OpenVLC1.3: कम लागत, उच्च प्रदर्शन वाले दृश्यमान प्रकाश संचार प्लेटफॉर्म का डिजाइन और कार्यान्वयन

सामग्री सूची

1. परिचय एवं अवलोकन

दृश्यमान प्रकाश संचार (VLC) RF तकनीक के पूरक वायरलेस तकनीक के रूप में उभर रहा है, जो डेटा संचारण के लिए सर्वव्यापी LED प्रकाश व्यवस्था का उपयोग करता है। यह लेख प्रस्तुत करता हैOpenVLC1.3यह VLC अनुसंधान के लिए एक खुला स्रोत, कम लागत, सॉफ्टवेयर-परिभाषित प्लेटफॉर्म का नवीनतम संस्करण है। अपने पूर्ववर्ती पर आधारित, OpenVLC1.3 ने डेटा दर, संचार दूरी और मजबूती से संबंधित महत्वपूर्ण सीमाओं का समाधान किया है, और हार्डवेयर लागत बढ़ाए बिना हासिल किया है400 kb/s की UDP थ्रूपुट和3.5 गुना संचार दूरी वृद्धियह प्लेटफ़ॉर्म VLC क्षेत्र में प्रोटोटाइप डिज़ाइन और प्रयोगों को तेज़ करने का लक्ष्य रखता है, और IEEE 802.11bb जैसे उद्योग मानकीकरण प्रयासों की प्रगति के साथ संरेखित है।

2. सिस्टम आर्किटेक्चर एवं डिज़ाइन

OpenVLC1.3 system is built around four core components:BeagleBone Black (BBB)एम्बेडेड डेवलपमेंट बोर्ड, कस्टमाइज़्डOpenVLC एक्सटेंशन बोर्ड(फ्रंट-एंड ट्रांसीवर), BBB प्रोग्रामेबल रियल-टाइम यूनिट (PRU) पर चलने वालाOpenVLC फर्मवेयर, और लिनक्स कर्नेल मेंOpenVLC ड्राइवरइस डिज़ाइन ने समय-संवेदनशील भौतिक परत (PHY) संचालन (PRU द्वारा संसाधित) को उच्च-स्तरीय नेटवर्क स्टैक कार्यों से स्पष्ट रूप से अलग कर दिया है।

2.1 हार्डवेयर डिज़ाइन (OpenVLC एक्सटेंशन बोर्ड)

पुनर्डिज़ाइन किए गए एक्सटेंशन बोर्ड का आकार छोटा है और इसमें महत्वपूर्ण एनालॉग फ्रंट-एंड सुधार एकीकृत किए गए हैं:

• एन्हांस्ड एलईडी ड्राइवर:उच्च प्रकाश उत्पादन के लिए अधिक शक्तिशाली एलईडी का समर्थन करता है।
• नॉइज़ सप्रेशन फ़िल्टर:पर्यावरणीय प्रकाश से उत्पन्न डीसी ऑफसेट और उच्च-आवृत्ति सर्किट शोर (जैसे एम्पलीफायर ओवरशूट) को दबाने के लिए उच्च-पास और निम्न-पास फिल्टर एकीकृत किए गए हैं।
• उन्नत फोटोडिटेक्टर (पीडी) सर्किट:अधिक संवेदनशील रिसीवर पथ।

2.2 सॉफ़्टवेयर और फ़र्मवेयर स्टैक

सॉफ्टवेयर आर्किटेक्चर (PDF में चित्र 2) स्तरित है:

• कर्नेल ड्राइवर:प्रबंधन यूजरस्पेस नेटवर्क स्टैक और PRU फर्मवेयर के बीच संचार।
• PRU फर्मवेयर:रियल-टाइम मॉड्यूलेशन/डिमॉड्यूलेशन, सिंबल टाइमिंग और नवीनफास्ट फ्रेम डिटेक्शनएल्गोरिदम, जो मेमोरी-सीमित माइक्रोकंट्रोलर्स के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया है।
• नेटवर्क स्टैक:मानक TCP/IP समर्थन प्रदान करता है, इंटरनेट प्रोटोकॉल के साथ सहज एकीकरण को सक्षम बनाता है।

3. तकनीकी योगदान और नवाचार

3.1 ट्रांसमीटर (TX) संवर्धन

एक नए LED मॉड्यूलेशन सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन ने 2 MHz से अधिक की सैंपलिंग दर प्राप्त की। कर्नल ड्राइवर से PRU फ़र्मवेयर तक सीधे कनेक्शन ने विलंबता और जिटर को कम किया, जो स्थिर उच्च-गति मॉड्यूलेशन प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।

3.2 रिसीवर (RX) और सिग्नल प्रोसेसिंग

दो प्रमुख एल्गोरिदम विकसित किए गए:

• त्वरित फ्रेम डिटेक्शन:एक हल्का प्रीएम्बल डिटेक्शन एल्गोरिदम जो PRU पर गणना और मेमोरी उपयोग को न्यूनतम करता है।
• नया प्रतीक पहचान और सिंक्रनाइज़ेशन:पिछले संस्करण में सिंक्रनाइज़ेशन समस्याओं का समाधान करता है, विभिन्न चैनल स्थितियों में विश्वसनीयता बढ़ाता है।

3.3 प्रमुख प्रदर्शन संकेतक

यह लेख एक तुलनात्मक तालिका (तालिका I) प्रदान करता है, जो विकास प्रक्रिया को संक्षेप में प्रस्तुत करती है:

• OpenVLC1.0: 18 kb/s, कर्नेल-आधारित सॉफ्टवेयर।
• OpenVLC1.2: 100 kb/s, प्रोसेसिंग को फर्मवेयर में स्थानांतरित करें।
• OpenVLC1.3: 400 kb/s, enhanced hardware filter, advanced firmware algorithm.

4x throughput gain and 3.5x communication range extension are the key highlight data.

4. मूल्यांकन एवं परिणाम

मूल्यांकन अनुभाग ने विभिन्न परिस्थितियों में प्लेटफ़ॉर्म के प्रदर्शन को प्रदर्शित किया होगा। यद्यपि प्रदान किए गए सारांश में विशिष्ट बिट एरर रेट (BER) बनाम सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (SNR) वक्र या दूरी-थ्रूपुट संबंध ग्राफ़ का विस्तृत विवरण नहीं है, पेपर ने 400 kb/s के थ्रूपुट और बेहतर संचार दूरी के सफल सत्यापन का दावा किया है। परिवेशी प्रकाश व्यवधान (VLC की एक प्रमुख चुनौती) को दबाने में नए फ़िल्टर की प्रभावशीलता एक महत्वपूर्ण परिणाम होगी। लंबे समय तक संचालन में नए ड्राइवर और फ़र्मवेयर की स्थिरता भी सफलता के मापदंड का एक प्रमुख संकेतक होगी।

चार्ट विवरण (अनुमानित): एक लाइन ग्राफ OpenVLC1.2 और OpenVVC1.3 के UDP थ्रूपुट (y-अक्ष) और ट्रांसमिशन दूरी (x-अक्ष) के बीच संबंध दिखा सकता है, जो लक्ष्य थ्रूपुट (उदाहरण के लिए 100 kb/s) पर 3.5 गुना संचार दूरी विस्तार को स्पष्ट रूप से दर्शाता है। एक अन्य चार्ट विभिन्न परिवेशी प्रकाश शोर स्तरों पर पैकेट त्रुटि दर (PER) प्रदर्शित कर सकता है, जो नए एनालॉग फ़िल्टर द्वारा लाए गए सुधार को उजागर करता है।

5. मुख्य अंतर्दृष्टि और विश्लेषणात्मक परिप्रेक्ष्य

मुख्य अंतर्दृष्टि: OpenVLC1.3 केवल एक वृद्धिशील अपग्रेड नहीं है; यह एक रणनीतिक सक्षमकर्ता है जो उच्च-निष्ठा VLC अनुसंधान को लोकप्रिय बनाता है। $100 से कम के प्लेटफ़ॉर्म के साथ 400 kb/s की बाधा को तोड़कर, यह VLC प्रोटोटाइपिंग को एक सीमित, उच्च-लागत वाले प्रयास से एक सुलभ प्रयोगात्मक क्षेत्र में बदल देता है, जो सीधे IEEE 802.11bb और भविष्य की नवाचार पाइपलाइन को शक्ति प्रदान करता है।

तार्किक संरचना: लेखक ने निम्न-स्तरीय VLC की बाधा को सही ढंग से इंगित किया है: यह केवल कच्ची गति नहीं है, बल्कि उच्च गति परRobustnessउनका तर्क शोर दमन (हार्डवेयर फ़िल्टर) से लेकर स्थिर उच्च-दर मॉड्यूलेशन (फ़र्मवेयर पुनर्डिज़ाइन) तक, और फिर कुशल पैकेट प्रोसेसिंग (नवीन पहचान एल्गोरिदम) तक जाता है। यह संपूर्ण-स्टैक दृष्टिकोण ही 4x/3.5x लाभ प्राप्त करने का कारण है - एक ऐसा अनुभव जिसे कई मॉड्यूलर शोध प्लेटफ़ॉर्म नज़रअंदाज़ कर देते हैं।

लाभ और सीमाएँ: इसके लाभ निर्विवाद हैं: लागत-प्रभावशीलता और ओपन-सोर्स भावना। यह एक महत्वपूर्ण रिक्ति को भरता है, ठीक वैसे ही जैसे USRP उपकरणों ने सॉफ़्टवेयर-परिभाषित रेडियो शोध में क्रांति ला दी थी। हालाँकि, कमी इसकी दृष्टि में है। 400 kb/s, हालांकि इस प्लेटफ़ॉर्म के लिए प्रभावशाली है, फिर भी समर्पित हार्डवेयर का उपयोग करने वाले अत्याधुनिक VLC शोध (जो कई Gb/s तक पहुँच सकते हैं) की तुलना में कई गुना कम है। यदि शोध समुदाय इसे OFDM या MIMO-VLC जैसी उन्नत तकनीकों (जो अगली पीढ़ी के मानकों के लिए महत्वपूर्ण हैं) की खोज के लिए एक स्प्रिंगबोर्ड के रूप में नहीं अपनाता है, तो यह प्लेटफ़ॉर्म एक "लो-एंड बबल" बना सकता है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: 1) शोधकर्ताओं के लिए: OpenVLC1.3 को न केवल लिंक लेयर परीक्षण के लिए, बल्कि इंटरनेट ऑफ थिंग्स सेंसर नेटवर्क में नए MAC प्रोटोकॉल और क्रॉस-लेयर ऑप्टिमाइज़ेशन के लिए एक परीक्षण प्लेटफॉर्म के रूप में भी उपयोग किया जाना चाहिए, जिसका थ्रूपुट इस क्षेत्र में पर्याप्त है।2) डेवलपर्स के लिए: अगली प्राथमिकता व्यापक चैनल चरित्रकरण डेटा और उच्च-स्तरीय मॉड्यूलेशन स्कीम के लिए SDK जारी करना होनी चाहिए।3) उद्योग (IEEE 802.11bb प्रतिभागियों) के लिए: इस प्लेटफ़ॉर्म को कम जटिलता, कम बिजली खपत वाले भौतिक परत प्रस्तावों के मूल्यांकन के लिए एक संदर्भ के रूप में अपनाया जाना चाहिए, यह सुनिश्चित करते हुए कि मानक व्यावहारिक, कार्यान्वयन योग्य तकनीक पर आधारित हो। मुक्त-स्रोत संदर्भ डिज़ाइन के मानकीकरण को गति देने में मूल्य का पर्याप्त प्रलेखन है, जैसा कि नेटवर्क और वायरलेस समुदायों में देखा गया है।

6. तकनीकी विवरण और गणितीय ढांचा

मुख्य सिग्नल प्रसंस्करण में संभवतः इसकी सादगी के कारण ऑन-ऑफ़ कीइंग (OOK) मॉड्यूलेशन शामिल होगा। त्वरित फ्रेम पहचान एल्गोरिदम महत्वपूर्ण है। इसे एक मिलान फ़िल्टर या सहसंबंध संक्रिया के रूप में समझा जा सकता है, जो नमूना सिग्नल $r[n]$ को ज्ञात लंबाई $L$ के प्रस्तावना अनुक्रम $p[n]$ के साथ निष्पादित करता है:

$C[n] = \sum_{k=0}^{L-1} r[n+k] \cdot p[k]$

जब सहसंबंध आउटपुट $C[n]$ थ्रेशोल्ड $\gamma$ से अधिक हो जाता है, तो एक फ्रेम का पता चलता है। नवीनता सीमित मेमोरी वाले PRU पर इसे कुशलतापूर्वक लागू करने में निहित है, संभवतः इंक्रीमेंटल अपडेट के साथ स्लाइडिंग विंडो या सरलीकृत प्रीएम्बल संरचना का उपयोग करके। नए सिंक्रोनाइज़ेशन तंत्र में सटीक रूप से प्रतीक सीमा का पता लगाने, ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच क्लॉक ड्रिफ्ट को ठीक करने के लिए डिजिटल फेज-लॉक्ड लूप (PLL) या टाइमिंग रिकवरी एल्गोरिदम शामिल हो सकते हैं। OOK के लिए प्रतीक निर्णय नियम को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

$\hat{s}[n] = \begin{cases} 1 & \text{if } y[n] \geq \lambda \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}$

जहाँ $y[n]$ फ़िल्टरिंग और सैंपलिंग के बाद का प्राप्त सिग्नल है, और $\lambda$ एक अनुकूली निर्णय सीमा है।

7. विश्लेषणात्मक ढांचा: एक गैर-कोड केस स्टडी

परिदृश्य: स्मार्ट फैक्ट्री में मशीन-टू-मशीन (M2M) संचार के लिए VLC के अनुप्रयोग का मूल्यांकन।

ढांचे का अनुप्रयोग:

1. आवश्यकताएँ परिभाषित करें: 延迟 < 10ms，每链路吞吐量 > 200 kb/s，在工业LED强环境光下运行。
2. प्लेटफ़ॉर्म चयन और बेसलाइन: परीक्षण प्लेटफ़ॉर्म के रूप में OpenVLC1.3 का उपयोग करें। सबसे पहले, नियंत्रित अंधेरे वातावरण में बेसलाइन प्रदर्शन स्थापित करें।
3. तनाव परीक्षण: हस्तक्षेप का परिचय: एक चमकदार, मॉड्यूलेटेड निकटवर्ती LED प्रकाश स्रोत जोड़कर कारखाने के परिवेशी प्रकाश का अनुकरण करें। पैकेट त्रुटि दर (PER) और थ्रूपुट में गिरावट को मापें।
4. एल्गोरिदम परीक्षण: अंतर्निहित त्वरित फ्रेम पहचान और नए सिंक्रोनाइज़ेशन एल्गोरिदम की तुलना सरल बेसलाइन डिटेक्टर से सक्रिय/तुलना करें। हस्तक्षेप के तहत सफल कनेक्शन स्थापना समय और स्थिरता में सुधार को मात्रात्मक रूप से मापें।
5. सिस्टम-स्तरीय निष्कर्ष: डेटा के आधार पर, मूल प्रदर्शन (400 kb/s) और मजबूती (फ़िल्टर प्रदर्शन) M2M आवश्यकताओं को पूरा करते हैं या नहीं, इसका मूल्यांकन करें। विश्लेषण से पता चलेगा कि क्या यह प्लेटफ़ॉर्म इस प्रकार के सघन, शोरगुल वाले वातावरण के लिए उपयुक्त है, या क्या आगे अनुकूलन (जैसे दिशात्मक ट्रांसीवर) की आवश्यकता है।

यह संरचित दृष्टिकोण वास्तविक दुनिया की व्यवहार्यता का आकलन करने के लिए साधारण गति परीक्षण से आगे बढ़ता है।

8. भविष्य के अनुप्रयोग और शोध दिशाएं

OpenVLC1.3 कई महत्वपूर्ण क्षेत्रों में अन्वेषण को संभव बनाता है:

• इंटरनेट ऑफ थिंग्स और सेंसर नेटवर्क: घने बैटरी-मुक्त या कम-शक्ति वाले सेंसर नेटवर्क जो प्रकाश का उपयोग एक साथ बिजली आपूर्ति (सौर सेल के माध्यम से) और डेटा संचरण (VLC) के लिए करते हैं।
• इंडोर पोजिशनिंग और सेंसिंग: 通过分析信道状态信息，实现高精度定位（< 10 cm）和人类活动感知，基于[4,7,8]等工作。
• सुरक्षित/गुप्त संचार: प्रकाश की लाइन-ऑफ-साइट विशेषता का उपयोग करके, संवेदनशील वातावरण में भौतिक परत सुरक्षा प्राप्त करना।
• IEEE 802.11bb प्रोटोकॉल विकास: हल्के MAC प्रोटोकॉल, हैंडओवर तंत्र और Wi-Fi के साथ सह-अस्तित्व रणनीतियों का परीक्षण।
• Li-Fi पारिस्थितिकी तंत्र के साथ एकीकरण: आगामी वाणिज्यिक Li-Fi प्रणालियों के लिए एक क्लाइंट विकास प्लेटफॉर्म के रूप में।

भविष्य के प्लेटफॉर्म की दिशा: OpenVLC के लिए तार्किक अगले कदमों में RGB LED का उपयोग करके वेवलेंथ डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (WDM) का समर्थन, गतिशीलता अनुसंधान के लिए जड़त्वीय सेंसरों का एकीकरण, और बैटरी-रहित टैग के साथ संचार सक्षम करने के लिए (जैसा कि [9,10] में वर्णित है) बैकस्कैटर-आधारित "पैसिव VLC" तकनीक की खोज शामिल है।

9. संदर्भ

1. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi?. Journal of Lightwave Technology.
2. IEEE 802.11bb Task Group. (Ongoing). Standard for Light Communications.
3. Pathak, P. H., Feng, X., Hu, P., & Mohapatra, P. (2015). Visible light communication, networking, and sensing: A survey, potential and challenges. IEEE communications surveys & tutorials.
4. Wang, Z., & Giustiniano, D. (2017). Communication with Invisible Light. (संवेदी अनुप्रयोगों से संबंधित)
5. Galisteo, A., Juara, D., & Giustiniano, D. (2019). OpenVLC1.3 के साथ दृश्यमान प्रकाश संचार प्रणालियों में अनुसंधान(यह लेख)
6. OpenVLC Project. https://www.openvlc.org (प्लेटफ़ॉर्म विस्तृत जानकारी स्रोत)
7. Zhuang, Y., et al. (2018). A Survey of Positioning Systems Using Visible LED Lights. IEEE Communications Surveys & Tutorials.
8. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE. (Pioneering Work)