OpenVLC1.3: Usanifu na Utekelezaji wa Jukwaa la Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) la Gharama Nafuu na Utendaji Bora

Yaliyomo

1. Utangulizi & Muhtasari

Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) yanazuka kama teknolojia ya ziada ya waya kwa RF, kwa kutumia taa za LED zilizopo kila mahali kwa usafirishaji wa data. Karatasi hii inawasilisha OpenVLC1.3, toleo jipya la jukwaa la wazi, la gharama nafuu, na linalobainishwa na programu kwa utafiti wa VLC. Kujenga juu ya zile zilizotangulia, OpenVLC1.3 inashughulikia vikwazo muhimu katika kiwango cha data, umbali, na uthabiti, ikifikia kasi ya 400 kb/s ya UDP na ongezeko la 3.5x katika umbali wa mawasiliano bila gharama ya ziada ya vifaa. Jukwaa hili limewekwa ili kuharakisha utengenezaji wa mifano na majaribio katika VLC, kikiendana na juhudi zinazokua za kusanifisha tasnia kama IEEE 802.11bb.

2. Usanifu wa Mfumo & Ubunifu

Mfumo wa OpenVLC1.3 umeundwa kuzunguka sehemu kuu nne: bodi iliyochongwa ya BeagleBone Black (BBB), OpenVLC Cape maalum (kipitishaji-kipokeaji cha mbele), Firmware ya OpenVLC inayokimbia kwenye Kitengo cha Wakati Halisi Kinachoweza Kuprogramu (PRU) cha BBB, na Kiendeshi cha OpenVLC kwenye kiini cha Linux. Ubunifu huu hutenganisha wazi shughuli za PHY zinazohitaji usahihi wa wakati (zinazoshughulikiwa na PRU) kutoka kwa kazi za mkusanyiko wa mtandao wa tabaka za juu.

2.1 Usanifu wa Vifaa (OpenVLC Cape)

Cape iliyosanifiwa upya ina umbo dogo na inajumuisha maboresho muhimu ya mbele ya analogi:

• Kiendeshi cha LED Kilichoboreshwa: Inasaidia LED yenye nguvu zaidi kwa pato la juu la nuru.
• Vichungi vya Kupunguza Kelele: Vichungi vya juu-vya-chini vilivyounganishwa kukandamiza mabadiliko ya DC kutoka kwa mwanga wa mazingira na kelele ya mzunguko wa masafa ya juu (mfano, overshoot ya kikuza sauti).
• Mzunguko Uliboreshwa wa Kigunduzi cha Mwanga (PD): Njia ya kipokeaji yenye usikivu wa juu.

2.2 Mkusanyiko wa Programu na Firmware

Usanifu wa programu (Mchoro 2 kwenye PDF) umejikita katika tabaka:

• Kiendeshi cha Kiini: Husimamia mawasiliano kati ya mkusanyiko wa mtandao wa nafasi ya mtumiaji na firmware ya PRU.
• Firmware ya PRU: Hutekeleza urekebishaji/urekebishaji-tenzi wa wakati halisi, uwekaji wakati wa alama, na algoriti mpya ya ugunduzi wa fremu haraka iliyobuniwa kwa mikokoteni yenye kikomo cha kumbukumbu.
• Mkusanyiko wa Mtandao: Inatoa usaidizi wa kawaida wa TCP/IP, kuwezesha ujumuishaji laini na itifaki za mtandao.

3. Michango ya Kiufundi & Uvumbuzi

3.1 Maboresho ya Kipitishaji (TX)

Usanifu mpya wa programu kwa urekebishaji wa LED unawezesha kiwango cha uchakataji kinachozidi 2 MHz. Muunganisho wa moja kwa moja kutoka kwa kiendeshi cha kiini hadi firmware ya PRU hupunguza ucheleweshaji na mtetemo, jambo muhimu kwa kufikia urekebishaji thabiti wa kasi ya juu.

3.2 Kipokeaji (RX) & Usindikaji wa Mawimbi

Algoriti mbili muhimu zilibuniwa:

• Ugunduzi wa Fremu Haraka: Algoriti nyepesi kwa ajili ya kugundua utangulizi ambayo hupunguza kiwango cha hesabu na kumbukumbu kwenye PRU.
• Ugunduzi Mpya wa Alama & Ulinganifu wa Wakati: Inashughulikia maswala ya ulinganifu kutoka kwa matoleo ya awali, ikiboresha uaminifu chini ya hali tofauti za njia.

3.3 Vipimo Muhimu vya Utendaji

Karatasi hiyo inatoa jedwali la kulinganisha (Jedwali I) linalofupisha mageuzi:

• OpenVLC1.0: 18 kb/s, programu ya msingi wa kiini.
• OpenVLC1.2: 100 kb/s, usindikaji ulihamishiwa kwenye firmware.
• OpenVLC1.3: 400 kb/s, vichungi vya vifaa vilivyoboreshwa, algoriti za hali ya juu za firmware.

Faida ya 4x ya kasi na upanuzi wa 3.5x wa umbali ndio takwimu kuu.

4. Tathmini na Matokeo

Tathmini inawezekana kuonyesha utendaji wa jukwaa chini ya hali mbalimbali. Ingawa safu maalum za BER (Kiwango cha Makosa ya Bit) dhidi ya SNR (Uwiano wa Mawimbi-kwa-Kelele) au ramani za umbali-kasi hazijaelezwa kwa kina katika dondoo lililotolewa, karatasi hiyo inadai uthibitishaji wa mafanikio wa kasi ya 400 kb/s na umbali ulioboreshwa. Ufanisi wa vichungi vipya katika kupunguza usumbufu wa mwanga wa mazingira (changamoto kubwa kwa VLC) kingekuwa matokeo muhimu. Uthabiti wa kiendeshi kipya na firmware chini ya uendeshaji uliopanuliwa pia ni kipimo muhimu cha mafanikio.

Maelezo ya Chati (Yaliyokisiwa): Chati ya mstari ingawezekana kuonyesha kasi ya UDP (mhimili-y) dhidi ya umbali wa usafirishaji (mhimili-x) kwa OpenVLC1.2 na OpenVLC1.3, ikionyesha wazi upanuzi wa 3.5x wa umbali kwa kasi lengwa (mfano, 100 kb/s). Chati nyingine inaweza kuonyesha Kiwango cha Makosa ya Pakiti (PER) chini ya viwango tofauti vya kelele ya mwanga wa mazingira, ikionyesha uboreshaji kutokana na vichungi vipya vya analogi.

5. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: OpenVLC1.3 sio tu boresho la nyongeza; ni kiwezeshaji cha kimkakati kinachoweka utafiti wa hali ya juu wa VLC kwa watu wote. Kwa kuvunja kizuizi cha 400 kb/s kwa jukwaa la chini ya $100, inabadilisha utengenezaji wa mifano ya VLC kutoka kwa juhudi ya gharama kubwa na maalum hadi katika nyanja ya majaribio yanayoweza kufikiwa, ikichochea moja kwa moja mfereji wa uvumbuzi kwa IEEE 802.11bb na zaidi.

Mtiririko wa Mantiki: Waandika wanatambua kwa usahihi kizuizi katika VLC ya kiwango cha chini: sio kasi tu, bali uthabiti kwa kasi. Mantiki yao inatoka kwa kukandamiza kelele (vichungi vya vifaa) hadi urekebishaji thabiti wa kiwango cha juu (kubuni upya firmware) hadi usimamizi bora wa pakiti (algoriti mpya za kugundua). Njia hii ya mkusanyiko kamili ndiyo inayotoa faida za 4x/3.5x—somo ambalo jukwaa nyingi za utafiti za moduli hupoteza.

Nguvu & Kasoro: Nguvu haina shaka: uwiano wa gharama-utendaji na falsafa ya chanzo wazi. Inajaza pengo muhimu, sawa na jinsi vifaa vya USRP vilivyobadilisha utafiti wa redio inayobainishwa na programu. Hata hivyo, kasoro iko kwenye upeo. 400 kb/s, ingawa inavutia kwa jukwaa, bado ni maagizo ya ukubwa chini ya utafiti wa kisasa wa VLC kwa kutumia vifaa maalum (vinavyoweza kufikia Gb/s nyingi). Jukwaa lina hatari ya kuunda "kikohozi cha kiwango cha chini" ikiwa jamii haitatumii kama hatua ya kukanyaga kuchunguza mbinu za hali ya juu kama OFDM au MIMO-VLC, ambazo ni muhimu kwa viwango vya kizazi kijacho.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: 1) Kwa Watafiti: Tumia OpenVLC1.3 sio tu kwa majaribio ya tabaka ya kiungo, bali kama kisanduku cha mchanga kwa itifaki mpya za MAC na uboreshaji wa tabaka mbalimbali kwa mitandao ya vihisi vya IoT, eneo ambalo kasi yake inatosha. 2) Kwa Wasanidi Programu: Kipaumbele kinachofuata lazima kichapishwe data kamili ya sifa za njia na SDKs kwa miradi ya urekebishaji ya tabaka za juu. 3) Kwa Tasnia (Washiriki wa IEEE 802.11bb): Jukwaa hili linapaswa kupitishwa kama kumbukumbu kwa kutathmini mapendekezo ya PHY yenye utata mdogo na nguvu ndogo, kuhakikisha viwango vimejikita katika teknolojia ya vitendo, inayoweza kutekelezwa. Thamani ya miundo ya kumbukumbu ya chanzo wazi katika kuharakisha kusanifishwa imerekodiwa vizuri, kama inavyoonekana katika jamii za mitandao na zisizo na waya.

6. Maelezo ya Kiufundi & Mfumo wa Hisabati

Usindikaji wa msingi wa mawimbi unawezekana kuhusisha Urekebishaji wa Kuwasha-Kuzima (OOK) kwa sababu ya unyenyekevu wake. Algoriti ya ugunduzi wa fremu haraka ni muhimu. Inaweza kufasiriwa kama kichungi kilicholingana au operesheni ya uhusiano inayofanywa kwenye mawimbi yaliyochakatwa $r[n]$ na mlolongo unaojulikana wa utangulizi $p[n]$ wa urefu $L$:

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

Fremu hugunduliwa wakati pato la uhusiano $C[n]$ linazidi kizingiti $\gamma$. Uvumbuzi upo katika kutekeleza hii kwa ufanisi kwenye PRU yenye kikomo cha kumbukumbu, labda kwa kutumia dirisha linaloteleza na visasisho vya nyongeza au muundo rahisi wa utangulizi. Utaratibu mpya wa ulinganifu unawezekana kuhusisha Kitanzi cha Kufuli cha Awamu ya Dijiti (PLL) au algoriti ya urejesho wa wakati ili kupata mipaka ya alama kwa usahihi, kurekebisha mwelekeo wa saa kati ya kipitishaji na kipokeaji. Kanuni ya uamuzi wa alama kwa OOK inaweza kuwakilishwa kama:

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

ambapo $y[n]$ ni mawimbi yaliyopokelewa yaliyochakatwa na kusafishwa na $\lambda$ ni kizingiti cha uamuzi kinachobadilika.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Utafiti Usio na Msimbo

Hali: Kutathmini VLC kwa Mawasiliano ya Mashine-kwa-Mashine (M2M) ya Kiwanda cha Kisasa.

Utumiaji wa Mfumo:

1. Bainisha Mahitaji: Ucheleweshaji < 10ms, kasi > 200 kb/s kwa kiungo, uendeshaji chini ya mwanga mkali wa mazingira kutoka kwa LED za viwanda.
2. Uchaguzi wa Jukwaa & Msingi: Tumia OpenVLC1.3 kama jukwaa la majaribio. Kwanza, anzisha utendaji wa msingi katika mazingira yaliyodhibitiwa, ya giza.
3. Jaribio la Mkazo: Leta usumbufu: simuliza mwanga wa mazingira wa kiwanda kwa kuongeza chanzo cha LED kilichorekebishwa na kung'aa karibu. Pima uharibifu katika PER na kasi.
4. Jaribio la Algoriti: Amilisha/linganisha ugunduzi wa fremu haraka uliowekwa na ulinganifu mpya dhidi ya kigunduzi rahisi cha msingi. Kadiria uboreshaji katika wakati wa kuanzisha muunganisho uliofanikiwa na uthabiti chini ya usumbufu.
5. Hitimisho la Kiwango cha Mfumo: Kulingana na data, amua ikiwa utendaji wa asili (400 kb/s) na uthabiti (utendaji wa kichungi) unakidhi mahitaji ya M2M. Uchambuzi ungeonyesha ikiwa jukwaa linafaa kwa mazingira makubwa na yenye kelele kama hayo au ikiwa ubunifu zaidi (mfano, vipitishaji-kipokeaji vya mwelekeo) unahitajika.

Njia hii iliyopangwa inahama zaidi ya majaribio rahisi ya kasi ili kukadiria uwezekano wa ulimwengu halisi.

8. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

OpenVLC1.3 inawezesha uchunguzi katika maeneo kadhaa muhimu:

• IoT na Mitandao ya Vihisi: Mitandao mikubwa ya vihisi visivyo na betri au vyenye nguvu ndogo kwa kutumia mwanga kwa nguvu (kupitia seli ya jua) na data (VLC).
• Uwekaji Nafasi na Kugundua Ndani ya Nyumba: Uwekaji nafasi wa usahihi wa juu (< 10 cm) na kugundua shughuli za binadamu kwa kuchambuja habari ya hali ya njia, kujenga juu ya kazi kama [4,7,8].
• Mawasiliano Salama/Yasiyoonekana: Kuchukua faida ya hali ya mwanga ya kuona-mstari kwa usalama wa tabaka ya kimwili katika mazingira nyeti.
• Uundaji wa Itifaki kwa IEEE 802.11bb: Kujaribu itifaki nyepesi za MAC, utaratibu wa kuhama, na mikakati ya kuwamoja na Wi-Fi.
• Ujumuishaji na Mazingira ya Li-Fi: Kutumika kama jukwaa la uundaji wa mteja kwa mifumo ijayo ya kibiashara ya Li-Fi.

Mwelekeo wa Jukwaa ya Baadaye: Hatua zinazofuata za mantiki kwa OpenVLC zinajumuisha kusaidia uwekaji mchanganyiko wa mgawanyiko wa urefu wa wimbi (WDM) kwa kutumia LED za RGB, kujumuisha vihisi vya inertial kwa ajili ya masomo ya uhamaji, na kuchunguza mbinu za "VLC ya kukubali" zinazotegemea kurudisha mawimbi kama katika [9,10] kuwasiliana na lebo zisizo na betri.

9. Marejeo

1. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). LiFi ni nini?. Journal of Lightwave Technology.
2. Kikundi cha Kazi cha IEEE 802.11bb. (Inaendelea). Kawaida ya Mawasiliano ya Mwanga.
3. Pathak, P. H., Feng, X., Hu, P., & Mohapatra, P. (2015). Mawasiliano ya mwanga unaonekana, mitandao, na kugundua: Uchunguzi, uwezekano na changamoto. IEEE communications surveys & tutorials.
4. Wang, Z., & Giustiniano, D. (2017). Mawasiliano na Mwanga Usioonekana. (Inahusiana na matumizi ya kugundua).
5. Galisteo, A., Juara, D., & Giustiniano, D. (2019). Utafiti katika Mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana na OpenVLC1.3. (Karatasi hii).
6. Mradi wa OpenVLC. https://www.openvlc.org (Chanzo cha maelezo ya jukwaa).
7. Zhuang, Y., et al. (2018). Uchunguzi wa Mifumo ya Uwekaji Nafasi Kwa Kutumia Taa za LED Zinazoonekana. IEEE Communications Surveys & Tutorials.
8. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Mawasiliano ya infrared yasiyo na waya. Proceedings of the IEEE. (Kazi ya msingi).