1. المقدمة والنظرة العامة
يتناول هذا البحث عقبة حرجة في أنظمة الاتصالات الضوئية المرئية للسيارات (VVLC): الارتباط المكاني العالي بين الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) داخل مصابيح السيارة الأمامية، مما يحد بشدة من معدلات البيانات التي يمكن تحقيقها عبر التعددية المكانية. يقترح المؤلفون حلاً مبتكراً متعدد التخصصات يجمع بين التشفير المسبق القائم على نسبة الإشارة إلى التسرب والضوضاء (SLNR) لدعم المستخدمين المتعددين مع دمج جسيمات الذهب النانوية المصنعة (GNPs). تستغل جسيمات الذهب النانوية الخصائص الضوئية الحلزونية لتوفير امتصاص ضوئي تفاضلي بناءً على زاوية السمت للضوء الساقط، مما يؤدي بالتالي إلى إزالة الارتباط الاصطناعي لقنوات LEDs المتقاربة. علاوة على ذلك، يجب على النظام تحسين نسبة مصادر الضوء الأحمر والأخضر والأزرق (RGB) داخل كل LED للحفاظ على الضوء الأبيض للإضاءة مع تعظيم مجموع SLNR، حيث تسبب جسيمات الذهب النانوية أيضاً امتصاصاً يعتمد على الطول الموجي. يتم التعامل مع مشكلات التحسين غير المحدبة الناتجة باستخدام ناتج رايلي المعمم والتقريب المحدب المتتالي (SCA).
2. الفكرة الأساسية ومنظور المحلل
الفكرة الأساسية: تكمن عبقرية البحث في اختراقه على مستوى المواد لمشكلة اتصال أساسية. بدلاً من مجرد تعديل الخوارزميات للتعامل مع قنوات VVLC عالية الارتباط - وهي مشكلة معروفة - يقدم المؤلفون تعديلاً في الطبقة الفيزيائية باستخدام جسيمات الذهب النانوية. هذا ليس مجرد بحث آخر عن التشفير المسبق لأنظمة MIMO؛ بل هو توضيح لكيفية توظيف تقنية النانو لإعادة تشكيل خصائص القناة، مما يوفر درجة من التحكم لم تكن متاحة سابقاً في الأنظمة البصرية السلبية.
التسلسل المنطقي: الحجة مقنعة: 1) تحتاج VVLC إلى معدلات بيانات عالية لأنظمة النقل الذكية المستقبلية، 2) التعددية المكانية تعوقها الارتباط الجوهري بين مصابيح LED، 3) يمكن لجسيمات الذهب النانوية التلاعب باستقطاب/امتصاص الضوء لتقليل هذا الارتباط، 4) هناك حاجة إلى مشفر مسبق متعدد المستخدمين (SLNR) لإدارة التداخل، 5) تأثير ترشيح الألوان لجسيمات الذهب النانوية يستلزم تحسين نسبة ألوان RGB للحفاظ على جودة الإضاءة. التدفق من علم المواد إلى نظرية الاتصالات ثم إلى التحسين العملي سلس ومترابط.
نقاط القوة والضعف: القوة الأساسية هي الحل المبتكر متعدد المجالات. الاستفادة من الخصائص الضوئية الحلزونية للمواد النانوية للاتصالات هو اتجاه جديد وواعد، يذكرنا بكيفية أحدثت المواد الفوقية ثورة في مجال الترددات الراديوية (RF). استخدام التشفير المسبق القائم على SLNR مناسب لإدارة تداخل المستخدمين المتعددين في سيناريو البث من مركبة إلى مركبة (V2V). ومع ذلك، يتجاهل التحليل عقبات عملية كبيرة: الاستقرار طويل المدى وتكلفة دمج جسيمات الذهب النانوية في مصابيح LED تجارية مطابقة لمعايير السيارات، وتأثير الظروف البيئية القاسية (الحرارة، الاهتزاز) على أداء الجسيمات النانوية، والتعقيد الحسابي في الوقت الفعلي للتحسين المشترك للمشفر المسبق/نسبة ألوان RGB للقنوات المركبة الديناميكية للغاية. افتراض توفر معلومات حالة القناة (CSI) المثالية هو أيضاً تبسيط كلاسيكي قد لا ينطبق في سيناريوهات V2V سريعة الحركة.
رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للباحثين، يفتح هذا البحث طريقاً جديداً: "المواد الذكية للقنوات الذكية." يجب أن يتحول التركيز نحو مواد نانوية أخرى (مثل النقاط الكمومية، المواد ثنائية الأبعاد مثل الجرافين) ذات خصائص بصرية قابلة للضبط. بالنسبة للصناعة، يُوصى باتباع نهج مرحلي: 1) أولاً، تنفيذ واختبار ميداني لخوارزمية التشفير المسبق القائمة على SLNR في نماذج أولية لـ VVLC محددة بالبرمجية بدون جسيمات الذهب النانوية لإنشاء خط أساس. 2) التعاون مع علماء المواد لتطوير طلاءات جسيمات ذهب نانوية قوية ومنخفضة التكلفة أو فوسفات LED مخلوطة بها. 3) استكشاف أنظمة هجينة RF-VLC حيث يتعامل VLC مع وصلات عالية النطاق الترددي قصيرة المدى (الاستفادة من تقنية إزالة الارتباط هذه) ويوفر RF قنوات تحكم قوية طويلة المدى، مما يخلق نسيجاً شبكياً مرناً للمركبات.
3. الإطار التقني
3.1 نموذج النظام
يأخذ النظام في الاعتبار سيناريو اتصال هابط (Downlink) متعدد المستخدمين لـ VVLC حيث تقوم مركبة مرسلة مجهزة بـ $N_t$ من مصابيح LED (على سبيل المثال، في مصفوفة مصباح أمامي) بالاتصال مع $K$ من المركبات المستقبلة. الإشارة المستقبلة عند المستخدم $k$-th تُعطى بالعلاقة:
$\mathbf{y}_k = \mathbf{H}_k \mathbf{x} + \mathbf{n}_k$
حيث $\mathbf{H}_k \in \mathbb{C}^{N_r \times N_t}$ هي مصفوفة قناة MIMO لـ VLC للمستخدم $k$، $\mathbf{x}$ هو متجه الإشارة المرسلة من مصفوفة LED، و $\mathbf{n}_k$ هو ضوضاء مضافة يهيمن عليها ضربات الضوء (Shot Noise). ينبع الارتفاع في الارتباط في $\mathbf{H}_k$ من المسافة الدنيا بين مصابيح LED داخل تجميع المصباح الأمامي.
3.2 جسيمات الذهب النانوية لإزالة الارتباط
تظهر جسيمات الذهب النانوية (GNPs) نشاطاً ضوئياً حلزونياً - حيث يعتمد تفاعلها مع الضوء على الاستقطاب الدائري وزاوية السقوط. عند دمجها مع مصابيح LED، تعمل كمرشح على المقياس النانوي. الضوء القادم من مصابيح LED متجاورة، والذي يصل بزوايا سمت مختلفة قليلاً، يتعرض لامتصاص وتحول طور تفاضليين. هذه العملية تجعل استجابات القناة من كل LED أكثر تميزاً بشكل فعال، مما يقلل معامل الارتباط $\rho$ بين أعمدة $\mathbf{H}_k$. يمكن نمذجة دالة النقل لجسيمات الذهب النانوية كمصفوفة توهين معقدة تعتمد على الزاوية $\mathbf{\Gamma}(\theta)$ تُطبق على الإشارة المرسلة.
3.3 صياغة التشفير المسبق القائم على SLNR
لدعم مستخدمين متعددين في وقت واحد، يستخدم البحث التشفير المسبق القائم على SLNR. يتم تعريف SLNR للمستخدم $k$ على أنه نسبة قوة الإشارة المرغوبة عند المستخدم $k$ إلى مجموع التداخل (التسرب) الذي يسببه لجميع المستخدمين الآخرين بالإضافة إلى الضوضاء:
$\text{SLNR}_k = \frac{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H \mathbf{H}_k^H \mathbf{H}_k \mathbf{W}_k)}{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H (\sum_{j \ne k} \mathbf{H}_j^H \mathbf{H}_j + \sigma_n^2 \mathbf{I}) \mathbf{W}_k)}$
حيث $\mathbf{W}_k$ هي مصفوفة التشفير المسبق للمستخدم $k$. الهدف هو تصميم $\{\mathbf{W}_k\}$ لتعظيم مجموع SLNR عبر جميع المستخدمين.
4. التحسين والخوارزميات
4.1 صياغة المشكلة
جوهر التحسين هو مشكلة مشتركة: إيجاد مصفوفات التشفير المسبق $\{\mathbf{W}_k\}$ ونسب شدة ألوان RGB $\mathbf{c} = [c_R, c_G, c_B]^T$ (بشرط $c_R+c_G+c_B=1$ للحصول على ضوء أبيض) التي تعظم مجموع SLNR. يجعل الامتصاص المعتمد على الطول الموجي لجسيمات الذهب النانوية القناة الفعالة $\mathbf{H}_k$ دالة في $\mathbf{c}$، مما يؤدي إلى مشكلة غير محدبة ومقترنة:
$\max_{\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}} \sum_{k=1}^K \text{SLNR}_k(\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}) \quad \text{s.t.} \quad \mathbf{c} \succeq 0, \quad \mathbf{1}^T\mathbf{c}=1, \quad \text{and power constraints.}$
4.2 التقريب المحدب المتتالي (SCA)
لحل هذه المشكلة، يستخدم المؤلفون SCA. يتم تقريب هدف مجموع SLNR غير المحدب بسلسلة من المشكلات الفرعية المحدبة الأبسط. بالنسبة لـ $\mathbf{c}$ ثابتة، يتم اشتقاق $\mathbf{W}_k$ الأمثل من مشكلة القيمة الذاتية المعممة المتعلقة بمقياس SLNR. بالنسبة لـ $\{\mathbf{W}_k\}$ ثابتة، يتم تقريب المشكلة في $\mathbf{c}$ بواسطة توسعها لتايلور من الدرجة الأولى (دالة محدبة) حول النقطة الحالية، ثم يتم تحسينها بشكل تكراري. تضمن هذه العملية التقارب إلى حل أمثل محلياً.
5. النتائج التجريبية والأداء
مؤشرات الأداء الرئيسية (محاكاة)
- تحسين معدل البيانات الإجمالي: يُظهر نظام GNP+SLNR المقترح تحسناً ملحوظاً مقارنة بالتشفير المسبق التقليدي لـ VLC (مثل الإلغاء الصفري) والحالة بدون إزالة ارتباط باستخدام GNP.
- تقليل الارتباط: يقلل دمج جسيمات الذهب النانوية من معامل ارتباط القناة بين مصابيح LED بنسبة تقدر بـ 40-60٪، مما يمكّن من تعددية مكانية أكثر فعالية.
- معدل السرية: في سيناريو تنصت مع متصنت، يُظهر النظام معدل سرية أعلى بشكل ملحوظ، حيث يقوم المشفر المسبق القائم على SLNR بتقليل تسرب الإشارة إلى المستقبلات غير المقصودة بشكل جوهري.
5.1 تحسين معدل البيانات الإجمالي
تشير نتائج المحاكاة إلى أن التحسين المشترك للمشفرات المسبقة ونسب ألوان RGB يمكن أن يزيد من الكفاءة الطيفية الإجمالية بنحو 2-3 مرات مقارنة بنظام أساسي يستخدم ضوءاً أبيض ثابتاً وتشفيراً مسبقاً بسيطاً، خاصة في أنظمة SNR المتوسطة إلى العالية. يكون التحسن أكثر وضوحاً عندما يكون عدد المستخدمين $K$ قريباً من عدد مصابيح LED المرسلة $N_t$.
5.2 معدل السرية في التنصت
يقيم البحث أمن الطبقة الفيزيائية. من خلال تعظيم SLNR - الذي يعاقب بشكل صريح قوة الإشارة المتسربة إلى المستخدمين الآخرين - تعزز الطريقة المقترحة الأمان ضد المتصنتين السلبيين بشكل طبيعي. تظهر النتائج فجوة كبيرة بين المعدل الذي يمكن تحقيقه للمستخدم الشرعي وسعة قناة المتصنت، مما يؤكد فائدة الأمان.
6. إطار التحليل ومثال تطبيقي
إطار لتقييم حلول VLC متعددة المجالات:
- فعالية إزالة ارتباط القناة: قياس الانخفاض في الارتباط المكاني (على سبيل المثال، عبر انتشار القيم الذاتية لـ $\mathbf{H}^H\mathbf{H}$) قبل وبعد تطبيق التعديل المادي/المواد النانوية.
- المفاضلة بين الخوارزمية والحساب: تحليل سرعة التقارب والتعقيد الحسابي (على سبيل المثال، عمليات الفاصلة العائمة لكل تكرار من SCA) مقابل مكسب معدل البيانات الإجمالي المحقق. هل تستحق الفائدة عبء المعالجة في الوقت الفعلي؟
- الامتثال لقيود جودة الإضاءة: التحقق من أن نسب ألوان RGB المحسنة $\mathbf{c}$ تنتج دائماً ضوءاً ضمن حدود مقبولة لمؤشر تجسيد اللون (CRI) ودرجة حرارة اللون المترابطة (CCT) وفقاً لمعايير السيارات.
- تحليل المتانة: اختبار الأداء تحت ظروف معلومات حالة القناة غير المثالية، وحركة المركبة (تأثير دوبلر)، وظروف بيئية مختلفة (ضباب، مطر).
مثال تطبيقي (افتراضي): ضع في اعتبارك مصفوفة مصباح أمامي مكونة من 4 مصابيح LED تتواصل مع مركبتين مستقبلتين. بدون جسيمات الذهب النانوية، تكون مصفوفات القناة $\mathbf{H}_1$ و $\mathbf{H}_2$ شبه ناقصة الرتبة. يجد محسن SCA المشترك، الذي يتضمن نموذجاً لتوهين جسيمات الذهب النانوية المعتمد على الزاوية، مزيجاً من ألوان RGB بقيم [0.35, 0.45, 0.20] ومشفرات مسبقة مقابلة. يقلل هذا الإعداد من الارتباط بين مصابيح LED من 0.9 إلى 0.4، مما يسمح للمشفر المسبق القائم على SLNR بإنشاء دفقين بيانات متوازيين بشكل فعال، مما يضاعف معدل البيانات الإجمالي مع الحفاظ على ضوء أبيض بدرجة حرارة 6000 كلفن.
7. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث
- المواد النانوية المتقدمة: البحث في جسيمات نانوية بلازمونية أخرى (فضة، ألومنيوم) أو نقاط كمومية ذات استجابات ضوئية حلزونية أقوى أو قابلة للضبط من أجل تكيف ديناميكي للقناة.
- التعلم الآلي للتحسين: استبدال SCA التكراري بشبكة عصبية عميقة مدربة للتنبؤ الفوري تقريباً بالمشفر المسبق المشترك ونسبة ألوان RGB، وهو أمر بالغ الأهمية في سيناريوهات الحركة العالية.
- الاستشعار والاتصالات المتكاملة (ISAC): استغلال بصمات الامتصاص الفريدة لجسيمات الذهب النانوية تحت ظروف مختلفة للاستشعار البيئي المتزامن (مثل اكتشاف كثافة الضباب) والاتصالات التكيفية.
- التوحيد القياسي والنماذج الأولية: تطوير معايير صناعية لمواد LED "ذات درجة اتصال" والتوجه نحو نماذج أولية مادية لاختبار V2V واتصال المركبة بالبنية التحتية (V2I) في العالم الحقيقي.
- الشبكات المركبة الهجينة LiFi/RF: استخدام وصلة VVLC عالية النطاق الترددي المقترحة للتطبيقات الثقيلة البيانات (تحديثات الخرائط عالية الدقة، مشاركة بيانات المستشعرات) جنباً إلى جنب مع RF في نطاقات أقل من 6 جيجاهرتز أو الموجات المليمترية للتحكم والنسخ الاحتياطي، مما يخلق شبكة متعددة الوسائط قوية.
8. المراجع
- G. Han et al., "Multi-User SLNR-Based Precoding With Gold Nanoparticles in Vehicular VLC Systems," in IEEE Transactions on Vehicular Technology (or similar), 2023.
- A. Jovicic, J. Li, and T. Richardson, "Visible light communication: opportunities, challenges and the path to market," IEEE Communications Magazine, vol. 51, no. 12, pp. 26-32, 2013.
- M. Z. Chowdhury, M. T. Hossan, A. Islam, and Y. M. Jang, "A Comparative Survey of Optical Wireless Technologies: Architectures and Applications," IEEE Access, vol. 6, pp. 9819-9840, 2018.
- H. Elgala, R. Mesleh, and H. Haas, "Indoor optical wireless communication: potential and state-of-the-art," IEEE Communications Magazine, vol. 49, no. 9, pp. 56-62, 2011.
- S. Wu, H. Wang, and C. H. Youn, "Visible light communications for 5G wireless networking systems: from fixed to mobile communications," IEEE Network, vol. 28, no. 6, pp. 41-45, 2014.
- P. H. Pathak, X. Feng, P. Hu, and P. Mohapatra, "Visible light communication, networking, and sensing: a survey, potential and challenges," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 2047-2077, 2015.
- K. Lee, H. Park, and J. R. Barry, "Indoor channel characteristics for visible light communications," IEEE Communications Letters, vol. 15, no. 2, pp. 217-219, 2011.
- National Institute of Standards and Technology (NIST), "Advanced Communications and Networking," [Online]. Available: https://www.nist.gov/communications-technology.
- M. S. Rahman, "Nanophotonics and its Application in Communications," in Handbook of Nanophotonics, Springer, 2020.