Real-world Latency Analysis of Vehicular Visible Light Communication with Multiple LED Transmitters and an Event-Based Camera

Resumo Técnico: Análise de Latência no Mundo Real de Comunicação por Luz Visível Veicular com Múltiplos Transmissores LED e uma Câmera Baseada em Eventos

Declaração do Problema
As câmeras baseadas em eventos oferecem alta resolução temporal, baixa latência e ampla faixa dinâmica, tornando-as receptores promissores para Comunicação por Luz Visível (VLC) em aplicações Veículo-para-Tudo (V2X). No entanto, a implantação de VLC baseada em câmeras de eventos em ambientes veiculares do mundo real enfrenta três desafios críticos:

1. Saturação de Largura de Banda: Câmeras montadas em veículos de alta velocidade podem gerar taxas de eventos que excedem a largura de banda de transferência de dados (por exemplo, limites USB), levando à perda de eventos. Soluções anteriores, como o estreitamento da Região de Interesse (ROI) ou o aumento da abertura da lente, comprometem a distância de comunicação ou o campo de visão (FOV), dificultando a captura de múltiplos transmissores distribuídos.
2. Recepção de Múltiplos Transmissores: Os métodos convencionais são tipicamente limitados à recepção de um único transmissor. Cenários do mundo real frequentemente envolvem múltiplos LEDs dentro do FOV, necessitando de um método para identificação e recepção simultâneas.
3. Falta de Avaliação de Latência de Ponta a Ponta: Embora a latência seja crítica para Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) como a percepção cooperativa, poucos estudos analisaram a latência em sistemas VLC, e nenhum o fez para sistemas de Comunicação por Câmera Óptica (OCC) em ambientes veiculares dinâmicos com múltiplos transmissores.

Metodologia
Os autores propõem um modelo de sistema abrangente e um protocolo projetados para abordar esses desafios:

• Arquitetura do Sistema: O transmissor utiliza uma barra vertical de 96 LEDs vermelhos (agrupados em clusters de seis) operando a 10 kHz com Chaveamento Liga-Desliga (OOK). O receptor emprega uma SilkyEvCam com um sensor SONY IMX636.
• Protocolo Apenas de Eventos Positivos: Para evitar a saturação de largura de banda enquanto mantém um FOV amplo, o sistema opera em um modo "apenas de eventos positivos". O limite para eventos negativos é definido para o valor máximo para suprimi-los.
• Protocolo de Comunicação e Decodificação:
  • Codificação Manchester: Como as câmeras de eventos só geram eventos em mudanças de brilho, bits idênticos consecutivos (por exemplo, "11") não produzem eventos. Os autores aplicam codificação Manchester para garantir que a reconstrução da forma de onda seja possível usando apenas eventos positivos.
  • Reconstrução de Forma de Onda: Um novo algoritmo reconstrói formas de onda com base nas posições dos eventos positivos. Para resolver ambiguidades causadas por ruído ou interferência (onde eventos podem aparecer em ambos os casos de reconstrução potenciais), o sistema seleciona a forma de onda com maior probabilidade.
  • Correção de Erros: Para lidar com ruído do sensor e interferência, o sistema emprega códigos CRC-Polar decodificados via Decodificação por Lista de Cancelamento Sucessivo (SCL) com métricas de decisão suave.
• Identificação de Múltiplos Transmissores: O sistema identifica regiões de transmissor analisando a distribuição espacial de eventos gerada por uma sequência específica de sincronização (intervalos transitando como 5T → 4T → 3T). Utiliza filtragem Gaussiana e um método de preenchimento (flood-fill) para detectar clusters de pixels, desenhar retângulos delimitadores e fundir regiões sobrepostas. Eventos dentro de cada região identificada são processados em threads paralelas.
• Sincronização: Uma análise de densidade temporal da sequência de sincronização permite que o sistema alinhe eventos a uma única instância de tempo, estabelecendo o tempo de sincronização mesmo com eventos positivos apenas.

Principais Contribuições

1. Protocolo Otimizado: Projeto de um protocolo de comunicação para operação apenas de eventos positivos que suprime o transbordamento de largura de banda, permitindo distância de comunicação estendida e um FOV amplo sem restrições de ROI.
2. Capacidade de Múltiplos Transmissores: Desenvolvimento de um método para identificar e receber simultaneamente sinais de até três transmissores dentro do campo de visão.
3. Padrão de Referência de Latência no Mundo Real: Execução da primeira avaliação de latência de ponta a ponta para um sistema OCC baseado em câmera de eventos em um ambiente veicular realista com múltiplos transmissores.

Resultados Experimentais
Os experimentos foram conduzidos com uma câmera montada em um veículo passando por transmissores fixos na estrada a velocidades de até 45 km/h.

• Taxa de Erro de Bit (BER): O protocolo proposto alcançou desempenho de BER comparável ou superior aos protocolos convencionais (que exigem restrição de ROI) em distâncias iguais ou maiores, validando a eficácia da operação de quadro completo e apenas de eventos positivos.
• Desempenho de Latência:
  • Velocidade do Veículo: A latência mostrou impacto negligenciável da velocidade do veículo (testada até 45 km/h).
  • Contagem de Transmissores: A latência permaneceu estável com até três transmissores devido ao processamento paralelo, desde que o número de transmissores não excedesse os limites de núcleos da CPU.
  • Tamanho da Carga Útil: A latência aumentou com o tamanho da carga útil devido a durações de piscar mais longas. O sistema recebeu com sucesso 288 bytes dentro de 100 ms.
  • Sobrecarga de Processamento: A maior parte da latência foi atribuída ao tempo de piscar do LED; o processamento real de recepção representou apenas 10–16 ms, indicando margem computacional suficiente.

Significado e Alegações
O artigo afirma que o sistema proposto atende aos requisitos de latência para percepção cooperativa conforme definido pelo Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI), que especifica a transmissão de aproximadamente 200 bytes dentro de 100 ms. Ao demonstrar a capacidade de receber 288 bytes dentro desse período, o sistema prova sua viabilidade para casos de uso de percepção cooperativa V2X.

Os autores posicionam a VLC baseada em câmera de eventos não como uma substituição autônoma para a comunicação por Radiofrequência (RF), mas como uma tecnologia complementar que alivia o congestionamento da banda de RF. Este trabalho estabelece o primeiro padrão de referência para avaliação de latência neste domínio específico, abordando uma lacuna na literatura existente onde tais análises eram anteriormente limitadas a condições estáticas ou cenários de transmissor único. Trabalhos futuros são identificados como focando na melhoria da robustez da identificação de transmissores e na exploração de comunicação baseada em retransmissão para superar limitações de linha de visão.