Chagua Lugha

Uthibitishaji wa Majaribio ya Mawasiliano ya Kamera ya Mwanga Kulingana na Tukio katika Mazingira ya Nje ya Umbali Mrefu

Karatasi ya utafiti inayopendekeza mpango thabiti wa kufutua msimbo kwa OCC kwa kutumia vihisi vya kuona kulingana na tukio, ikifikia rekodi ya BER < 10^-3 kwa umbali wa 200m-60kbps na 400m-30kbps katika majaribio ya nje.
rgbcw.org | PDF Size: 1.7 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Uthibitishaji wa Majaribio ya Mawasiliano ya Kamera ya Mwanga Kulingana na Tukio katika Mazingira ya Nje ya Umbali Mrefu
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Uthibitishaji wa Majaribio ya Mawasiliano ya Kamera ya Mwanga Kulingana na Tukio katika Mazingira ya Nje ya Umbali Mrefu

1. Utangulizi & Muhtasari

Karatasi hii inawasilisha maendeleo ya kuvunja misingi katika Mawasiliano ya Kamera ya Mwanga (OCC) kwa kutumia Vihisi vya Kuona Kulingana na Tukio (EVS) kwa mawasiliano ya nje ya umbali mrefu na kiwango cha juu cha data. Mchango wa msingi ni mpango mpya na thabiti wa kufutua msimbo unaounganisha Ufunguo wa Washa-Zima (OOK) na kufutua msimbo wa kubadili-badili na Mzunguko wa Kufunga Awamu ya Dijitali (DPLL). Mfumo huu unashughulikia vikwazo muhimu vya OCC ya kawaida inayotegemea fremu, kama vile vikwazo vya ujazo wa data vinavyohusiana na viwango vya fremu vya kamera na mzigo mkubwa wa hesabu. Mbinu iliyopendekezwa inaonyesha utendaji wa kufunga rekodi, ikifikia Kiwango cha Hitilafu ya Biti (BER) cha chini ya $10^{-3}$ kwa umbali wa mita 200 (60 kbps) na mita 400 (30 kbps) katika mazingira ya nje, ikionyesha mruko mkubwa katika utekelezaji wa vitendo wa teknolojia ya OCC.

2. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Uvumbuzi wa msingi wa karatasi hii sio tu juu ya kusukuma umbali au kiwango cha data; ni mfano bora wa muunganisho wa mfumo unaoweza kutekelezeka. Badala ya kufuata miradi ya kufutua msimbo isiyo ya kawaida, waandishi kwa ujanja wanatumia OOK ya kawaida, na kuifanya iwe thabiti kwa ulimwengu wenye kelele na usio na mwendo wa wakati mmoja wa kuhisi kulingana na tukio. Ujanja wa kweli uko kwenye Mzunguko wa Kufunga Awamu ya Dijitali (DPLL) upande wa mpokeaji, ambao hufanya kazi kama "kizuizi cha mshtuko wa wakati," na kulipa fidia kwa mshtuko wa wakati usioepukika unaoletwa na kutumia vichujio gharama nafuu, vinavyopatikana kwa urahisi (kama Arduino) kwenye kisambazaji. Njia hii inapendelea uthabiti wa kiwango cha mfumo na ufanisi wa gharama kuliko usafi wa kinadharia—mtazamo muhimu kwa kupitishwa katika ulimwengu wa kweli.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja imejengwa kwa ustadi: 1) OCC inayotegemea fremu inagonga ukuta (upana wa bendi, usindikaji). 2) Vihisi vya kulingana na tukio vinatoa mabadiliko ya mfano (data isiyo na mwendo wa wakati mmoja, nadra). 3) Lakini pato la EVS lisilochakatwa ni fujo kwa mawasiliano. 4) Kwa hivyo, boresha majibu ya masafa ya kihisi na ongeza DPLL kwa ajili ya kurejesha wakati. 5) Matokeo: utendaji wa nje usio na kifani. Mtiririko huu unaonyesha uvumbuzi uliofanikiwa katika nyanja zingine, kama vile njia CycleGAN ilivyoshughulikia tafsiri ya picha isiyo na jozi kwa kuanzisha hasara ya uthabiti wa mzunguko—kizuizi rahisi, cha kifahari kilichosuluhisha tatizo gumu.

Nguvu & Kasoro:

  • Nguvu: Uthibitishaji wa nje ndio kipengele chake kikuu. Kazi nyingi za awali, kama ilivyoelezwa katika maktaba za dijiti za IEEE na ACM, bado zimefungwa katika mipangilio ya maabara. Matumizi ya vifaa vya gharama nafuu yanaonyesha uhandisi wa kuvutia na uwezo wa kuongezeka. Ulinganisho wa kigezo (Kielelezo 1b kwenye PDF) ni wa kulazimisha na unaonyesha wazi mruko wa utendaji.
  • Kasoro: Karatasi haina uchambuzi wa kina wa usumbufu wa njia nyingi na mng'aro wa mwanga wa mazingira (k.m., kutoka kwa jua au taa za mwanga wa baridi), ambayo ni vyanzo vikuu vya kelele katika hali halisi za nje/ndani. Lengo la BER la $10^{-3}$ ni nzuri kwa maonyesho lakini halifikii $10^{-6}$ hadi $10^{-9}$ inayohitajika kwa huduma za data zinazotegemewa. Utendaji wa mfumo chini ya uhamaji au na visambazaji vingi bado ni swali wazi.

Uelewa Unaoweza Kutekelezeka: Kwa watafiti: Zingatia uundaji wa kituo cha mawasiliano ya OCC kulingana na tukio na chunguza misimbo ya kusahihisha makosa ya mbele iliyoundwa kwa makosa ya mlipuko kutokana na tukio zilizokosa. Kwa tasnia (k.m., Sony, mchangiaji): Kazi hii inawezesha moja kwa moja matumizi katika utangazaji wa data salama, wa eneo maalum kutoka kwa alama za dijiti au viboreshaji vya IoT katika maeneo yanayohisi RF. Hatua inayofuata ni kupunguza saizi ya mpokeaji kuwa moduli inayolingana na simu janja, changamoto inayofanana na kuunganisha vihisi vya LiDAR kwenye vifaa vya rununu—gumu lakini inayobadilisha.

3. Muundo wa Mfumo & Mbinu Iliyopendekezwa

Muundo wa mfumo uliopendekezwa unajumuisha kisambazaji kinachoendeshwa na kichujio cha gharama nafuu (k.m., Arduino, M5Stack) kinachobadilisha LED, na mpokeaji unaotegemea Kihisi cha Kuona Kulingana na Tukio (EVS).

3.1 Tabia za Kihisi cha Kuona Kulingana na Tukio (EVS)

Tofauti na kamera zinazotegemea fremu, EVS hufanya kazi kwa njia isiyo na mwendo wa wakati mmoja, ikitoa mkondo wa tukio tu wakati pikseli inapogundua mabadiliko ya mwangaza ya logariti yanayozidi kizingiti kilichowekwa. Kila tukio lina viwianishi vya anga $(x, y)$, muhuri wa wakati $t$, na ubaguzi $p$ (WASHAA au ZIMA). Vigezo muhimu vinavyoweza kubadilishwa kwa kila pikseli ni pamoja na:

  • Upana wa bendi ya kichujio (cha kupitisha chini/cha kupitisha juu) ili kuunda majibu ya wakati.
  • Kipindi cha kukataa ili kuzuia kelele.
  • Kizingiti cha usikivu wa tofauti.
Waandishi waliboresha vigezo hivi ili kufanana na masafa ya misukumo ya mwanga iliyosambazwa, na kuimarza utambuzi wa ishara.

3.2 Mpango Thabiti wa Kufutua Msimbo Ulipendekezwa

Mpango wa kufutua msimbo ni njia mseto:

  1. OOK na Kufutua Msimbo wa Kubadili-badili: Data hufungwa kwa kutumia Ufunguo wa Washa-Zima. Mpokeaji hutumia utaratibu wa kubadili-badili kwenye mkondo wa tukio ili kufafanua biti, na kuufanya uwe thabiti kwa mabadiliko ya mwangaza wa msingi.
  2. Mzunguko wa Kufunga Awamu ya Dijitali (DPLL): Uvumbuzi huu wa msingi unalinganisha saa ya sampuli ya mpokeaji na mkondo wa tukio unaokuja. Hulipa fidia kwa mshtuko wa wakati kutoka kwa kisambazaji cha gharama nafuu na makosa ya mlipuko kutokana na utambuzi wa tukio uliokosa, na kuboresha kwa kiasi kikubwa BER. DPLL hubadilisha awamu yake $\phi$ kulingana na hitilafu kati ya wakati unaotarajiwa na halisi wa kufika kwa tukio.

4. Maelezo ya Kiufundi & Uundaji wa Kihisabati

Pato la pikseli ya EVS linaweza kuonyeshwa kama mkondo wa matukio $E_i = \{x_i, y_i, t_i, p_i\}$. Kwa ishara ya OOK iliyosambazwa $s(t) \in \{0, 1\}$, uwezekano wa kuzalisha tukio unahusiana na derivative ya wakati wa ukali wa logi. Uendeshaji wa DPLL unaweza kurahisishwa kama mlinganyo wa sasisho la wakati tofauti:

$$\phi[n+1] = \phi[n] + K_p \cdot e[n] + K_i \cdot \sum_{k=0}^{n} e[k]$$

ambapo $\phi[n]$ ni makadirio ya awamu katika hatua $n$, $e[n]$ ni hitilafu ya awamu (tofauti kati ya wakati wa tukio lililogunduliwa na saa ya ndani ya DPLL), na $K_p$, $K_i$ ni viwango vya faida vya uwiano na jumla, mtawalia. Hii inaruhusu mpokeaji "kufunga" saa ya kisambazaji licha ya mshtuko wa wakati.

5. Matokeo ya Majaribio & Utendaji

5.1 Usanidi wa Majaribio

Majaribio ya nje yalifanywa na kisambazaji (LED iliyoendeshwa na kichujio) na mpokeaji wa EVS. Umbali wa 200m na 400m ulijaribiwa. Mfumo ulitumia vipengele vinavyopatikana kwa urahisi, vya gharama nafuu ili kusisitiza utendaji wa vitendo.

5.2 Matokeo na Kigezo cha Linganisho

Vipimo Muhimu vya Utendaji

  • Umbali wa 200m: Ilifikia 60 kbps na BER < $10^{-3}$.
  • Umbali wa 400m: Ilifikia 30 kbps na BER < $10^{-3}$.
  • Ulinganisho: Kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu ya kigezo (Kielelezo 1b cha PDF), kazi hii inavunja kwa kiasi kikubwa mifumo ya awali ya OCC ya ndani na nje inayotegemea tukio katika kipimo cha pamoja cha umbali na kiwango cha data. Kazi za awali kama Wang 2022 na Shen 2018 zimekusanywa katika masafa mafupi au kasi za chini.

Matokeo yanaonyesha kwa uhakika kwamba kufutua msimbo kulingana na DPLL uliopendekezwa hupunguza kwa ufanisi mshtuko wa wakati, na kuwezesha mawasiliano ya kuaminika katika masafa yasiyo na kifani kwa OCC.

6. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kesi

Mfumo: Mkusanyiko wa Mawasiliano wa Kipaumbele cha Kwanza cha Uthabiti
Karatasi hii inapendekeza kwa njia isiyo wazi mfumo wa usanidi ambapo uthabiti dhidi ya ukosefu wa usahihi wa vifaa ni mwanachama wa daraja la kwanza. Mfano wa kesi wa kuchambua pendekezo jipya la OCC ungekuwa:

  1. Uchambuzi wa Safu ya Utoaji wa Vifaa: Je, ni tabia za asili za kelele/mshtuko wa wakati za kisambazaji/mpokeaji uliochaguliwa? (k.m., mshtuko wa wakati wa MCU, ucheleweshaji wa kihisi).
  2. Utaratibu wa Uthabiti: Je, ni kipengele gani cha algoriti (k.m., DPLL, usimbaji maalum) kimeanzishwa ili kufyonza kasoro hizo?
  3. Ukweli wa Kituo: Je, majaribio yanafanywa katika kituo cha kweli (mwanga wa nje, uhamaji) au maabara iliyodhibitiwa? Je, ni vyanzo gani vikuu vya kelele vinavyoshughulikiwa?
  4. Pembetatu ya Kubadilishana Utendaji: Panga mfumo kwenye pembetatu ya Kiwango cha Data, Umbali, na Kiwango cha Hitilafu ya Biti. Kazi hii inasukuma mpaka wa makali ya Kiwango-Umbali huku ikidumisha BER ya vitendo.
Kutumia mfumo huu kwenye karatasi hii inaangazia nguvu yake katika hatua 1 & 2 (kushughulikia mshtuko wa wakati wa MCU na DPLL) na hatua 3 (majaribio ya nje), na kuhalalisha mruko wake wa utendaji.

7. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

Matumizi:

  • Huduma Salama Zinazotegemea Eneo: Kutangaza funguo zilizosimbwa au data kutoka kwa taa za barabarani, alama, au maonyesho ya makumbusho hadi kwenye simu janja maalum bila usumbufu wa RF.
  • IoT ya Viwanda katika Maeneo Yanayohisi RF: Mawasiliano katika viwanda vya kusafisha mafuta, vyumba vya MRI vya matibabu, au vyumba vya ndege.
  • Gari-kwa-Miundombinu (V2I): Kuongeza mawasiliano yanayotegemea RF na viungo vya mwanga vya mwelekeo wa juu kutoka kwa taa za trafiki hadi magari yanayojitegemea.
  • Mawasiliano ya Chini ya Maji: LED za bluu/kijani na kamera zinaweza kubadilisha teknolojia hii kwa viungo vya data vya chini ya maji vya masafa mafupi.

Mwelekeo wa Utafiti:

  • Muunganisho wa usimbaji wa kituo cha hali ya juu (k.m., misimbo ya LDPC, Polar) ili kufikia utendaji karibu na usio na hitilafu ($BER < 10^{-6}$).
  • Uundaji wa mbinu za Ingizo Nyingi-Pato Nyingi (MIMO) kwa kutumia safu za EVS kwa ajili ya kuzidisha anga na kuongeza uwezo.
  • Ubadilishaji wa vigezo vinavyobadilika kwa pikseli za EVS ili kuzoea mabadiliko ya hali ya mwanga wa mazingira kwa wakati halisi.
  • Juhudi za kuanzisha viwango, uwezekano kupitia taasisi kama IEEE au Chama cha Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana, ili kuhakikisha utendaji wa pamoja.

8. Marejeo

  1. Z. Wang et al., "Event-based High-Speed Optical Camera Communication," katika IEEE Transactions on Communications, 2022.
  2. W.-H. Shen et al., "High-Speed Optical Camera Communication Using an Event-Based Sensor," katika Proc. OFC, 2018.
  3. J. Geng, "Structured-light 3D surface imaging: a tutorial," Optics and Lasers in Engineering, 2011. (Mfano wa kuhisi wa hali ya juu wa mwanga)
  4. P. Lichtsteiner et al., "A 128×128 120 dB 15 μs Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor," IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008. (Karatasi ya msingi ya EVS)
  5. IEEE Xplore Digital Library. Tafuta: "Optical Camera Communication".
  6. ACM Digital Library. Tafuta: "Event-based Vision Communication".
  7. Zhu, J.Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A.A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV. (Iliyotajwa kwa njia ya kutatua matatizo inayolingana).