Performance Analysis of Dual-IRS-Assisted NOMA for Underwater Visible Light Communication in Turbulent Channels
यह शोध पत्र एक्सपोनेंशियल जनरलाइज्ड गामा वितरण द्वारा मॉडल किए गए अशांत चैनलों के तहत अंडरवॉटर विज़िबल लाइट कम्युनिकेशन के लिए एक ड्यूल-आईआरएस-असिस्टेड नोमा सिस्टम का प्रस्ताव करता है, जो विश्लेणात्मक और सिमुलेशन परिणामों के माध्यम से दृष्टिकोण को मान्य करते हुए क्लोज्ड-फॉर्म प्रदर्शन मेट्रिक्स को व्युत्पन्न करता है।
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अंडरवॉटर कम्युनिकेशन (जलीय संचार) लंबे समय से इंजीनियरों के लिए एक पहेली बना हुआ है। ध्वनि तरंगें दूर तक यात्रा करती हैं लेकिन बहुत कम जानकारी ले जाती हैं और धीमी गति से चलती हैं, जबकि रेडियो तरंगें, जो हमारे सेल फोन और वाई-फाई को शक्ति प्रदान करती हैं, पानी से टकराते ही लगभग तुरंत समाप्त हो जाती हैं। यह सतह के नीचे उच्च-गति डेटा ट्रांसफर के लिए एक अंतराल छोड़ देता है। दृश्य प्रकाश (विज़िबल लाइट) एक आशाजनक समाधान प्रदान करता है, जो जानकारी को तेज़ी से और सुरक्षित रूप से भेजने के लिए चमकीले बीम का उपयोग करता है। हालाँकि, महासागर प्रकाश के लिए एक प्रतिकूल वातावरण है। जैसे-जैसे एक बीम यात्रा करती है, यह पानी द्वारा अवशोषित हो जाती है और प्लवक (प्लैंकटन) या बुलबुलों जैसे सूक्ष्म कणों द्वारा बिखेर दी जाती है। इसके अलावा, पानी शायद ही कभी स्थिर होता है; धाराएं और तापमान परिवर्तन विक्षोभ (टर्बुलेंस) पैदा करते हैं जो प्रकाश को मोड़ देते हैं, जिससे सिग्नल टिमटिमाने लगता है और फीका पड़ जाता है। समुद्री जीवन की निगरानी करने या अंडरवॉटर रोबोटों को निर्देशित करने जैसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए इस तकनीक को काम करने योग्य बनाने हेतु, वैज्ञानिकों को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता है जिससे वे इन गहरे समुद्र की उथल-पुथल के बावजूद इन प्रकाश संकेतों को मजबूत और स्थिर रख सकें।
शोधकर्ताओं प्रतिभा प्रहारशा श्रीपति, महेश मिरियला, गौतम वीरपु और विनोद किरण कप्पला ने दो उन्नत तकनीकों को मिलाकर इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने एक ऐसी प्रणाली डिजाइन की जो बाधाओं के चारों ओर प्रकाश को परावर्तित करने के लिए "स्मार्ट मिरर" का उपयोग करती है और एक साथ विभिन्न उपयोगकर्ताओं को कई संदेश भेजने की विधि का उपयोग करती है। अपने सेटअप में, सतह पर स्थित एक बेस स्टेशन दो अंडरवॉटर उपयोगकर्ताओं को एक संयुक्त सिग्नल भेजता है: एक जो पास में है और दूसरा जो दूर है। केवल प्रत्यक्ष दृष्टि रेखा (डायरेक्ट लाइन ऑफ साइट) पर निर्भर रहने के बजाय, जो अक्सर बाधित या विकृत हो जाती है, यह प्रणाली दो बुद्धिमान परावर्तक सतहों (इंटेलिजेंट रिफ्लेक्टिंग सर्फेस) का उपयोग करती है। ये पैनल छोटे, प्रोग्राम करने योग्य तत्वों से ढके होते हैं जो प्रकाश की बीम को पकड़ सकते हैं और उसे सटीक रूप से इच्छित रिसीवर की ओर मोड़ सकते हैं। यह एक माध्यमिक, परावर्तित पथ बनाता है जो प्रत्यक्ष पथ के साथ मिलकर काम करता है। दो उपयोगकर्ताओं को कुशलतापूर्वक संभालने के लिए, प्रणाली 'नॉन-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस' नामक तकनीक का उपयोग करती है, जो यह अनुमति देती है कि पास और दूर के दोनों उपयोगकर्ता एक ही प्रकाश बीम को एक ही समय में साझा कर सकें, जिसमें सिस्टम यह सुनिश्चित करता है कि दूर के उपयोगकर्ता को, जिसका कनेक्शन कमजोर है, संदेश डिकोड करने के लिए पर्याप्त शक्ति मिले।
टीम ने एक विस्तृत गणितीय मॉडल बनाया ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि यह प्रणाली समुद्र की वास्तविक जटिलताओं में कैसे व्यवहार करेगी। उन्होंने अवशोषण और बिखराव के कारण प्रकाश के नुकसान, ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच पॉइंटिंग त्रुटियों के कारण होने वाली यादृच्छिक अस्थिरता (रैंडम जिटर), और अंडरवॉटर टर्बुलेंस के कारण होने वाले जटिल फेडिंग को ध्यान में रखा। इस टर्बुलेंस का वर्णन करने के लिए, उन्होंने 'एक्सपोनेंशियल जनरलाइज्ड गामा डिस्ट्रीब्यूशन' नामक एक विशिष्ट सांख्यिकीय मॉडल का उपयोग किया, जो पानी में बुलबुलों और तापमान के बदलावों के कारण प्रकाश के विरूपण को वर्णित करने में विशेष रूप से सक्षम है। इसके बाद, उन्होंने दो महत्वपूर्ण प्रदर्शन मापों की गणना करने के लिए सटीक सूत्र निकाले: संदेश के विफल होने की संभावना (आउटेज प्रोबेबिलिटी) और प्राप्त डेटा में त्रुटियों की औसत दर। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका गणित सही है, उन्होंने हजारों कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए जो अंडरवॉटर चैनल के यादृच्छिक व्यवहार की नकल करते थे।
इन सिमुलेशन के परिणाम दर्शाते हैं कि डुअल-मिरर सिस्टम पारंपरिक सेटअप की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करता है जो या तो केवल एक प्रत्यक्ष पथ या यहाँ तक कि एक एकल दर्पण पर निर्भर करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने दर्पणों पर परावर्तक तत्वों की संख्या बढ़ाई, तो कनेक्शन की विश्वसनीयता नाटकीय रूप से सुधर गई। उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट सिग्नल स्ट्रेंथ पर, अधिक दर्पण जोड़ने से पास के उपयोगकर्ता के लिए संदेश विफल होने की संभावना लगभग दो ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड कम हो गई, और दूर के उपयोगकर्ता के लिए लगभग एक ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड कम हो गई। अध्ययन ने पानी की स्थिति के प्रभाव को भी उजागर किया। कम बुलबुलों वाले स्पष्ट ताजे पानी में, सिस्टम खारे और अधिक अशांत पानी की तुलना में बहुत बेहतर प्रदर्शन करता है। हालाँकि, कठिन परिस्थितियों में भी, डुअल-मिरर दृष्टिकोण बिना किसी सहायता के काम करने वाले सिस्टम की तुलना में स्थिरता में पर्याप्त वृद्धि प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि दूर का उपयोगकर्ता, जो आमतौर पर कमजोर सिग्नल के कारण संघर्ष करता है, अतिरिक्त शक्ति और परावर्तित पथों से बहुत लाभान्वित होता है, जिससे वह पहले की तुलना में बहुत कम त्रुटि दर प्राप्त करता है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि प्रकाश को बुद्धिमानी से पुनर्निर्देशित करके और उपयोगकर्ताओं के बीच चैनल को साझा करके, एक अधिक मजबूत अंडरवॉटर कम्युनिकेशन नेटवर्क बनाना संभव है। निष्कर्ष बताते हैं कि ऐसा सिस्टम समुद्र में उच्च-गति डेटा लिंक के लिए एक व्यवहार्य मार्ग हो सकता है, बशर्ते दर्पणों को प्रभावी ढंग से तैनात और नियंत्रित किया जा सके। लेखक नोट करते हैं कि जबकि उनके सिमुलेशन इस डिजाइन की सैद्धांतिक क्षमता की पुष्टि करते हैं, भविष्य के कार्यों को व्यावहारिक चुनौतियों, जैसे कि वास्तविक समय में दर्पणों को अनुकूलित करने और वास्तविक अंडरवॉटर वातावरण में सिस्टम का परीक्षण करने की आवश्यकता होगी। फिलहाल, यह अध्ययन एक मजबूत गणितीय प्रमाण प्रदान करता है कि स्मार्ट रिफ्लेक्शन को कुशल सिग्नल शेयरिंग के साथ जोड़ना उन प्राकृतिक बाधाओं को पार कर सकता है जिन्होंने लंबे समय से अंडरवॉटर लाइट कम्युनिकेशन को सीमित किया है।
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