1. 緒論

本文研究一種由角度分集接收器（ADR）增強之非正交多重接取（NOMA）可見光通訊（VLC）系統。所解決的主要挑戰在於，傳統VLC系統因符際干擾（ISI）與同頻道干擾（CCI）等因素，在提供高資料速率方面存在限制。所提出的系統結合了NOMA的頻譜效率與四分支ADR的干擾抑制及訊號擷取能力，旨在最大化室內環境中的使用者資料速率。

2. 系統模型

系統建模於一個8公尺 × 4公尺 × 3公尺的空房間內。光通道考慮了來自牆壁和天花板的反射，將其建模為反射係數（ρ）為0.8的朗伯反射體。採用射線追蹤法來模擬光訊號的多路徑傳播。

2.1 空間與通道建模

室內通道脈衝響應的計算同時考慮了直視（LOS）與擴散（反射）分量。反射表面被劃分為面積為dA的小元素。對於具有偵測器面積 $A_{pd}$ 和增益 $T_s(\psi)$ 的接收器，其通道直流增益表示為：

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

其中 $m$ 為朗伯階數，$d$ 為距離，$\phi$ 為輻照角，$\psi$ 為入射角，$\Psi_c$ 為接收器的視場角（FOV）。

2.2 角度分集接收器（ADR）設計

ADR由四個窄視場角光電偵測器組成，每個偵測器朝向不同方向（例如，朝向房間角落或特定存取點）。此設計使接收器能夠選擇訊號雜訊比（SNR）最強的分支或合併訊號，有效降低環境光、多路徑色散和同頻道干擾的影響。

2.3 NOMA原理與功率分配

NOMA的運作方式是在發射端將多個使用者的訊號在功率域中疊加。在接收端，則使用連續干擾消除（SIC）來解碼訊號。功率分配與通道增益成反比：通道條件較佳（訊號較強）的使用者分配較少功率，而條件較差的使用者則獲得更多功率，以確保公平性。使用者 $i$ 的可實現速率為：

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

其中 $B$ 為頻寬，$P_i$ 為分配給使用者 $i$ 的功率，$h_i$ 為通道增益，$\sigma^2$ 為雜訊變異數。

3. 模擬結果與討論

將採用ADR的NOMA-VLC系統效能與使用單一寬視場角接收器的基準系統進行比較。

3.1 效能比較：ADR vs. 寬視場角接收器

關鍵發現是，基於ADR的系統相較於寬視場角接收器系統，平均資料速率提升了 35%。此增益歸因於ADR能夠選擇性地擷取更強、失真更小的訊號，並抑制來自其他發射器或反射的干擾分量。

3.2 資料速率分析與最佳化

模擬涉及根據使用者即時通道條件（源自ADR分支選擇）來最佳化使用者間的資源（功率）分配。此最佳化旨在最大化總和資料速率，同時維持使用者公平性，遵循作者先前的方法[36]。結果表明，自適應分支選擇與NOMA功率分配的結合，顯著提升了頻譜效率。

關鍵效能指標

基於ADR的NOMA-VLC系統相較於寬視場角接收器基準，實現了 35% 的平均資料速率增益。

4. 結論

本文結論指出，在VLC系統中整合角度分集接收器與NOMA，是克服干擾和有限頻寬等關鍵限制的極有效策略。四分支ADR透過改善訊號品質並透過NOMA實現更高效的多使用者功率分配，從而大幅提升資料速率。這項工作驗證了先進接收器設計結合非正交多工技術在下一代光無線網路中的潛力。

5. 核心分析師洞見

核心洞見： 本文不僅僅是關於邊際改善；它是一次策略性轉向。它正確地指出，密集、高容量VLC的瓶頸不僅在於發射器（大多數研究聚焦於此，例如µLED或雷射二極體），更關鍵的是接收器在嘈雜、多路徑環境中區分訊號的能力。相對簡單的四分支ADR帶來的35%增益，有力地證明了這個常被忽視的面向。

邏輯流程： 論證合理：1) VLC受干擾（CCI/ISI）影響，2) ADR透過空間濾波減輕干擾，3) 更乾淨的訊號使更積極的多工（NOMA）成為可能，4) NOMA的功率域多工提升了頻譜效率。在標準化房間模型（類似於IEEE 802.15.7r1工作小組所使用的模型）中的模擬提供了可信的驗證。

優點與缺陷： 其優勢在於務實地結合了兩個成熟概念（分集接收與NOMA），以獲得明確、可量化的增益。方法論穩健。然而，缺陷在於ADR模型的簡化。現實世界的ADR面臨諸如分支相關性、硬體複雜度增加，以及需要快速、低功耗的分支選擇演算法等挑戰——這些問題僅被略微提及。相較於使用成像接收器之適應性光學或MIMO VLC的前沿研究（如MIT Media Lab或UC Berkeley BWRC的研究成果），此方法更易於立即部署，但可能具有較低的最終容量上限。

可執行洞見： 對於業界從業者，本文是投資接收端創新的綠燈。Li-Fi或工業VLC系統的產品經理應優先考慮整合多元件接收器。對於研究人員，下一步很明確：1) 研究機器學習用於動態、最佳的ADR分支選擇和NOMA使用者配對。2) 探索與波長分波多工（WDM）的整合以獲得倍增增益。3) 對移動使用者進行實際測試以驗證動態效能。在未來的VLC標準中忽略接收器分集將是一個重大疏忽。

6. 技術細節與數學公式

核心技術貢獻在於ADR分支選擇與NOMA功率分配的聯合最佳化。使用者 $i$ 在ADR第 $k$ 個分支接收到的訊號為：

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

其中 $h_{i,k}$ 是從發射器到使用者 $i$ 第 $k$ 個分支的通道增益，$P_u$ 是分配給使用者 $u$ 訊號 $x_u$ 的功率，$n_{i,k}$ 是加性白高斯雜訊。接收器為每個使用者或解碼步驟選擇能最大化有效SNR的分支 $k^*$。具有通道增益 $|h_i|^2$ 的使用者，其SIC過程按照通道增益遞增的順序解碼訊號。功率分配係數 $\alpha_i$（其中 $\sum \alpha_i = 1$，且若 $|h_i|^2 > |h_j|^2$ 則 $\alpha_i < \alpha_j$）在總功率限制 $P_T$ 下進行最佳化，以最大化總和速率 $\sum R_i$。

7. 實驗結果與圖表說明

雖然本文基於模擬，但所描述的結果可透過關鍵圖表視覺化：

  • 圖表1：總和速率 vs. 發射功率： 此圖表將顯示兩條曲線，一條用於ADR-NOMA系統，一條用於寬視場角-NOMA基準。兩條曲線都會隨功率增加而上升，但ADR曲線將顯示更陡的斜率和更高的平台，清楚說明在整個功率範圍內35%的平均增益。
  • 圖表2：使用者速率分佈： 顯示房間內個別使用者所達到的資料速率的長條圖或累積分佈函數（CDF）。ADR系統將顯示更集中、更高的分佈，表明對不同位置（尤其是靠近牆壁或角落，寬視場角接收器易受多路徑影響之處）的使用者提供了更一致且改善的服務。
  • 圖表3：分支選擇頻率： 房間地板上的熱力圖，顯示ADR的四個分支各自被選為「最佳」分支的頻率。這將視覺化地展示ADR的自適應特性，不同分支在不同房間區域是最佳選擇。

8. 分析框架：個案研究

情境： 為一個擁有20個工作站的開放式辦公室設計VLC網路。

框架應用：

  1. 問題分解： 將鏈路預算分析分為：(a) 發射器功率與調變，(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： 針對每個工作站位置，模擬使用寬視場角接收器和四分支ADR時的接收訊號強度與延遲擴展。計算ADR因能抑制延遲到達的反射而帶來的潛在SNR改善和ISI減少。
  3. NOMA使用者分組： 根據使用者的通道增益差異（由於ADR提供了更乾淨的通道估計，此差異現在更顯著且可靠）將使用者分組成NOMA配對/群組。
  4. 系統層級模擬： 執行蒙地卡羅模擬，變化使用者活動和資料需求。比較ADR-NOMA系統與採用寬視場角接收器的傳統OFDMA-VLC系統的總網路吞吐量和第5百分位使用者速率（一種公平性指標）。
此框架讓網路設計師能夠系統性地評估部署更複雜ADR硬體的成本效益與承諾的容量增益。

9. 未來應用與研究方向

  • 6G Li-Fi骨幹/下行鏈路： ADR-NOMA VLC是未來6G網路中高密度下行鏈路的主要候選技術，可在體育場、機場和工廠中與射頻互補。其抗射頻干擾能力是一大優勢。
  • 超高可靠度工業物聯網： 在自動化倉庫或生產線中，低延遲和可靠性至關重要，ADR可為機器對機器通訊提供穩健的鏈路，而NOMA則支援大規模感測器連接。
  • 水下光通訊： 水下散射環境類似於嚴重的多路徑情境。ADR可顯著提升自主水下載具藍/綠光雷射通訊的距離和可靠性。
  • 研究方向：
    • 智慧型ADR： 使用微機電系統（MEMS）或基於液晶的光束控制，進行連續、細粒度的角度調整，而非固定分支。
    • 跨層最佳化： 聯合最佳化實體層ADR選擇與媒體存取控制（MAC）層排程及NOMA使用者分群。
    • 混合射頻/VLC系統： 研究ADR-NOMA VLC如何在異質網路中與毫米波或6 GHz以下射頻無縫整合，並進行智慧流量卸載。

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, et al., "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. （基礎性回顧）
  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, et al., "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商業化產業領導者）
  8. Z. Wang, et al., "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. （特定ADR實作研究）