Mtandao wa Sensorer wa Kuona kwa Kompyuta wa Wasi wa Upatikanaji wa Takwimu wa Juu Kupitia NFC ya Vyumba Vingi

1. Utangulizi na Muhtasari

Kazi hii inapendekeza mfumo mpya wa Mawasiliano ya Karibu ya Vyumba Vingi (NFC) ulioundwa kushughulikia kikwazo muhimu cha uhamishaji data katika mitandao ya wasi ya sensorer za kuona kwa kompyuta. Kwa kuwa sensorer za kuona zinatengeneza idadi kubwa ya data za hali ya juu (k.m., mkondo wa video wa 4K), viungo vya wasi vya kawaida kama Bluetooth na WiFi Direct vinakabiliwa na ucheleweshaji mkubwa katika uanzishaji wa kiungo na upana wa ukubwa mdogo usioweza kuongezeka. Mfumo uliopendekezwa unatumia masafa mengi ya ISM yasiyo na leseni (k.m., 900 MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz) wakati mmoja kufikia ufanisi wa juu wa jumla, unaowezeshwa na itifaki rahisi na Kipeperushi cha Kidijitali-Kamili (ADTX) kilichotekelezwa kwenye FPGA kwa ajili ya utengenezaji wa haraka wa mfano.

Ufahamu Muhimu

Tatizo: Kuunganishwa kwa wasi kwa ufanisi wa juu na ucheleweshaji mdogo kunahitajika kati ya sensorer za kuona na vichakataji kwa matumizi kama vile AR/VR na SLAM.
Suluhisho: Mfumo wa NFC wa vyumba vingi unaoweka sambamba mitiririko ya data kwenye masafa mengi ya RF.
Kiwewe: Usanifu wa Kipeperushi cha Kidijitali-Kamili (ADTX) kwa utekelezaji wa haraka na uwezekano wa ufanisi wa nishati.
Faida: Uanzishaji wa kiungo wa haraka kuliko Bluetooth/WiFi na kiwango cha data kinachoweza kuongezeka kwa kinadharia kupitia muunganiko wa upana wa ukubwa.

2. Teknolojia ya Msingi na Usanifu wa Mfumo

2.1. Uhitaji wa NFC ya Kasi ya Juu katika Mifumo ya Kuona

Kuona kwa kompyuta kisasa, kinachotumia masomo ya mashine, kunahitaji uhamishaji wa seti kubwa za data kutoka kwa sensorer hadi vitengo vya usindikaji. Ingawa Bluetooth na WiFi hutoa viwango vya juu vya data, itifaki zao zinajumuisha hatua ndefu za kutafuta na kuunganisha (>sekunde 10), na hivyo kudhoofisha uzoefu wa mtumiaji kwa ushirikishaji wa haraka wa faili au matumizi ya wakati halisi. Zaidi ya hayo, upana wa ukubwa wao umepunguzwa na udhibiti wa wigo. NFC, kwa masafa yake mafupi sana (<3 cm), inaruhusu matumizi ya upana mkubwa wa ukubwa kwa nguvu ndogo, kufuata kanuni huku ikiwezesha itifaki rahisi na ya haraka inayofaa kwa jozi moja maalum ya TX-RX.

Muktadha wa Mfumo: Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1 wa PDF, sensorer ya kuona na kichakataji vimeunganishwa kupitia kiungo cha NFC. Kipokezi kilichosanifiwa na kinga hutumiwa kulenga uga wa RF na kupunguza uvujaji.

2.2. Usanifu wa Muunganisho wa RF wa Vyumba Vingi

Uvumbuzi wa msingi ni matumizi ya masafa mengi ya ISM sambamba. Mtiririko wa data umegawanywa katika mitiririko midogo mingi. Kila mtiririko mdogo hubadilishwa kuwa kiwango cha juu kwenye kipindi tofauti, kilichobainishwa awali, cha masafa ya ISM. Hizi ishara nyingi za RF kisha huchanganywa kwa kutumia kichanganyaji cha nguvu [9] kwa ajili ya utumaji, kama ilivyoonyeshwa kwa dhana kwenye Mchoro 3 wa PDF.

Kanuni Muhimu: Kiwango cha jumla cha data $R_{total}$ kinakuwa jumla ya viwango vya data kwenye kila kipindi: $R_{total} = \sum_{i=1}^{N} R_i$, ambapo $N$ ni idadi ya vipindi vinavyotumiwa. Hii inatoa njia ya kuongeza ufanisi zaidi ya kikomo cha kipindi chochote kimoja.

2.3. Kipeperushi cha Kidijitali-Kamili (ADTX) chenye FPGA

Ili kuwezesha utengenezaji wa haraka wa mfano, kazi hii inatumia njia ya usanifu ya Kipeperushi cha Kidijitali-Kamili (ADTX) iliyopendekezwa na Li et al. [10]. Njia hii hutekeleza kipeperushi cha RF hasa kupitia muundo wa mantiki ya dijitali kwenye FPGA, na hivyo kupunguza sana muda wa kukamilisha usanifu.

Usanifu: Kipeperushi (Mchoro 4 katika PDF) hutumia Ubadilishaji wa Sigma-Delta (SDM) na mchanganyiko wa msingi wa XOR kubadilisha ishara za dijitali za msingi moja kwa moja kuwa ishara ya RF ya kasi ya juu. Njia hii yenye mkusanyiko wa dijitali inalingana na mienendo katika redio inayofafanuliwa na programu na inatoa faida katika uwezo wa kusanifu upya na uwezekano wa ufanisi wa nguvu kwa miradi maalum ya ubadilishaji.

3. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo wa Kazi

3.1. Maelezo ya Kiufundi na Muundo wa Hisabati

Utumaji wa vyumba vingi unaweza kuonyeshwa kama mfumo wa njia sambamba. Ikiwa kila kipindi $i$ kina ufanisi wa wigo unaoweza kufikiwa wa $\eta_i$ (bits/s/Hz) na upana wa ukubwa unaopatikana wa $B_i$, kiwango cha data cha kipindi hicho ni $R_i = \eta_i B_i$. Uwezo wa jumla umepunguzwa na upana wa jumla wa ukubwa na Uwiano wa Ishara-kwa-Kejele (SNR) katika kila kipindi, ambacho kwa kawaida ni cha juu kwa viungo vya karibu.

Uendeshaji wa ADTX unajumuisha kutengeneza saa ya dijitali ya masafa ya juu. Data hubadilishwa kwa kutumia mpango kama BPSK au QPSK uliotekelezwa katika kikoa cha dijitali. Kichanganyaji cha XOR hufanya kama kizidishaji cha dijitali, kikifanya kwa ufanisi: $RF_{out}(t) = D(t) \oplus CLK_{RF}(t)$, ambapo $D(t)$ ni ishara ya data iliyobadilishwa na $CLK_{RF}(t)$ ni saa ya mchukuzi wa RF. Matokeo kisha huchujwa ili kuzuia mawimbi ya sauti.

3.2. Mfumo wa Uchambuzi na Mtiririko wa Kazi wa Kimawazo

Uchunguzi wa Kesi: Uhamishaji wa Picha ya 4K kutoka Kamera hadi Simu kwa Wasi

Chanzo: Mtumiaji huleta simu ndani ya 3 cm ya moduli ya sensorer ya kamera.
Uanzishaji wa Kiungo wa Haraka: Itifaki rahisi ya NFC inaanzisha kiungo kwa milisekunde (ikilinganishwa na sekunde za Bluetooth).
Mgawanyiko wa Data: Faili ya picha ya 4K ya 12 MB imegawanywa katika, kwa mfano, mitiririko midogo 3.
Utumaji Sambamba: Kila mtiririko mdogo hubadilishwa kuwa kiwango cha juu kwenye vipindi vya 900 MHz, 2.4 GHz, na 5.8 GHz, mtawalia, na hutumwa wakati mmoja kupitia mbele ya RF iliyochanganywa.
Upokeaji na Uchanganyaji: Kipokezi cha simu hutenganisha vipindi, hubadilisha kila kimoja kuwa kiwango cha chini, na kukusanya tena faili ya asili.

Mfumo huu unaangazia uwezekano wa "kugusa-na-kwenda" ushirikishaji wa data wa kasi ya juu sana, uboreshaji mkubwa wa uzoefu wa mtumiaji.

4. Matokeo, Majadiliano na Mtazamo wa Baadaye

4.1. Ufanisi Unatarajiwa na Uchambuzi wa Kulinganisha

Ingawa PDF haionyeshi matokeo yaliyopimwa, faida zinazotarajiwa ziko wazi kutoka kwa usanifu:

Kiwango cha Data: Uwezekano wa kuzidi 250 Mbps ya WiFi Direct kwa kuchanganya vipindi. Makadirio ya kihafidhina kwa kutumia vipindi vitatu na 20 Mbps kila kimoja hutoa 60 Mbps; ubadilishaji mkali zaidi unaweza kuiongeza zaidi.
Ucheleweshaji: Muda wa uanzishaji wa kiungo unatarajiwa kuwa wa haraka zaidi kuliko Bluetooth/WiFi, jambo muhimu kwa matumizi ya kuingiliana.
Ufanisi: ADTX na uendeshaji wa masafa mafuri yanaahidi nishati ndogo kwa kila biti ikilinganishwa na redio za kawaida za uga wa mbali kwa ufanisi sawa katika masafa mafupi sana.

Dhana ya Chati (Maelezo ya Mchoro 2 & 3): Mchoro 2 unaonyesha usanidi wa kimwili na kipokezi na kinga kuhakikisha kuunganishwa kwa ufanisi na kufungwa kwa karibu. Mchoro 3 ni mchoro wa kuzuia unaonyesha mitiririko miwili ya data ikibadilishwa kuwa kiwango cha juu kwenye masafa tofauti ya mchukuzi (Ishara ya RF 1 & 2) na kisha kuchanganywa kuwa ishara moja ya matokeo kwa ajili ya utumaji, ikionyesha kwa kuona kanuni ya uunganishaji wa vyumba vingi.

4.2. Matumizi Yanayotarajiwa na Mwelekeo wa Baadaye

Matumizi ya Haraka:

Uhamishaji wa haraka wa vyombo vya habari vya HD kati ya kamera, simu, na kompyuta kibao.
Vituo vya kukodisha vya wasi kwa kompyuta za mkononi/kompyuta kibao na usawazishaji wa haraka wa data ya kasi ya juu.
Roboti na ndege za moduli, ambapo sensorer za kuona zinaweza kuunganishwa kwa wasi na haraka kwa kichakataji kikuu.

Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye:

Ubadilishaji wa Juu: Utekelezaji wa QAM ya hali ya juu kwenye kila kipindi ili kuongeza ufanisi wa wigo $\eta_i$.
Usanifu Uliochanganywa: Kuhamisha kutoka kwa mfano wa FPGA hadi ASIC maalum kwa ADTX ili kupunguza ukubwa na matumizi ya nguvu.
Mchanganyiko wa MIMO-NFC: Kuchunguza mbinu za pembejeo nyingi-matokeo mengi (MIMO) ndani ya uga wa karibu ili kuzidisha zaidi uwezo.
Uwekaji wa Kawaida: Kupendekeza kiwango kipya cha NFC cha kasi ya juu kwa Jukwaa la NFC au mashirika sawa ili kuhakikisha ushirikiano.

5. Marejeo

[1-5] Marejeo mbalimbali ya algoriti za masomo ya mashine katika kuona kwa kompyuta.
[6-7] Marejeo juu ya usindikaji wenye ufanisi wa nishati.
[8] Kanuni za FCC kuhusu vipindi vya ISM.
[9] Marejeo juu ya usanifu wa kichanganyaji cha nguvu.
[10] Li et al., "Njia ya usanifu wa kipeperushi cha kidijitali-kamili," mkutano au jarida husika.
Chanzo cha Nje: Goodfellow, I., et al. "Generative Adversarial Nets." Advances in Neural Information Processing Systems. 2014. (Iliyotajwa kama mfano wa msingi wa ML ya kisasa inayochochea mahitaji ya data).
Chanzo cha Nje: "Viashiria vya IEEE 802.11." Tovuti ya IEEE. (Iliyotajwa kama kiwango kinachodhibiti WiFi, kukiangazia utata wa itifaki yake).

6. Uchambuzi wa Asili wa Mtaalamu

Ufahamu wa Msingi

Karatasi hii sio tu kuhusu NFC ya haraka; ni mabadiliko ya kimkakati ya kurudisha nafasi ya muunganisho wa masafa mafupi, msongamano wa juu ambayo Bluetooth na WiFi zimechukua kwa ujinga. Waandishi wamebainisha kwa usahihi kwamba "ucheleweshaji wa kuunganisha" wa viwango vya wasi vya kisasa ni dhambi ya usanifu kwa mwingiliano wa binadamu-kompyuta usio na mipaka. Shauku yao ya muunganiko wa vyumba vingi ndani ya kizuizi cha kimwili cha NFC ni ujanja—inapita mchakato wa polepole, wa kisiasa wa kugawa wigo mpya wa upana mkubwa kwa kushona pamoja vipande vyenye upana mdogo vilivyopo. Hii inakumbusha muunganiko wa mchukuzi katika 4G/5G, lakini inatumika kwa tatizo la kiwango cha sentimita. Uchaguzi wa Kipeperushi cha Kidijitali-Kamili (ADTX) unaonyesha; ni hatua kuelekea safu ya kimwili inayofafanuliwa na programu, inayoendeshwa na FPGA/ASIC, ikilingana na mienendo katika RAN wazi na redio zinazobadilika, kama inavyoonekana katika utafiti kutoka taasisi kama MIT's Microsystems Technology Laboratories.

Mtiririko wa Mantiki

Hoja inatiririka kwa mantiki kutoka kwa hatua ya maumivu iliyobainishwa vizuri (wasi wa polepole, mkubwa kwa data ya kuona) hadi suluhisho la kanuni. Mnyororo wa mantiki ni: Data ya kuona ni kubwa na inakua (4K/8K) → Viashiria vilivyopo vina mzigo mkubwa wa itifaki → Masafa mafupi ya NFC yanaruhusu nafasi ya udhibiti kwa itifaki rahisi na upana wa ukubwa unaofaa zaidi → Lakini kipindi kimoja cha ISM bado kimepunguzwa → Kwa hivyo, tumia vipindi vingi sambamba. Ujumuishaji wa ADTX ni kiwezeshi cha vitendo kwa kasi ya utafiti, sio uvumbuzi wa msingi wenyewe. Inawaruhusu kujaribu dhana ya vyumba vingi bila kukwama katika usanifu wa RFIC ya analogi, mkakati mzuri wa MVP.

Nguvu na Kasoro

Nguvu: Dhana ni nadhifu na inashughulikia pengo halisi la soko. Matumizi ya vipindi vya ISM vilivyothibitishwa ni ya kifahari kwa utii wa udhibiti na utengenezaji wa haraka wa mfano. Mwelekeo kwenye uzoefu wa mtumiaji (muunganisho wa haraka) ni tofauti muhimu ambayo mara nyingi hupuuzwa katika utafiti wa safu ya PHY pekee.

Kasoro Muhimu: Karatasi hii inanyamaza kwa wazi kuhusu utata wa kipokezi. Kupokea na kusimbua wakati mmoja vipindi vingi, vinavyoweza kuwa visivyo na mipaka, vya RF kunahitaji uchujaji wa kisasa, njia nyingi za kubadilisha kuwa kiwango cha chini, na usawazishaji, ambavyo vinaweza kufuta akiba ya nguvu na gharama iliyoahidiwa na TX rahisi. Udhibiti wa usumbufu kati ya vipindi vilivyojitengenezea (ubadilishaji wa ndani) pia umepitishwa kwa mkono. Zaidi ya hayo, wakati wanataja kazi ya ADTX [10], madai ya ufanisi wa nishati kwa miradi ya ubadilishaji ya ufanisi wa juu yanahitaji uthibitisho; kubadilisha dijitali kwa viwango vya GHz kunaweza kuwa na njaa ya nguvu. Ikilinganishwa na usawazishaji uliorekodiwa kwa uangalifu katika karatasi ya vifaa ya msingi kama ile ya Eyeriss (kizidishaji cha CNN chenye ufanisi wa nishati), kazi hii haina matokeo halisi, yaliyopimwa ya kuthibitisha ahadi zake.

Ufahamu Unaotekelezeka

Kwa wasimamizi wa bidhaa katika simu za mkononi au AR/VR: Utafiti huu unaashiria uwezekano wa baadaye ambapo "kugusa-kushiriki" kunamaanisha kuhamisha filamu kamili kwa sekunde, sio tu mawasiliano. Anza kutathmini uhamishaji wa data wa upana mkubwa wa ukubwa, unaotegemea umbali wa karibu, kama kipengele cha msingi cha vifaa vya kizazi kijacho.

Kwa wahandisi wa RF: Changamoto halisi sio kipeperushi. Mipaka ya utafiti hapa iko katika kubuni vipokezi vya nguvu ndogo, vilivyochanganywa, vya vyumba vingi vilivyo na hisia ya haraka ya njia. Lenga usanifu mpya wa muundo wa vichujio na viimarishaji vya kelele ndogo (LNAs) vya upana mkubwa wa ukubwa.

Kwa vyombo vya kawaida (Jukwaa la NFC, Bluetooth SIG): Zingatia. Kazi hii inaangazia kasoro ya uzoefu wa mtumiaji katika viashiria vyako vya sasa. Fikiria kukuza hali mpya ya itifaki, ya haraka sana, rahisi hasa kwa mipigo ya data ya ufanisi wa juu na masafa mafupi sana. Baadaye ya muunganisho usio na mipaka iko katika itifaki ambazo hazionekani kwa mtumiaji.

Kwa kumalizia, karatasi hii inapiga bendera ya kuvutia kwenye kipande cha thamani cha ardhi ya dhana. Ni mpango mzuri wa matumaini, lakini mafanikio yake ya mwisho yanategemea kusuluhisha changamoto ngumu zaidi za upande wa kupokea na ushirikiano ambazo kwa sasa zinapitishwa.