توصيفگر ها :
اينترنت وسيله نقليه , سيستم هاي حمل و نقل هوشمند , مخابرت نوري مبتني بر دوربين , تابع انتشار نقطه تابش , اغتشاشات جو , كدگذاري فضايي
چكيده فارسي :
چكيده
شبكه اينترنت وسايل نقليه امكان تبادل اطلاعات بين وسيله نقليه، زيرساختها و عابرين پياده را به منظور افزايش سطح ايمني جادهها فراهم ميكند. به دليل اشباع بودن باند امواج راديويي، اتصال تمام وسايل نقليه به شبكه اينترنت وسايل نقليه با استفاده از امواج راديويي امكان پذير نيست. يكي از بهترين راهحلهاي بحران طيف امواج راديويي، استفاده از طيف امواج نور مرئي به صورت مكمل طيف امواج راديويي است. در محيط حمل و نقل، استفاده گسترده از ديودهاي نوري (LED) براي تأمين روشنايي و استفاده روزافزون از دوربينها در داخل خودروها و جادهها فرصتي عالي براي فناوري مخابرات نوري مبتني بر دوربين (OCC) فراهم كرده است. پايين بودن نرخ فريم در دوربينها باعث محدود شدن سرعت تبادل اطلاعات در فناوري OCC ميشود. در اين تحقيق، فناوري چندآنتني (MIMO) براي حل اين چالش بررسي شده است.
در اين پژوهش، ما چالشهاي يك سيستم MIMO-OCC در محيط حمل و نقل را بررسي كرده و سپس به ارائه راهكار براي حل اين چالشها ميپردازيم. سيستم MIMO-OCC در اين رساله شامل يك چراغ راهنمايي در فرستنده است كه LEDهاي آن دادهها را به صورت جداگانه در كانالهاي موازي به دوربين يك خودرو در قسمت گيرنده ارسال ميكنند. فاصله كوچك چند ميليمتري بين LEDها در منابع نوري باعث ميشود برخي از عوامل مانند پرسپكتيو، فاصله فرستنده و گيرنده، حركت خودرو، شرايط بد آب و هوا، اغتشاش، و عوامل داخلي دوربين باعث تداخل كانالهاي مجاور و در نتيجه افزايش تداخل بين پيكسلها شوند. در اين پژوهش چالشهاي حركت خودرو، اغتشاش، و عوامل داخلي دوربين روي يك سيستم MIMO-OCC در محيط حمل و نقل بررسي ميشود. ابتدا با كمك تابع انتشار نقطه تابش، تأثير اغتشاش جو بررسي ميشود. به همين منظور براي بررسي اثر اغتشاش شديد روي تداخل بين پيكسلها، پارامتر DND و براي بررسي اغتشاش خيلي شديد پارامتر PSLED معرفي ميگردد. همچنين تأثير پارامترهاي دوربين و LEDها در ميزان اثر مخرب اغتشاش روي تداخل بين پيكسلها مورد ارزيابي قرار ميگيرد. نتايج شبيهسازيها نشان ميدهد در حالت بدون اغتشاش جو، افزايش اندازه قطرLED ها از 10 mm به20 mm ، مقدار DND را براي لينكهاي به طول20 m ، 60 m و 100 mبه ترتيب به اندازه تقريباً 1، 6 و 8 عدد ديجيتال كاهش ميدهد. حركت خودرو يكي از بزرگترين چالش سيستمهاي MIMO-OCCدر محيط حمل و نقل به حساب ميآيد. در اين پژوهش براي اولين بار تأثير حركت خودرو روي تابع انتشار نقطه تابش بررسي ميشود. با حركت خودرو تصوير LEDها در جهت حركت خودرو روي حسگر تصوير پخش ميشود. بنابراين با افزايش سرعت حركت و سرعت زاويهاي خودرو، تداخل بين پيكسلها افزايش و نسبت سيگنال به نويز و نسبت سيگنال به تداخل و نويز كاهش مييابد. براي ارزيابي نتايج شبيهسازيها در اين تحقيق، يك كانال MIMO-OCCدر محيط آزمايشگاهي پيادهسازي و نتايج آن با نتايج شبيهسازيها مقايسه ميگردد. در اين مقايسه مشاهده ميشود كه نتايج آزمايشگاهي مطابقت خوبي با نتايج شبيهسازيها دارند. در اين تحقيق براي كاهش تأثير عوامل مخرب روي سيستم MIMO-OCC در محيط حمل و نقل از دو تكنيك كدگذاري فضايي و يادگيري عميق استفاده ميكنيم. كدگذاري فضايي ميتواند طول كانال نوري را افزايش دهد اما باعث كاهش نرخ داده ميشود. يادگيري عميق نيز ميتواند در تشخيص LEDها و دادههاي ارسالي كمك كند اما حجم پردازش در گيرنده را افزايش ميدهد.
چكيده انگليسي :
Abstract
The Internet of Vehicles (IoV) allows connectivity between vehicles, infrastructure, and pedestrians in order to increase road safety. Due to the limitations of RF spectrums, it is expected that the ever-increasing demand for data transmission will not be met by RF alone in the near future. Therefore, researchers introduced the optical spectrum as a suitable candidate for a complementary solution to the RF spectrum. The widespread use of light-emitting diodes (LEDs) for illumination and cameras in vehicular environments provides an excellent opportunity for optical camera communication (OCC) in intelligent transport systems. The low frame rate in cameras limits the speed of information exchange in OCC technology. In this research, multiple input multiple output technology (MIMO) has been investigated to solve this challenge.
In this research, we examine the challenges of a MIMO-OCC system in the transportation environment and then propose two solutions to solve these challenges. In this thesis, we consider a vehicular MIMO-OCC system model in which the traffic light LEDs transmit data streams separately in parallel channels to the camera of a vehicle. Since LEDs in the light sources are about a few millimeters apart, these parallel channels may disturb each other in MIMO-OCC systems. Some factors such as perspective, link distance, vehicle motion, lens blurring, bad weather conditions, noise, turbulence, and camera's internal factors can cause adjacent channels to interfere with each other and thus the interference between pixels increases. In this research, the challenges of vehicle motion, turbulence, and camera's internal factors are investigated on a MIMO-OCC system in the transportation environment. First, we employ point spread function (PSF) analysis to investigate the impact of turbulence on MIMO-OCC systems. For this purpose, the DND parameter is introduced to investigate the effect of strong turbulence, and the PSLED parameter is introduced to examine very strong turbulence on the interference between pixels. Also, we derive the effect of strong and very strong turbulence on the interference between pixels for various link distances, traffic light settings, and camera parameters. The results of the simulations show that in the case of no atmospheric turbulence, increasing the diameter of LEDs from 10 mm to 20 mm reduces the DND value for links of 20 m, 60 m, and 100 m by approximately 1, 6, and 8 digital numbers, respectively. In addition, the channel characteristics of MIMO-OCC systems in vehicular communications are very challenging due to the high mobility of vehicles. For the first time, this study theoretically describes the spread and sliding of the LED’s image on the camera sensor during an exposure time of the camera by applying the effect of the vehicle movement on the PSF of the OCC system in the transportation environment. As the vehicle moves, the image of the LEDs is spread onto the image sensor in the direction of the vehicle's movement. Therefore, by increasing the speed and angular speed of the vehicle, the interference between pixels increases, and the signal-to-noise ratio and the signal-to-interference and noise ratio decrease. A MIMO-OCC channel is implemented in the laboratory environment to evaluate the results of the simulations in this research. In this comparison, the experimental results are in good agreement with the simulation results. Subsequently, two solutions of spatial coding and deep learning are presented to reduce the effect of destructive factors on the efficiency of the vehicular MIMO-OCC systems in the transportation environment. Spatial coding can increase the length of the optical channel but reduces the data rate. Deep learning can also help detect LEDs and transmitted data, but increases the amount of processing at the receiver.