環(huán)保企業(yè)的網(wǎng)站怎么做指數(shù)基金是什么意思
??研究生期間做多用戶水下無(wú)線光通信(Underwater Optical Wireless Communication,UOWC),寫幾篇博客分享一下學(xué)的內(nèi)容。導(dǎo)師給了大方向,讓我用直接序列碼分多址(Direct Sequence Code Division Multiple Access,DS-CDMA)做多用戶接入?yún)f(xié)議。我主要研究延時(shí)估計(jì)和多用戶檢測(cè),并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文介紹研究背景和研究現(xiàn)狀。
1、研究背景
??光通信已經(jīng)成為全球互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)技術(shù)。光纖通信網(wǎng)絡(luò)不僅連接各大洲,而且還構(gòu)成現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的骨干,為大都市、城鎮(zhèn)以及越來(lái)越多的家庭提供高速數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。依賴于光纖的有線光通信技術(shù)已經(jīng)非常成熟,無(wú)線光通信(Optical Wireless Communication, OWC)也已逐步投入應(yīng)用,近年來(lái)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)OWC技術(shù)的興趣顯著增加。目前,主要的OWC技術(shù)有(1)自由空間光學(xué)(Free Space Optical, FSO)通信,(2)可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication, VLC),(3)圖像傳感器通信(Image Sensor Communication, ISC),以及(4)光無(wú)線網(wǎng)絡(luò),這也被稱為光保真(Light Fidelity, LiFi)。其實(shí),除了這些聽(tīng)起來(lái)高大上的技術(shù),OWC早已進(jìn)入了千家萬(wàn)戶——紅外遙控器。
??隨著人們對(duì)探索水下環(huán)境和資源的興趣日益濃厚,OWC技術(shù)也引起了水下通信領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。水下通信技術(shù)主要分為有線通信和無(wú)線通信。水下無(wú)線通信又可以分成水聲通信、射頻通信和水下無(wú)線光通信(Underwater Optical Wireless Communication, UOWC)。有線通信適用于大型和固定的水下設(shè)備,無(wú)線通信更適用于移動(dòng)平臺(tái)。各種通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn):
通信方式 | 優(yōu)缺點(diǎn) |
---|---|
有線通信 | 優(yōu)點(diǎn):通信速率高、信道條件穩(wěn)定 缺點(diǎn):移動(dòng)性受限、鋪設(shè)和維護(hù)成本高 |
水聲通信 | 優(yōu)點(diǎn):傳輸距離遠(yuǎn) 缺點(diǎn):延時(shí)高、速率低、功耗大 |
水下射頻通信 | 優(yōu)點(diǎn):速率高 缺點(diǎn):傳輸距離短、功耗大 |
水下無(wú)線光通信 | 優(yōu)點(diǎn):低延遲、低功耗 vs. 水聲通信,低功耗、長(zhǎng)距離 vs. 水下射頻通信 缺點(diǎn):方向性強(qiáng)、易受遮擋 |
相比于低信息速率的水聲通信和高衰減的水下射頻通信,UOWC具有低延遲、低功耗、高信息速率和較長(zhǎng)傳輸距離等優(yōu)點(diǎn)。在水中衰減較小的藍(lán)綠波段(波長(zhǎng)為 450 450 450 nm ~ \sim ~ 550 550 550 nm)的光在水下的無(wú)線通信距離能達(dá)到百米量級(jí)。此外,UOWC還具有強(qiáng)保密性、高抗干擾能力、低成本等優(yōu)點(diǎn)。
??雖然采用光通信實(shí)現(xiàn)水下通信具有很多優(yōu)勢(shì),但同時(shí)也會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)。首先,光在水中受到吸收和散射的影響,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后的光信號(hào)會(huì)因衰減而變得十分微弱。其次,海水中的溫度和鹽度分布不均勻會(huì)引發(fā)湍流,這導(dǎo)致光信號(hào)強(qiáng)度劇烈變化,不利于信號(hào)檢測(cè)。此外,生物活動(dòng)、海浪等還會(huì)產(chǎn)生氣泡,氣泡會(huì)對(duì)光信號(hào)造成巨大衰減或改變光束傳播方向。目前,科研人員已經(jīng)對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的UOWC進(jìn)行了大量研究,對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了深入的探討并且給出了一些有效的應(yīng)對(duì)方案。然而,除了上述UOWC常見(jiàn)的問(wèn)題以外,在水下網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多用戶上行通信中還存在另外幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,它們分別是信號(hào)異步傳輸、多址干擾(Multiple Access Interference, MAI)和遠(yuǎn)近效應(yīng)。由于各個(gè)用戶的通信距離和發(fā)送信號(hào)時(shí)間不同,在實(shí)際應(yīng)用中必然面臨多用戶信號(hào)異步傳輸問(wèn)題。信號(hào)異步傳輸會(huì)破壞不同用戶的信號(hào)之間的正交性,產(chǎn)生MAI。另外,水體的動(dòng)態(tài)性導(dǎo)致的收發(fā)端光束失準(zhǔn)和信號(hào)傳輸距離變化,以及湍流和氣泡造成的光束抖動(dòng)和光強(qiáng)閃爍,都會(huì)使得接收機(jī)收到的不同用戶的光功率不同,從而產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)。
??可選的多址協(xié)議方面有時(shí)分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)、頻分多址(Frequency Division Multiple Access, FDMA)、碼分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)、非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)和波分多址(Wavelength Division Multiple Access, WDMA)等。TDMA是一種同步信道接入方案,它將不重疊的時(shí)隙分配給不同的用戶,因此不適用于信號(hào)異步傳輸?shù)膱?chǎng)景。由于發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)的帶寬有限且異步傳輸會(huì)破壞子載波間的正交性,FDMA或正交頻分多址在UOWC中的可行性不大。對(duì)于UOWC,只有藍(lán)綠波長(zhǎng)表現(xiàn)出低衰減,限制了WDMA的可用波長(zhǎng)的劃分區(qū)間,并且使用濾光片增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件復(fù)雜度。NOMA是功率域多址技術(shù),它根據(jù)信道條件為每個(gè)用戶分配不同的功率。然而,水體的動(dòng)態(tài)性導(dǎo)致的遠(yuǎn)近效應(yīng)給NOMA的功率分配帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。DS-CDMA為每個(gè)用戶分配獨(dú)一無(wú)二的擴(kuò)頻碼以區(qū)分通信信道,所有用戶的信號(hào)可以同時(shí)同頻傳輸。CDMA的抗干擾特性和異步特性使其成為異步UOWC場(chǎng)景的理想選擇。
2、研究現(xiàn)狀
??目前,UOWC的研究主要集中在水下信道建模、提高點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路的通信距離、信息速率和魯棒性方面。此外,還有一些關(guān)于多用戶UOWC的研究。
??在水下信道建模方面,研究人員主要研究吸收、散射、湍流等因素對(duì)UOWC的影響。科學(xué)家們先后提出了用于描述光線在水體中散射的Henyey-Greenstein相函數(shù),描述信道脈沖響應(yīng)的雙伽馬函數(shù),湍流和氣泡信道模型等??茖W(xué)家們還提出了采用MIMO、偏振調(diào)制等方法對(duì)抗湍流引起的信道衰落。
??在高速通信和長(zhǎng)距離通信方面,科研人員的工作重心在于研究如何克服器件帶寬限制和非線性,以及高階調(diào)制和復(fù)用技術(shù)。已發(fā)表論文中主要的技術(shù)有:軌道角動(dòng)量、擴(kuò)頻、非線性均衡、新型micro-LED等。我目前調(diào)研到的最高通信速率是 20.04 20.04 20.04 Gbps( 5 5 5 m水下通信距離),最長(zhǎng)通信距離是 200 200 200 m( 500 500 500 Mbps)。
??多用戶UOWC的已有研究成果見(jiàn)下表:
作者 | 題目 | 時(shí)間 | 協(xié)議 | 期刊 |
---|---|---|---|---|
Simpson et al. | Smart transmitters and receivers for underwater free-space optical communication | 2012 | SDMA+CDMA | IEEE Journal on Selected Areas in Communications |
Akhoundi et al. | Cellular underwater wireless optical CDMA network: Performance analysis and implementation concepts | 2015 | CDMA | IEEE Transactions on Communications |
Jamali et al. | Performance characterization of relay-assisted wireless optical CDMA networks in turbulent underwater channel | 2016 | CDMA | IEEE Transactions on Wireless Communications |
Lian et al. | Underwater optical wireless sensor networks using resource allocation | 2019 | CDMA | Telecommunication Systems |
Jain et al. | Performance analysis of NOMA assisted underwater visible light communication system | 2020 | NOMA | IEEE Wireless Communications Letters |
Chen et al. | An experimental study of NOMA in underwater visible light communication system | 2020 | NOMA | Optics Communications |
Zhang et al. | Towards a 20 Gbps multi-user bubble turbulent NOMA UOWC system with green and blue polarization multiplexing | 2020 | NOMA | Optics Express |
Nguyen et al. | Underwater optical wireless communication-based IoUT networks: MAC performance analysis and improvement | 2020 | 時(shí)隙ALOHA | Optical Switching and Networking |
Li et al. | Routing protocol design for underwater optical wireless sensor networks: A multiagent reinforcement learning approach | 2020 | 多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)路由協(xié)議 | IEEE Internet of Things Journal |
Bariah et al. | Non-orthogonal multiple access-based underwater VLC systems in the presence of turbulence | 2021 | NOMA | IEEE Photonics Journal |
Li et al. | Underwater quasi-omnidirectional wireless optical communication based on perovskite quantum dots | 2022 | CDMA | Optics Express |
Li et al. | Experimental demonstration of a real-time multi-user uplink UWOC system based on SIC-free NOMA | 2023 | NOMA | Optics Express |
Liang et al. | BER analysis for PAM-based UWOC-NOMA system in oceanic turbulence environment | 2023 | NOMA | Optics Communications |
Huang et al. | A novel distributed multi-slot TDMA-based MAC protocol for LED-based UOWC networks | 2023 | TDMA | Journal of Network and Computer Applications |
Liu et al. | Experimental verification of a multiuser detection technique for asynchronous UOWC systems | 2024 | CDMA | IEEE Photonics Journal |
??關(guān)于多用戶UOWC的研究大部分關(guān)注點(diǎn)在CDMA和NOMA,還有少量關(guān)于其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究。2012年,Simpson等人針對(duì)水下無(wú)人航行器之間的UOWC,提出了一種緊湊的智能收發(fā)機(jī)原型,其中發(fā)射機(jī)采用可獨(dú)立尋址的LED實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的高度方向性,而接收機(jī)能夠估計(jì)光信號(hào)的到達(dá)角度,此收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了空分多址(Spatial Division Multiple Access, SDMA),并用CDMA彌補(bǔ)了SDMA無(wú)法處理來(lái)自同方向的多用戶疊加信號(hào)的問(wèn)題。2015年,Akhoundi等人提出并研究了一種基于光正交碼(Optical Orthogonal Code, OOC)的水下無(wú)線光碼分多址(Optical CDMA, OCDMA)蜂窩網(wǎng)絡(luò),介紹了不同類型水質(zhì)條件下無(wú)線OCDMA網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、原理和性能,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水下無(wú)線OCDMA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)原型,在 2 2 2 m × \times × 2 2 2 m水缸中實(shí)現(xiàn)了 115.2 115.2 115.2 kbps的可靠語(yǔ)音和視頻傳輸。2016年,Jamali等人研究了湍流信道下中繼輔助的水下無(wú)線OCDMA網(wǎng)絡(luò)的性能,指出采用中繼可以擴(kuò)大UOWC系統(tǒng)的通信范圍并提高系統(tǒng)無(wú)碼性能。2019年,Lian等人采用CDMA和功率分配算法設(shè)計(jì)了一種支持多用戶的MIMO水下無(wú)線光傳感器網(wǎng)絡(luò),功率分配算法考慮了湍流以及由信道估計(jì)誤差或LED指向誤差引起的水下信道不確定性的影響。2020年,Jain等人對(duì)NOMA輔助的UOWC系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究,推導(dǎo)了水下NOMA用戶的平均BER和遍歷容量的精確閉式表達(dá)式,該系統(tǒng)可以滿足傳感器節(jié)點(diǎn)低延遲、高可靠性和高信息速率的水下多播需求。2020年,Chen等人設(shè)計(jì)了一種采用兩個(gè)不同顏色的LED的NOMA-UOWC系統(tǒng),通過(guò)在不同的子載波上承載不同的信息提高傳輸效率,實(shí)現(xiàn)了 1 1 1 m/ 117.4 117.4 117.4 Mbps的UOWC。2020年,Zhang等人實(shí)驗(yàn)演示了一種基于綠色和藍(lán)色LD的高速多用戶UOWC系統(tǒng),該系統(tǒng)使用偏振復(fù)用和NOMA,在超過(guò) 2 2 2 m水下和 0.5 0.5 0.5 m自由空間信道中,為 8 8 8個(gè)用戶提供了 18.75 18.75 18.75 Gbps的總速率。2020年,Nguyen等人研究了物理層和媒體訪問(wèn)控制層的跨層分析,從理論上研究了UOWC物理層傳輸錯(cuò)誤對(duì)時(shí)隙ALOHA的媒體訪問(wèn)控制性能的影響,提出了在時(shí)隙ALOHA運(yùn)行時(shí)啟用幀重傳,并研究了最佳重傳次數(shù)。2020年,Li等人提出了一種基于多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)的高效水下無(wú)線光傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,提高了網(wǎng)絡(luò)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力并延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。2021年,Bariah等人提出了一個(gè)數(shù)學(xué)框架來(lái)評(píng)估UOWC系統(tǒng)在湍流存在下使用NOMA的性能,推導(dǎo)了路徑損失和湍流的共同影響下NOMA中斷概率的閉式表達(dá)式。2022年,Li等人利用鈣鈦礦量子點(diǎn)的特性設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于UOWC的準(zhǔn)全向發(fā)射機(jī),并演示了一個(gè)基于CDMA的擁有四個(gè)用戶的UOWC系統(tǒng),在 10 10 10 m和 20 20 20 m水下信道中單用戶的最大信息速率分別為 10 10 10 Mbps和 7.5 7.5 7.5 Mbps。2023年,Li等人提出了一種免串行干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)的NOMA譯碼方法,實(shí)現(xiàn)了兩用戶上行UOWC實(shí)時(shí)系統(tǒng),單用戶速率達(dá)到 30 30 30 Mbps。該方案限制了用戶之間的功率關(guān)系和用戶數(shù)量,不適用于動(dòng)態(tài)水下環(huán)境。2023年,Liang等人提出了一種基于星座點(diǎn)多邊界判決的框架,用來(lái)推導(dǎo)基于脈沖幅度調(diào)制的NOMA系統(tǒng)在湍流信道中的BER的閉式表達(dá)式。2023年,Huang等人研究了UOWC網(wǎng)絡(luò)中的分布式TDMA協(xié)議,考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,提出了一種基于TDMA的分布式媒體訪問(wèn)控制協(xié)議,該協(xié)議可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用信息為其分配多個(gè)時(shí)隙和消除沖突。
??上述的關(guān)于多用戶UOWC的研究主要存在兩點(diǎn)不足:
(1)一些工作將多用戶信號(hào)疊加到一個(gè)光源上發(fā)送,考慮的是同步通信場(chǎng)景,沒(méi)有考慮信號(hào)異步傳輸和多址干擾問(wèn)題;
(2)大部分實(shí)驗(yàn)研究都是在靜水條件下進(jìn)行的,未考慮實(shí)際的水下動(dòng)態(tài)信道會(huì)造成遠(yuǎn)近效應(yīng)。
針對(duì)這些不足,我將射頻通信中的CDMA技術(shù)移植到多用戶UOWC系統(tǒng)中,研究抗遠(yuǎn)近效應(yīng)的延時(shí)估計(jì)和多用戶檢測(cè)技術(shù)。上表最后一篇是我們發(fā)表的研究成果,不是啥好期刊,我們?cè)跉馀菪诺老逻M(jìn)行多用戶異步UOWC實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了基于子空間的延時(shí)估計(jì)和解相關(guān)多用戶檢測(cè)算法抗遠(yuǎn)近效應(yīng)的能力,實(shí)現(xiàn)了三用戶異步上行通信,單用戶最大信息速率 2 2 2 Mbps。
??CDMA作為2G和3G移動(dòng)通信的核心技術(shù),已經(jīng)相當(dāng)成熟,這為在UOWC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多用戶通信提供了堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)。對(duì)我們有幫助的相關(guān)研究見(jiàn)下表:
作者 | 題目 | 時(shí)間 | 期刊 | 內(nèi)容 |
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Strom et al. | Propagation delay estimation in asyn- chronous direct-sequence code-division multiple access systems | 1996 | IEEE Transactions on Communications | 提出了基于子空間的信道估計(jì)算法,證明了該方法在存在遠(yuǎn)近效應(yīng)環(huán)境中的魯棒性 |
Bensley et al. | Subspace-based channel estimation for code division multiple access communication systems | 1996 | IEEE Transactions on Communications | 和上面一篇類似 |
Verdu | Minimum probability of error for asynchronous Gaussian multiple-access channels | 1986 | IEEE Transactions on Information Theory | 最優(yōu)多用戶檢測(cè)器 |
Lupas et al. | Near-far resistance of multiuser detectors in asynchronous channels | 1990 | IEEE Transactions on Communications | 解相關(guān)檢測(cè)器 |
Xie et al. | A family of suboptimum detectors for coherent multiuser communications | 1990 | IEEE Journal on Selected Areas in Communications | 最小均方誤差(MMSE)檢測(cè)器 |
Varanasi et al. | Multistage detection in asynchronous code-division multiple-access communications | 1990 | IEEE Transactions on Communications | 并行干擾消除(PIC)檢測(cè)器 |
Patel et al. | Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMA system | 1994 | IEEE Journal on Selected Areas in Communications | 串行干擾消除(SIC)檢測(cè)器 |
Moshavi et al. | Multistage linear receivers for DS-CDMA systems | 1996 | International Journal of Wireless Information Networks | 多項(xiàng)式檢測(cè)器 |
3、個(gè)人看法
??寫小論文和畢業(yè)論文時(shí),寫的都是支持我的研究方向的說(shuō)辭,博客里說(shuō)說(shuō)我個(gè)人的經(jīng)歷和看法。
??我做多用戶UOWC,主要的研究方法是把射頻通信中的CDMA算法移植到光通信上來(lái)。光通信傳輸?shù)氖腔鶐?shí)信號(hào),不用考慮高頻載波,其實(shí)是省了一些事的。公式上的主要區(qū)別是,射頻通信的論文好用連續(xù)信號(hào)進(jìn)行分析,而我把它們的復(fù)指數(shù)都去掉并改成離散信號(hào)的形式。我個(gè)人對(duì)這個(gè)研究方向的評(píng)價(jià)是:在5G時(shí)代學(xué)習(xí)了3G技術(shù),還要想辦法說(shuō)成是為6G做準(zhǔn)備😂。導(dǎo)師老是讓我們結(jié)合水下特點(diǎn),說(shuō)水下通信的特點(diǎn)是“強(qiáng)衰減、大動(dòng)態(tài)”,可是我沒(méi)有特意針對(duì)這兩點(diǎn)做理論研究。但我還是在已有算法的基礎(chǔ)上做了一點(diǎn)優(yōu)化的,比如用子空間跟蹤算法代替延時(shí)估計(jì)中的特征值分解,用解線性方程組的迭代法替代解相關(guān)檢測(cè)算法中的矩陣求逆,目的是降低計(jì)算復(fù)雜度并方便我用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)這些算法。后面還有兩篇博客,介紹基本的基于子空間的延時(shí)估計(jì)和解相關(guān)多用戶檢測(cè)算法:
基于CDMA的多用戶水下無(wú)線光通信(2)——系統(tǒng)模型和基于子空間的延時(shí)估計(jì)
基于CDMA的多用戶水下無(wú)線光通信(3)——解相關(guān)多用戶檢測(cè)
??我們實(shí)驗(yàn)室做的還是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為主,有的光通信技術(shù)(比如光子計(jì)數(shù)信號(hào)檢測(cè)、偏振調(diào)制等)在射頻通信中用不到,還有就是把射頻通信的技術(shù)遷移過(guò)來(lái)(比如我干的事),總的來(lái)說(shuō)技術(shù)不算先進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)室做UOWC,培養(yǎng)我們文獻(xiàn)調(diào)研、英文閱讀寫作、推公式、寫代碼的能力還好,但是要把創(chuàng)新掛到嘴邊,我感覺(jué)有些牽強(qiáng)。想找通信算法方面的工作不容易(還是有厲害的同學(xué)能找到算法類工作的),想找到好工作還是需要付出一些額外的時(shí)間和精力學(xué)習(xí)準(zhǔn)備的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)潤(rùn)了好幾個(gè)老師了,最初招我進(jìn)組的老師也在我來(lái)之前潤(rùn)英國(guó)了😭,大老板還在為了實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行盡職盡責(zé)。
??現(xiàn)在的水下通信還是以電纜和水聲通信為主,UOWC還沒(méi)看到有商用的例子。2023年10月份,導(dǎo)師給了我一個(gè)去三亞的機(jī)會(huì),帶著我們實(shí)驗(yàn)室做的UOWC實(shí)時(shí)系統(tǒng)去參加展覽。我們的那套系統(tǒng)用LED發(fā)信號(hào),雪崩光電二極管做接收機(jī),信號(hào)處理在Zynq芯片上進(jìn)行,能夠錄像,傳視頻,再在另一臺(tái)電腦上播放。展覽上,我們旁邊就是一家做海底電纜的公司,來(lái)參觀的人都要去他們那里看一看,聊一聊,來(lái)看我們的系統(tǒng)的人比較少。有一個(gè)做水下機(jī)器人的展商來(lái)看我們的東西,我說(shuō)我們這個(gè)能無(wú)線遙控機(jī)器人,他卻說(shuō)用有線控制的話,機(jī)器人丟了還能順著線纜找回來(lái)。我們一直在演示視頻傳輸,倒是吸引不少小朋友來(lái)玩。說(shuō)不定UOWC以后會(huì)大顯神威,論文中的說(shuō)辭將不再空洞,無(wú)線電從發(fā)明到普及不也經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間嗎?