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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(xiàng)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(jī)(UAV)、地面操作車輛(GOV)和自主水下航行器(AUV)。
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) ]/ ?, C. i- a! i7 R/ ^ L圖1:車載光無線通信應(yīng)用場景。
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' `( t! w& P9 X: X無人機(jī)光無線通信- L5 _0 i4 n8 B6 i; J3 n
無人機(jī)越來越多地用于遙感、實(shí)時(shí)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(jī)通信提供了幾個(gè)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(qiáng)的安全性
+ O2 }- f! j S7 u圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無人機(jī)應(yīng)用:7 m* N: o- @: x% F) i
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& k0 t# S8 ~2 Q( ~, [; T( X# ]圖2:使用光無線通信的無人機(jī)應(yīng)用:(a)遙感 (b)實(shí)時(shí)監(jiān)控 (c)搜索救援 (d)無線覆蓋。
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9 c% m8 ?6 W8 F. @" v7 T) ?無人機(jī)OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括:
( G8 B9 N* Y2 |5 d- I; k( G考慮大氣效應(yīng)的精確信道建模移動(dòng)無人機(jī)的波束跟蹤和對準(zhǔn)無人機(jī)集群的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與RF集成的混合無人機(jī)通信- o) h7 c# U0 J4 E
2 V& ]$ s# j; T8 w. x地面車輛光無線通信4 w2 m4 b) S- U; k6 @' T# l" e
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(gè)典型的車載OWC場景:; i( c1 D- P0 z M8 z
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1 m. N: G0 n4 G5 A% w: p- Z圖3.:車載光無線通信場景。
& w: y: n+ _. _- ?' T- KVLC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(hào)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
7 b4 q5 M3 G/ M; G主要挑戰(zhàn)包括:移動(dòng)性和動(dòng)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
3 D8 ]! n5 W. s8 E8 n& N. R水下車輛光無線通信$ Q- s/ @+ [* j! Q+ i
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(gè)典型的水下OWC設(shè)置:) @+ w# Q: ?( P7 q! m
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! `6 E3 E& g, C8 \4 x3 i( F% ~圖4:水下車輛OWC節(jié)點(diǎn)鏈路圖。
( r$ F; W. p0 R7 b0 V* I水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括:
4 j8 c% l- _# E, H" d% G6 a) [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(shí)現(xiàn)Gbps級(jí)數(shù)據(jù)傳輸率具有高精度水下定位的潛力" v7 s& ?; J% B
主要挑戰(zhàn)包括:
/ J6 R1 o9 N" T7 P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! g& D; }9 `7 G% K/ f, C+ k
車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)+ c5 _! L% }' R! Q" y2 u# o! @
OWC使協(xié)調(diào)多個(gè)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); N' h& m }4 S
圖5展示了一個(gè)自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念:
, @. C, n1 v9 \8 k# O0 T1 k) B
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圖5:自組織UAV網(wǎng)絡(luò)通信
1 W. S, U' l- r0 {0 M1 rUAV-地面車輛網(wǎng)絡(luò):UAV可作為中繼以擴(kuò)展地面車輛通信范圍混合RF-光學(xué)鏈路可提高可靠性, x/ h5 d$ Y! r5 _ d4 Q
UAV-AUV網(wǎng)絡(luò):UAV可作為空中節(jié)點(diǎn)連接水下和陸地網(wǎng)絡(luò)需要空氣-水界面通信
4 x3 s) C/ W4 W# y! x) F; t圖6展示了一個(gè)概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò):9 N. q( x7 u. I. H( W4 r
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' C3 b# H; f9 p% c" b! u圖6:UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念7 X; w# n! ^9 D1 x' H1 N
未來研究方向1 q& L; `4 L# U5 V$ Y
車載OWC的進(jìn)一步研究領(lǐng)域包括:針對車載信道的先進(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)車載OWC協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化安全和隱私機(jī)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(hào)的水下定位和導(dǎo)航自動(dòng)駕駛車輛的可見光感知和通信
0 K9 v' P o, h" ~( Z% c結(jié)論! j4 [# _9 _" F7 k! |# a
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(jìn)展,在廣泛部署之前仍有許多開放問題需要解決。通過進(jìn)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(dòng)駕駛車輛網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。
5 K/ y4 S- f# A0 f* V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(jìn)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(jī)遇,可以為新型車輛通信系統(tǒng)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。0 c+ o/ ~% G1 k, m @ {4 y7 p
參考文獻(xiàn)
4 \6 ] A( R! z5 R/ l8 ^7 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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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(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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)。" ^' _0 j* r( F- d
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