1. Utangulizi na Muhtasari
Makala hii inawasilisha mfumo wa kuvunja-vunja wa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) uliobuniwa mahsusi kwa Mifumo ya Usafiri Yenye Akili (ITS) muhimu kwa usalama. Utafiti huu unashughulikia hitaji la dharura la mawasiliano yenye ucheleweshaji wa chini sana katika mitandao ya magari, haswa kwa matumizi kama vile kusimamisha kiotomatiki na safu za magari. Mfumo huu unatumia taa za trafiki za LED zilizopo kama vifaa vya kutuma na kutekeleza utaratibu wa kidijitali wa Kufafanua na Kusambaza Kikamilifu (ADR) ili kupanua masafa ya mawasiliano kupitia usambazaji wa gari-kwa-gari.
Shirika la Afya Duniani linaripoti vifo zaidi ya milioni 1.2 kila mwaka barabarani, ikionyesha hitaji muhimu la mifumo ya hali ya juu ya usalama. Muundo uliopendekezwa wa I2V2V (Miundombinu-kwa-Gari-kwa-Gari) unawakilisha maendeleo makubwa zaidi kuliko mifumo ya jadi inayotegemea RF, ikitoa faida za asili kwa suala la wigo bila leseni, usalama wa hali ya juu, na kinga dhidi ya usumbufu wa sumakuumeme.
2. Muundo wa Mfumo na Njia
2.1 Ubunifu wa Mfumo wa VLC wa I2V2V
Ubunifu mkuu upo katika muundo wa mawasiliano wa ngazi tatu: Miundombinu (taa za trafiki za LED) → Gari la Kwanza → Magari Yanayofuata. Njia hii ya usambazaji inapanua kwa ufanisi masafa ya mawasiliano zaidi ya mipaka ya mwonekano wa moja kwa moja wa VLC, na kuunda mtandao wa ad-hoc wa magari kwa kutumia mwanga kama chombo.
2.2 Hatua ya Kufafanua na Kusambaza Kikamilifu (ADR)
Tofauti na mifumo rahisi ya kuongeza nguvu na kusambaza mbele, hatua ya ADR inafafanua kikamilifu pakiti zilizopokelewa kabla ya kuziweka upya katika msimbo na kuzituma tena. Njia hii inapunguza uenezi wa hitilafu lakini huleta ucheleweshaji wa usindikaji. Utafiti huu unalenga kuboresha usawazishaji huu kwa mahitaji ya ucheleweshaji wa chini sana.
2.3 Uzingatiaji wa IEEE 802.15.7
Kielelezo cha mfumo kinaendelea kuwa sawa na kiwango cha IEEE 802.15.7 cha mawasiliano ya optiki ya waya isiyo na waya ya masafa mafupi, na kuhakikisha ushirikiano na mifumo ya VLC iliyopo na kuwezesha uwezekano wa kuwekwa kiwango na utekelezaji.
3. Uchambuzi wa Kiufundi na Vipimo vya Utendaji
3.1 Mfumo wa Kupima Ucheleweshaji
Ucheleweshaji wa jumla wa mfumo ($L_{total}$) umefafanuliwa kama jumla ya ucheleweshaji wa utumaji ($L_{tx}$), uenezi ($L_{prop}$), kufafanua ($L_{dec}$), na usambazaji ($L_{relay}$): $L_{total} = L_{tx} + L_{prop} + L_{dec} + L_{relay}$. Utafiti huu unafikia $L_{total}$ ya chini ya milisekunde katika kiwango cha kujiamini cha 99.9%.
3.2 Uchambuzi wa Kiwango cha Hitilafu za Pakiti (PER)
Utendaji unatathminiwa chini ya hali changamano na PER hadi $5 \times 10^{-3}$. Mfumo unaonyesha uthabiti kwa kudumisha ucheleweshaji wa chini sana hata katika kiwango hiki cha juu cha hitilafu, ambacho ni muhimu kwa matumizi ya usalama ambapo upotezaji wa pakiti mara kwa mara unakubalika ikiwa dhamana za ucheleweshaji zinatimizwa.
3.3 Usambazaji wa Takwimu za Hitilafu
Uchambuzi wa kina wa takwimu wa usambazaji wa hitilafu ulifanywa kwa umbali hadi mita 50. Utafiti huu unaelezea jinsi hitilafu zinavyosambaa kupitia mnyororo wa ADR na jinsi zinavyoathiri uaminifu wa jumla wa mfumo.
4. Matokeo ya Majaribio na Uthibitishaji
Vipimo Muhimu vya Utendaji
Ucheleweshaji: < 1 ms (ujiamini 99.9%)
Umbali wa Juu: Mita 50
Uvumilivu wa PER: Hadi 5×10⁻³
Vigezo vya Majaribio
Kitumaji: Taa ya kawaida ya trafiki ya LED
Ukubwa wa Pakiti: Pakiti fupi (ujumbe wa usalama)
Kiwango: Inakubaliana na IEEE 802.15.7
4.1 Usanidi wa Majaribio na Vigezo
Uthibitishaji ulitumia taa ya kawaida ya trafiki ya LED kama kitumaji na vifaa vya ADR vilivyobuniwa mahsusi kwa nodi za gari. Majaribio yalifanywa kwa umbali wa kati hadi wa wastani (hadi m 50) chini ya hali mbalimbali za mazingira ili kuiga hali halisi.
4.2 Utendaji katika Umbali Mbalimbali
Mfumo hudumisha ucheleweshaji chini ya 10 ms hata katika umbali wa juu wa majaribio wa mita 50. Uharibifu wa utendaji kwa umbali unafuata muundo unaotabirika, na kuwezesha upangaji na utekelezaji wa mfumo unaoaminika.
4.3 Kufikia Ucheleweshaji wa Chini ya Milisekunde
Matokeo muhimu zaidi ni kufikia ucheleweshaji wa chini ya milisekunde katika kiwango cha kujiamini cha 99.9%. Hii inakidhi mahitaji makali ya matumizi muhimu ya usalama kama vile kusimamisha dharura kiotomatiki, ambapo nyakati za majibu lazima ziwe ndogo zaidi.
5. Uchambuzi Muhimu na Mtazamo wa Sekta
Uelewa wa Msingi
Utafiti huu sio tu makala nyingine ya VLC—ni mshambulio wa lengo kwenye sehemu dhaifu zaidi katika uendeshaji otomatiki: ucheleweshaji wa mawasiliano katika hali muhimu za usalama. Wakati sekta inavutiwa na muunganisho wa sensor na algoriti za AI, Nawaz na wenzake wametambua kwa usahihi kwamba msingi wa mawasiliano unaweza kuwa kiungo dhaifu zaidi. Njia yao ya kutumia tena miundombinu ya trafiki iliyopo (taa za LED) ni ya busara na yenye akili, ikitoa njia ya utekelezaji wa haraka zaidi kuliko kujenga miundombinu mipya ya RF.
Mtiririko wa Mantiki
Makala hii inafuata mantiki yenye mvuto: (1) Vifo barabarani vinahitaji mifumo ya majibu ya chini ya 100ms, (2) Suluhisho za sasa za RF (802.11p) zinapambana na uthabiti katika mazingira ya mijini yenye msongamano, (3) VLC inatoa faida za asili lakini ina mipaka ya masafa, (4) Mfumo wao wa usambazaji wa I2V2V unatatua tatizo la masafa huku ukidumisha ucheleweshaji wa chini sana. Hii sio uboreshaji wa kidogo—ni ubunifu wa muundo.
Nguvu na Kasoro
Nguvu: Kiwango cha kujiamini cha 99.9% kwa ucheleweshaji wa chini ya ms ni la kipekee—hii ni uaminifu wa kiwango cha uzalishaji. Ustahimilivu na IEEE 802.15.7 unaonyesha utabiri wa uhandisi wa vitendo. Kutumia uchambuzi wa usambazaji wa takwimu za hitilafu badala ya vipimo vya wastani tu kunadhibitisha mbinu ya majaribio ya hali ya juu.
Kasoro: Masafa ya m 50, ingawa ni ya kuvutia kwa VLC, bado yanapungua ikilinganishwa na mbadala za RF. Makala yanapita juu ya hali ya hewa—mvua, ukungu, na mwanga wa moja kwa moja wa jua unaweza kuangamiza utendaji. Pia kuna tatizo la "gari la kwanza": nani atasambaza ikiwa hakuna gari katika nafasi bora? Mfumo unadhania uwepo wa gari endelevu, ambayo haijahakikishwa katika hali za trafiki ndogo.
Uelewa Unaoweza Kutekelezwa
Manispaa zinapaswa kuanzisha teknolojia hii katika mazingira yaliyodhibitiwa kama vile vichochoro na magaraji ambapo RF inapambana. Wazalishaji wa Magari (OEM) wanapaswa kuzingatia safu za mawasiliano za njia mbili (RF+VLC)—kutumia VLC kwa ujumbe muhimu wa usalama wenye ucheleweshaji muhimu na RF kwa matumizi ya upana wa bandi ya juu. Jumuiya ya watafiti inapaswa kuchunguza njia mseto, labda kuchanganya hii na usafirishaji wa nyuma wa mawimbi-milimita, sawa na dhana zilizochunguzwa katika utafiti wa 5G-V2X kutoka Qualcomm na Ericsson.
Uchambuzi wa Asili (Maneno 400): Makala hii inawakilisha mabadiliko makubwa katika mkakati wa mawasiliano ya magari. Wakati utafiti mwingi unafuata njia inayotawaliwa na RF ya 5G-V2X na DSRC, kazi hii inatoa hoja yenye mvuto kwa mbadala za optiki. Kufikia ucheleweshaji wa chini ya milisekunde katika kujiamini 99.9% sio tu ya kuvutia kiufundi—inaweza kuwa ya mapinduzi kwa matumizi kama vile kuepusha mgongano wa ushirikiano ambapo kila mikrosekunde ina thamani.
Hata hivyo, lazima tuweke hii katika muktadha wa mfumo mpana zaidi. Mjadala wa IEEE 802.11p/DSRC dhidi ya C-V2X umetawala majadiliano ya sekta kwa miaka mingi, na wachezaji wakuu kama vile Ford wakiunga mkono C-V2X na wengine wakipendelea DSRC. Njia hii ya VLC inatoa njia ya tatu ambayo inaweza kukamilisha badala ya kuchukua nafasi ya teknolojia hizi. Sawa na jinsi LiDAR na kamera zinavyotumika kwa madhumuni tofauti katika utambuzi otomatiki, VLC na RF zinaweza kutumika kwa mahitaji tofauti ya mawasiliano.
Mwelekeo wa makala kwenye pakiti fupi ni mzuri sana. Kama ilivyoelezwa katika utafiti wa 3GPP kuhusu NR-V2X (Toleo la 16), ujumbe wa usalama kwa kawaida ni madogo lakini yanahitaji uaminifu mkali na ucheleweshaji wa chini. Utambuzi wa waandishi kwamba "PER ya juu kama $5 \times 10^{-3}$" inakubalika kwa matumizi fulani ya usalama unaonyesha uelewa wa kina wa mahitaji ya ulimwengu halisi—sio kila ujumbe unahitaji kupokelewa kikamilifu, lakini kila ujumbe unahitaji utoaji wa kwa wakati.
Ikilinganishwa na utafiti mwingine wa VLC, kama vile kazi kutoka Kituo cha Utafiti cha Li-Fi cha Chuo Kikuu cha Edinburgh, msisitizo wa makala hii kwenye kipengele cha usambazaji ni mpya. Utafiti mwingi wa VLC unalenga viungo vya nukta-kwa-nukta. Njia ya kuruka nyingi hapa, ingawa inaleta utata, inatatua kikomo cha msingi cha masafa ambacho kimesababisha shida kwa VLC kwa matumizi ya magari. Uchambuzi wa takwimu wa usambazaji wa hitilafu pia hutofautisha kazi hii—makala nyingi sana zinaripoti tu utendaji wa wastani, na kupuuza uwezekano wa mkia ambao ni muhimu zaidi kwa mifumo ya usalama.
Kuangalia mbele, ushirikishaji wa teknolojia hii na miundombinu ya kompyuta ya ukingoni kunaweza kuwa ya mabadiliko. Fikiria taa za trafiki sio tu kusambaza ishara lakini pia kusindika data ya trafiki ya ndani na kusambaza maamuzi ya udhibiti kwa njia ya optiki. Hii inalingana na mienendo mikubwa katika ITS kuelekea akili iliyosambazwa, kama inavyoonekana katika miradi kama vile mpango wa Muungano wa Ulaya wa 5G-MOBIX.
6. Maelezo ya Kiufundi na Mfumo wa Hisabati
Utendaji wa mfumo unaweza kuigwa kupitia milinganyo kadhaa muhimu:
Uwiano wa Ishara-kwa-Kejele (SNR): $SNR = \frac{(R P_t H)^2}{N_0 B}$ ambapo $R$ ni uwajibikaji wa kigundua mwanga, $P_t$ ni nguvu ya mwanga iliyotumwa, $H$ ni faida ya kituo, $N_0$ ni msongamano wa wigo wa kelele, na $B$ ni upana wa bandi.
Kiwango cha Hitilafu za Pakiti: $PER = 1 - (1 - BER)^L$ ambapo $BER$ ni kiwango cha hitilafu za biti na $L$ ni urefu wa pakiti katika biti.
Ucheleweshaji wa Mwisho-hadi-Mwisho: $L_{total} = \sum_{i=1}^{N} (T_{enc,i} + T_{tx,i} + T_{prop,i} + T_{dec,i})$ kwa kuruka $N$ katika mnyororo wa usambazaji.
Muda wa usindikaji wa ADR $T_{dec}$ umeboreshwa kupitia uongeza kasi ya vifaa na miundo ya usindikaji sambamba ili kupunguza mchango wake kwa ucheleweshaji wa jumla.
7. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi
Hali: Arifa ya kusimamisha dharura kwenye makutano.
Mfumo wa Jadi wa RF: Gari A linagundua kikwazo → Linasindika data (5-10 ms) → Linatuma kupitia RF (2-5 ms) → Gari B linapokea (1-3 ms) → Linasindika (5-10 ms) → Jumla: 13-28 ms
Mfumo wa VLC Ulipendekezwa: Taa ya trafiki inagundua kikwazo (kupitia sensor) → Mara moja inatuma kupitia VLC (0.1 ms) → Gari A linapokea na kufafanua (0.3 ms) → Linasambaza kwa Gari B (0.3 ms) → Gari B linafafanua na kutenda (0.3 ms) → Jumla: < 1 ms
Mfumo huu unaonyesha jinsi faida ya muundo ya mfumo wa VLC—kutumia miundombinu kama kitumaji cha kwanza—inavyopita mipaka ya ucheleweshaji wa usindikaji wa gari kwa arifa muhimu.
8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti
Matumizi ya Mara Moja:
- Mifumo ya kuepusha mgongano kwenye makutano
- Upeo wa kipaumbele na ishara za kipaumbele za gari la dharura
- Kusafiri kwa safu zenye msongamano katika mazingira yaliyodhibitiwa (vichochoro, madaraja)
- Mifumo ya urambazaji na usalama ya karakana
Mwelekeo wa Utafiti:
- Ushirikishaji na 5G/6G seli-V2X kwa safu za mawasiliano mseto
- Uboreshaji wa masomo ya mashine wa uteuzi wa usambazaji katika trafiki yenye msongamano
- Uzidishaji wa mgawanyiko wa urefu wa wimbi kwa kutumia safu za LED za RGB
- VLC yenye usalama wa quantum kwa mawasiliano ya usalama wa hali ya juu ya magari
- Juhudi za kuwekwa kiwango kupitia vikundi vya kazi vya IEEE na 3GPP
Teknolojia hii inaweza kukua kuelekea mitandao kamili ya optiki ya magari ambapo magari yanawasiliana kupitia Li-Fi wakati yamesimama na kupitia VLC iliyoorganishwa wakati wa kusonga, na kuunda kitambaa cha mawasiliano cha optiki kisicho na mapungufu kwa ajili ya miji yenye akili.
9. Marejeo
- Shirika la Afya Duniani. (2020). Ripoti ya hali ya ulimwengu juu ya usalama barabarani.
- Kiwango cha IEEE 802.15.7-2018. Mawasiliano ya Optiki ya Waya Isiyo na Waya ya Masafa Mafupi Kwa Kutumia Mwanga Unaonekana.
- Ripoti ya Kiufundi ya 3GPP 22.886. Utafiti juu ya uboreshaji wa usaidizi wa 3GPP kwa hali za V2X.
- Haas, H. na wengine. (2016). LiFi ni nini? Jarida la Teknolojia ya Mwanga.
- Shirikisho la Magari la 5G. (2019). Matumizi ya C-V2X na Mahitaji ya Kiwango cha Huduma.
- Tume ya Ulaya. (2020). Mradi wa 5G-MOBIX: 5G kwa ushirikiano na uendeshaji otomatiki uliounganishwa kwenye njia za mpaka.
- Kituo cha Utafiti cha Li-Fi cha Chuo Kikuu cha Edinburgh. (2021). Mawasiliano ya Waya ya Optiki kwa 6G.
- Qualcomm. (2022). Ukuaji wa Teknolojia ya Selulari-Gari-kwa-Kila-Kitu (C-V2X).