车载光无线通信概述

逍遥设计自动化

简介光无线通信（OWC）正成为智能交通系统中车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信的一项有前途的技术。本文概述了OWC在不同类型车辆中的应用，包括无人机（UAV）、地面操作车辆（GOV）和自主水下航行器（AUV）。

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  @" _" ]' _; l3 ?6 t) {' Y- ^2 a图1：车载光无线通信应用场景。
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无人机光无线通信
' N6 s+ y3 E. }* d无人机越来越多地用于遥感、实时监控、无线覆盖和搜索救援等应用。与射频（RF）技术相比，OWC为无人机通信提供了几个优势：

更高的数据传输率

无需许可的频谱

更低的干扰

增强的安全性
" R' P$ H: ^/ c- {图2展示了OWC支持的一些关键无人机应用：

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3 E1 ^6 F/ ]8 K4 k4 Z, L  O图2：使用光无线通信的无人机应用：（a）遥感 （b）实时监控 （c）搜索救援 （d）无线覆盖。
; s( t- v& i8 o! S4 U% G
* h0 ^# ]1 q3 b8 c. G" k0 k/ ^无人机OWC的主要研究挑战包括：

考虑大气效应的精确信道建模

移动无人机的波束跟踪和对准

无人机集群的网络架构

与RF集成的混合无人机通信

地面车辆光无线通信
对于地面车辆，使用LED灯的可见光通信（VLC）是V2V和V2I链路的一种有前途的方法。图3展示了一个典型的车载OWC场景：
+ E3 G3 V( R, l  d$ o

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% ~- `) e6 G0 c, A& E6 R2 }图3.：车载光无线通信场景。
; Q+ J6 P& ?7 k+ r% DVLC用于车辆的主要优势包括：

重复利用现有LED基础设施（车头灯、交通信号灯、路灯）

高定位精度

不干扰RF系统

由于视线传播而具有固有安全性
* o5 R+ r; y3 W6 I1 B% n, N主要挑战包括：

移动性和动态信道条件

来自环境光源的干扰

有限的通信范围

与现有车载网络的集成
水下车辆光无线通信
! U, ~" ]5 I  z6 c9 A对于AUV，特别是在短距离内，光无线通信提供了比声学通信更高的数据传输率。图4展示了一个典型的水下OWC设置：

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图4：水下车辆OWC节点链路图。
9 f: G8 t& `2 L( f1 o+ ~* t水下车辆OWC的关键特征包括：
; k/ x  R# Z+ L6 a) D

使用蓝绿波长（400-550 nm）以最小化衰减

在数十米范围内可实现Gbps级数据传输率

具有高精度水下定位的潜力
( u2 C! s) V" g) U主要挑战包括：
" L9 y# _& ?6 D6 R

由于严重衰减和散射而导致的有限范围

水中的湍流和颗粒影响链路稳定性

波束系统的精确指向和跟踪
车辆网络架构
OWC使协调多个车辆的新型网络架构成为可能：UAV-UAV网络：

集中式：所有UAV通过地面基站通信

自组织：直接UAV间链路形成自组网
' J" m$ T2 ~8 {5 z0 w" R图5展示了一个自组织UAV网络概念：

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0 Y- U1 q1 i# P6 L, K0 \图5：自组织UAV网络通信
' a( D! O; I( R* L/ d: n8 PUAV-地面车辆网络：

UAV可作为中继以扩展地面车辆通信范围

混合RF-光学链路可提高可靠性
UAV-AUV网络：

UAV可作为空中节点连接水下和陆地网络

需要空气-水界面通信
图6展示了一个概念性的UAV-AUV网络：

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2 y6 P% `: {) E) x: ^图6：UAV-AUV网络通信概念
6 d& [: l* r7 P# c未来研究方向
车载OWC的进一步研究领域包括：

针对车载信道的先进调制和编码

提高链路可靠性和容量的MIMO技术

用于信道预测和资源分配的机器学习

车载OWC协议的标准化

安全和隐私机制

OWC与5G/6G蜂窝网络的集成

车载节能和太阳能供电的OWC收发器

使用光信号的水下定位和导航

自动驾驶车辆的可见光感知和通信
结论
% o- r7 a6 ]' I, S; L) G' y无线通信可为各种类型的车辆提供高速、安全和无干扰的连接。近年来取得了重大进展，在广泛部署之前仍有许多开放问题需要解决。通过进一步的研究和开发，OWC有潜力成为下一代智能交通系统和自动驾驶车辆网络不可或缺的一部分。
本文概述了空中、地面和水下车辆光无线通信的关键概念、进展和未来方向。随着该领域的快速发展，为研究人员和工程师提供了的机遇，可以为新型车辆通信系统的发展做出贡献。
参考文献
+ k; O' ]0 L% {  W2 N. Q# P- Y$ dH. 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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