅開放式辦公室設計VLC網絡。

框架應用：

  1. 問題分解： 將鏈路預算分析分為：(a) 發射器功率與調制，(b) 通道路徑損耗與脈衝響應（使用射線追蹤），(c) 接收器靈敏度與視場角。
  2. ADR效益量化： 對於每個工作站位置，使用寬視場接收器同4分支ADR模擬接收信號強度同延遲擴展。計算ADR因能夠抑制遲到反射而帶來嘅潛在SNR改善同ISI減少。
  3. NOMA用戶分組： 根據用戶嘅通道增益差異將用戶聚類成NOMA對/組，由於ADR提供更乾淨嘅通道估計，呢種差異而家更加明顯同可靠。
  4. 系統級模擬： 運行蒙特卡羅模擬，變化用戶活動同數據需求。比較ADR-NOMA系統與採用寬視場接收器嘅傳統OFDMA-VLC系統嘅總網絡吞吐量同第5百分位用戶速率（一種公平性指標）。
呢個框架允許網絡設計師系統性地評估部署更複雜ADR硬件對比所承諾嘅容量增益嘅成本效益。

9. 未來應用與研究方向

  • 6G Li-Fi回傳/下行鏈路： ADR-NOMA VLC係未來6G網絡中高密度下行鏈路嘅主要候選技術，喺體育場、機場同工廠中補充RF。其抗RF干擾能力係一個關鍵優勢。
  • 超高可靠性工業物聯網： 喺自動化倉庫或生產線中，低延遲同可靠性至關重要，ADR可以為機器對機器通訊提供穩健鏈路，NOMA則支持海量傳感器連接。
  • 水下光通訊： 水下散射環境類似於嚴重嘅多路徑場景。ADR可以顯著提高自主水下航行器藍/綠激光通訊嘅距離同可靠性。
  • 研究方向：
    • 智能ADR： 使用微機電系統（MEMS）或基於液晶嘅波束控制進行連續、細粒度嘅角度調整，而非固定分支。
    • 跨層優化： 聯合優化物理層ADR選擇與媒體訪問控制（MAC）層調度同NOMA用戶聚類。
    • 混合RF/VLC系統： 研究ADR-NOMA VLC如何喺異構網絡中與毫米波或6 GHz以下RF無縫集成，並進行智能流量卸載。

10. 參考文獻

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. （VLC通道建模權威）
  2. L. Yin, 等, "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. （NOMA-VLC開創性論文）
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. （基礎性綜述）
  4. T. Fath, H. Haas, "Performance comparison of MIMO techniques for optical wireless communications in indoor environments," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 2, 2013. （涵蓋分集技術）
  5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. （相關標準）
  6. M. O. I. Musa, 等, "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. （作者先前工作，參考文獻[36]）
  7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ （VLC商業化行業領導者）
  8. Z. Wang, 等, "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. （特定ADR實現研究）