車載光無線通信概述

逍遙設(shè)計自動化

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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5 L- ^1 K; ^! K& j8 b5 P  V6 Y圖1：車載光無線通信應(yīng)用場景。


* u, b1 k& Z* O0 @/ e+ ~無人機(jī)光無線通信
% k0 ?: k4 H6 j3 }( l# L4 @) I無人機(jī)越來越多地用于遙感、實時監(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：
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圖2：使用光無線通信的無人機(jī)應(yīng)用：（a）遙感 （b）實時監(jiān)控 （c）搜索救援 （d）無線覆蓋。

" R( ~4 ^; V( H# n! G4 A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
( g( [( z8 v: T8 t4 f/ j5 L. _
地面車輛光無線通信
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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圖3.：車載光無線通信場景。
  v5 ~; m! M6 a% TVLC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
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
  g2 ?/ P  z: }3 e  g0 X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：

+ t$ i6 M. b. W3 ?圖4：水下車輛OWC節(jié)點鏈路圖。
水下車輛OWC的關(guān)鍵特征包括：
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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)可實現(xiàn)Gbps級數(shù)據(jù)傳輸率

具有高精度水下定位的潛力
  l# {9 O8 {$ \5 u# \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
0 v( k* M: V, _( U+ }車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
( Z2 R' H+ b7 V7 `8 U& rOWC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)
圖5展示了一個自組織UAV網(wǎng)絡(luò)概念：

+ q% Q+ e& s- O: |4 E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)點連接水下和陸地網(wǎng)絡(luò)

需要空氣-水界面通信
$ ]" @0 G+ ~3 ?# N圖6展示了一個概念性的UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)：
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5 P# |/ O4 ]' w1 F$ {6 k
圖6：UAV-AUV網(wǎng)絡(luò)通信概念
# N8 E( t4 I5 h8 L未來研究方向
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
3 O1 d0 ^) o' w4 p  r& _; V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)。
' s! b6 v9 [# w) e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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