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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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無人機光無線通信9 T* ^: T6 C3 G" Z' \) [& W+ 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
+ [) l6 f6 M9 l9 |$ M- \: g7 |# M圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無人機應(yīng)用:2 {5 `5 R; t5 D* v' _
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/ K5 ]6 }! w, f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。 K; }4 J2 B- u! b8 a7 Z' @, i* v
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無人機OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括:
! t3 ?5 K6 |- Z5 Q! D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
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地面車輛光無線通信; ?- O- j f% \+ a" J
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。# P, I$ e6 {) a) l, T' s' f
VLC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* G- G# \% j+ G' 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& U, u, a! o* O0 ^" {- P+ s# d
水下車輛光無線通信' @3 Z& l. [# O" R
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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圖4:水下車輛OWC節(jié)點鏈路圖。
1 m3 V% ?9 T z$ | Z水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括:
$ H0 ], q2 J2 W# A! p* x( ^3 A& e使用藍(lán)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" C% y! E/ }& w0 u5 ?- g" R# d
主要挑戰(zhàn)包括:
$ G1 T- X- Y* u2 W( y0 ^. U/ J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
" g2 {! z& h+ K+ W- B車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu); u% @ }; s( u/ 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)0 l" b& e) g1 L& E; R, E% b
圖5展示了一個自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念:) L' ~* Z. S/ G* {
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( c: H( N9 L. [8 B. T: i圖5:自組織UAV網(wǎng)絡(luò)通信
$ [$ s) j' X9 F4 Q% k) i; {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 ^/ g& s! a' s
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/ E7 d8 a" b& r( R7 _- d
圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò):
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圖6:UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念
8 O- V# N& t2 C8 J7 P. N/ l未來研究方向
6 c- n; T! f& L' w+ }$ 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(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, ]# \* R& s" C7 W4 |# k
結(jié)論' S# q7 `! ]4 ~! s
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。
5 b7 u- t: p; v3 X& b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。# P$ f7 K6 w3 ?, D7 \, q
參考文獻
6 l& v3 ?6 e7 O% E0 H' e' GH. 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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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)。+ G/ h: M& ]0 ]0 B% Q; O
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