An intelligent anti-collision system for electric vehicles applications

This paper presents the initial outcomes of the ongoing research to develop an intelligent online fault monitoring and anti-collision system for electric vehicle industrial applications. This is aiming to utilise the latest development in sensors technology and multi-level of redundancy approach, to improve the safety of electric vehicle and minimize the risk of road collision. This paper is focused on the development of the anti-collision system. The system is a network of sensors utilising the near real time embedded system. Four operational conditions were considered and some activities have been taken to control the speed and steering control system of the vehicle at an imminent collision. Visual alerts using LEDs were developed to indicate vehicles or obstacles along the path of the host vehicle even at an opposite direction. The proposed system was tested indoor using offshelf mini vehicle model and further field test have been planned to ensure the operability of the system in relevant applications. Research is still undertaken to develop the online fault detection, monitoring and online recovery tolerance system using multi-level of redundancy and a hot-standby dual control unit

Investigation of Random Channel Effects on the Performance of Underwater Wireless Optical Communication Links

De nos jours, il y a un besoin grandissant pour établir des liaisons de communication sans-fil haut-débit dans diverses applications sous-marines, telles que la surveillance de l’environnement, la maintenance et la vérification des installations, la sécurité portuaire, etc. Les communications optiques sans-fil (UWOC pour Underwater Wireless Optical Communications) offrent un débit de transmission élevé, une faible latence, une bonne efficacité énergétique et un faible coût de mise en œuvre, comparées aux communications acoustiques. L'un des principaux défis dans la réalisation des liaisons UWOC est de traiter les erreurs de pointage, qui sont particulièrement problématiques dans les applications sous-marines où la localisation et le suivi précis des unités mobiles sont très difficiles. De plus, les turbulences océaniques peuvent dégrader davantage les performances de ces liaisons en causant des fluctuations aléatoires de l’intensité du signal optique reçu.Cette thèse s’intéresse aux effets des erreurs de pointage et des turbulences océaniques sur les performances des liens UWOC. Plus précisément, nous développons une modélisation mathématique et statistique précise du canal, en particulier, pour le cas d’un lien de transmission vertical. Ce dernier peut être établi entre une bouée ou un navire de surface d’une part et un capteur sous-marin ou encore un véhicule sous-marin autonome d’autre part. Les erreurs de pointage sont ainsi modélisées en prenant en compte l’effet du vent à la surface de la mer et les désalignements angulaires du récepteur, notamment. En utilisant les modèles proposés, nous étudions ensuite l’impact de ces effets aléatoires du canal sur les performances de la liaison. En outre, nous considérons la sélection appropriée des paramètres de l’émetteur et/ou du récepteur afin d’optimiser les performances de la liaison en termes du taux d’erreur binaire et de la probabilité de coupure (outage).Dans cette étude, nous considérons un photo-détecteur ultra-sensible, qui consiste à un photo-multiplicateur en silicium (SiPM pour Silicon Photo-Multiplier), au niveau du récepteur afin d’augmenter la portée. Enfin, nous avons mené des travaux expérimentaux préliminaires à l'aide d'un banc d'essai de laboratoire pour appréhender les problèmes pratiques de l’établissement d’une liaison UWOC. Les résultats présentés dans cette thèse apportent de l’éclairage sur les considérations pratiques de déploiement des liaisons UWOC, qui peuvent être particulièrement profitables dans la conception de tels systèmes.In underwater environments, there is an essential need for efficient wireless communication techniques in a number of applications, including installation monitoring, underwater robotics, port security, etc. Underwater wireless optical communications (UWOC) offer low implementation cost, low latency, high data rate, and energy efficiency, compared with the traditional acoustic communications. Among the main challenges in the realization of UWOC links is to deal with link misalignments, which are particularly problematic in underwater applications where precise localization and tracking of mobile units is very challenging. In addition to these pointing errors (PEs), oceanic turbulence can further degrade the performance of UWOC links by causing random fluctuation of the received optical signal intensity.This thesis focuses on the effect of PEs and oceanic turbulence on the performance of UWOC links. More specifically, accurate mathematical and statistical channel modeling are developed, in particular, for the case of a vertical transmission link, e.g., between a buoy of a surface vessel and an underwater node or an autonomous underwater vehicle. There, PEs are modelled by taking into consideration the wind at the sea surface and Rx angular misalignments, in particular. Based on the proposed models, the impact of PEs and turbulence on the link performance are studied under various channel conditions. In addition, we consider the appropriate selection of the transmitter/receiver parameters in order to optimize the link performance based on the criteria of the average bit-error rate and outage probability. In this study, we consider a highly sensitive photodetector, i.e., a Silicon photo-multiplier, at the receiver in order to increase the operational range. Lastly, some preliminary experimental works have been carried out to assess the practical issues of establishing an UWOC link using a dedicated laboratory testbed. The presented work fosters the UWOC system design and research towards practical considerations of link deployment ensuring reliable communications

Etude des effets aléatoires du canal de transmission pour les liaisons de communication optiques sous-marines sans-fil

In underwater environments, there is an essential need for efficient wireless communication techniques in a number of applications, including installation monitoring, underwater robotics, port security, etc. Underwater wireless optical communications (UWOC) offer low implementation cost, low latency, high data rate, and energy efficiency, compared with the traditional acoustic communications. Among the main challenges in the realization of UWOC links is to deal with link misalignments, which are particularly problematic in underwater applications where precise localization and tracking of mobile units is very challenging. In addition to these pointing errors (PEs), oceanic turbulence can further degrade the performance of UWOC links by causing random fluctuation of the received optical signal intensity.This thesis focuses on the effect of PEs and oceanic turbulence on the performance of UWOC links. More specifically, accurate mathematical and statistical channel modeling are developed, in particular, for the case of a vertical transmission link, e.g., between a buoy of a surface vessel and an underwater node or an autonomous underwater vehicle. There, PEs are modelled by taking into consideration the wind at the sea surface and Rx angular misalignments, in particular. Based on the proposed models, the impact of PEs and turbulence on the link performance are studied under various channel conditions. In addition, we consider the appropriate selection of the transmitter/receiver parameters in order to optimize the link performance based on the criteria of the average bit-error rate and outage probability. In this study, we consider a highly sensitive photodetector, i.e., a Silicon photo-multiplier, at the receiver in order to increase the operational range. Lastly, some preliminary experimental works have been carried out to assess the practical issues of establishing an UWOC link using a dedicated laboratory testbed. The presented work fosters the UWOC system design and research towards practical considerations of link deployment ensuring reliable communications.De nos jours, il y a un besoin grandissant pour établir des liaisons de communication sans-fil haut-débit dans diverses applications sous-marines, telles que la surveillance de l’environnement, la maintenance et la vérification des installations, la sécurité portuaire, etc. Les communications optiques sans-fil (UWOC pour Underwater Wireless Optical Communications) offrent un débit de transmission élevé, une faible latence, une bonne efficacité énergétique et un faible coût de mise en œuvre, comparées aux communications acoustiques. L'un des principaux défis dans la réalisation des liaisons UWOC est de traiter les erreurs de pointage, qui sont particulièrement problématiques dans les applications sous-marines où la localisation et le suivi précis des unités mobiles sont très difficiles. De plus, les turbulences océaniques peuvent dégrader davantage les performances de ces liaisons en causant des fluctuations aléatoires de l’intensité du signal optique reçu.Cette thèse s’intéresse aux effets des erreurs de pointage et des turbulences océaniques sur les performances des liens UWOC. Plus précisément, nous développons une modélisation mathématique et statistique précise du canal, en particulier, pour le cas d’un lien de transmission vertical. Ce dernier peut être établi entre une bouée ou un navire de surface d’une part et un capteur sous-marin ou encore un véhicule sous-marin autonome d’autre part. Les erreurs de pointage sont ainsi modélisées en prenant en compte l’effet du vent à la surface de la mer et les désalignements angulaires du récepteur, notamment. En utilisant les modèles proposés, nous étudions ensuite l’impact de ces effets aléatoires du canal sur les performances de la liaison. En outre, nous considérons la sélection appropriée des paramètres de l’émetteur et/ou du récepteur afin d’optimiser les performances de la liaison en termes du taux d’erreur binaire et de la probabilité de coupure (outage).Dans cette étude, nous considérons un photo-détecteur ultra-sensible, qui consiste à un photo-multiplicateur en silicium (SiPM pour Silicon Photo-Multiplier), au niveau du récepteur afin d’augmenter la portée. Enfin, nous avons mené des travaux expérimentaux préliminaires à l'aide d'un banc d'essai de laboratoire pour appréhender les problèmes pratiques de l’établissement d’une liaison UWOC. Les résultats présentés dans cette thèse apportent de l’éclairage sur les considérations pratiques de déploiement des liaisons UWOC, qui peuvent être particulièrement profitables dans la conception de tels systèmes

Etude des effets aléatoires du canal de transmission pour les liaisons de communication optiques sous-marines sans-fil

In underwater environments, there is an essential need for efficient wireless communication techniques in a number of applications, including installation monitoring, underwater robotics, port security, etc. Underwater wireless optical communications (UWOC) offer low implementation cost, low latency, high data rate, and energy efficiency, compared with the traditional acoustic communications. Among the main challenges in the realization of UWOC links is to deal with link misalignments, which are particularly problematic in underwater applications where precise localization and tracking of mobile units is very challenging. In addition to these pointing errors (PEs), oceanic turbulence can further degrade the performance of UWOC links by causing random fluctuation of the received optical signal intensity.This thesis focuses on the effect of PEs and oceanic turbulence on the performance of UWOC links. More specifically, accurate mathematical and statistical channel modeling are developed, in particular, for the case of a vertical transmission link, e.g., between a buoy of a surface vessel and an underwater node or an autonomous underwater vehicle. There, PEs are modelled by taking into consideration the wind at the sea surface and Rx angular misalignments, in particular. Based on the proposed models, the impact of PEs and turbulence on the link performance are studied under various channel conditions. In addition, we consider the appropriate selection of the transmitter/receiver parameters in order to optimize the link performance based on the criteria of the average bit-error rate and outage probability. In this study, we consider a highly sensitive photodetector, i.e., a Silicon photo-multiplier, at the receiver in order to increase the operational range. Lastly, some preliminary experimental works have been carried out to assess the practical issues of establishing an UWOC link using a dedicated laboratory testbed. The presented work fosters the UWOC system design and research towards practical considerations of link deployment ensuring reliable communications.De nos jours, il y a un besoin grandissant pour établir des liaisons de communication sans-fil haut-débit dans diverses applications sous-marines, telles que la surveillance de l’environnement, la maintenance et la vérification des installations, la sécurité portuaire, etc. Les communications optiques sans-fil (UWOC pour Underwater Wireless Optical Communications) offrent un débit de transmission élevé, une faible latence, une bonne efficacité énergétique et un faible coût de mise en œuvre, comparées aux communications acoustiques. L'un des principaux défis dans la réalisation des liaisons UWOC est de traiter les erreurs de pointage, qui sont particulièrement problématiques dans les applications sous-marines où la localisation et le suivi précis des unités mobiles sont très difficiles. De plus, les turbulences océaniques peuvent dégrader davantage les performances de ces liaisons en causant des fluctuations aléatoires de l’intensité du signal optique reçu.Cette thèse s’intéresse aux effets des erreurs de pointage et des turbulences océaniques sur les performances des liens UWOC. Plus précisément, nous développons une modélisation mathématique et statistique précise du canal, en particulier, pour le cas d’un lien de transmission vertical. Ce dernier peut être établi entre une bouée ou un navire de surface d’une part et un capteur sous-marin ou encore un véhicule sous-marin autonome d’autre part. Les erreurs de pointage sont ainsi modélisées en prenant en compte l’effet du vent à la surface de la mer et les désalignements angulaires du récepteur, notamment. En utilisant les modèles proposés, nous étudions ensuite l’impact de ces effets aléatoires du canal sur les performances de la liaison. En outre, nous considérons la sélection appropriée des paramètres de l’émetteur et/ou du récepteur afin d’optimiser les performances de la liaison en termes du taux d’erreur binaire et de la probabilité de coupure (outage).Dans cette étude, nous considérons un photo-détecteur ultra-sensible, qui consiste à un photo-multiplicateur en silicium (SiPM pour Silicon Photo-Multiplier), au niveau du récepteur afin d’augmenter la portée. Enfin, nous avons mené des travaux expérimentaux préliminaires à l'aide d'un banc d'essai de laboratoire pour appréhender les problèmes pratiques de l’établissement d’une liaison UWOC. Les résultats présentés dans cette thèse apportent de l’éclairage sur les considérations pratiques de déploiement des liaisons UWOC, qui peuvent être particulièrement profitables dans la conception de tels systèmes

Influence of MPPC Parameters on the Performance of Underwater Optical Links

Multi-pixel photon-counters (MPPCs) are interesting alternatives to photo-multiplier tubes for use in underwater wireless optical communication systems to allow extending the link range. We show the influence of different MPPC parameters on the link performance while considering multiple sub-carrier modulation based on the well-known DC-biased optical orthogonal frequency-division multiplexing in order to considerably increase the data ate of such links. Meanwhile, we discuss the effect of signal clipping on the link performance due to the limited dynamic range of the emitting device

Parameter Optimization for an Underwater Optical Wireless Vertical Link Subject to Link Misalignments

International audienceWe consider transmitter-receiver (Tx-Rx) parameter optimization for a vertical underwater wireless optical communication link under misalignment conditions. The Tx is assumed to use a light-emitting diode while the Rx uses a silicon photomultiplier that allows a high Rx sensitivity. We consider two typical application scenarios and investigate optimization of the Tx and the Rx parameters to optimize the link performance in terms of outage probability. We derive accurate analytical expressions for the distribution of the channel attenuation accounting for link misalignments, which allows for the evaluation of the link performance in terms of bit-error-rate and outage probability without resorting to costly Monte Carlo simulations. Through numerical results, we show and discuss the impact of parameter optimization on the link performance in different link configurations and for various misalignment conditions. In particular, the presented results show the significant performance improvement resulting from optimizing the Tx beam divergence and the Rx FoV in the presence of pointing errors

Ergodic Capacity of a Vertical Underwater Wireless Optical Communication Link Subject to Misalignment

Typical underwater communication scenarios include data transfer between a surface platform and an underwater unit. We consider the use of underwater wireless optical communications (UWOC) for such scenarios, where the link performance is affected by transmitter-receiver misalignment in practice. The focus is on the channel ergodic capacity based on an elaborate statistical model of the aquatic channel accounting for different phenomena such as surface wind speed, beam directivity, underwater unit beam misalignment, and solar noise, as well as the transmitter/receiver parameters. The presented results demonstrate the channel effects and provide interesting insight into the design of such links

Outage Probability Analysis of a Vertical Underwater Wireless Optical Link Subject to Oceanic Turbulence and Pointing Errors

International audienceThe reliability of an underwater wireless optical communication (UWOC) network is seriously impacted by beam misalignment between the transmitters (Txs) and the receivers (Rxs). Also, the performance of UWOC systems can be affected by oceanic turbulence-induced fading due to fluctuations in the water refractive index as a result of variations in the pressure and water temperature and salinity. In this work, we investigate performance analysis of a vertical UWOC link subject to oceanic turbulence and pointing errors, and further investigate the appropriate selection of link parameters to optimize link performance. This study is based on an accurate mathematical framework for the link modeling while taking into account realistic Tx/Rx and channel parameters under different turbulence and beam misalignment conditions. Meanwhile, we provide an analytical expression for calculating the link outage probability, whose accuracy is validated through numerical simulations. Lastly, the necessity of optimal Tx/Rx parameter selection to minimize the link outage is demonstrated. A laser beam is considered at the Tx, as well as an ultra-sensitive photo-detector (silicon photomultiplier) at the Rx in order to enable working at relatively long link ranges. The presented results give valuable insight to the practical aspects of deployment of UWOC networks

Bit-Error-Rate Performance of an Underwater Wireless Optical Link Under Misalignment and Turbulence Effects

Underwater wireless optical communication (UWOC) links are highly susceptible to the degrading effects of oceanic turbulence and beam misalignment. In this paper, considering a silicon photo-multiplier at the receiver, we evaluate the link average bit-error rate (BER) performance, where an analytical expression is derived for its calculation, validated further by means of numerical simulations. We further investigate the impact of different system parameters on the link average BER