1. परिचय एवं अवलोकन
This paper proposes a breakthrough visible light communication system specifically designed for safety-critical intelligent transportation systems. The research aims to address the urgent need for ultra-low latency communication in the Internet of Vehicles, particularly in applications such as automatic braking and vehicle platooning. The system utilizes existing LED traffic signals as transmitters and employs a digital active decoding and relaying mechanism to extend the communication range through inter-vehicle relaying.
विश्व स्वास्थ्य संगठन की रिपोर्ट के अनुसार, सड़क यातायात दुर्घटनाओं में प्रतिवर्ष 12 लाख से अधिक लोगों की मृत्यु होती है, जो उन्नत सुरक्षा प्रणालियों की तत्काल आवश्यकता को रेखांकित करता है। प्रस्तावित I2V2V आर्किटेक्चर ने पारंपरिक RF-आधारित प्रणालियों की तुलना में उल्लेखनीय प्रगति की है, जिसमें लाइसेंस-मुक्त स्पेक्ट्रम, उच्च सुरक्षा और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के प्रति प्रतिरोध के अंतर्निहित लाभ हैं।
2. सिस्टम आर्किटेक्चर एवं मेथडोलॉजी
2.1 I2V2V VLC प्रणाली डिजाइन
मूल नवाचार तीन-स्तरीय संचार वास्तुकला में निहित है: बुनियादी ढांचा → अग्रणी वाहन → अनुवर्ती वाहन। यह रिले पद्धति संचार सीमा को प्रत्यक्ष VLC की दृष्टि-रेखा सीमा से परे प्रभावी ढंग से विस्तारित करती है, जिससे प्रकाश-आधारित एक वाहन Ad-hoc नेटवर्क सृजित होता है।
2.2 सक्रिय डिकोडिंग और रिले चरण
सरल एम्प्लिफाई-एंड-फॉरवर्ड प्रणालियों के विपरीत, ADR चरण प्राप्त डेटा पैकेटों को फिर से एनकोड और फॉरवर्ड करने से पहले सक्रिय रूप से डिकोड करता है। यह दृष्टिकोण त्रुटि प्रसार को न्यूनतम करता है, लेकिन प्रसंस्करण विलंब प्रस्तुत करता है। यह अध्ययन अल्ट्रा-लो लेटेंसी आवश्यकताओं के लिए इस ट्रेड-ऑफ का अनुकूलन करने पर केंद्रित है।
2.3 IEEE 802.15.7 मानक अनुपालन
सिस्टम प्रोटोटाइप ने IEEE 802.15.7 शॉर्ट-रेंज वायरलेस ऑप्टिकल कम्युनिकेशन मानक के साथ संगतता बनाए रखी, जिससे मौजूदा VLC ढांचे के साथ अंतरसंचालनीयता सुनिश्चित हुई और संभावित मानकीकरण और तैनाती में सहायता मिली।
3. तकनीकी विश्लेषण और प्रदर्शन संकेतक
3.1 विलंब मापन ढांचा
सिस्टम की कुल विलंबता को ट्रांसमिशन विलंबता, प्रसार विलंबता, डिकोडिंग विलंबता और रिले विलंबता के योग के रूप में परिभाषित किया गया है: $L_{total} = L_{tx} + L_{prop} + L_{dec} + L_{relay}$। इस अध्ययन ने 99.9% विश्वास स्तर पर सब-मिलीसेकंड $L_{total}$ हासिल किया है।
3.2 पैकेट त्रुटि दर विश्लेषण
प्रदर्शन मूल्यांकन $5 \times 10^{-3}$ तक की पैकेट त्रुटि दर की चुनौतीपूर्ण स्थितियों में किया गया। सिस्टम ने मजबूती प्रदर्शित की, इस अपेक्षाकृत उच्च पैकेट त्रुटि दर पर भी अति-निम्न विलंबता बनाए रखी, जो सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है - विलंबता गारंटी पूरी होने की शर्त पर, कभी-कभार पैकेट हानि स्वीकार्य है।
3.3 सांख्यिकीय त्रुटि वितरण
50 मीटर तक की दूरी के लिए त्रुटि वितरण का व्यापक सांख्यिकीय विश्लेषण किया गया। अध्ययन में वर्णन किया गया है कि त्रुटियाँ ADR श्रृंखला के माध्यम से कैसे फैलती हैं और वे समग्र सिस्टम विश्वसनीयता को कैसे प्रभावित करती हैं।
4. प्रयोगात्मक परिणाम और सत्यापन
प्रमुख प्रदर्शन संकेतक
विलंबता: < 1 毫秒 (99.9% 置信度)
अधिकतम दूरी: 50 मीटर
पैकेट त्रुटि दर सहनशीलता: 5×10⁻³ तक
प्रयोगात्मक पैरामीटर
ट्रांसमीटर: मानक एलईडी ट्रैफिक सिग्नल लैंप
पैकेट आकार: शॉर्ट डेटा पैकेट (सुरक्षा संदेश)
मानक: IEEE 802.15.7 के अनुरूप
4.1 प्रयोगात्मक सेटअप और पैरामीटर
सत्यापन प्रयोगों में एक सामान्य एलईडी ट्रैफिक सिग्नल लैंप को ट्रांसमीटर के रूप में उपयोग किया गया, और वाहन नोड्स के लिए एडीआर हार्डवेयर को कस्टम-डिज़ाइन किया गया। परीक्षण वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों का अनुकरण करने वाली विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों में, छोटी से मध्यम दूरी (अधिकतम 50 मीटर) के लिए किए गए।
4.2 विभिन्न दूरियों पर प्रदर्शन
50 मीटर की अधिकतम परीक्षण दूरी पर भी, सिस्टम विलंबता को 10 मिलीसेकंड से नीचे बनाए रख सकता है। दूरी के साथ प्रदर्शन में गिरावट एक पूर्वानुमेय पैटर्न का पालन करती है, जो विश्वसनीय सिस्टम योजना और तैनाती की सुविधा प्रदान करती है।
4.3 सब-मिलीसेकंड विलंबता की प्राप्ति
सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि 99.9% आत्मविश्वास स्तर पर सब-मिलीसेकंड विलंबता हासिल करना था। यह Automatic Emergency Braking जैसे सुरक्षा-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों की कठोर आवश्यकताओं को पूरा करता है, जिनके लिए प्रतिक्रिया समय अत्यंत कम होना चाहिए।
5. महत्वपूर्ण विश्लेषण और उद्योग परिप्रेक्ष्य
कोर इनसाइट्स
यह शोध केवल एक और VLC पेपर नहीं है - यह स्वायत्त ड्राइविंग में सबसे कमजोर कड़ी पर एक सटीक प्रहार है: सुरक्षा-महत्वपूर्ण परिदृश्यों में संचार विलंबता। जब उद्योग सेंसर फ्यूजन और AI एल्गोरिदम पर मंत्रमुग्ध है, तब नवाज़ एट अल. सही ढंग से इंगित करते हैं कि संचार बैकबोन सबसे कमजोर कड़ी हो सकती है। मौजूदा यातायात बुनियादी ढांचे (LED लाइट्स) के उनके पुन: उपयोग का तरीका व्यावहारिकता में उत्कृष्ट है, जो नए RF बुनियादी ढांचे के निर्माण की तुलना में तेज संभावित तैनाती पथ प्रदान करता है।
तार्किक संरचना
यह पेपर एक सम्मोहक तर्क का अनुसरण करता है: (1) सड़क हताहत दुर्घटनाओं के लिए उप-100 मिलीसेकंड प्रतिक्रिया प्रणाली की आवश्यकता होती है, (2) वर्तमान RF समाधान घने शहरी वातावरण में स्थिरता बनाए रखने में संघर्ष करते हैं, (3) VLC में अंतर्निहित लाभ हैं लेकिन दूरी सीमाएँ हैं, (4) उनकी I2V2V रिले प्रणाली दूरी की समस्या को हल करते हुए अति-कम विलंबता बनाए रखती है। यह वृद्धिशील सुधार नहीं, बल्कि एक वास्तुशिल्प नवाचार है।
लाभ और कमियाँ
लाभ: 99.9% विश्वास स्तर पर उप-मिलीसेकंड विलंबता उत्कृष्ट है - यह उत्पादन-स्तर की विश्वसनीयता प्राप्त करता है। IEEE 802.15.7 के साथ संगतता व्यावहारिक इंजीनियरिंग दूरदर्शिता प्रदर्शित करती है। केवल औसत मेट्रिक्स के बजाय सांख्यिकीय त्रुटि वितरण विश्लेषण का उपयोग उन्नत परीक्षण पद्धति को दर्शाता है।
कमियाँ: 50 मीटर की दूरी VLC के लिए प्रभावशाली है, लेकिन RF विकल्पों की तुलना में अभी भी सीमित है। पेपर मौसम की स्थितियों (बारिश, कोहरा, सीधी धूप) के संभावित गंभीर प्रदर्शन प्रभाव को संक्षेप में ही छूता है। "प्रथम वाहन" समस्या भी मौजूद है: यदि कोई वाहन इष्टतम स्थिति में नहीं है, तो रिले कौन करेगा? सिस्टम यह मानता है कि वाहन लगातार मौजूद रहते हैं, जो कम ट्रैफ़िक परिदृश्यों में गारंटी नहीं दी जा सकती।
क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टियाँ
नगर निगम विभागों को नियंत्रित वातावरण (जैसे सुरंग, पार्किंग) में इस तकनीक का पायलट परीक्षण करना चाहिए जहां आरएफ संचार मुश्किल है। ऑटोमोटिव ओईएम को द्वि-मोड संचार स्टैक पर विचार करना चाहिए - विलंबता-महत्वपूर्ण सुरक्षा संदेशों के लिए वीएलसी का उपयोग करते हुए और उच्च बैंडविड्थ अनुप्रयोगों के लिए आरएफ का उपयोग करते हुए। शोध समुदाय को संकर दृष्टिकोणों का पता लगाना चाहिए, शायद इस तकनीक को मिलीमीटर-वेव बैकहॉल के साथ जोड़कर, क्वालकॉम और एरिक्सन द्वारा 5G-V2X शोध में खोजे गए अवधारणाओं के समान।
मूल विश्लेषण: यह पेपर वाहन संचार रणनीति में एक महत्वपूर्ण मोड़ का प्रतिनिधित्व करता है। जबकि अधिकांश शोध 5G-V2X और DSRC-प्रभुत्व वाले आरएफ मार्ग का अनुसरण करते हैं, यह कार्य ऑप्टिकल विकल्प के लिए एक सम्मोहक तर्क प्रस्तुत करता है। 99.9% विश्वास स्तर पर उप-मिलीसेकंड विलंबता प्राप्त करना न केवल तकनीकी रूप से प्रभावशाली है, बल्कि सहकारी टक्कर परिहार जैसे समय-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए संभावित रूप से क्रांतिकारी है।
हालाँकि, हमें इसे व्यापक पारिस्थितिकी तंत्र के संदर्भ में रखना चाहिए। IEEE 802.11p/DSRC बनाम C-V2X की प्रतिद्वंद्विता ने वर्षों से उद्योग की चर्चा पर हावी रही है, जहाँ फोर्ड जैसे प्रमुख निर्माता C-V2X का समर्थन करते हैं जबकि अन्य DSRC को प्राथमिकता देते हैं। यह VLC दृष्टिकोण एक तीसरा रास्ता प्रदान करता है, जो इन तकनीकों को प्रतिस्थापित करने के बजाय उनकी पूरक हो सकता है। जिस प्रकार लिडार और कैमरे स्वायत्त ड्राइविंग धारणा में अलग-अलग उद्देश्यों की पूर्ति करते हैं, उसी प्रकार VLC और आरएफ अलग-अलग संचार आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं।
पेपर का छोटे डेटा पैकेटों पर ध्यान विशेष रूप से समझदारी भरा है। जैसा कि 3GPP के NR-V2X पर शोध से पता चलता है, सुरक्षा संदेश आमतौर पर छोटे होते हैं लेकिन उन्हें अत्यधिक विश्वसनीयता और कम विलंबता की आवश्यकता होती है। लेखकों ने पहचाना कि "$5 \times 10^{-3}$ तक की पैकेट त्रुटि दर" कुछ सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए स्वीकार्य है, यह दर्शाता है कि उनकी व्यावहारिक आवश्यकताओं की सूक्ष्म समझ है - हर संदेश को पूर्ण रूप से प्राप्त करने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन हर संदेश को समय पर पहुँचाया जाना चाहिए।
अन्य VLC शोधों की तुलना में, इस लेख में रिले पहलू पर जोर नवीन है। अधिकांश VLC शोध पॉइंट-टू-पॉइंट लिंक पर केंद्रित हैं। यहां बहु-हॉप दृष्टिकोण, हालांकि जटिलता लाता है, वाहन-आधारित VLC अनुप्रयोगों में लंबे समय से मौजूद मूलभूत दूरी सीमा की समस्या का समाधान करता है। त्रुटि वितरण का सांख्यिकीय विश्लेषण भी इस कार्य को अलग बनाता है - बहुत सारे शोध पत्र केवल औसत प्रदर्शन की रिपोर्ट करते हैं, और सुरक्षा प्रणालियों के लिए सबसे महत्वपूर्ण टेल प्रायिकता की उपेक्षा करते हैं।
भविष्य की ओर देखते हुए, इस तकनीक को एज कंप्यूटिंग बुनियादी ढांचे के साथ एकीकृत करना परिवर्तनकारी हो सकता है। कल्पना कीजिए कि ट्रैफिक सिग्नल न केवल सिग्नल रिले करते हैं, बल्कि स्थानीय ट्रैफिक डेटा को संसाधित भी करते हैं और प्रकाश संकेतों के माध्यम से नियंत्रण निर्णय वितरित करते हैं। यह स्मार्ट परिवहन प्रणालियों के वितरित बुद्धिमत्ता की ओर व्यापक प्रवृत्ति के अनुरूप है, जैसा कि यूरोपीय संघ के 5G-MOBIX जैसी परियोजनाओं में देखा गया है।
6. तकनीकी विवरण और गणितीय सूत्र
The performance of the system can be modeled by several key equations:
Signal-to-Noise Ratio: $SNR = \frac{(R P_t H)^2}{N_0 B}$, जहाँ $R$ फोटोडिटेक्टर प्रतिक्रिया है, $P_t$ प्रेषित प्रकाश शक्ति है, $H$ चैनल लाभ है, $N_0$ शोर शक्ति स्पेक्ट्रम घनत्व है, और $B$ बैंडविड्थ है।
पैकेट त्रुटि दर: $PER = 1 - (1 - BER)^L$, जहाँ $BER$ बिट त्रुटि दर है और $L$ बिट्स में पैकेट लंबाई है।
अंत-से-अंत विलंबता: $L_{total} = \sum_{i=1}^{N} (T_{enc,i} + T_{tx,i} + T_{prop,i} + T_{dec,i})$, जहाँ $N$ रिले श्रृंखला में हॉप्स की संख्या है।
ADR प्रसंस्करण समय $T_{dec}$ को हार्डवेयर त्वरण और समानांतर प्रसंस्करण आर्किटेक्चर के माध्यम से अनुकूलित किया गया है, ताकि कुल विलंबता में इसके योगदान को न्यूनतम किया जा सके।
7. Analytical Framework and Case Examples
परिदृश्य: चौराहे पर आपातकालीन ब्रेक सूचना।
पारंपरिक आरएफ सिस्टम: वाहन A ने बाधा का पता लगाया → डेटा प्रोसेस किया → आरएफ के माध्यम से ट्रांसमिशन → वाहन B ने प्राप्त किया → प्रोसेस किया → कुल: 13-28 मिलीसेकंड
प्रस्तावित VLC सिस्टम: 交通信号灯（通过传感器）检测到障碍物 → 立即通过VLC传输 → 车辆A接收并解码 → 中继给车辆B → 车辆B解码并执行 → 总计：< 1毫秒
यह ढांचा VLC प्रणाली की संरचनात्मक श्रेष्ठता को प्रदर्शित करता है - प्रारंभिक ट्रांसमीटर के रूप में बुनियादी ढांचे का उपयोग करना - जिसने वाहन प्रसंस्करण विलंब को कैसे दरकिनार किया, जिससे महत्वपूर्ण सूचनाओं का समाधान किया गया।
8. भविष्य के अनुप्रयोग और अनुसंधान दिशाएँ
निकट भविष्य के अनुप्रयोग:
- चौराहा टक्कर रोकथाम प्रणाली
- आपातकालीन वाहन प्राथमिकता पारित होने और संकेत प्राथमिकता
- नियंत्रित वातावरण में उच्च घनत्व वाहन प्लाटून
- पार्किंग नेविगेशन और सुरक्षा प्रणाली
शोध दिशा:
- 5G/6G सेलुलर वाहन से वाहन (V2X) नेटवर्क के साथ एकीकरण, हाइब्रिड संचार स्टैक का निर्माण
- घने यातायात में रिले चयन का मशीन लर्निंग अनुकूलन
- WDM के लिए RGB LED ऐरे का उपयोग
- अति-सुरक्षित वाहन संचार के लिए क्वांटम-सुरक्षित VLC
- IEEE और 3GPP कार्य समूहों के माध्यम से मानकीकरण प्रयासों को आगे बढ़ाना
यह प्रौद्योगिकी एक पूर्ण-प्रकाश वाहन नेटवर्क की दिशा में विकसित हो सकती है, जहां वाहन स्थिर अवस्था में Li-Fi के माध्यम से और गतिमान अवस्था में समन्वित VLC के माध्यम से संचार करते हैं, जिससे स्मार्ट शहरों के लिए एक सहज प्रकाश संचार नेटवर्क का निर्माण होता है।
9. संदर्भ सूची
- विश्व स्वास्थ्य संगठन. (2020). वैश्विक सड़क सुरक्षा स्थिति रिपोर्ट.
- IEEE मानक 802.15.7-2018. दृश्यमान प्रकाश का उपयोग करते हुए लघु-श्रेणी वायरलेस ऑप्टिकल संचार.
- 3GPP तकनीकी रिपोर्ट 22.886. V2X परिदृश्यों के लिए 3GPP समर्थन को बढ़ाने पर अध्ययन.
- Haas, H. et al. (2016). LiFi क्या है? जर्नल ऑफ़ लाइटवेव टेक्नोलॉजी.
- 5G Automotive Association. (2019). C-V2X Use Cases and Service Level Requirements.
- European Commission. (2020). 5G-MOBIX Project: 5G for Cooperative & Connected Automated Mobility in Cross-Border Corridors.
- University of Edinburgh Li-Fi Research Centre. (2021). Optical Wireless Communications for 6G.
- Qualcomm. (2022). Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) Technology Evolution.