基於FPGA的多通道可見光跨水通信系統的有效實現

核心概念

本文介紹了一種基於現場可編程門陣列 (FPGA) 的實時多通道水-空可見光通信 (W2A-OWC) 系統，該系統能夠同時傳輸多個數據流，並通過時間複用 LDPC 解碼器來優化 FPGA 資源使用，實驗結果證實了該系統在動態水體環境中的可行性和有效性。

摘要

文獻類型

這是一篇研究論文。

研究目標

• 探索多通道水-空光無線通信 (W2A-OWC) 的傳輸方案。
• 介紹一種基於現場可編程門陣列 (FPGA) 的實時 W2A-OWC 系統原型。

方法

• 設計並實現了一個基於 FPGA 的實時多通道 W2A-OWC 系統，該系統能夠進行單色和多色信號傳輸。
• 採用多發射器和多接收器配置，並在實驗室水箱中進行測試。
• 使用 LDPC 編碼提高數據傳輸可靠性。
• 通過時間複用 LDPC 解碼器來優化 FPGA 資源使用。
• 在平靜和波動的水面條件下，測量系統的誤碼率 (FER)。

主要發現

• 在平靜的水面條件下，三個數據路徑的平均 FER 為 0%。
• 在波動的水面條件下，當 Bias-T 交流信號的電壓為 9.06675 Vpp 時，平均 FER 為 4.847 × 10−5。
• 在不同的峰峰值電壓下，多路複用路徑解碼和單獨路徑解碼的平均 FER 保持相對一致。
• 在相同的光功率條件下，所有六條路徑的 FER 幾乎相同。

主要結論

• 基於 FPGA 的實時多通道 W2A-OWC 系統是可行且有效的。
• 該系統能夠在波動的水面條件下實現低誤碼傳輸。
• 通過時間複用 LDPC 解碼器，可以優化 FPGA 資源使用。

意義

這項研究為動態水體環境中的高速、低成本和多功能 W2A-OWC 系統的開發做出了貢獻。

局限性和未來研究

• 該系統僅在實驗室環境中進行了測試。
• 未考慮不同水體條件（如濁度和鹽度）的影響。
• 未來的研究可以集中於提高系統在更具挑戰性的水體環境中的性能。

統計資料

在平靜的水面條件下，三個數據路徑的平均誤碼率 (FER) 為 0%。
在波動的水面條件下，當 Bias-T 交流信號的電壓為 9.06675 Vpp 時，平均 FER 為 4.847 × 10−5。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Efficient Realization of Multi-channel Visible Light Communication System for Dynamic Cross-Water Surface Channels

by Han Qi, Tian... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11866.pdf

深入探究

如何進一步提高該系統在更惡劣的水體環境（例如，高濁度或高鹽度）中的性能？

在高濁度或高鹽度的惡劣水體環境中，光學信號會經歷更嚴重的衰減和散射，這對水-空光無線通信系統的性能提出了挑戰。為了提高系統在這些環境下的性能，可以考慮以下幾種方法：

提高發射功率: 增加LED發射功率可以彌補信號衰減，但需要在功耗和散熱方面做出權衡。
採用更靈敏的接收器: 使用具有更高靈敏度的APD或其他類型光電探測器，可以提高系統對弱信號的檢測能力。
優化調製和編碼方案: 採用更抗衰落和干扰的調製方案，例如OFDM或多脉冲位置调制（PPM），以及更强大的纠错编码方案，例如LDPC或Turbo码，可以提高系統在惡劣信道條件下的可靠性。
波束成形和跟踪技術: 利用波束成形技術可以將光束集中到接收器方向，減少散射損耗。波束跟踪技術可以動態調整光束方向，以適應水體波動和移動带来的影响。
多入多出（MIMO）技術: 在發射端和接收端都使用多個LED和APD，並結合MIMO技術，可以利用空間分集來提高系統性能。
自适应光学技术: 自适应光学技术可以实时校正水体扰动引起的光束畸变，提高接收信号质量。
需要注意的是，以上方法需要根据具体的应用场景和水体环境进行选择和优化。

與其他無線通信技術（例如，聲學或射頻）相比，該系統在實際應用中的優缺點是什麼？

與聲學或射頻等其他無線通信技術相比，水-空光無線通信系統在實際應用中具有以下優缺點：
優點:

高带宽: 光波频率远高于声波和射频波，因此可以提供更高的带宽，支持更高的数据传输速率。
低延遲: 光波在水中的传播速度比声波快，因此可以实现更低的延迟，更适合实时通信需求。
抗電磁干扰: 光波不受電磁干扰的影响，因此可以在存在强电磁干扰的环境中可靠地工作。
安全性高: 光波的传播方向性强，不易被窃听，因此安全性较高。
缺點:

傳輸距離受限: 光波在水中的衰减较大，因此传输距离受限，通常只能应用于中短距离通信。
易受水體環境影響: 水体的浊度、盐度、波浪等因素都会影响光波的传播，导致系统性能下降。
对准要求高: 发射端和接收端需要精确对准，才能保证光信号的有效传输。
成本较高: 光电器件的成本相对较高，因此系统的成本也相对较高。

這項研究的成果如何應用於其他領域，例如水下傳感器網絡或水下機器人？

这项研究的成果可以应用于以下领域：

水下传感器网络: 该系统可以作为水下传感器节点与水面基站之间的高速数据传输链路，实现水下环境监测数据的实时采集和传输。
水下机器人: 该系统可以为水下机器人提供可靠的通信链路，用于遥控操作、数据传输和定位导航。
水下勘探和测绘: 该系统可以用于水下勘探和测绘设备的数据传输，例如水下摄像机、声纳等。
海洋生物研究: 该系统可以用于海洋生物研究，例如实时监测海洋生物的行为和生理指标。
水下救援: 该系统可以用于水下救援行动，例如与被困潜水员进行通信。
总而言之，这项研究的成果为水下无线通信提供了一种新的解决方案，具有广阔的应用前景。