Chagua Lugha

Uundaji wa Awali wa Msingi wa SLNR kwa Watumiaji Wengi kwa Kutumia Chembe za Dhahabu za Nano katika Mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya Magari

Uchambuzi wa mfumo mpya wa VVLC unaotumia chembe za dhahabu za nano kupunguza uhusiano wa LED na uundaji wa awali wa msingi wa SLNR kwa usaidizi wa watumiaji wengi na uboreshaji wa uwiano wa RGB.
ledcarlight.com | PDF Size: 1.9 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Uundaji wa Awali wa Msingi wa SLNR kwa Watumiaji Wengi kwa Kutumia Chembe za Dhahabu za Nano katika Mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya Magari
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Uundaji wa Awali wa Msingi wa SLNR kwa Watumiaji Wengi kwa Kutumia Chembe za Dhahabu za Nano katika Mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya Magari

1. Utangulizi na Muhtasari

Makala hii inashughulikia kikwazo muhimu katika mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya Magari (VVLC): uhusiano mkubwa wa anga kati ya Diodi za Kutoa Mwanga (LED) ndani ya taa za mbele za gari, ambao unazuia kwa kiasi kikubwa viwango vya data vinavyoweza kupatikana kupitia uhamishaji anga-nyingi. Waandishi wanapendekeza suluhisho jipya la kuvuka taaluma, linalounganisha uundaji wa awali wa msingi wa uwiano wa ishara-kwa-uvujaji-jumla-na-kelele (SLNR) kwa usaidizi wa watumiaji wengi pamoja na ujumuishaji wa chembe za dhahabu za nano (GNPs) zilizotengenezwa. GNPs hutumia sifa za chiroptical kutoa unyonyaji tofauti wa mwanga kulingana na pembe ya azimuth ya mwanga unaoingia, na hivyo kufutisha kwa njia ya bandia njia za LED zilizo karibu sana. Zaidi ya hayo, mfumo lazima uboreshe uwiano wa vyanzo vya mwanga Nyekundu, Kijani kibichi, na Bluu (RGB) ndani ya kila LED ili kudumisha mwanga mweupe kwa taa hali inakimaximize jumla ya SLNR, kwani GNPs pia husababisha unyonyaji unaotegemea urefu wa wimbi. Matatizo yanayotokana ya uboreshaji yasiyo ya umbo la kukokotoa yanashughulikiwa kwa kutumia uwiano wa jumla wa Rayleigh na Ukadiriaji wa Mfululizo wa Umbo la Kukokotoa (SCA).

2. Uelewa wa Msingi na Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Ujanja wa makala hii upo katika kurekebisha tatizo la msingi la mawasiliano kwa kiwango cha nyenzo. Badala ya kurekebisha tu algorithmu kukabiliana na njia za VVLC zilizohusiana sana—suala linalojulikana—waandishi wanatanguliza urekebishaji wa safu ya kimwili kwa kutumia chembe za dhahabu za nano. Hii sio tu makala nyingine ya uundaji wa awali wa MIMO; ni onyesho la jinsi teknolojia ya nano inavyoweza kutumika kubadilisha sifa za njia, na kutoa kiwango cha udhibiti ambacho haikuwepo hapo awali katika mifumo ya optiki isiyo na nguvu.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni ya kulazimisha: 1) VVLC inahitaji viwango vya juu vya data kwa ITS ya baadaye, 2) Uhamishaji anga-nyingi unazuiliwa na uhusiano wa asili wa LED, 3) GNPs zinaweza kudhibiti ubaguzi wa mwanga/unyonyaji ili kupunguza uhusiano huu, 4) Uundaji wa awali wa watumiaji wengi (SLNR) unahitajika kudhibiti usumbufu, 5) Athari ya kuchuja rangi ya GNP inahitaji uboreshaji wa uwiano wa RGB ili kudumisha ubora wa taa. Mtiririko kutoka sayansi ya nyenzo hadi nadharia ya mawasiliano hadi uboreshaji wa vitendo unaendeshwa vizuri.

Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni suluhisho la uvumbuzi, linalovuka nyanja. Kuchukua faida ya sifa za chiroptical za nyenzo za nano kwa mawasiliano ni mwelekeo mpya na unaoleta matumaini, ukikumbusha jinsi nyenzo za meta zilivyobadilisha RF. Matumizi ya uundaji wa awali wa SLNR yanafaa kwa kudhibiti usumbufu wa watumiaji wengi katika hali ya utangazaji V2V. Hata hivyo, uchambuzi hauzingatii vizuri vizuizi muhimu vya vitendo: utulivu wa muda mrefu na gharama ya kujumuisha GNPs katika LED za kibiashara za daraja la magari, athari ya hali kali za mazingira (joto, mtikisiko) kwenye utendaji wa chembe za nano, na ugumu wa hesabu wa wakati halisi wa uboreshaji wa pamoja wa uundaji wa awali/RGB kwa njia za magari zinazobadilika haraka. Dhana ya habari kamili ya hali ya njia (CSI) pia ni rahisi ya kawaida ambayo inaweza kushindwa katika hali za V2V zinazosogea haraka.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti, makala hii inafungua njia mpya: "nyenzo smart kwa njia smart." Lengo linapaswa kubadilishwa kuelekea nyenzo nyingine za nano (k.m., chembe za quantum, nyenzo za 2D kama grafini) zilizo na sifa za optiki zinazoweza kubadilishwa. Kwa tasnia, njia ya hatua kwa hatua inapendekezwa: 1) Kwanza, tekeleza na jaribu uwanjani algorithmu ya uundaji wa awali wa SLNR katika vielelezo vya VVLC vilivyofafanuliwa na programu bila GNPs ili kuanzisha msingi. 2) Shirikiana na wanasayansi wa nyenzo kuunda mipako ya GNP thabiti, ya gharama nafuu au fosforasi za LED zilizochanganywa. 3) Chunguza mifumo mseto ya RF-VLC ambapo VLC inashughulikia viungo vya muda mfupi, vya upana mkubwa wa bandi (kuchukua faida ya mbinu hii ya kufutisha uhusiano) na RF inatoa njia thabiti za udhibiti za masafa marefu, na kuunda utando wa mtandao wa magari unaostahimili.

3. Mfumo wa Kiufundi

3.1 Muundo wa Mfumo

Mfumo unazingatia hali ya mtelemko ya watumiaji wengi wa VVLC ambapo gari la kutuma linalobeba $N_t$ LED (k.m., katika safu ya taa za mbele) linawasiliana na magari $K$ yanayopokea. Ishara iliyopokelewa kwa mtumiaji wa $k$-th inatolewa na:

$\mathbf{y}_k = \mathbf{H}_k \mathbf{x} + \mathbf{n}_k$

ambapo $\mathbf{H}_k \in \mathbb{C}^{N_r \times N_t}$ ni matriki ya njia ya VLC ya MIMO kwa mtumiaji $k$, $\mathbf{x}$ ni vekta ya ishara iliyotumwa kutoka safu ya LED, na $\mathbf{n}_k$ ni kelele ya ziada inayotawaliwa na kelele ya risasi. Uhusiano mkubwa katika $\mathbf{H}_k$ unatokana na nafasi ndogo kati ya LED ndani ya kifaa cha taa za mbele.

3.2 Chembe za Dhahabu za Nano kwa Kufutisha Uhusiano

Chembe za Dhahabu za Nano (GNPs) zinaonyesha utendaji wa chiroptical—mwingiliano wao na mwanga unategemea ubaguzi wa duara na pembe ya tukio. Zinapojumuishwa na LED, hufanya kama kichujio cha kiwango cha nano. Mwanga kutoka kwa LED zilizo karibu, ufikiapo kwa pembe tofauti kidogo za azimuth, hupata unyonyaji tofauti na mabadiliko ya awamu. Mchakato huu kwa ufanisi hufanya majibu ya njia kutoka kwa kila LED kuwa tofauti zaidi, na hivyo kupunguza mgawo wa uhusiano $\rho$ kati ya safu wima za $\mathbf{H}_k$. Kazi ya uhamisho ya GNP inaweza kuigwa kama matriki ya kupunguza nguvu changamano, inayotegemea pembe $\mathbf{\Gamma}(\theta)$ inayotumika kwa ishara iliyotumwa.

3.3 Uundaji wa Msingi wa SLNR

Ili kusaidia watumiaji wengi wakati huo huo, makala hutumia uundaji wa awali wa msingi wa SLNR. SLNR kwa mtumiaji $k$ inafafanuliwa kama uwiano wa nguvu ya ishara inayotaka kwa mtumiaji $k$ kwa jumla ya usumbufu (uvujaji) unaosababishwa kwa watumiaji wengine wote jumlisha kelele:

$\text{SLNR}_k = \frac{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H \mathbf{H}_k^H \mathbf{H}_k \mathbf{W}_k)}{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H (\sum_{j \ne k} \mathbf{H}_j^H \mathbf{H}_j + \sigma_n^2 \mathbf{I}) \mathbf{W}_k)}$

ambapo $\mathbf{W}_k$ ni matriki ya uundaji wa awali kwa mtumiaji $k$. Lengo ni kubuni $\{\mathbf{W}_k\}$ ili kuongeza jumla ya SLNR kwa watumiaji wote.

4. Uboreshaji na Algorithmu

4.1 Uundaji wa Tatizo

Uboreshaji wa msingi ni tatizo la pamoja: tafuta matriki za uundaji wa awali $\{\mathbf{W}_k\}$ na uwiano wa ukali wa RGB $\mathbf{c} = [c_R, c_G, c_B]^T$ (kwa kuzingatia $c_R+c_G+c_B=1$ kwa mwanga mweupe) zinazoongeza jumla ya SLNR. Unyonyaji wa GNP unaotegemea urefu wa wimbi hufanya njia bora $\mathbf{H}_k$ kuwa kazi ya $\mathbf{c}$, na kusababisha tatizo lililounganishwa, lisilo la umbo la kukokotoa:

$\max_{\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}} \sum_{k=1}^K \text{SLNR}_k(\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}) \quad \text{s.t.} \quad \mathbf{c} \succeq 0, \quad \mathbf{1}^T\mathbf{c}=1, \quad \text{na vikwazo vya nguvu.}$

4.2 Ukadiriaji wa Mfululizo wa Umbo la Kukokotoa (SCA)

Ili kutatua hili, waandishi hutumia SCA. Lengo la jumla-SLNR lisilo la umbo la kukokotoa linakadiriwa na mfululizo wa matatizo madogo rahisi ya umbo la kukokotoa. Kwa $\mathbf{c}$ thabiti, $\mathbf{W}_k$ bora inatokana na tatizo la thamani ya jumla linalohusiana na kipimo cha SLNR. Kwa $\{\mathbf{W}_k\}$ thabiti, tatizo katika $\mathbf{c}$ linakadiriwa na upanuzi wake wa Taylor wa mpangilio wa kwanza (kazi ya umbo la kukokotoa) karibu na hatua ya sasa, na kisha kuboreshwa kwa kurudia. Mchakato huu unahakikisha muunganiko kwa suluhisho bora la ndani.

5. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

Viashiria Muhimu vya Utendaji (Uigaji)

  • Faida ya Jumla ya Kiwango cha Uhamisho: Mfumo uliopendekezwa wa GNP+SLNR unaonyesha uboreshaji mkubwa ikilinganishwa na uundaji wa awali wa kawaida wa VLC (k.m., Zero-Forcing) na kesi bila kufutisha uhusiano wa GNP.
  • Kupunguza Uhusiano: Ujumuishaji wa GNPs hupunguza mgawo wa uhusiano wa njia kati ya LED kwa takriban 40-60%, na kuwezesha uhamishaji anga-nyingi wenye ufanisi zaidi.
  • Kiwango cha Usiri: Katika hali ya usikivu wa siri na msikivu wa siri, mfumo unaonyesha kiwango cha juu cha usiri, kwani uundaji wa awali wa SLNR kwa asili hupunguza uvujaji wa ishara kwa wapokeaji wasio lengwa.

5.1 Uboreshaji wa Jumla ya Kiwango cha Uhamisho

Matokeo ya uigaji yanaonyesha kuwa uboreshaji wa pamoja wa uundaji wa awali na uwiano wa RGB unaweza kuongeza ufanisi wa wigo wa jumla kwa takriban mara 2-3 ikilinganishwa na mfumo wa msingi unaotumia mwanga mweupe thabiti na uundaji rahisi wa awali, hasa katika hali ya kati hadi ya juu ya SNR. Faida huonekana wazi zaidi wakati idadi ya watumiaji $K$ iko karibu na idadi ya LED za kutuma $N_t$.

5.2 Kiwango cha Usiri katika Usikivu wa Siri

Makala hii inatathmini usalama wa safu ya kimwili. Kwa kuongeza SLNR—ambayo kwa uwazi inadhibiti nguvu ya ishara inayovuja kwa watumiaji wengine—mpango uliopendekezwa kwa asili huongeza usalama dhidi ya wasikilizaji wa siri wasio na nguvu. Matokeo yanaonyesha pengo kubwa kati ya kiwango kinachoweza kufikiwa cha mtumiaji halali na uwezo wa njia ya msikivu wa siri, na kuthibitisha faida ya usalama.

6. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mfumo wa Kutathmini Suluhisho za VLC Zinazovuka Nyanja:

  1. Ufanisi wa Kufutisha Uhusiano wa Njia: Pima kupungua kwa uhusiano wa anga (k.m., kupitia kuenea kwa thamani ya jumla ya $\mathbf{H}^H\mathbf{H}$) kabla na baada ya kutumia nyenzo za nano/marekebisho ya kimwili.
  2. Mabadiliko ya Algorithmu-Hesabu: Chambua kasi ya muunganiko na ugumu wa hesabu (k.m., FLOPs kwa kurudia kwa SCA) dhidi ya faida ya jumla ya kiwango cha uhamisho iliyopatikana. Je, faida inastahili mzigo wa usindikaji wa wakati halisi?
  3. Uzingatiaji wa Vikwazo vya Ubora wa Taa: Hakikisha kuwa uwiano ulioboreshwa wa RGB $\mathbf{c}$ daima hutoa mwanga ndani ya mipaka inayokubalika ya fahirisi ya kuonyesha rangi (CRI) na halijoto ya rangi inayohusiana (CCT) kwa viwango vya magari.
  4. Uchambuzi wa Uthabiti: Jaribu utendaji chini ya CSI isiyokamilika, uhamaji wa gari (athari ya Doppler), na hali tofauti za mazingira (ukungu, mvua).

Mfano wa Kesi (Kinadharia): Fikiria safu ya taa za mbele yenye LED 4 inawasiliana na magari 2 yanayopokea. Bila GNPs, matriki za njia $\mathbf{H}_1$ na $\mathbf{H}_2$ karibu hazina cheo. Uboreshaji wa pamoja wa msingi wa SCA, ukijumuisha muundo wa kupunguza nguvu kwa GNP kulingana na pembe, hupata mchanganyiko wa RGB wa [0.35, 0.45, 0.20] na uundaji wa awali unaolingana. Usanidi huu hupunguza uhusiano kati ya LED kutoka 0.9 hadi 0.4, na kuwezesha uundaji wa awali wa SLNR kuunda kwa ufanisi mtiririko wa data sambamba mbili, na kuongeza mara mbili kiwango cha jumla cha uhamisho hali inadumisha mwanga mweupe wa 6000K.

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

  • Nyenzo za Juu za Nano: Utafiti katika chembe nyingine za nano za plasmonic (fedha, alumini) au chembe za quantum zilizo na majibu ya chiroptical yenye nguvu au inayoweza kubadilishwa kwa kukabiliana na njia zinazobadilika.
  • Kujifunza kwa Mashine kwa Uboreshaji: Badilisha SCA ya kurudia na mtandao wa neva wa kina uliofunzwa kwa utabiri wa karibu wa papo hapo wa uundaji wa awali wa pamoja na uwiano wa RGB, muhimu kwa hali za uhamaji mkubwa.
  • Uchunguzi na Mawasiliano Yanayounganishwa (ISAC): Tumia saini za kipekee za unyonyaji za GNPs chini ya hali tofauti kwa uchunguzi wa wakati mmoja wa mazingira (k.m., kugundua mnene wa ukungu) na mawasiliano yanayobadilika.
  • Uanzishaji wa Viwango na Uundaji wa Vielelezo: Unda viwango vya tasnia kwa nyenzo za LED za "daraja la mawasiliano" na elekea kuelekea vielelezo vya vifaa kwa majaribio ya ulimwengu halisi ya V2V na gari-hadi-miundombinu (V2I).
  • Mitandao ya Magari ya Mseto ya LiFi/RF: Tumia kiungo cha VVLC cha upana mkubwa wa bandi kilichopendekezwa kwa matumizi yenye data nyingi (sasisho za ramani za HD, ushiriki wa sensor) pamoja na RF ya chini ya GHz 6 au mmWave kwa udhibiti na kurudi nyuma, na kuunda mtandao thabiti wa namna nyingi.

8. Marejeo

  1. G. Han et al., "Multi-User SLNR-Based Precoding With Gold Nanoparticles in Vehicular VLC Systems," katika IEEE Transactions on Vehicular Technology (au kama hivyo), 2023.
  2. A. Jovicic, J. Li, na T. Richardson, "Visible light communication: opportunities, challenges and the path to market," IEEE Communications Magazine, vol. 51, no. 12, uk. 26-32, 2013.
  3. M. Z. Chowdhury, M. T. Hossan, A. Islam, na Y. M. Jang, "A Comparative Survey of Optical Wireless Technologies: Architectures and Applications," IEEE Access, vol. 6, uk. 9819-9840, 2018.
  4. H. Elgala, R. Mesleh, na H. Haas, "Indoor optical wireless communication: potential and state-of-the-art," IEEE Communications Magazine, vol. 49, no. 9, uk. 56-62, 2011.
  5. S. Wu, H. Wang, na C. H. Youn, "Visible light communications for 5G wireless networking systems: from fixed to mobile communications," IEEE Network, vol. 28, no. 6, uk. 41-45, 2014.
  6. P. H. Pathak, X. Feng, P. Hu, na P. Mohapatra, "Visible light communication, networking, and sensing: a survey, potential and challenges," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 4, uk. 2047-2077, 2015.
  7. K. Lee, H. Park, na J. R. Barry, "Indoor channel characteristics for visible light communications," IEEE Communications Letters, vol. 15, no. 2, uk. 217-219, 2011.
  8. Taasisi ya Kitaifa ya Viwango na Teknolojia (NIST), "Advanced Communications and Networking," [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.nist.gov/communications-technology.
  9. M. S. Rahman, "Nanophotonics and its Application in Communications," katika Handbook of Nanophotonics, Springer, 2020.