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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)。
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; [ o6 N0 f7 N A圖1:車載光無線通信應用場景。
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; L0 l( S! `% ^9 W1 W3 ^6 S }無人機光無線通信0 o' ]2 W1 _ g6 \
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(shù)據(jù)傳輸率無需許可的頻譜更低的干擾增強的安全性
/ o9 R9 }1 ]+ M" I圖2展示了OWC支持的一些關鍵無人機應用:& X% A, k9 u% R5 T3 h+ J+ q" ^
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+ B' K' R! t6 u, ~" ?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。: s; |/ ~# s2 \3 Q1 H
9 `6 ]( P7 D: |無人機OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括:- r& c; n( w, o0 E4 _& o
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(wǎng)絡架構與RF集成的混合無人機通信/ ^7 ?, I* t7 x {. m
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地面車輛光無線通信; M6 z" u1 t! J& `+ P
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。# j0 [+ Q9 f, g$ x5 ~" ?# Q9 Y8 f0 W
VLC用于車輛的主要優(yōu)勢包括:重復利用現(xiàn)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
; a9 h( Y, ^: E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)絡的集成
% }/ \0 ~4 K R5 T! N水下車輛光無線通信
! D4 l+ p! z* W# N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(shù)據(jù)傳輸率。圖4展示了一個典型的水下OWC設置:4 J5 m! B# K, N: B
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) i1 v8 P. O- ]圖4:水下車輛OWC節(jié)點鏈路圖。+ O; `$ c8 d: {* n( g7 s
水下車輛OWC的關鍵特征包括:
, R! l! Y! S3 M9 Y( T/ E5 o使用藍綠波長(400-550 nm)以最小化衰減在數(shù)十米范圍內可實現(xiàn)Gbps級數(shù)據(jù)傳輸率具有高精度水下定位的潛力
+ ]/ H) ~; E9 e6 A' ~ j g! F. `主要挑戰(zhàn)包括:! o2 F% L: W9 C/ J+ k' T0 B
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
/ x) j. D$ z2 F4 I+ ^2 x車輛網(wǎng)絡架構
3 {# S5 ^2 E0 K4 D. Z; q+ A/ HOWC使協(xié)調多個車輛的新型網(wǎng)絡架構成為可能:UAV-UAV網(wǎng)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(wǎng)
( s4 P( a G$ U' d* K9 k0 ~% M" A圖5展示了一個自組織UAV網(wǎng)絡概念:' r E& _) M% h) }; a
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圖5:自組織UAV網(wǎng)絡通信
/ U2 ` [/ J1 }9 g* DUAV-地面車輛網(wǎng)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9 z( {3 g& i9 d" Q U
UAV-AUV網(wǎng)絡:UAV可作為空中節(jié)點連接水下和陸地網(wǎng)絡需要空氣-水界面通信
5 Y# Z) B) Q2 I* j: N圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡:4 C" j9 D P; g3 o( r) n& N3 C
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圖6:UAV-AUV網(wǎng)絡通信概念
" o, F) _0 S$ |+ ~4 s/ ^未來研究方向- ]9 Y$ j; ^# S
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(xié)議的標準化安全和隱私機制OWC與5G/6G蜂窩網(wǎng)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 t7 ?9 [" ^ k
結論
9 m! c0 d( G6 D9 ~7 V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)絡不可或缺的一部分。
F. R+ Z- W% t) d% {0 @& _) q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。- c' l( [8 o% P5 W* P/ S
參考文獻; Q& J. `$ @; v# g4 W3 H
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.$ ~2 X* z) S# ?2 N$ ~7 _" G& t* F
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$ p5 Y1 ^4 j6 a+ Q5 k深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件,提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務,廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術與服務。
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