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簡介光無線通信(OWC)正成為智能交通系統(tǒng)中車對車(V2V)和車對基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信的一項有前途的技術(shù)。本文概述了OWC在不同類型車輛中的應(yīng)用,包括無人機(UAV)、地面操作車輛(GOV)和自主水下航行器(AUV)。* ?8 U+ E, e& Y f
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: o& \- S8 r. G' W1 ~. l; ]圖1:車載光無線通信應(yīng)用場景。 m+ q8 g# k0 r/ C( M
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無人機光無線通信& ?1 D) K( x- m# ]! @
無人機越來越多地用于遙感、實時監(jiān)控、無線覆蓋和搜索救援等應(yīng)用。與射頻(RF)技術(shù)相比,OWC為無人機通信提供了幾個優(yōu)勢:更高的數(shù)據(jù)傳輸率無需許可的頻譜更低的干擾增強的安全性* }2 s* y7 f4 A2 @
圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無人機應(yīng)用:( }- |$ M5 L2 `) u4 R& ]$ ^
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圖2:使用光無線通信的無人機應(yīng)用:(a)遙感 (b)實時監(jiān)控 (c)搜索救援 (d)無線覆蓋。( `# A5 n% E( Z/ f4 h/ k
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無人機OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括:
2 P; `; V+ `& d3 K6 C# ~" t c! k I考慮大氣效應(yīng)的精確信道建模移動無人機的波束跟蹤和對準(zhǔn)無人機集群的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與RF集成的混合無人機通信8 U4 m. \( B3 l% M) e
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地面車輛光無線通信; Q& B' j8 O& g9 f6 a. ?
對于地面車輛,使用LED燈的可見光通信(VLC)是V2V和V2I鏈路的一種有前途的方法。圖3展示了一個典型的車載OWC場景:/ ` ? {2 @! c6 E' j! i/ S. _
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圖3.:車載光無線通信場景。
. j3 f: U0 ]$ C6 i' k+ sVLC用于車輛的主要優(yōu)勢包括:重復(fù)利用現(xiàn)有LED基礎(chǔ)設(shè)施(車頭燈、交通信號燈、路燈)高定位精度不干擾RF系統(tǒng)由于視線傳播而具有固有安全性4 |; r2 J1 @: k- x" ~
主要挑戰(zhàn)包括:移動性和動態(tài)信道條件來自環(huán)境光源的干擾有限的通信范圍與現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)的集成
; I2 ^; ~2 Q/ D$ e8 Q水下車輛光無線通信
) |3 ]* i) J& ? o對于AUV,特別是在短距離內(nèi),光無線通信提供了比聲學(xué)通信更高的數(shù)據(jù)傳輸率。圖4展示了一個典型的水下OWC設(shè)置:
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! E: R5 X! M _ ~圖4:水下車輛OWC節(jié)點鏈路圖。# k/ J. } V$ o: c* I! C
水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括:) t' |! }" T% Y$ ]) v
使用藍綠波長(400-550 nm)以最小化衰減在數(shù)十米范圍內(nèi)可實現(xiàn)Gbps級數(shù)據(jù)傳輸率具有高精度水下定位的潛力+ B( i* Q: V+ y& X
主要挑戰(zhàn)包括:& v4 u$ U) A* ~/ t3 Y& v# q H; z
由于嚴(yán)重衰減和散射而導(dǎo)致的有限范圍水中的湍流和顆粒影響鏈路穩(wěn)定性波束系統(tǒng)的精確指向和跟蹤
; ]6 M! x8 @( A& y9 F1 D車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) v6 Z2 M" M$ k' M/ h0 N$ X2 Y
OWC使協(xié)調(diào)多個車輛的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為可能:UAV-UAV網(wǎng)絡(luò):集中式:所有UAV通過地面基站通信自組織:直接UAV間鏈路形成自組網(wǎng)
( Q2 z5 E, ~, M- G/ U0 I4 n2 u圖5展示了一個自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念:
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圖5:自組織UAV網(wǎng)絡(luò)通信
2 Q" w- R6 g! E$ \: eUAV-地面車輛網(wǎng)絡(luò):UAV可作為中繼以擴展地面車輛通信范圍混合RF-光學(xué)鏈路可提高可靠性
8 H/ s: }% \% F( `6 D, W, y3 _UAV-AUV網(wǎng)絡(luò):UAV可作為空中節(jié)點連接水下和陸地網(wǎng)絡(luò)需要空氣-水界面通信 f5 r% H# F. M6 W, [
圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò):
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W' B( J; N! a- `% g2 x4 e0 [2 _" D* C圖6:UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念3 Q* Y& B& m4 m7 N* s8 y
未來研究方向5 E2 E% r. U, r1 c
車載OWC的進一步研究領(lǐng)域包括:針對車載信道的先進調(diào)制和編碼提高鏈路可靠性和容量的MIMO技術(shù)用于信道預(yù)測和資源分配的機器學(xué)習(xí)車載OWC協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化安全和隱私機制OWC與5G/6G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的集成車載節(jié)能和太陽能供電的OWC收發(fā)器使用光信號的水下定位和導(dǎo)航自動駕駛車輛的可見光感知和通信) b5 \; R; p3 H7 p( w
結(jié)論) f+ k" e7 C ], n+ J
無線通信可為各種類型的車輛提供高速、安全和無干擾的連接。近年來取得了重大進展,在廣泛部署之前仍有許多開放問題需要解決。通過進一步的研究和開發(fā),OWC有潛力成為下一代智能交通系統(tǒng)和自動駕駛車輛網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。, e! g$ a0 C8 N8 b' ~- I# c
本文概述了空中、地面和水下車輛光無線通信的關(guān)鍵概念、進展和未來方向。隨著該領(lǐng)域的快速發(fā)展,為研究人員和工程師提供了的機遇,可以為新型車輛通信系統(tǒng)的發(fā)展做出貢獻。) N) W3 d; k- F& a! O) W0 V
參考文獻
7 h( R- @! a' N7 I. c; R' g. e) v; TH. Mei, J. Ding, J. Zheng, X. Chen and W. Liu, "Overview of Vehicle Optical Wireless Communications," in IEEE Access, vol. XX, no. XX, pp. 1-9, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3024854.* R8 O; i) {# k$ y
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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