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簡(jiǎn)介光無(wú)線通信(OWC)正成為智能交通系統(tǒng)中車對(duì)車(V2V)和車對(duì)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(wú)人機(jī)(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(wú)線通信應(yīng)用場(chǎng)景。
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- P- I/ w' B- J* e1 e E% o2 n( Z無(wú)人機(jī)光無(wú)線通信& t6 H& a6 p0 v4 d7 C
無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地用于遙感、實(shí)時(shí)監(jiān)控、無(wú)線覆蓋和搜索救援等應(yīng)用。與射頻(RF)技術(shù)相比,OWC為無(wú)人機(jī)通信提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì):更高的數(shù)據(jù)傳輸率無(wú)需許可的頻譜更低的干擾增強(qiáng)的安全性* K+ D3 a) O3 w" |- P- W, Q
圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無(wú)人機(jī)應(yīng)用:
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: b7 U5 ?! P! z( D7 R圖2:使用光無(wú)線通信的無(wú)人機(jī)應(yīng)用:(a)遙感 (b)實(shí)時(shí)監(jiān)控 (c)搜索救援 (d)無(wú)線覆蓋。$ f9 O0 F$ C- O6 R3 u
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無(wú)人機(jī)OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括: p+ M8 n; X* g3 y5 e
考慮大氣效應(yīng)的精確信道建模移動(dòng)無(wú)人機(jī)的波束跟蹤和對(duì)準(zhǔn)無(wú)人機(jī)集群的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與RF集成的混合無(wú)人機(jī)通信
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- e. v9 m% Z3 r M( f$ i地面車輛光無(wú)線通信
& a' L# [& \0 U+ u( v對(duì)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(chǎng)景:; ^( E4 D" u& I3 [0 F; @
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圖3.:車載光無(wú)線通信場(chǎng)景。: S6 l f5 x/ a* M
VLC用于車輛的主要優(yōu)勢(shì)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 Z0 i) J ]: X! n: z; l
主要挑戰(zhàn)包括:移動(dòng)性和動(dòng)態(tài)信道條件來(lái)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, \2 P7 N7 ^1 o3 l ?5 {7 L
水下車輛光無(wú)線通信
) W7 b& R2 b7 F4 x對(duì)于AUV,特別是在短距離內(nèi),光無(wú)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:
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圖4:水下車輛OWC節(jié)點(diǎn)鏈路圖。
( L9 B+ D( U; p3 d, @水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括:9 `, ~# Q3 v& l8 ^7 k7 I
使用藍(lán)綠波長(zhǎng)(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
`; u9 p% [+ B9 r g" `主要挑戰(zhàn)包括:
5 e4 z; w2 [: r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4 A. n$ m2 X4 o* T# ?
車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu): t- u% {* C6 |- s& B) D
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(guò)地面基站通信自組織:直接UAV間鏈路形成自組網(wǎng)
" m% m2 E/ W% T1 q9 E2 w% T0 D5 W/ f圖5展示了一個(gè)自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念:
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7 o/ v6 }* q' O4 f3 e$ l2 g圖5:自組織UAV網(wǎng)絡(luò)通信& j9 {7 V$ A2 K/ r' m b
UAV-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
4 F; X3 v# W+ y) m$ AUAV-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
' s, x% A, B% | ?. T7 O0 m. N4 z- o圖6展示了一個(gè)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
, t" s) E/ [- v未來(lái)研究方向
" \3 s# K/ U" i( j車載OWC的進(jìn)一步研究領(lǐng)域包括:針對(duì)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(cè)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(yáng)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. X, `$ k% U; j# t1 ~. s3 p* p
結(jié)論6 g: b! e* E! O
無(wú)線通信可為各種類型的車輛提供高速、安全和無(wú)干擾的連接。近年來(lái)取得了重大進(jìn)展,在廣泛部署之前仍有許多開放問(wèn)題需要解決。通過(guò)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。
% E+ M* G8 w4 |4 @本文概述了空中、地面和水下車輛光無(wú)線通信的關(guān)鍵概念、進(jìn)展和未來(lái)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)。# R( D$ Z! l3 U9 h( j- g" J
參考文獻(xiàn)
) e8 E7 c" W$ M" `: 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.
; c) y0 `1 q6 \6 r! x" O. w% D$ I l& i* E3 n) i* k
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, [% J5 r8 v: m- Q+ L- |歡迎轉(zhuǎn)載
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9 n: q8 D p7 _! C& K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(duì)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(guó)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)。: P9 a7 s! f* H
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