दृश्यमान प्रकाश संचार (लाइ फाई LiFi)

दूरसंचार में, दृश्य प्रकाश संचार (वीएलसी : VLC) एक संचरण माध्यम के रूप में दृश्य प्रकाश ( $400-800THz$ की आवृत्ति / $780-375nm$ की तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश) का उपयोग होता है। वीएलसी ऑप्टिकल वायरलेस संचार प्रौद्योगिकियों का एक सबसेट है।

दृश्यमान प्रकाश विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का केवल एक छोटा सा हिस्सा है।

प्रौद्योगिकी $10kbit/s$ पर संकेतों को प्रसारित करने के लिए फ्लोरोसेंट लैंप (साधारण लैंप, विशेष संचार उपकरण नहीं) का उपयोग करती है, या कम दूरी पर $500Mbit/s$ तक के लिए LED का उपयोग करती है। RONJA जैसे सिस्टम $1-2$ किलोमीटर ( $0.6-1.2$ मील) की दूरी पर पूर्ण ईथरनेट गति $(10Mbit/s)$ पर संचारित कर सकते हैं।

विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए इलेक्ट्रॉनिक उपकरण जिनमें आमतौर पर एक फोटोडायोड होता है, प्रकाश स्रोतों से संकेत प्राप्त करते हैं, [1] हालांकि कुछ मामलों में एक सेल फोन कैमरा या एक डिजिटल कैमरा पर्याप्त होगा। इन उपकरणों में प्रयुक्त छवि संवेदक वास्तव में फोटोडायोड (पिक्सेल) की एक सरणी है और कुछ अनुप्रयोगों में इसके उपयोग को एकल फोटोडायोड पर प्राथमिकता दी जा सकती है। ऐसा सेंसर मल्टी-चैनल (1 पिक्सेल = 1 चैनल तक) या कई प्रकाश स्रोतों के स्थानिक जागरूकता प्रदान कर सकता है।

वीएलसी को सर्वव्यापी कंप्यूटिंग के लिए एक संचार माध्यम के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, क्योंकि प्रकाश-उत्पादक उपकरण (जैसे इनडोर/आउटडोर लैंप, टीवी, ट्रैफिक संकेत, वाणिज्यिक प्रदर्शन और कार हेडलाइट्स/टेललाइट्स [3]) हर जगह उपयोग किए जाते हैं।^[1]

इतिहास

दृश्यमान प्रकाश संचार का इतिहास वाशिंगटन, डीसी में 1880 के दशक का है, जब स्कॉटिश में जन्मे वैज्ञानिक अलेक्जेंडर ग्राहम बेल ने फोटोफोन का आविष्कार किया था,जो,सूर्य के प्रकाश का प्रयोग कर सौ मीटर से अधिक दूरी तक भाषण प्रसारित करता था। यह रेडियो द्वारा भाषण के प्रसारण की पूर्व-तिथि है।

1963 की शुरुआत में, पहले दृश्य-स्पेक्ट्रम हीलियम-नियॉन लेज़रों के पेश होने के एक साल से भी कम समय में, EOS (इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल सिस्टम्स) एमेच्योर रेडियो क्लब के सदस्यों ने एक परियोजना शुरू की - ऑपरेशन रेड लाइन - लंबे समय तक रिकॉर्ड तोड़ने के लिए- दूरी लेजर प्रकाश संचार,वे इसमें सफल रहे।^[2]

समय के साथ साथ विजिबल लाइट कम्युनिकेशन के अलग अलग संस्करणों आ गए हैं। बिना तार संचार में प्रकाश संबंधी बेतार संप्रेषण (ऑप्टिकल वायरलेस कम्युनिकेशन), लेज़र युक्त मुक्ताकाश संचार (फ्री स्पेस कम्युनिकेशन ^[3]:जहाँ,संचार के लिये आवयश्क नेटवर्क में , बेतार और केबल ,दोनों प्रयुक्त होता है),व्हाय फाय के समान लाई फाय^[4],इन संस्करणों के उद्धारहण हैं।


कब	कहाँ	क्या
2003	केइओ विश्वविद्यालय, जापान में नाकागावा प्रयोगशाला	एलईडी का उपयोग करते हुए शोध गतिविधियां
2006	पेन स्टेट विश्वविद्यालय संयुक्त राज्य अमेरिका ,में सीआईसीटीआर	इनडोर अनुप्रयोगों के लिए ब्रॉडबैंड,व्हाइट लाइट एलईडी के संयोजन का प्रस्ताव ^[5]
2010	सीमेंस और फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर टेलीकम्युनिकेशन, हेनरिक हर्ट्ज़ इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम और नेकिया,	5 मीटर (16 फीट) की दूरी पर एक सफेद एलईडी के साथ 500 एमबीटी/एस पर संचरण का प्रदर्शन 100 एमबीटी/एस से अधिक पांच एलईडी का उपयोग कर लंबी दूरी ^[6]

मानकीकरण प्रक्रिया

वी एल सी मानकीकरण प्रक्रिया IEEE 802.15.7 कार्यकारी समूह के भीतर आयोजित की जाती है।

हाल ही में, वी एल सी-आधारित इनडोर पोजिशनिंग सिस्टम एक आकर्षक विषय बन गया है। एबीआई शोध का अनुमान है कि यह 5 अरब डॉलर के "इनडोर लोकेशन मार्केट" को अनलॉक करने का एक महत्वपूर्ण समाधान हो सकता है।^[7]नाकागावा प्रयोगशाला से प्रकाशन आ रहे हैं,^[8] बाइटलाइट ने मार्च 2012 में एलईडी डिजिटल पल्स रिकग्निशन का उपयोग करते हुए एक लाइट पोजिशनिंग सिस्टम पर एक पेटेंट^[9] दायर किया। ^[10]पेन स्टेट में COWA^[11]^[12]और दुनिया भर के अन्य शोधकर्ता।^[13]^[14]

एक और हालिया अनुप्रयोग खिलौनों की दुनिया में है, लागत-कुशल और कम जटिलता कार्यान्वयन के लिए धन्यवाद, जिसके लिए ऑप्टिकल फ्रंट-एंड के रूप में केवल एक माइक्रोकंट्रोलर और एक एलईडी की आवश्यकता होती है। ^[15]

वी एल सी का उपयोग सुरक्षा प्रदान करने के लिए किया जा सकता है।^[16] वे बॉडी सेंसर नेटवर्क और पर्सनल एरिया नेटवर्क में विशेष रूप से उपयोगी हैं।

हाल ही में $10Mbit/s$ तक VLC संचार लिंक बनाने के लिए ऑर्गेनिक LED (OLED) का उपयोग ऑप्टिकल ट्रांसीवर के रूप में किया गया है।^[17]

.एक वायरलेस नेटवर्क है जो आंकड़े संचरण के लिए दृश्यमान प्रकाश का उपयोग करता है, और ऑप्टिकल स्रोतों की तीव्रता के प्रतिरुपण (मॉडुलन) का उपयोग नहीं करता है। आंकड़े संचरण के लिए ऑप्टिकल स्रोतों के बजाय कंपन जनरेटर का उपयोग करने का विचार है।^[18]

प्रतिरुपण (प्रतिरुपण) तकनीक

आंकड़े भेजने के लिए, प्रकाश के प्रतिरुपण की आवश्यकता होती है। एक प्रतिरुपण वह रूप है जिसमें विभिन्न प्रतीकों का प्रतिनिधित्व करने के लिए प्रकाश संकेत भिन्न होता है। आंकड़े को विसंकेतन करने के लिए। रेडियो प्रसारण के विपरीत, एक वीएलसी प्रतिरुपण के लिए प्रकाश संकेत को एक सकारात्मक डीसी मान के आसपास संशोधित करने की आवश्यकता होती है, जो दीपक के प्रकाश पहलू के लिए जिम्मेदार होता है। इस प्रकार मॉडुलन सकारात्मक डीसी स्तर के चारों ओर एक वैकल्पिक संकेत होगा, जिसकी उच्च-पर्याप्त आवृत्ति मानव आंख के लिए अगोचर होगी। ^[19]

संकेतों के इस अध्यारोपण के कारण, वीएलसी प्रेषकके कार्यान्वयन के लिए आमतौर पर एक उच्च दक्षता, उच्च शक्ति, धीमी प्रतिक्रिया डीसी कनवर्टर की आवश्यकता होती है जो एलईडी पूर्वाग्रह के लिए जिम्मेदार होता है जो कम दक्षता,कम शक्ति, लेकिन उच्च प्रतिक्रिया वेग के साथ प्रकाश प्रदान करेगा। प्रवर्धक आवश्यक एसी वर्तमान मॉडुलन को संश्लेषित करने के लिए।

कई प्रतिरुपण तकनीकें उपलब्ध हैं, जो तीन मुख्य समूहों का निर्माण करती हैं: ^[20]{सिंगल-कैरियर प्रतिरूपित संचरण (SCMT)},मल्टी-कैरियर प्रतिरूपित संचरण (MCMT) और पल्स-बेस्ड संचरण (PBT)।

एकल-वाहक प्रतिरूपित संचरण (SCMT)

सिंगल-कैरियर प्रतिरूपित संचरण में रेडियो जैसे संचरण के पारंपरिक रूपों के लिए स्थापित प्रतिरुपण तकनीकें शामिल हैं। प्रकाश डीसी स्तर में एक ज्यावक्रीय तरंग जोड़ा जाता है, जिससे डिजिटल जानकारी को तरंग की विशेषताओं में कोडित किया जा सकता है। किसी दिए गए विशेषता के दो या कई अलग-अलग मूल्यों के बीच कुंजीयन करके, प्रत्येक मूल्य के लिए जिम्मेदार प्रतीकों को प्रकाश लिंक पर प्रसारित किया जाता है।

संभावित तकनीकें आयाम बंद कुंजीयन {Amplitude Switch Keying एम्प्लिट्यूड स्विच कीइंग (ASK ए एस के)}, चरण बंद कुंजीयन{Phase Switch Keying फेज स्विच कीइंग (PSK पी एस के)} और आवृति बंद कुंजीयन {Frequency Switch Keying फ्रीक्वेंसी स्विच कीइंग (एफ एस के)} हैं। इन तीनों में से, एफ एस के एक बार बड़े बिटरेट संचरण में सक्षम है, क्योंकि यह फ्रीक्वेंसी स्विचिंग पर अधिक प्रतीकों को आसानी से विभेदित करने की अनुमति देता है। समकोणिक आयाम प्रतिरुपण {क्वाडरेचर एम्प्लीट्यूड प्रतिरुपण (Quadrature Amplitude Modulation QAM)} नामक एक अतिरिक्त तकनीक भी प्रस्तावित की गई है, जहां ज्यावक्रीय वोल्टेज के आयाम और चरण दोनों को एक साथ कुंजीबद्ध किया जाता है ताकि प्रतीकों की संभावित संख्या को बढ़ाया जा सके।

बहु वाहक प्रतिरूपित संचरण (MCMT)

मल्टी-कैरियर प्रतिरूपित संचरण, सिंगल-कैरियर प्रतिरूपित संचरण विधियों के समान तरीके से काम करता है, लेकिन आंकड़े संचरण के लिए संशोधित दो या अधिक ज्यावक्रीय तरंगों को एम्बेड करता है। [30] इस प्रकार का मॉडुलन संश्लेषण और विसंकेतन करने के लिए सबसे कठिन और अधिक जटिल है। हालांकि, यह बहुपथ संचरण में उत्कृष्टता का लाभ प्रस्तुत करता है, जहां रिसेप्टर प्रेषकके प्रत्यक्ष दृश्य में नहीं होता है और इसलिए संचरण अन्य बाधाओं में प्रकाश के प्रतिबिंब पर निर्भर करता है।

पल्स-आधारित संचरण

पल्स-आधारित संचरण में प्रतिरुपण तकनीक शामिल होती है जिसमें डेटा ज्यावक्रीय तरंग पर नहीं, बल्कि स्पंदित तरंग पर संकेतित्र किया जाता है। ज्यावक्रीय वैकल्पिक संकेतों के विपरीत, जिसमें आवधिक औसत हमेशा शून्य होगा, उच्च-निम्न राज्यों के आधार पर स्पंदित तरंगें अन्तर्निहित औसत मान प्रस्तुत करेंगी। यह पल्स-आधारित संचरण प्रतिरुपण के लिए दो मुख्य लाभ लाता है:

इसे एक एकल उच्च-शक्ति, उच्च-दक्षता, धीमी प्रतिक्रिया के डीसी कनवर्टर और तेज गति में संचालित एक अतिरिक्त पावर स्विच के साथ लागू किया जा सकता है ताकि एलईडी को निर्धारित समय पर करंट दिया जा सके। एक बार औसत मूल्य डेटा सिग्नल की पल्स चौड़ाई पर निर्भर करता है, वही स्विच जो डेटा संचरण को संचालित करता है, डीसी कनवर्टर को बहुत सरल करते हुए डिमिंग कंट्रोल प्रदान कर सकता है।

इन महत्वपूर्ण कार्यान्वयन लाभों के कारण, इन डिमिंग-सक्षम प्रतिरुपण को $IEEE802.15.7$ में मानकीकृत किया गया है, जिसमें तीन प्रतिरुपण तकनीकों का वर्णन किया गया है: ऑन-ऑफ कीइंग (OOK), वेरिएबल पल्स पोजिशन प्रतिरुपण (VPPM) और कलर शिफ्ट कीइंग (CSK) ).

संपर्क विच्छेद कुंजीयन (ऑन-ऑफ कीइंग)

ऑन-ऑफ कीइंग तकनीक पर, एलईडी को बार-बार चालू और बंद किया जाता है, और प्रतीकों को पल्स चौड़ाई द्वारा विभेदित किया जाता है, जिसमें एक व्यापक पल्स तार्किक उच्च '1' का प्रतिनिधित्व करती है, जबकि संकरी दालें तार्किक निम्न '0' का प्रतिनिधित्व करती हैं। चूंकि डेटा पल्स चौड़ाई पर संकेतित्र किया गया है, इसलिए भेजी गई जानकारी सही नहीं होने पर डिमिंग स्तर को प्रभावित करेगी: उदाहरण के लिए, कई उच्च मान '1' वाला बिटस्ट्रीम कई कम मान '0' वाले बिटस्ट्रीम की तुलना में उज्जवल दिखाई देगा। इस समस्या को ठीक करने के लिए, प्रतिरुपण को एक क्षतिपूर्ति पल्स की आवश्यकता होती है जो समग्र चमक को बराबर करने के लिए आवश्यक होने पर डेटा अवधि पर डाला जाएगा। इस मुआवजे के प्रतीक की कमी कथित झिलमिलाहट का परिचय दे सकती है, जो अवांछनीय है।

अतिरिक्त क्षतिपूर्ति पल्स के कारण, इस तरंग को संशोधित करना वीपीपीएम को संशोधित करने से थोड़ा अधिक जटिल है। हालाँकि, पल्स चौड़ाई पर संकेतित्रत जानकारी को अलग करना और विसंकेतन करना आसान है, इसलिए प्रेषककी जटिलता रिसीवर की सादगी से संतुलित होती है।

परिवर्तनीय पल्स स्थिति

परिवर्तनीय पल्स स्थिति भी एलईडी को बार-बार चालू और बंद करती है, लेकिन डेटा अवधि के अंदर पल्स स्थिति पर प्रतीकों को संकेतित्र करती है। जब भी पल्स डेटा अवधि की तत्काल शुरुआत में स्थित होता है, तो प्रेषित प्रतीक को तार्किक निम्न '0' के रूप में मानकीकृत किया जाता है, तार्किक उच्च '1' स्पंदनों से बना होता है जो डेटा अवधि के साथ समाप्त होता है। क्योंकि डेटा अवधि के अंदर पल्स के स्थान पर जानकारी को संकेतित्र किया गया है, दोनों स्पंदनों की चौड़ाई समान हो सकती है और इस प्रकार, कोई संपूर्ति प्रतीक आवश्यक नहीं है। डिमिंग ट्रांसमिटिंग एल्गोरिदम द्वारा किया जाता है, जो तदनुसार डेटा स्पंदनों की चौड़ाई का चयन करेगा।

क्षतिपूर्ति पल्स की कमी वी पी पी एम को ओ ओ के की तुलना में सांकेतिक शब्दों में बदलना आसान बनाती है। हालांकि, थोड़ा अधिक जटिल विप्रतिरुपण वीपीपीएम तकनीक पर उस सरलता के लिए क्षतिपूर्ति करता है। यह विसंकेतन जटिलता ज्यादातर प्रत्येक प्रतीक के लिए अलग-अलग बढ़ते किनारों पर संकेतित्र की जा रही जानकारी से आती है, जो एक माइक्रोकंट्रोलर में नमूनाकरण को कठिन बना देती है। इसके अतिरिक्त, डेटा अवधि के भीतर स्पंद के स्थान को विसंकेतन करने के लिए, रिसेप्टर को किसी तरह प्रेषक के साथ समकालिक किया जाना चाहिए, यह जानने के लिए कि डेटा अवधि कब शुरू होती है और कितनी देर तक चलती है। ये विशेषताएं वीपीपीएम सिग्नल के विप्रतिरुपण को लागू करने के लिए थोड़ा और कठिन बनाती हैं।

वर्ण परिवृत्ति कुंजीयन (कलर शिफ्ट कीइंग)

आईईईई 802.15.7 में उल्लिखित कलर शिफ्ट कीइंग (सी एस के), वी एल सी के लिए एक तीव्रता प्रतिरुपण आधारित प्रतिरुपण योजना है। सीएसके तीव्रता-आधारित है, क्योंकि विनियमित संकेत तीन (लाल/हरा/नीला) एलईडी तात्कालिक तीव्रता के भौतिक योग के बराबर तात्कालिक रंग लेता है।यह प्रतिरूपित संकेत (मॉड्यूटेड सिग्नल) विभिन्न दृश्य रंगों में, प्रतीक से प्रतीक तक तत्काल कूदता है; इसलिए, CSK को फ़्रीक्वेंसी शिफ्टिंग के रूप में समझा जा सकता है। हालांकि, संचरित रंग में यह तात्कालिक भिन्नता मानव दृष्टि में सीमित अस्थायी संवेदनशीलता के कारण मानवीय दृष्टि से बोधगम्य नहीं है - "क्रिटिकल फ्लिकर फ्यूजन थ्रेशोल्ड" (CFF) और "क्रिटिकल कलर फ्यूजन थ्रेशोल्ड" (CCF), दोनों जिनमें से 0.01 सेकंड से कम के अस्थायी परिवर्तनों को हल नहीं किया जा सकता है। एल ई डी के प्रसारण, इसलिए, समय-औसत (सीएफएफ और सीसीएफ पर) एक विशिष्ट समय-स्थिर रंग के लिए पूर्व निर्धारित हैं। इस प्रकार मनुष्य केवल इस पूर्व निर्धारित रंग को देख सकता है जो समय के साथ स्थिर लगता है, लेकिन वह तात्कालिक रंग नहीं देख सकता है जो समय के साथ तेजी से बदलता है। दूसरे शब्दों में, सी एस के संचरण एक निरंतर समय-औसत चमकदार प्रवाह बनाए रखता है, यहां तक कि इसके प्रतीक अनुक्रम में वर्णिकता में तेजी से परिवर्तन होता है।^[21]

लाई-फाई वायरलेस

ली-फाई मॉड्यूल

वाई-फाई की तरह, लाई-फाई वायरलेस है और समान 802.11 प्रोटोकॉल का उपयोग करता है, लेकिन यह पराबैंगनी, अवरक्त और दृश्य प्रकाश संचार का भी उपयोग करता है।

वीएलसी का एक हिस्सा IEEE 802 वर्कग्रुप द्वारा स्थापित संचार प्रोटोकॉल के बाद तैयार किया गया है। हालाँकि, IEEE 802.15.7 मानक पुराना है: यह ऑप्टिकल वायरलेस संचार के क्षेत्र में नवीनतम तकनीकी विकास पर विचार करने में विफल रहता है, विशेष रूप से ऑप्टिकल ऑर्थोगोनल फ़्रीक्वेंसी-डिवीज़न मल्टीप्लेक्सिंग (O-OFDM) मॉड्यूलेशन विधियों की शुरूआत के साथ जो डेटा दरों, बहु-पहुंच और ऊर्जा दक्षता के लिए अनुकूलित किया गया है। ^[22]

निष्कर्ष

दृश्य प्रकाश संचार रेडियो फ्रीक्वेंसी संचार के लिए एक आकर्षक विकल्प है, इस अर्थ में कि दृश्य प्रकाश प्रकृति के लिए कम हानिकारक विकिरण वहन करता है। यह बहुत तेज गति भी प्रदान करता है जो अब किसी भी पारंपरिक नेटवर्क के बराबर है। वायरलेस रूप में वीएलसी आरएफ आवृत्ति नेटवर्क के रूप में विश्वसनीय है। (आरएफ आवृत्ति एक इमारत के बंद कोनों के आसपास कम विश्वसनीय है और दृश्यता कम होने पर खराब बादल वाले मौसम में वीएलसी कम विश्वसनीय है)।इन सीमाओं के बावजूद संचार के दोनों रूप लोकप्रिय हैं और इलेक्ट्रॉनिक्स और प्रकाशिकी में सक्रिय रूप से शोधित क्षेत्र हैं।

संदर्भ

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