車載光無線通信概述

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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）和車對基礎設施（V2I）通信的一項有前途的技術。本文概述了OWC在不同類型車輛中的應用，包括無人機（UAV）、地面操作車輛（GOV）和自主水下航行器（AUV）。

圖1：車載光無線通信應用場景。
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無人機光無線通信
# n7 S! b, L& _7 |5 |4 o7 n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用。與射頻（RF）技術相比，OWC為無人機通信提供了幾個優(yōu)勢：

更高的數據傳輸率

無需許可的頻譜

更低的干擾

增強的安全性
圖2展示了OWC支持的一些關鍵無人機應用：

$ a% `6 N) R; T3 l4 j
! M) }/ f4 o# s8 ]% d圖2：使用光無線通信的無人機應用：（a）遙感 （b）實時監(jiān)控 （c）搜索救援 （d）無線覆蓋。
6 F( V8 q9 G1 n; |. H
! |: Y" B1 ]. O6 v* @" C無人機OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括：
. b, h; F4 U$ L) s2 V$ G' H2 B

考慮大氣效應的精確信道建模

移動無人機的波束跟蹤和對準

無人機集群的網絡架構

與RF集成的混合無人機通信

地面車輛光無線通信
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：
8 c" o: Y) \* G) b1 X
圖3.：車載光無線通信場景。
% A1 \! d- o  mVLC用于車輛的主要優(yōu)勢包括：

重復利用現有LED基礎設施（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
/ s0 B% P) ~  A0 c' |: n  n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

與現有車載網絡的集成
水下車輛光無線通信
對于AUV，特別是在短距離內，光無線通信提供了比聲學通信更高的數據傳輸率。圖4展示了一個典型的水下OWC設置：

圖4：水下車輛OWC節(jié)點鏈路圖。
水下車輛OWC的關鍵特征包括：

使用藍綠波長（400-550 nm）以最小化衰減

在數十米范圍內可實現Gbps級數據傳輸率

具有高精度水下定位的潛力
主要挑戰(zhàn)包括：

由于嚴重衰減和散射而導致的有限范圍

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
: o4 [+ f& t+ ]車輛網絡架構
OWC使協調多個車輛的新型網絡架構成為可能：UAV-UAV網絡：

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
圖5展示了一個自組織UAV網絡概念：

& m) g4 P+ a' E8 g; ?圖5：自組織UAV網絡通信
% f9 [" \  q! K0 ZUAV-地面車輛網絡：

UAV可作為中繼以擴展地面車輛通信范圍

混合RF-光學鏈路可提高可靠性
$ o9 i1 P8 i$ C: W$ x9 ~UAV-AUV網絡：

UAV可作為空中節(jié)點連接水下和陸地網絡

需要空氣-水界面通信
+ m. m* u. t9 x  [# W" m! e圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網絡：
+ U8 y- C+ c) i5 X% ?  k
# Z: ?% j0 `2 P8 _/ e9 u0 d
+ o2 y2 p. D1 U5 s; ]# V+ J- J圖6：UAV-AUV網絡通信概念
未來研究方向
車載OWC的進一步研究領域包括：

針對車載信道的先進調制和編碼

提高鏈路可靠性和容量的MIMO技術

用于信道預測和資源分配的機器學習

車載OWC協議的標準化

安全和隱私機制

OWC與5G/6G蜂窩網絡的集成

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航

自動駕駛車輛的可見光感知和通信
結論
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)和自動駕駛車輛網絡不可或缺的一部分。
( {8 x# }; Z6 A: K: E本文概述了空中、地面和水下車輛光無線通信的關鍵概念、進展和未來方向。隨著該領域的快速發(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。
  y8 K) Z) a* T參考文獻
H. 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.

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