車載光無線通信概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

簡(jiǎn)介光無線通信（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：車載光無線通信應(yīng)用場(chǎng)景。
& d9 @( ]+ K3 n* D/ \. t9 r

# H+ m9 g2 V+ q% E2 x, v無人機(jī)光無線通信
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(shì)：

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：
5 a, p2 r% I5 r( z: t
' s8 R; o4 T1 F9 e3 S9 j2 S
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。

3 k4 L( h2 R, u: c) I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(dòng)無人機(jī)的波束跟蹤和對(duì)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
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地面車輛光無線通信
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：

圖3.：車載光無線通信場(chǎng)景。
" L$ W- W+ h. L" i% l7 `% IVLC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
0 o8 h0 p/ ^" S' y& W) h7 }& [6 q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
水下車輛光無線通信
. U- u+ j8 v# o; ?' K1 {9 Y$ G對(duì)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：

' j! d7 `+ o( d2 P8 U圖4：水下車輛OWC節(jié)點(diǎn)鏈路圖。
水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括：
0 `4 G- [7 o7 L2 K! p

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
主要挑戰(zhàn)包括：
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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)
% J8 e6 C6 P3 S4 W) aOWC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)
圖5展示了一個(gè)自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念：
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6 ]; e6 r1 t! c0 \& F) s2 {! N5 a3 V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
圖6展示了一個(gè)概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)：


5 t7 W. Z7 J& q( s! W9 k圖6：UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念
6 e! d0 k1 q& p( u: Z  D- `未來研究方向
% H7 \* S! m/ y6 O8 ^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
結(jié)論
5 y/ ?- c9 }$ K% _4 B  e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。
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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