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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)。
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圖1:車載光無線通信應(yīng)用場景。
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+ P$ a6 _5 X4 P+ b無人機光無線通信
, x& Z: \3 h1 g5 _! `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1 e$ N$ Y, s' h) B( C
圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無人機應(yīng)用:
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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。# t$ a1 e3 T/ l* u! A8 ~9 N
5 d8 D2 H+ {( y無人機OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括:
& i/ M' c1 v9 Q8 r8 f c5 Z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% O. T5 p- }6 ]. X# }5 Z4 N
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地面車輛光無線通信
* X. R1 o" @' X: c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:
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圖3.:車載光無線通信場景。
6 z, X. b$ J/ k2 ZVLC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
( `! B1 G! U) p, m) K- ]0 k3 v3 A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. b6 b2 H( Z+ V2 \
水下車輛光無線通信
2 Z) B, Y) X& j; O# }' Y: ]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:- m1 V- X- N+ y( p: m- W
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圖4:水下車輛OWC節(jié)點鏈路圖。* j1 b+ [$ z0 J; m; G4 R1 I8 W
水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括:
! [" s0 q3 @( Q# y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2 g( _8 h1 V; i$ V
主要挑戰(zhàn)包括:
: a6 U; o4 |2 C) w! ^- j( J由于嚴重衰減和散射而導(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# Z! d3 B! I% v9 \
車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
- T4 V# S# m4 {7 ?, Y2 |0 M. Q5 oOWC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)) P& R7 q/ e5 }
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) K+ v C! \" Y+ G
UAV-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
( {, O m3 I& q* n2 E/ f! }2 m2 [! MUAV-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0 X# _% ]/ c9 w3 [1 }. c
圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò):5 E ^! f! O: {5 K4 c/ M
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圖6:UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念 o7 t7 E6 r! D7 o
未來研究方向6 F q2 Z- E" k+ k' a4 k: A7 Q
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)議的標準化安全和隱私機制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
0 b* }; h: s, A( q結(jié)論
! `/ Q, n* ]$ n% N7 o( U! _/ ^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。
i* e) K# W0 U- z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。
+ j6 t9 z* m! ~, I5 H$ y! C2 ~3 d3 E參考文獻
% ] Y$ T$ A& d; t: I: NH. 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.2020.3024854.3 q; |6 x. Q# G( t- h& o
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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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