1. परिचय एवं अवलोकन
यह लेख वाहन-आधारित दृश्यमान प्रकाश संचार प्रणाली में एक महत्वपूर्ण बाधा का समाधान करना चाहता है: वाहन हेडलाइट्स में एलईडी के बीच उच्च स्थानिक सहसंबंध, जो स्पेस डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से प्राप्त डेटा दर को गंभीर रूप से सीमित करता है। लेखक एक नवीन अंतर-अनुशासनिक समाधान प्रस्तुत करता है, जो बहु-उपयोगकर्ता समर्थन के लिएसिग्नल-टू-लीकेज-एंड-नॉइज-रेशियो (SLNR) आधारित प्रीकोडिंग与सिंथेटिक गोल्ड नैनोपार्टिकल्सके एकीकरण के साथ संयुक्त है। गोल्ड नैनोपार्टिकल्स अपने चिरल ऑप्टिकल गुणों का उपयोग करते हैं, जो आपतित प्रकाश के अज़ीमुथ के आधार पर विभेदित प्रकाश अवशोषण प्रदान करते हैं, जिससे निकटवर्ती एलईडी चैनलों का कृत्रिम रूप से डीकोरेलेशन होता है। इसके अतिरिक्त, प्रणाली को प्रत्येक एलईडी के भीतर लाल, हरे और नीले प्रकाश स्रोतों के अनुपात को अनुकूलित करना चाहिए ताकि सफेद प्रकाश प्रदीपन बनाए रखते हुए कुल SLNR को अधिकतम किया जा सके, क्योंकि गोल्ड नैनोपार्टिकल्स तरंगदैर्ध्य-निर्भर अवशोषण भी उत्पन्न करते हैं। परिणामस्वरूप उत्पन्न गैर-उत्तल अनुकूलन समस्या को सामान्यीकृत रेले भागफल और सक्सेसिव कॉन्वेक्स एप्रॉक्सिमेशन विधि द्वारा हल किया जाता है।
2. मुख्य अंतर्दृष्टि एवं विश्लेषण परिप्रेक्ष्य
मुख्य अंतर्दृष्टि:इस लेख की सूक्ष्मता यह है कि इसने एक मौलिक संचार समस्या को सामग्री के स्तर पर सुलझाया है। लेखक ने अत्यधिक सहसंबद्ध VVLC चैनल (एक सुविदित समस्या) से निपटने के लिए केवल एल्गोरिदम को समायोजित करने के बजाय, गोल्ड नैनोपार्टिकल्स के उपयोग को प्रस्तुत किया।भौतिक परत परिवर्तनयह केवल MIMO प्रीकोडिंग पर एक और शोध पत्र नहीं है; यह दर्शाता है कि कैसे नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग कर चैनल विशेषताओं को पुनः आकार दिया जा सकता है, जो निष्क्रिय प्रकाशिकी प्रणालियों को अभूतपूर्व नियंत्रण क्षमता प्रदान करता है।
तार्किक संरचना:तर्क प्रक्रिया अत्यंत प्रभावशाली है: 1) भविष्य के बुद्धिमान यातायात प्रणालियों को उच्च डेटा दर प्रदान करने के लिए VVLC की आवश्यकता होगी, 2) अंतर्निहित LED सहसंबंध स्थानिक बहुसंकेतन में बाधा डालता है, 3) सोने के नैनोकण प्रकाश के ध्रुवीकरण/अवशोषण में हेरफेर करके इस सहसंबंध को कम कर सकते हैं, 4) हस्तक्षेप प्रबंधन के लिए बहु-उपयोगकर्ता प्रीकोडर की आवश्यकता है, 5) सोने के नैनोकणों के रंग फिल्टर प्रभाव के लिए प्रकाश व्यवस्था गुणवत्ता बनाए रखने हेतु RGB अनुपात के अनुकूलन की मांग करते हैं। सामग्री विज्ञान से संचार सिद्धांत और फिर व्यावहारिक अनुकूलन तक का प्रवाह निर्बाध है।
लाभ और कमियाँ:मुख्य लाभ नवीन अंतर-अनुशासनिक समाधान में निहित है। संचार के लिए नैनोसामग्री की चिरल प्रकाशिकीय विशेषताओं का उपयोग एक नवीन और आशाजनक दिशा है, जो याद दिलाती है कि कैसे मेटामटीरियल्स ने RF क्षेत्र में क्रांति ला दी। प्रसारण-शैली वाहन-से-वाहन परिदृश्य में, बहु-उपयोगकर्ता हस्तक्षेप प्रबंधन के लिए SLNR प्रीकोडिंग का उपयोग उचित है। हालाँकि, विश्लेषण कुछ महत्वपूर्ण व्यावहारिक बाधाओं को नजरअंदाज करता है: वाणिज्यिक ऑटोमोटिव-ग्रेड LED में सोने के नैनोकणों के एकीकरण की दीर्घकालिक स्थिरता और लागत, चरम पर्यावरणीय परिस्थितियों (उच्च तापमान, कंपन) का नैनोकण प्रदर्शन पर प्रभाव, और अत्यधिक गतिशील वाहन-से-वाहन चैनलों के लिए संयुक्त प्रीकोडर/RGB अनुकूलन की वास्तविक-समय गणनात्मक जटिलता। पूर्ण चैनल स्थिति सूचना की धारणा भी एक क्लासिक सरलीकरण है, जो तेजी से चलने वाले वाहन-से-वाहन परिदृश्य में मान्य नहीं हो सकती।
क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि:शोधकर्ताओं के लिए, यह पत्र एक नया मार्ग प्रशस्त करता है:"स्मार्ट चैनलों के लिए स्मार्ट सामग्री"। ध्यान अन्य समायोज्य प्रकाशिक गुणों वाले नैनोमटीरियल्स (जैसे क्वांटम डॉट्स, ग्राफीन जैसी द्वि-आयामी सामग्री) की ओर स्थानांतरित किया जाना चाहिए। उद्योग के लिए, एक चरणबद्ध दृष्टिकोण अपनाने का सुझाव दिया जाता है: 1) सबसे पहले, SLNR प्रीकोडिंग एल्गोरिदम को सॉफ्टवेयर-परिभाषित VVLC प्रोटोटाइप में बिना सोने के नैनोपार्टिकल्स के कार्यान्वित और फील्ड-टेस्ट करें, ताकि एक बेंचमार्क स्थापित किया जा सके। 2) सामग्री वैज्ञानिकों के साथ सहयोग करके, मजबूत, कम लागत वाली सोने की नैनोपार्टिकल कोटिंग या डोप्ड LED फॉस्फर विकसित करें। 3) हाइब्रिड RF-VLC सिस्टम की खोज करें, जहां VLC उच्च-बैंडविड्थ, लघु-दूरी लिंक (इस डीकोरिलेशन तकनीक का लाभ उठाते हुए) संभालता है, जबकि RF एक मजबूत दीर्घ-दूरी नियंत्रण चैनल प्रदान करता है, जिससे एक लचीला वाहन-नेटवर्क आर्किटेक्चर बनाया जा सके।
3. तकनीकी ढांचा
3.1 सिस्टम मॉडल
यह सिस्टम एक बहु-उपयोगकर्ता VVLC डाउनलिंक परिदृश्य पर विचार करता है, जहां $N_t$ एलईडी (उदाहरण के लिए, हेडलाइट सरणी में) से लैस एक ट्रांसमिटिंग वाहन $K$ प्राप्त करने वाले वाहनों के साथ संचार करता है। $k$वें उपयोगकर्ता के लिए प्राप्त सिग्नल है:
$\mathbf{y}_k = \mathbf{H}_k \mathbf{x} + \mathbf{n}_k$
जहां $\mathbf{H}_k \in \mathbb{C}^{N_r \times N_t}$ उपयोगकर्ता $k$ का MIMO VLC चैनल मैट्रिक्स है, $\mathbf{x}$ एलईडी सरणी से प्रेषित संकेत वेक्टर है, और $\mathbf{n}_k$ शॉट शोर-प्रधान योगात्मक रव है। $\mathbf{H}_k$ में उच्च सहसंबंध हेडलाइट असेंबली के भीतर एलईडी के बीच अत्यंत कम अंतराल के कारण उत्पन्न होता है।
3.2 डीकरेलेशन के लिए गोल्ड नैनोपार्टिकल्स
स्वर्ण नैनोकण प्रदर्शित करते हैंचिरल प्रकाशीय सक्रियताप्रकाश के साथ उनकी अंतःक्रिया वृत्ताकार ध्रुवीकरण और आपतन कोण पर निर्भर करती है। एलईडी के साथ एकीकृत होने पर, वे नैनो-स्तरीय फिल्टर का कार्य करते हैं। पड़ोसी एलईडी से प्रकाश थोड़े भिन्न अज़ीमुथ कोण पर पहुंचता है, जो विभेदित अवशोषण और फेज शिफ्ट से गुजरता है। यह प्रक्रिया प्रत्येक एलईडी के चैनल प्रतिक्रिया को प्रभावी रूप से अधिक विशिष्ट बनाती है, $\mathbf{H}_k$ के स्तंभों के बीच सहसंबंध गुणांक $\rho$ को कम करती है। सोने के नैनोकणों के स्थानांतरण फलन को एक जटिल, कोण-निर्भर क्षीणन मैट्रिक्स $\mathbf{\Gamma}(\theta)$ के रूप में मॉडल किया जा सकता है, जो उत्सर्जित सिग्नल पर लागू होता है।
3.3 SLNR-आधारित प्रीकोडिंग फॉर्मूला
एक साथ कई उपयोगकर्ताओं का समर्थन करने के लिए, यह पेपर SLNR-आधारित प्रीकोडिंग को अपनाता है। उपयोगकर्ता $k$ के लिए SLNR को, उपयोगकर्ता $k$ पर वांछित सिग्नल शक्ति और अन्य सभी उपयोगकर्ताओं को होने वाले हस्तक्षेप (लीकेज) के योग तथा शोर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है:
$\text{SLNR}_k = \frac{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H \mathbf{H}_k^H \mathbf{H}_k \mathbf{W}_k)}{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H (\sum_{j \ne k} \mathbf{H}_j^H \mathbf{H}_j + \sigma_n^2 \mathbf{I}) \mathbf{W}_k)}$
यहाँ $\mathbf{W}_k$ उपयोगकर्ता $k$ का प्रीकोडिंग मैट्रिक्स है। लक्ष्य $\{\mathbf{W}_k\}$ को इस प्रकार डिज़ाइन करना है कि सभी उपयोगकर्ताओं का कुल SLNR अधिकतम हो।
4. अनुकूलन और एल्गोरिदम
4.1 समस्या मॉडलिंग
मूल अनुकूलन एक संयुक्त समस्या है: प्रीकोडिंग मैट्रिक्स $\{\mathbf{W}_k\}$ और RGB प्रकाश तीव्रता अनुपात $\mathbf{c} = [c_R, c_G, c_B]^T$ (सफेद प्रकाश उत्पन्न करने के लिए $c_R+c_G+c_B=1$ की बाध्यता के अधीन) का पता लगाना, ताकि कुल SLNR को अधिकतम किया जा सके। स्वर्ण नैनोकणों की तरंगदैर्घ्य-निर्भर अवशोषण प्रभावी चैनल $\mathbf{H}_k$ को $\mathbf{c}$ का एक फलन बना देती है, जिससे एक युग्मित, गैर-उत्तल समस्या उत्पन्न होती है:
$\max_{\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}} \sum_{k=1}^K \text{SLNR}_k(\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}) \quad \text{s.t.} \quad \mathbf{c} \succeq 0, \quad \mathbf{1}^T\mathbf{c}=1, \quad \text{तथा शक्ति बाधाएँ।}$
4.2 सक्सेसिव कॉन्वेक्स एप्रॉक्सिमेशन
इस समस्या को हल करने के लिए, लेखक ने SCA का उपयोग किया। गैर-उत्तल कुल SLNR लक्ष्य को सरल उत्तल उप-समस्याओं की एक श्रृंखला द्वारा सन्निकट किया जाता है। एक निश्चित $\mathbf{c}$ के लिए, इष्टतम $\mathbf{W}_k$ को SLNR माप से संबंधित एक सामान्यीकृत आइगेनवैल्यू समस्या से प्राप्त किया जा सकता है। निश्चित $\{\mathbf{W}_k\}$ के लिए, $\mathbf{c}$ के संबंध में समस्या को वर्तमान बिंदु पर इसके प्रथम-क्रम टेलर विस्तार (एक उत्तल फलन) द्वारा सन्निकट किया जाता है, और फिर पुनरावृत्त रूप से अनुकूलित किया जाता है। यह प्रक्रिया स्थानीय इष्टतम समाधान पर अभिसरण की गारंटी देती है।
5. प्रयोगात्मक परिणाम और प्रदर्शन
प्रमुख प्रदर्शन संकेतक (सिमुलेशन)
- कुल दर लाभ:प्रस्तावित GNP+SLNR प्रणाली पारंपरिक VLC प्रीकोडिंग (जैसे ज़ीरो-फोर्सिंग प्रीकोडिंग) और बिना GNP डीकोरेलेशन की स्थिति की तुलना मेंउल्लेखनीय सुधार प्रदर्शित करती है।。
- सहसंबंध में कमी:एकीकृत सोने के नैनोकणों ने LED अंतर-चैनल सहसंबंध गुणांक को लगभग 40-60% कम कर दिया, जिससे अधिक प्रभावी स्थानिक विभाजन बहुसंकेतन प्राप्त हुआ।
- गोपनीयता दर:ईव्सड्रॉपिंग परिदृश्यों में जहां ईव्सड्रॉपर मौजूद होते हैं, यह प्रणाली स्पष्ट रूप से उच्च गोपनीयता दर प्रदर्शित करती है, क्योंकि SLNR प्रीकोडर मूल रूप से गैर-लक्षित रिसीवरों की ओर सिग्नल लीकेज को कम करता है।
5.1 कुल दर वृद्धि
सिमुलेशन परिणाम दर्शाते हैं कि निश्चित सफेद प्रकाश और सरल प्रीकोडिंग का उपयोग करने वाली बेसलाइन प्रणाली की तुलना में, प्रीकोडर और RGB अनुपात का संयुक्त अनुकूलन कुल स्पेक्ट्रल दक्षता को लगभग 2-3 गुना बढ़ा सकता है, विशेष रूप से मध्यम से उच्च SNR क्षेत्रों में। जब उपयोगकर्ताओं की संख्या $K$ प्रसारण LED की संख्या $N_t$ के करीब पहुंचती है, तो लाभ सबसे महत्वपूर्ण होता है।
5.2 Eavesdropping Scenario mein Gopniya Data Rate
इस लेख में भौतिक परत सुरक्षा का मूल्यांकन किया गया है। SLNR को अधिकतम करके – जो अन्य उपयोगकर्ताओं तक रिसाव वाले सिग्नल शक्ति पर स्पष्ट रूप से दंड लगाता है – प्रस्तावित योजना निष्क्रिय गुप्त श्रवणकर्ताओं के विरुद्ध सुरक्षा को स्वाभाविक रूप से बढ़ाती है। परिणाम वैध उपयोगकर्ता की प्राप्य दर और गुप्त श्रवणकर्ता की चैनल क्षमता के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर दिखाते हैं, जो इसकी सुरक्षात्मक श्रेष्ठता की पुष्टि करता है।
6. Vishleshan Framework aur Udaharan
क्रॉस-डोमेन VLC समाधानों के मूल्यांकन के लिए ढांचा:
- चैनल डीकोरेलेशन प्रभावकारिता:मात्रात्मक अनुप्रयोग नैनोमटेरियल/भौतिक संशोधन से पहले और बाद में स्थानिक सहसंबंध में कमी (उदाहरण के लिए, $\mathbf{H}^H\mathbf{H}$ के आइगेनवैल्यू वितरण के माध्यम से)।
- एल्गोरिदम-गणना ट्रेडऑफ:अभिसरण गति और कम्प्यूटेशनल जटिलता (उदाहरण के लिए, SCA प्रति पुनरावृत्ति फ्लोटिंग पॉइंट ऑपरेशंस) और प्राप्त कुल दर लाभ के बीच संबंध का विश्लेषण। क्या लाभ रीयल-टाइम प्रोसेसिंग ओवरहेड के लायक है?
- प्रकाश गुणवत्ता बाधा अनुपालन:सत्यापित करें कि अनुकूलित RGB अनुपात $\mathbf{c}$ द्वारा उत्पन्न प्रकाश हमेशा ऑटोमोटिव मानकों के स्वीकार्य रंग प्रतिपादन सूचकांक और रंग तापमान सीमा का अनुपालन करता है।
- मजबूती विश्लेषण:अपूर्ण CSI, वाहन गतिशीलता (डॉपलर प्रभाव) और विभिन्न पर्यावरणीय स्थितियों (कोहरा, बारिश) के तहत प्रदर्शन का परीक्षण करें।
केस उदाहरण (परिकल्पना):4-LED हेडलाइट सरणी के साथ 2 प्राप्त करने वाले वाहनों के संचार पर विचार करें। गोल्ड नैनोपार्टिकल्स के बिना, चैनल मैट्रिक्स $\mathbf{H}_1$ और $\mathbf{H}_2$ लगभग रैंक-डिफिशिएंट हैं। SCA-आधारित संयुक्त ऑप्टिमाइज़र, जो गोल्ड नैनोपार्टिकल्स के कोण-निर्भर क्षय के मॉडल को शामिल करता है, ने [0.35, 0.45, 0.20] के RGB मिश्रण अनुपात और संबंधित प्रीकोडर पाए। इस सेटअप ने LED अंतर-सहसंबंध को 0.9 से घटाकर 0.4 कर दिया, जिससे SLNR प्रीकोडर दो समानांतर डेटा स्ट्रीम प्रभावी ढंग से बना सका, जिससे 6000K सफेद प्रकाश बनाए रखते हुए कुल दर दोगुनी हो गई।
7. भविष्य के अनुप्रयोग और अनुसंधान दिशाएँ
- उन्नत नैनोसामग्री:गतिशील चैनल अनुकूलन के लिए अन्य प्लाज्मोनिक नैनोकणों (सिल्वर, एल्यूमीनियम) या मजबूत या समंजन योग्य चिरल प्रकाशीय प्रतिक्रिया वाले क्वांटम डॉट्स का अध्ययन करें।
- अनुकूलन के लिए मशीन लर्निंग:उच्च गतिशीलता वाले परिदृश्यों के लिए महत्वपूर्ण, लगभग तात्कालिक संयुक्त प्रीकोडर और RGB अनुपात पूर्वानुमान प्राप्त करने के लिए पुनरावृत्तीय SCA के स्थान पर प्रशिक्षित गहरे तंत्रिका नेटवर्क का उपयोग।
- एकीकृत संवेदन और संचार:विभिन्न स्थितियों में सोने के नैनोकणों की विशिष्ट अवशोषण विशेषताओं का लाभ उठाकर, एक साथ पर्यावरणीय संवेदन (उदाहरण के लिए, कोहरे के घनत्व का पता लगाना) और अनुकूली संचार को सक्षम करना।
- मानकीकरण और प्रोटोटाइप विकास:"संचार-श्रेणी" LED सामग्री के लिए उद्योग मानक स्थापित करना और वास्तविक दुनिया के वाहन-से-वाहन और वाहन-से-अवसंरचना परीक्षण के लिए हार्डवेयर प्रोटोटाइप विकास को आगे बढ़ाना।
- हाइब्रिड LiFi/RF वाहन नेटवर्क:प्रस्तावित उच्च-बैंडविड्थ VVLC लिंक का उपयोग डेटा-गहन अनुप्रयोगों (हाई-डेफिनिशन मैप अपडेट, सेंसर साझाकरण) के लिए करें, जबकि 6 GHz से नीचे या मिलीमीटर-वेव RF का उपयोग नियंत्रण और फॉलबैक के लिए करके एक मजबूत मल्टीमॉडल नेटवर्क बनाएं।
8. संदर्भ सूची
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