وفا داری نور : به سمت شبکه های کاملا نوری

رضا عباسی ITدانشگاه شمسی پور

ترجمه مقاله

چکیده

این مقاله با انگیزه بحران طیف فرکانس رادیویی (RF) که در معرض نمایش است ، هدفش نشان دادن این است که ارتباطات بی سیم نوری (OWC) اکنون به وضعیتی رسیده است که می تواند راه حل زنده و بالغ این مشکل اساسی را نشان دهد. به ویژه، برای ارتباطات داخلی که بیشترین ترافیک داده های تلفن همراه مصرف شده است ، وفاداری نور (Li-Fi) که مربوط به ارتباط نور مرئی (VLC)است ، مزایای کلیدی بسیازی و راه حل های موثری که برای موضوعاتی که در دهه گذشته مطرح شده است را پیشنهاد می دهد. در این مقاله همه اجزا کلیدی فناوری های مورد نیاز برای تحقق سیستم های ارتباطی سلولی نوری که در اینجا به عنوان شبکه های Attocellنوری نامیده می شود. سلوله های نوری گام بعدی در پیشرفت به سمت سلولهای کوچکتر ، پیشرفتی ست که به عنوان مهم ترین عامل در بهبود کارایی طیفی شبکه در شبکه های بی سیم RF شناخته شده است.

۱. معرفی

سی سال بعد از معرفی اولین سیستم های ارتباطی سیار موجود در بازار، اتصال بی سیم به کالایی اساسی مانند گاز و برق تبدیل شده است. افزایش نمایی در ترافیک داده های تلفن همراه طی دو دهه گذشته منجر به استقرار گسترده سیستم های بی سیم شده است. در نتیجه ، طیف محدود موجود RF در معرض استفاده مجدد فضایی تهاجمی و دخالت بین کانالی به یک عامل عمده محدود کننده ظرفیت تبدیل شده است. بنابراین هشدار های مستقل زیادی از آستانه بحران طیفRF به عنوان تقاضای داده های تلفن همراه همچنان در حالی که طیف بهره وری افزایش می یابد، باوجود استاندارد های تازه معرفی شده و پیشرفت های بزرگ فن آوری در این زمینه اشباع می شود. این تخمین زده شده است که تا سال ۲۰۱۷ ، بیش از ۱۱ مورد از ترافیک داده باید از طریق شبکه ها تلفن همراه هر ماه منتقل شود. اخیرا VLC ‌ به عنوان یک راه حل بالقوه برای کاهش بحران طیف RFدر معرض شناسایی شناخته شده است.

در طول دهه گذشته ، تلاش های تحقیقاتی قابل توجهی به سمت کشف قطعات جایگزین از طیف الکترومغناطیسی که بالقوه می تواند بخش بزرگی از ترافیک شبکه از دامنه شلوغ RFباشد ، انجام شده است. اخیرا نتایج بسیار جالبی از استفاده از ارتباطات موج میلی متری (mmWave) در منطقه ۲۸ گیگاهرتز و همچنین استفاده از نور مادون قرمز نامرئی گزارش شده است. این مورد اغوا کننده است زیرا روشنایی کالایی است که تقریبا در هر زیرساخت های پیچیده و محیطی که در حال حاظر وجود دارد ادغام شده است. استفاده از طیف نور مرئی برای ارتباط داده ها با سرعت بالا با ظهور دیود ساطع کننده نور(LED) که در همان زمان قلب موج بعدی روشنایی کم مصرف ، فعال است ، فعال می شود. به این معنا ، مفهوم ترکیب عملکرد های روشنایی و ارتباطات امکان صرفه جویی در هزینه های بسیار زیاد و کاهش اثرکربن را فراهم می کند. اول، استقرار نقاط دسترسی (VLC)که به عنوان زیرساخت روشنایی موجود ساده می شود ، می تواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد و فن آوری های خارج از قفسه مانند ارتباط برق (PLC)و برق در بستر اترنت (POE) به ترتیب به عنوان راه حل های قابل برگشت برای نصب مجدد و نصب های جدید وجود دارد. دوم ، به دلیل روشنایی در بیشتر اوقات در محیط های داخلی حتی در طول روز ، انرژی مصرف شده ، برای ارتباطات در نتیجه پشتیبان گیری داده های مربوط به روشنایی ، عملا صفر خواهد بود. با این حال،حتی اگر به روشنایی نیاز نباشد تکنیک های مدولاسیون کارآمد انرژی(IM) وجود دارد که اجازه می دهد ارتباط داده ای حتی اگر چراغ ها بصری خاموش باشند. اینها در حال حاضر مزایای چشمگیری هستند، اما مورد اینگونه به همینجا ختم نمی شود. طیف نور مرئی شامل ۱۰۰ها THz پهنای باند بدون مجوز ، 10000 برابر بیشتر ازجمله طیف RFاز کل طیف تا ۳۰ گیگاهرتز شامل طیف mmWaveاست. به طور کلی ، تابش نوری ، با سایر امواج رادیویی یا عملکرد تجهیزات حساس الکترونیکی تداخل نمیکند. بنابراین، برای تأمین پوشش بی سیم در مناطقی که به تابش الکترومغناطیسی حساس هستند ایده آل است-چند نمونه شامل: بیمارستانها، هواپیماها، نیروگاههای پتروشیمی و هسته ای و غیره بعلاوه، ناتوانی انتشار نور از طریق دیوارها سطح ذاتی امنیت شبکه را فراهم میکند.از همان ویژگی می توان برای از بین بردن تداخل بین سلول های همسایه استفاده کرد.

در طی ده سال گذشته ، گزارش های مداوم در مورد بهبود داده های پیوند نقطه به نقطه با استفاده ازLEDهای سفید خارج از قفسه در شرایط آزمایشگاهی تجربی وجود داشته است. اخیرا، نرخ داده بیش از ۱ گیگابیت بر ثانیه با استفاده از LEDهای سفید الیاف فسفری بیرون از قفسه ۴ و۳.۴گیگابیت بر ثانیه با استفاده ازیک LEDقرمز-سبز-آبی (RGB) گزارش شده است. سیستم بی سیم مشابه دیگر گیگابیت با LEDهای روکش فسفری سفید با استفاده از پیکربندی ۴*۴ چند ورودی-چند خروجی (MIMO) نشان داده شده است. به بهترین دانش نویسندگان، بالاترین سرعتی که تاکنون از یک رنگ منفصل نبوده است LED۳.۵ گیگابیت بر ثانیه است. این آزمایش توسط محققان دانشگاه ادینبورگ انجام شد. یک نظریه چارچوبی برای ظرفیت قابل دستیابی از سیستم های مدولاسیون و تشخیص مستقیم (IM/DD) با استفاده ازمالتی پلکسینگ تقسیم فرکانس متعامد(OFDM) ایجاد شد و یک راه حل فرم بسته درتأثیر غیر خطی ها در نسبت سیگنال به نویز قابل دستیابی در سیستم های عملی VLCمبتنی بر OFDM گزارش شده است.تا به امروز، تحقیقات در زمینه OWC بر روی اجرای موفقیت آمیز فیزیکی ،پیوند های پیوندی و اثبات مفهوم متمرکز شده است. برای تحقق یک سیستم ارتباطی تلفن همراه ، با این حال یک راه حل کامل شبکه مورد نیاز است.این همان چیزی است که ما از آن به عنوانLi-Fi : شبکه ، تلفن همراه ، VLCسرعت بالا برای ارتباطات بی شیم یاد میکنیم. چشم انداز این است که یک شبکه بی سیم Li-Fiمکمل شبکه های بی سیم RF نا همگن موجود باشد ، وبا اجازه دادن به تلفن همراه باعث کاهش چشمگیر طیف و سیستم های قابلیت اطمینان بی سیم (Wi-Fi) برای خاموش کردن بار قابل توجهی از ترافیک داده های بی سیممی شود. مقاله فعلی برخی از تحقیقات انجام شده تاکنون را خلاصه کرده و جنبه های مختلف سیستم ارتباطی را با تمرکز ویژه بر شبکه های بی سیم بررسی می کند.ساختار این مقاله به شرح زیراست: بخش ۲ به نظر میرسد که بر اساس Li-Fi در الزامات طرح مدولاسیون IM/DD است. بخش ۳ موارد مختلف امکان دستیابی به دسترسی چندگانه را مورد بحث قرار می دهد. بخش ۴ مفاهیم uplink را خلاصه میکند. بخش ۵ مفهوم نوری Attocellرا خلاصه میکند. بخش ۶ به طور خلاصه تکنیک های کاهش تداخل را برای شبکه های کانونی نوری ارائه می دهد. و در آخر بخش ۷ سخنان پایانی را ارائه می دهد.

۲. مدولاسیون علامت در OWC

یک شبکه بی سیم تمام نوری بدون درزکه به پوشش همه جانبه ارايه شده توسط قسمت جلویی نوری عناصر نیاز دارد . این لزوم استفاده از مقدار زیادی از واحد های روشنایی فعال Li-Fi را ضروری می کند. محتمل ترین کاندید ها برای دستگاه های جلویی در VLCبه دلیل کم هزینه بودن LED های روشنایی حالت جامد منسجم نیستند. به دلیل جسمی ، از ویژگی های این اجزا ، اطلاعات فقط درشدت نور ساطع شده قابل رمز گذاری هستند، در حالیکه فاز و دامنه واقعی موج نور را نمیتوان تعدیل کرد. این به طور قابل توجهی VLC را از ارتباطات RF متفاوت می کند.

VLC فقط به عنوان یک سیستم IM/DDبه این معنی که سیگنال مدولاسیون باید هر دو واقعی با ارزش و تک قطبی باشد ، قابل تحقق است. این محدویدت استفاده از طرح های مدولاسیون به خوبی تحقیق شده و توسعه یافته از حوضه ارتباطات RF است. تکنیک هایی مانند کلید خاموش ، (OOK) مدولاسیون موقعیت پالس (PPM) ، مدولاسیون عرض پالس (PWM) و مدولاسیون تک قطبی پالس-M-aryدامنه (M-PAM) میتواند به صورت نسبتا ساده اعمال شوند. با افزایش سرعت مدولاسیون، این موارد خاص طرح های مدولاسیون به دلیل غیر مسطح بدون از اثرات نامطلوب تداخل بین نمادی (ISI) پاسخ فرکانسی کانال OWC رنج می برند. از این رو ، یک روش انعطاف پذیر مانند OFDM مورد نیاز است. OFDM بیت انتباقی و بارگزاری انرژی از زیر باند فرکانس های مختلف را با توجه به خواص کانال ارتباطی امکان پذیر میکند. این امر منجر به استفاده بهینه از منابع موجود می شود .OFDM به ظرفیت تولید در یک کانال ارتباطی غیر مسطح حتی در صورت وجود اعوجاج غیر خطی دست می یابد. چنین شرایط کانال معرفی شده توسط مشخصه انتقال یک LED خارج ازقفسه که دارای حداکثر پهنای باند مدولاسیون ۳ دسی بل به ترتیب ۲۰ مگاهرتز است. در واقع ، نتایج ثبت رکورد ارائه شده در ۴-۶ بدست آمده همه با استفاده از OFDM با به بهترین دانش نویسندگان ، اولین نتایج از مزایای این طرح تعدیل می توان به یکسان سازی سادع با اکولایزر های یک ضربه ای در حوزه فرکانس اشاره کرد و همچنین توانایی جلوگیری از اعوجاج با فرکانس پایین ناشی از سوسو زدن تابش زمینه و خط پایه اثر سرگردان در مدار های الکتریکی.

سیگنالهای معمولی OFDM ماهیتی پیچیده و دو قطبی دارند.بنابراین ، تکنیک استاندارد RF OFDM ، باید اصلاح شود تا برای سیستم های IM/DDمناسب شود. راه مستقیم بدست آوردن یک سیگنال OFDMبا ارزش واقعی این است که محدودیت تقارن هرمیتی را به حامل های فرعی در فرکانس تحمیل کند که در دامنه همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. با یان حال ، سیگنال مربوط به حوزه زمان هنوز دو قطبی است. یک راه برای بدست آوردن یک سیگنال تک قطبی برای ایجاد یک سوگیری جریان مستقیم مثبت (DC)است که دامنه OFDM در اطراف آن است. سیگنال می تواند متفاوت باشد همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است. طرح مدولاسیون تک قطبی حاصل به عنوان نوری مغرض OFDM(DCO-OFDM)شناخته می شود. اضافه شدن سطح بایاس ثابت منجر به افزایش قابل توجه مصرف انرژی الکتریکی می شود. هنگامی که شکل ۲(الف) و ۲ (ب) در کنار هم قرار گرفته اند، این به راحتی قابل مشاهده است. با این حال ، اگر از منابع نوری به طور همزمان برای روشنایی استفاده می شود ، خروجی نور در نتیجه سوگیریDC همانطور که برای انجام عملکرد روشنایی استفاده می شود هدر نمیرود. فقط در صورت عدم نیاز به روشنایی ، مانند پیوند a سیستم Li-Fi ، بایاس DC میتواند به طور قابل توجهی بهره وری انرژی را به خطر بیاندازد. بنابراین، محققان وقف کرده اند تلاش های چشمگیر برای طراحی یک طرح مدولاسیون مبتنی برOFDM که کاملا تک قطبی است.برخی ازراه حل های شناخته شده عبارتند از: برش نامتقارن نوری OFDM (ACO-OFDM) ، گسسته مدولاسیون پالس- دامنه مدولاسیون چند تنی (PAM-DMT) ، OFDM تک قطبی (U-OFDM) ، FLIP-OFDM ، OFDM نوری طیفی فاکتور شده (SEO-OFDM) ، و غیره. نقطه ضعف کلی همه این تکنیک ها از دست دادن ۵۰٪ در کارایی طیفی است.یعنی نرخ داده ها نصف میشود. این محدودیت اخیرا توسط محققان دانشگاه برطرف شده است.ادینبورگ و درخواست ثبت اختراع در انتظار است.?شکل ۱. تقارن هر میتیک یک سیگنال مثبت را در حوزه زمان تضمین می کند: (الف) قسمت های واقعی مثبت مربوطه و اجزای فرکانس منفی برابر هستند. (ب) قسمتهای خیالی با فرکانس مثبت و منفی مربوطه اجزا ، از نظر مطلق برابر هستند، اما دارای علائم مخالف هستند.

از دیدگاه شبکه، OFDM که یک پیاده سازی ساده دسترسی چندگانه را به عنوان حامل های فرعی ارائه می دهد می تواند به کاربران مختلف و در نتیجه فرکانس متعامد دسترسی چندگانه (OFDMA) اختصاص یابد. شایستگی های OFDM قبلا شناخته شده است و OFDM در سیستم های Wi-Fi IEEE 802.11 استفاده می شود. چند کاربر نسخه دسترسی OFDM ، یعنی OFDMA است ، در ۴ مورد استفاده قرار نسل چهارم (4G) ، تکامل بلند مدت (LTE) استاندارد سلولی. بنابراین ،استفاده از OFDM در شبکه های تلفن همراه نوری امکان استفاده از پروتکل های ارتباطی سطح بالاتری را که در LTE و IEEE 802.11استفاده می شود ، ایجاد می کند که یک مزیت اصلی است.

?

(ب) سیگنال OFDMیک قطبی

?

(الف) سیگنال OFDMدوقطبی بی طرف

شکل ۲. سیگنال OFDM واقعی از طریق افزودن یک تعصب DC-DCO-OFDMدو قطبی شده است.

۳. دسترسی چند گانه

یک راه حل شبکه بدون یک طرح دسترسی چندگانه مناسب که به چندین کاربر امکان پذیر است ،برای اشتراک گذاشتن منابع ارتباطی بدون هیچ گفتگوی متقابل قابل تحقق نیست. طرح های دسترسی چندگانه مورد استفاده در ارتباطات RFرا می توان برای OWC سازگار کرد تا زمانی که تغییرات لازم مربوط به ماهیت IM/DD باشد از سیگنال های مدولاسیون انجام می شود.OFDM دارای یک پسوند طبیعی برای دسترسی چندگانه OFDMAاست.طرح های مدولاسیون تک حامل مانند M-PAN& OOK و PWM نیاز به دسترسی چند گانه اضافی دارند. تکنیکی مانند تقسیم فرکانس دسترسی چندگانه (FDMA) ، تقسیم زمان دسترسی چندگانه (TDMA) یا / وتقسیم کد دسترسی چندگانه (CDMA) است. نتایج یک تحقیق در مورد عملکرد OFDMAدر مقابل TDMA و CDMA در شکل ۳ ارائه شده است. FDMAبه دلیل شباهت نزدیک آن به OFDMA ، و این واقعیت که OWC ازابرقهرمان سازی استفاده نمیکند در نظر گرفته نشده است.

?شکل ۳. مقایسه بین طرح های مختلف دسترسی چندگانه :

(الف)TDMA‌در مقابل OFDMA در مقابل CDMAبا Walash

(ب) در یک سناریو سه کاربره (کد هادامارد TDMA در مقابل OFDMAدر مقابل CDMA (باکد متعامد نوری ) در سناریو شش کاربر

علاوه بر این، به دلیل تعدیل پهنای باند محدود شده عناصر جلویی ، این طرح استفاده بسیار کارآمد از پهنای باند مدولاسیون LED را ارائه نمیدهد. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است ، CDMAبسیار ناکارآمد است زیرا استفاده از سیگنالهای تک قطبی تداخل کانال (ICI) و افزایش قابل توجهی در نیاز به انرژی نسبت به کاربرد آن در ارتباطات RFقابل توجه است. عملکرد ، در همان زمان ،TDMAبه سختی از OFDMA برای سناریو های مختلف محصول پیشی می گیرد. نیاز بیشتر به توان OFDMA در مقایسه با TDMA به دلیل زمان گسترده تر توزیع سیگنال دامنه ایجاد می شود. این امر منجر به نیاز به سطوح بالاتر بایاسDC میشود و در نتیجه به مصرف برق درنسبت سیگنال به نویز SNR نشان داده می شود. در یک سناریو عملی توابع ارتباطات و روشنایی با هم ترکیب میشوند ، تفاوت در مصرف برق میان آنها با استفاده ازتوان ناشی از سوگیری DC برای اهداف روشنایی ، برنامه های مختلف کاهش میابد. لازم به ذکر است که این تحقیق برای یک ماده افزودنی کانال نویز گوسی خطی تخت سفید(AWGN) انجام شده است که در آن فقط اثرات برش از پایین OFDMAاعمال می شود در نظر گرفته شده است. این به این دلیل است که اثرات غیر خطی مانند برش از بالا و همچنین رابطه غیر خطی بین سیگنال جریان تعدیل کننده و سیگنال نوری ساطع شده مخصوص دستگاه است. در حالیکه بریدن از زیر ذاتی هر سیستم IM/DDاست. علاوه بر این ، اثرات تحریف با فرکانس پایین از DC-Wanderدر اجزای الکتریکی و همچنین از سوسو زدن منابع نور پس زمینه نیزدر نظر گرفته نشده است.در یک سناریو عملی ، این تأثیرات برای OFDMAمسئله ای نیست، اما انتظار می رود که عملکرد TDMAو CDMA کاهش یابد.بنابراین ، پیچیدگی طراحی سیستمTDMAیا CDMA به عنوان تکنیک های مناسب برای مقابله با این مشکلات که باید اجراشوند افزایش می یابد. همچنین شایان ذکراست کهمسطح نبودن کانال در یک سناریوی عملی باعث کاهش بیشتر عملکرد CDMA و TDMAدر مقایسه با OFDMA می شود.

در OWCو یک بعد جایگزین اضافی برای دستیابی به دسترسی چندگانه وجود دارد. این رنگ است‌ ، وتکنیک مربوط به تقسیم طول موج دسترسی چندگانه (WDMA)است. WDMA موارد مختلف طول موج های نور برای تسهیل دسترسی چند کاربر مهار میکند. این طرح می تواند پیچیدگی را از نظر سیگنال پردازش کاهش دهد، با این وجود منجر به افزایش پیچیدگی سخت افزار و همچنین نیاز به هر نقطه دسترسی برای چندین عنصر فرستنده با انتشار طول موج باریک می شود. این بلافاصله الزامات سختگیرانه را روی عناصر جلویی نوری ، و SNRایجاد می کند و از این رو ظرفیت را به خطر می اندازد. علاوه بر این WDMA از استفاده زیادی از LEDهای خارج از قفسه مستثنی است زیرا بیشتر آنها برایWDMA بهینه نشده اند.مشخصات معمولی انتشار یک LEDسفید خارج از قفسه در شکل ۴ نشان داده شده است. در همان زمان ، منابع نور با طیف های مختلف انتشار طول موج باریک دارای پروفیل فرکانس مدولاسیون مختلف و همچنین کارایی متفاوت نوری هستند.هنگامیکه با پاسخگویی متغیر ردیابهای نوری در طول موجهای مختلف ترکیب میشود، همانطور که در شکل ۴(ب) نشان داده شده است۷ این اختلافات توزیع عادلانه منابع ارتباطی را بشدت بین چندین کاربر پیچیده میکند.?شکل ۴. داده های ارائه شده توسط برگه های دستگاه

۴. UPLINK

تاکنون تحقیقات عمدتا برروی به حداکثر رساندن سرعت انتقال از طریق لینک یک جهته واحد بوده است. با این حال ، برای یک سیستم ارتباطی Li-Fiارتباط دوطرفه کامل مورد نیاز است ، یک اتصال uplinkاز پایانه های تلفن همراه به AP نوری باید ارائه شود. تکنیک های دوبلکس موجود مورد استفاده درRFاز جدول تقسیم زمان تقسیم دوبل (TDD) و تقسیم فرکانس دوبلکس(FDD) را می توان جاییکه downlinkو uplink به ترتیب با شکافهای زمانی مختلف یا باند فرکانسهای مختلف از هم جدا می شوند ،در نظر گرفت. با این وجودFDD ، به دلیل محدود بودن پهنای باند دستگاه های جلو ، دشوارتر است ، superhetrodyingدر سیستم های IM/DD استفاده نمیشود.TDD‌گزینه مناسبی را ارائه می دهد ، اما زمان بندی دقیق و محدودیت های همگام سازی که برای رمز گشایی داده به هر حال مورد نیاز است. با این حال ، ساده فرض میکنند که TDD‌، هر دوانتقال های uplink ‌ و downlink در همان طول موج فیزیکی انجام می شوند. این اغلب می تواند غیر عادی باشد ، زیرا ممکن است نور مرئی که توسط ترمینال کاربر ساطع می شود ، مطلوب نباشد. بنابراین ، مناسب ترین تکنیک دوبلکس در Li-Fiدوبلکس شدن تقسیم طول موج WDD است ، جایی که دو کانال ارتباطی بیش از طول موج های مختلف الکترومغناطیسی ایجاد شده است هستند. استفاده از انتقال مادون قرمز یکی از گزینه های مناسب برای (IR) ایجاد یک کانال ارتباطی uplink بیش از طول موج های مختلف الکترومغناطیسی ایجاد شده است. اولین مودمLi-Fi دوطرفه کامل تجاری با استفاده ازنور IRبرای کانال uplink اخیرا توسط pureLiFiاعلام شده است. همچنین امکان استفاده از ارتباطات RF برای لینک وجود دارد. در این پیکربندی ، ممکن است ازLi-Fi برای انجام برداشتن سنگین و بارگیری خارج ترافیک داده های از شبکه RF و در نتیجه تسکین چشمگیر طیف RFاستفاده شود. این مخصوصا مربوطه ار آنجا که عدم تعادل در ترافیک به نفع downlink در سیستم های ارتباطی بی سیم فعلی وجود دارد.

۵. LI-FI ATTOCELL

در گذشته ، ارتباطات تلفن همراه بی سیم به طور قابل توجهی ازکاهش فاصله ایستگاه های پایه سلولی بین سایت بهره مند شده است . با کاهش اندازه سلول ، بازده طیفی شبکه دو مرتبه در ۲۵ سال گذشته اخیرا افزایش یافته است. لایه های مختلف سلولی متشکل از میکروسل ، پیکوسل و فمتو است که سلولها معرفی شده اند. از این شبکه ها به عنوان شبکه های ناهمگن یاد می شود. فمتوسل ها دامنه ، قدرت انتقال کم ، کم هزینه ، ایستگاه های پایه پلاگین ، و بازی (BS) که برای استقرار در محیط داخلی هدف برگشت به شبکه اصلی اپراتور قرار می گیرند، کوتاه هستند . استقرار سلولهای femt ، باعث افزایش استفاده مجدد از فرکانس میشود و از این رو توان عملیاتی در واحد سطح در سیستم از آنجا که آنها معمولا پهنای باند مشابهی را با پهنای باند شبکه ماکروسلولار دارند . با این حال ، استقرار غیر هماهنگ و تصادفس سلول های کوچک نیز باعث ایجاد موارد اضافی تداخل درون و درون سلولی که محدودیتی در چگونگی تراکم میشود که RFکوچک می تواند قبلا تداخل شروع به جبران تمام سود های استفاده مجدد از فرکانس را ایجاد کند.

مفهوم سلول کوچک ، به راحتی می تواند به VLC گسترش یابد تا بر تداخل زیاد تولید شده توسط استفاده مجدد نزدیک از طیف فرکانس رادیویی در شبکه های ناهمگن- سایپرز ، باشگاه دانش غلبه کند. AP نوری به عنوان یک Attocell ارجاع میشود. از آنجا که در طیف نوری مرئی کار می کند ، اتوسل نوری با شبکه ماکروسلولار دخالت نمیکند. Attocell نوری نه تنها پوشش داخلی را بهبود می بخشد ، بلکه با هرگونه تداخل اضافی ، این توانایی افزایش ظرفیت شبکه های بی سیم RF را دارد. سلولهای Li-Fi برای استفاده مجدد از پهنای باند بسیار متراکم به دلیل ویژگی های ذاتی امواج نوراجازه می دهند.

?

شکل ۵. Attocellدرمتن شبکه ناهمگن

پوشش هر تک Attocellبسیار محدود است و دیوار ها مانع از تداخل سیستم کانال بین اتاق می شوند. این نیاز به استقرار چنیدن نقطه دسترسی برای پوشش دادن فضای مشخص را تسریع میکند. با این حال به دلیل نیاز به روشنایی در فضای بسته ، زیر ساخت از قبل وجود دارد و این استقرار سلول نتیجه می دهد، در فوق الذکر بسیار زیاد و عملا بدون استفاده از پهنای باند بدون تداخل استفاده می شود. محصول جانبی این نیز یک کاهش رقت پهنای باند در منطقه هر نقطه دسترسی ، که منجر به افزایش ظرفیت در دسترس برای هر کاربر می شود . میزان داده کاربر در شبکه های Attocell می تواند تا سه مرتبه اندازه بهبود یابد.

علاوه بر این ، سلول های اتوسلی Li-Fi می توانند به عنوان بخشی از یک شبکه ناهمگن VLC-RF مستقر شوند که در شکل نشان داده شده است.آنها هیچ گونه تداخل اضافی در ماکرو و پیکوسل هایRF ایجاد نمیکنند ،‌بنابراین می توانند درمحیط های RF، ماکرو ، پیکو ، و حتی فمتوسل دوبرابر شوند. این اجازه می دهد تاسیستم به طور عمودی کاربران را از شبکه های فرعی RF و Li-Fi از بین ببرد که امکان تحرک رایگان کاربر و هم کارایی بالای داده را فراهم میکند. چنین ساختار شبکه ای ، قادر است دسترسی شبکه بی سیم واقعی همه جا را فراهم کند.

۶. شبکه سلولی

استقرار چندین سلول Attack Li-Fi علاوه بر فراهم کردن ، پوشش داده ای فراگیر در یک اتاق را به روشنایی تقریبا یکنواخت فراهم می کند. این بدین معنی است کهیک اتاق حاوی اتوسل های بسیار ریز سلولی بسیار متراکم شبکه Attocellاست. شبکه ای از چنین تراکم ، به روشهایی برای کاهش تداخل داخل اتاق نیاز دارد درحالیکه اتاق ها با دیوار های بتنی از هم جدا شده اند هیچ تداخلی وجود ندارد. کاهش تداخل تکنیک های مورد استفاده در شبکه های تلفن همراه مانند تکنیک مشغول پشت سر هم ، پارتیشن بندی منابع استاتیک یا استفاده مجدد از فرکانس کسری در نظر گرفته شده است. با این حال ،‌ ویژگی های منحصر به فرد تابش نوری فرصت های خاص برای کاهش تداخل افزایش یافته درشبکه های کانونی نوری –سایپرز ،‌باشگاه دانش ارائه می دهد. به خصوص مهم است که ناتوانی نور در نفوذ به اجسام جامد است، که به شما امکان می دهد تداخل به طور موثر تری شیوه نسبت به ارتباطات RF مدیریت شود. به عنوان مثال، کاهش تداخل VLC ناشی از اجسام جامد در یک محیط داخلی معمولی منجر به افزایش فوق العاده بهره وری طیفی منطقه ASE بیش از استقرار شبکه femtocell RF در همان محیط دفتر RFدر همان محیط داخلی دفتر LTEشده است. نتایج ارائه شده بهبود در مورد ASEکه می تواند در سنارریو های خاص به فاکتور حداکثر ۱۰۰۰ برسد برجسته شده است.

تکنیک های اساسی برای افزایش ظرفیت سیستم بی سیم مانند شکل باریکه نسبتا ساده استفاده در VLCبه عنوان مشخصه تابش یک ویژگی خاص ذاتی و مربوط به چشم انداز زمینه FOV است و هیچ الگوریتم پیچیده محاسباتی و چندین منصر انتقال لازم نیست. یک مثال ساده با تکنیک انتقال مفصل در شبکه های تلفن همراه downlink VLC داخلی که توسط چن و همکاران پیشنهاد شده و در شکل ۶ نشان داده شده، ارائه شده است. کاربرد چندین الگوی انتشار باریک ساده فرستنده ها در هر یک از AP سلولهای سلولی منجر به کاهش قابل توجه تداخل کانال می شوند. این تکنیک اجازه می دهد منطقه تحت پوشش سلولس بیشتر به مناطق با تداخل کم و مناطقی که تحت آن هستند به تداخل بالاتر – معمولا در لبه های سلول تقسیم می شود. تخصیص فرکانس را می توان در بهینه ترین حالت راهیی که اجازه می دهد توزیع توان کلی در منطقه تحت پوشش انجام داد، به طور قابل توجهی افزایش یابد، همانطوریکه توسط نتایج در شکل ۷ نشان داده شده است ، مفهوم مشابهی که در سمت گیرنده تحقق یافته است در شکل۸(الف) نشان داده شده است که در آن چندین عناصر گیرنده با FOVباریک ابزاری را برای افزایش قابلیت های کاهش تداخل فراهم می کنند. FOVباریک باعث می شود هر آشکار ساز نوری فقط کسری از فضای مجود را اسکن کند. ترکیب کلی FOV از همه آشکار ساز های نوری یک گشترده فراهم میکند.این گشودگی بینایی گیرنده اجازه میدهد تا تداخل ایجاد شود. با ترکیبی دقیق از شیگنالهای خروجی ازهر عنصر گیرنده جلوگیری میشود. اینها فقط چند نمونه ازتحقیقات شبکه سلولی که در زمینه OWC است انجام می شود.?

(الف) نمایش کمک سیگنال به سلول مناطق مرکزی و مناطق متعارض

?

(ب) طرح های مختلف تخصیص فرکانس. انتقال مشترک فرکانس یکسانی را به تمام مناطق درگیری اختصاص می دهد. انتقال مشترک باند های فرکانسی غیر همپوشانی را به مناطق متعارض همسایه اختصاص می دهد.

شکل ۶ تخصیص منابع با استفاده از انتقال مشترک های مجاور همان داده ها را در مناطق با انتقال هماهنگ لبه سلول منتقل می کنند. توجه داشته باشید ، در سیگنالهای Li-Fi ، فقط به طور سازنده ای اضافه می شود که یک خاصیت خاص است در اینجا بهره برداری می شود. باند های فرکانسی اختصاص یافته به مناطق با تداخل زیاد متفاوت از باند های فرکانسی اختصاص به مناطق مرکز سلول یافته است.

?

(الف) CDFاز توان کلی سیستم

?

(ب) CDFتوان تک کاربر

شکل ۷ : مقایسه عملکرد بین چهار طرح تخصیص منابع : استفاده مجدد با فرکانس کامل (FR) ، منبع استاتیک ، پارتیشن بندی (RF) ، انتقال مشترکJT1 ، و انتقال مشترک ۲ JT2

?

(الف) گیرنده تنوع زاویه ای و یک گیرنده متعارف

?

(ب) گیرنده معمولی عملکرد (CR) در مقابل گیرنده تنوع زاویه ای با سه علامت ممکن سیگنال های ترکیبی ملی : SB بهترین ، EGC، MRC ترکیب

۷. نتیجه گیری

تحقیقات در VLCطی ده سال گذشته بیشتر در یافتن یک طرح مدولاسیون بهینه متمرکز برای فرض IM/DDبافرض پیوند های VLC از نقطه به نقطه با در نظر گرفتن اینکه VLCممکن است بطور همزمان دو سرویس کند بوده است. توابع : (الف) روشنایی ، (ب) ارتباطات بی سیم گیگا بیتی ، منابع غالب برای نمایش سیگنال شکنجه درچنین سیستمهایی وابسته به فرکانس است.این یکی از دلایل اصلی وجود یک دلیل کلی درک این است که OFDM مناسب ترین گزینه به عنوان یک طرح تعدیل دیجیتال برای Li-Fi است ، وجود دارد.دلایل فنی خوبی برای بررسی مجدد استاندارد VLC IEEE802.15.7 وجود دارد. فناوری دسترسی چندگانه ساده اجازه ویزگی خاصی که OFDMA تقریبا هیچ پیچیدگی اضافی و سازگاری آن با بی سیم پیشرفته را ارائه نمیدهد، استاندارد هایی مانند : LTE و IEEE 802.11بیشتر به انتخاب این طرح تعدیل / دسترسی چند گانه کمک می کند.

به نظر می رسد تحقق یک ارتباط دو طرفه نیز تا حدی با موفقیت مورد توجه قرار گرفته است ، دو طرفه تجاری نقطه به نقطه در دسترس هستند . اولین سیستم های Li-Fi ، دوطرفه تجاری نقطه به نقطه در دسترس هستند. عملی ترین راه حل ها برای تحقق کانال uplink در نظر گرفتن طیف IR یا RF است. اعتماد به نفس ناشی از تشویق اخیر، نتایج تحقیقات و با موفقیت در سطح VLCنمایش سطح ، اکنون تمرکز را به سمت یک کل تغییر داده است ، Li-Fi Attocell راه حل شبکه است.خصوصیات فیزیکی منحصر بفرد نور نوید بسته بندی شده بسیار متراکم می دهد.اتصالات پر سرعت شبکه و در نتیجه سفارشات باعث بهبود نرخ داده های کاربر می شود. بر اساس این بسیار نتایج امیدوار کننده ، به نظر می رسد که به سرعت در حال ظهور است به عنوان یک راه حل قدرتمند شبکه بی سیم برای بحران طیف RF پیش رو و فناوری توانمندی برای اینترنت همه چیز در آینده است. بر اساس گذشته تجربه کنید که تعداد برنامه های بی سیم در مربع تعداد فیزیکی موجود افزایش می یابد، اتصالات Li-Fi می تواند در قلب یک صنعت جدید برای موج بعدی ارتباطات بی سیم باشد.

قدردانی ها

نویسندگان با سپاس از حمایت این کار توسط تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی انگلستان تأیید می کنند

شورای (EPSRC) تحت مجوزEP / K008757 / 1.

منابع

[1] Ofcom ، "مطالعه تقاضای طیف آینده انگلیس برای برنامه های پهنای باند سیار زمینی" ، گزارش ،

بی سیم (ژوئن 2013).

[2] فهرست شبکه تصویری سیسکو ، "به روز رسانی جهانی پیش بینی ترافیک داده های تلفن همراه ، 2012-2017" ، مقاله سفید ،

CISCO (فوریه 2013).

[3] Tsonev ، D. ، Sinanovic ، S. ، و Haas ، H. ، "رمان تک قطبی متعامد چند ضلعی تقسیم بخش

(U-OFDM) برای بی سیم نوری ، "در [Proc. کنفرانس فناوری خودرو (بهارVTC)] ، IEEE ،

IEEE ، یوکوهاما ، ژاپن (6 تا 9 مه 2012).

[4] خالد ، AM ، Cossu ، G. ، Corsini ، R. ، Choudhury ، P. وCiaramella ، E. ، انتقال 1 گیگابایت بر ثانیه

یک LED سفید فسفری با استفاده از مدولاسیون گسسته گسسته با قابلیت تنظیم سرعت ، ”IEEE Photonics

ژورنال 4 ، 1465–1473 (اکتبر 2012).

[5] Cossu، G.، Khalid، AM، Choudhury، P.، Corsini، R.، and Ciaramella، E.، “3.4 Gbit / s Visible Optical

انتقال بی سیم براساس RGB LED ، ”Optics Express 20، B501 – B506 (2012).

[6] Azhar، A.، Tran، T.، and O'Brien، D.، "A گیگابیت / ثانیه انتقال بی سیم داخلی با استفاده از MIMO-OFDM

ارتباطات قابل مشاهده با نور ، ”نامه ​​های فناوریIEEE Photonics 25، 171–174 (15 ژانویه 2013).

[7] تسونف ، د. ، چون ، ه. ، راجبندری ، س. ، مک کندری ، JJD ، ویدف ، س. ، گو ، ا. ، حاجی ، م. ، واتسون ، س. ، کلی ،

A. ، Faulkner، G.، Dawson، MD، Haas، H.، and OBrien، D.، "A 3 Gb / s Single-LED OFDM based wireless

پیوند VLC با استفاده از یک گالیم نیترید LED ، "Photonics Technology Letter 99 (99) ، ظاهر می شود (2014).

[8] دیمیتروف ، S. وHaas ، H. ، "میزان اطلاعات سیستم های ارتباطی بی سیم نوری مبتنی بر dm با

اعوجاج غیرخطی ، ”Journal of Lightwave Technology 31 (6)، 918–929 (2013).

[9] Tsonev ، D. ، Sinanovic ، S. ، و Haas ، H. ، "مدل سازی کامل اعوجاج غیرخطی در نوری مبتنی بر ofm

ارتباطات بی سیم ، ”Journal of Lightwave Technology 31 (18)، 3064–3076 (2013).

[10] Elgala، H.، Mesleh، R.، and Haas، H.، "Indoor Optical Wireless Communication: Potential and the-of-the-

هنر ، ”IEEE ارتباط. مگ 49 ، 56–62 (سپتامبر 2011). ISSN: 0163-6804.

[11] Harald، B.، Nikola، S.، Dobroslav، T.، Stefan، V.، and Harald، H.، "VLC: Beyond

ارتباط نقطه به نقطه ، "

مجله ارتباطات IEEE پیش چاپ

در دسترس

در:

http://www.eng.ed.ac.uk/drupal/hxh/publications/ (2014).

[12] Vucic ، J. وLanger ، K.-D. ، "ارتباطات نور مرئی با سرعت بالا: پیشرفته ترین" ، در [فیبر نوری

کنفرانس و نمایشگاه ارتباطات (OFC / NFOEC) ، 2012 و مهندسان فیبر نوری ملی

کنفرانس] ، 1–3 (2012).

[13] Afgani، M.، Haas، H.، Elgala، H.، and Knipp، D.، "Visible Light Communication Using OFDM،" در [Proc. از

دومین کنفرانس بین المللی بسترهای آزمایش و زیرساخت های تحقیقاتی برای توسعه شبکه ها

and Communities (TRIDENTCOM)] ، 129–134 (1–3 مارس 2006).

[14] Armstrong، J. and Lowy، A.، "Power Effic Optical OFDM"، نامه الکترونیکی 42، 370–372 (16 مارس،

2006)

[15] Lee، SCJ، Randel، S.، Breyer، F.، and Koonen، AMJ، "PAM-DMT for Intensity-Modulated and Direct-

Detection Optical Communication Systems، ”IEEE Photonics Technology Letters 21، 1749–1751 (دسامبر 2009).

[16] فرناندو ، ن. ، هونگ ، ی. و ویتربو ، ا. ، "Flip-OFDM برای ارتباطات بی سیم نوری" ، در [Infor-

کارگاه تئوری mation (ITW)] ، 5-9 ، IEEE ، IEEE ، پاراتی ، برزیل (اکتبر ، 16-20 2011).

[17] اسدزاده ، ك. ، فرید ، ا. ، و هرانیلوویچ ، اس. ، "OPDM نوری به صورت طیفی" ، در

کارگاه آموزشی تئوری اطلاعات (CWIT 2011)] ، 102-105 ، IEEE (17-20 مه 2011).

[18] Fakidis ، J. ، Tsonev ، D. ، و Haas ، H. ، "مقایسه ای بینDCO-OFDMA و Synchronous One-

OCDMA بعدی برای ارتباطات بی سیم نوری ، "در [Proc. همایش بین المللی IEEE

در ارتباطات رادیویی شخصی ، داخلی و سیار(PIMRC 2013)] ، IEEE ، IEEE ، لندن ، انگلیس (سپتامبر)

8–11 ، 2013).

[19] OSRAM GmbH ، "صفحه داده: OS-PCN-2008-002-A OSTAR LED." بازیابی شده ازhttp://www.osram.de

(فوریه 2008).

[20] نیمه هادی هایVishay ، "صفحه داده: BPV10 Silicon PIN Photodiode ، سازگار با RoHS." بازیابی شده در اوت

01 ، 2012 ازwww.vishay.com/docs/81502/bpv10.pdf (آگوست 2012).

[21] Rahaim ، MB ، Vegni ، AM ، و Little ، TDC ، "یک فرکانس رادیویی ترکیبی و پخش نور مرئی

سیستم ارتباطی ، "در [کارگاه های آموزشی جهانی ارتباطات IEEE (GLOBECOM 2011)] ،

792–796 (5-9 دسامبر 2011).

[22] pureVLC ، "pureVLC Li-1st". ویدئو http://purevlc.co.uk/li-fire/purevlc-li-1st/.

[23] اورتیز ، اس. ، "صنعت بی سیم شروع به پذیرش فمتوسل می کند" ، کامپیوتر 41 ، 14–17 (ژوئیه 2008).

[24] Chandrasekhar، V.، Andrews، J.، and Gatherer، A.، "Femtocell Networks: A Survey"، IEEE Communica-

tions Magazine 46 (9)، 59-67 (2008).

[25] Haas ، H. ، "شبکه بی سیم پرسرعت با استفاده از نور مرئی." از https://spie.org/x93593.xml بازیابی شده است

(2013)

[26] Stefan ، I. ، Burchardt ، H. ، و Haas ، H. ، "مقایسه عملکرد عملکرد طیفی منطقه بین VLC"

و شبکه های Femtocell RF ، "در[Proc. کنفرانس بین المللی ارتباطات (ICC)] ، 1-5 (ژوئن

2013)

[27] Ghimire ، B. وHaas ، H. ، "هماهنگی خودتنظیم تداخل در شبکه های بی سیم نوری"

مجله EURASIP در ارتباطات و شبکه های بی سیم (2012).

[28] Marsh ، GW وKahn ، JM ، "استراتژی های استفاده مجدد کانال برای ارتباطات بی سیم مادون قرمز داخلی"

معاملات IEEE در ارتباطات 45 ، 1280–1290 (اکتبر 1997).

[29] Chen، C.، Serafimovski، N.، and Haas، H.، "استفاده مجدد فرکانس کسری در شبکه بی سیم سلولی نوری -

کار می کند ، "در [Proc. همایش بین المللیIEEE در ارتباطات رادیویی شخصی ، داخلی و سیار

کاتیونها (PIMRC 2013)] ، IEEE (8-11 سپتامبر 2013).

[30] Chen، C.، Tsonev، D.، and Haas، H.، "انتقال مشترک در فضای داخلی ارتباط نور مرئی Downlink

شبکه های تلفن همراه ، "در [Proc. کارگاه آموزشیIEEE در ارتباط بی سیم نوری (OWC 2013)] ،

IEEE (9 دسامبر 2013).