車載光無線通信概述

逍遙設(shè)計(jì)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(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）。

圖1：車載光無線通信應(yīng)用場景。
, @- a% X' d) ^; b9 y

( @7 C5 F2 E$ Z9 P3 r+ s無人機(jī)光無線通信
: ]" q! z1 U$ V. F  a, r% o5 a無人機(jī)越來越多地用于遙感、實(shí)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(jī)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(qiáng)的安全性
圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無人機(jī)應(yīng)用：
: _/ v7 t: F" E8 ~" l& b7 g( Q, Z
+ L5 g0 {: _0 h
/ u" x1 @$ m! s  o圖2：使用光無線通信的無人機(jī)應(yīng)用：（a）遙感 （b）實(shí)時監(jiān)控 （c）搜索救援 （d）無線覆蓋。

7 u; M) q; ]3 S$ G7 ?0 W無人機(jī)OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括：

考慮大氣效應(yīng)的精確信道建模

移動無人機(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

7 t( B9 e2 R2 Z地面車輛光無線通信
, J- u3 p+ {% W+ U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：
* C2 w. M* q! e. j5 T
0 O& [- t& |; z6 R  ^# |圖3.：車載光無線通信場景。
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
) Z7 P# `% D/ d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
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：
3 z/ C. q8 Q0 C5 m3 H# [' m  @! U2 ]
8 G% _+ v4 V/ v/ U圖4：水下車輛OWC節(jié)點(diǎn)鏈路圖。
" q% g& u# L& s6 o% V: k6 d水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括：

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：

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
車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
7 `# Z7 ]3 N6 q, g$ }* V; tOWC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)
2 C# q* B* v# f9 }. ?圖5展示了一個自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念：
0 G* T$ a. i) R0 g1 J( b5 d/ w
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(kuò)展地面車輛通信范圍

混合RF-光學(xué)鏈路可提高可靠性
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
; j" U' y! e! c7 C, a, I圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)：
2 q+ T. D2 Q5 E# w/ `+ t

圖6：UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念
未來研究方向
6 D  c7 C/ `& n  g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

使用光信號的水下定位和導(dǎo)航

自動駕駛車輛的可見光感知和通信
結(jié)論
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)和自動駕駛車輛網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。
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)。
參考文獻(xiàn)
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.
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