車載光無線通信概述

逍遙設(shè)計自動化

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。
8 c( C9 D' a/ G$ f8 p9 a' Z! i0 Y, n

+ 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
圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無人機應(yīng)用：
5 {% |6 {. S/ r  ]/ f/ z

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。

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

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：
. p* V& A# ?9 R- ]! v4 ^* [. M
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
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：

圖4：水下車輛OWC節(jié)點鏈路圖。
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
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
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)
圖5展示了一個自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念：
6 G' R4 E% Q* ?2 }2 I7 D# n
圖5：自組織UAV網(wǎng)絡(luò)通信
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
圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)：


圖6：UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念
未來研究方向
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.

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