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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)。# M# ~/ \' `# P" o! P/ |& X
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圖1:車載光無線通信應(yīng)用場景。
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( @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1 @+ a, u- f E- ?! U9 S
圖2展示了OWC支持的一些關(guān)鍵無人機(jī)應(yīng)用:
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/ 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。" ^' g0 w' r8 }% [) D, F
7 u; M) q; ]3 S$ G7 ?0 W無人機(jī)OWC的主要研究挑戰(zhàn)包括:3 j- J( d# i1 A* i) V
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2 H! H: G$ p7 N/ }+ n) l
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:
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0 O& [- t& |; z6 R ^# |圖3.:車載光無線通信場景。# r$ @8 }4 Z; t1 x! W9 z+ j2 p
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/ b! \& B- a( C3 U; v
水下車輛光無線通信$ H. b" a( E/ C5 l
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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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:6 x+ ]( d: n7 S( q6 t5 x
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8 H* w" _6 I- T" ?+ w6 F4 Q* M2 h- N5 A
主要挑戰(zhàn)包括:6 I- w1 n1 @: V: t
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$ M8 u* F# y! Y8 Z& h* k
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:
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圖5:自組織UAV網(wǎng)絡(luò)通信' f3 D+ P7 \5 @6 M/ k2 f
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 z" v9 W S T9 W
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):
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圖6:UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念8 b( z+ d+ B7 ~6 j, c" x5 R6 I
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/ m7 e$ V" n" s* d: n/ h9 `
結(jié)論# Q5 ~. W. y2 X2 l* X8 O0 S" B$ i
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。' ] N6 g: w$ w' ^9 N6 m
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)。' x. T, x( ]" S8 P+ e2 `0 \0 x
參考文獻(xiàn)6 H1 e+ r# O G+ g' p' V/ m9 Z; T
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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