יישום תקשורת אופטית בטכנולוגיות רכב אוטונומיות

תקשורת אופטית ברכבים אוטונומיים

טכנולוגיות תקשורת אופטיות מעצבות מחדש את תשתית התקשורת הבסיסית של מערכות רכב אוטונומיות.על ידי מינוף גלי אור להעביר נתונים, מערכות אלה מציעות אלטרנטיבה טרנספורמטיבית לתדירות רדיו מסורתית (RF) בהקשר של נהיגה אוטונומית, תקשורת אופטית מאפשרת מהירות גבוהה יחסית, ירידה נמוכה של נתונים חליפין נתונים כי הוא קריטי עבור תפיסה בזמן אמת, קבלת החלטות, ותיאום רכב זה חוקר את היישומים אופטיים של טכנולוגיות אופטיות, לבחון את היתרונות הטכניים, ומיומנויות אקולוגיות נוספות, אשר משלבים, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אוטומטיות של שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אוטומטיות של שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה מחדש של שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה מחדש של שיטות הפעלה מחדש של שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה מחדש של שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אסטרטגיות מתקדמות יותר, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה מחדש של שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה מחדש של שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות, שיטות הפעלה אופטיות,

השינוי לעבר ניידות אוטונומית דורש שכבת תקשורת שיכולה להתמודד עם כמויות הנתונים מסיביות שנוצרו על ידי חיישנים מודרניים - LiDAR, מכ"ם, מצלמות ודימויים תרמיים - תוך שמירה על האמינות הנדרשת לתמרונים קריטיים של בטיחות. תקשורת אופטית, הן באמצעות סיבים אופטיים-אופטיים וקישורים חופשיים של סביבת אופטיים (FSO) קישורים, עמידה בדרישות אלה עם רוחב פסים של מעל 100 Gbps ו- latencies במיקרו-II, בניגוד לרמה אופטית של רשתות אבטחה אלחוטיות.

כיצד תקשורת אופטית עובדת בסביבת הרכב

קישורים חינם ל-Space Optical (FSO)

תקשורת אופטית חופשית משתמשת בבלוטות אור מודולות - אינפרא אדום חד משמעי או אורכי גל גלוי - להעביר נתונים דרך האוויר. בכלי רכב אוטונומיים, קישורים FSO מבוססים בין מכוניות נעות (V2V) או בין תשתית רכב לבין תשתיות צד כביש (V2I) משדרים משתמשים דיודות לייזר או LEDs גבוה; מקלטים הם photodiodes או תמונה.

התקן Wireless Communications (OWC)

גופי סטנדרטיזציה כגון IEEE 802.11bb Task Group על Light Communications הם מפתחים פרוטוקולים במיוחד עבור אלחוטי אופטי בהקשרים vehicular. תקנים אלה מציינים את שיעור הנתונים מ 10 Mbps עד 10 Gbps, באמצעות אור גלוי או ספקטרום אינפרא אדום. בשילוב עם התקדמות ב-Freaming-being ו- אופטיקה אדפטיבית, OWC הופך להיות מועמד קיימא עבור הדור הבא של V2X (ו-to-to-to-All).

שילוב עם רשתות סיבים אופטיים

בתוך הרכב, אוטובוסים נתונים סיבים אופטיים להחליף כבלים נחושת לחיישנים מחוברים, ECUs, ויחידות עיבוד מרכזי. Polymer אופטי סיבים (POF) מציע פתרון יעיל וקל משקל לרשתות בתוך המכונית, תמיכה שידור נתונים במהירות גבוהה ללא הפרעה אלקטרומגנטית. עמוד השדרה האופטית הפנימית הזו משלימה קישורים FSO חיצוניים, יצירת נתיב אופטי חלק מקצה לקצה מחיישנים לפעולת.

דרישות מפתח של תקשורת אופטית

תקשורת לרכב (V2V)

קישורים אופטיים V2V מאפשרים שיתוף נתונים ישיר בין מכוניות בטווח קצר (בדרך כלל 50-300 מטר) על ידי החלפת מידע בזמן אמת על מהירות, האצה, מצב מתפתל, וזווית ההיגוי, כלי רכב יכולים לתאם תמרונים שיתופיים כגון platooning או צומת הימנעות התנגשות.לדוגמה, מכונית מובילה יכולה לשדר את הכוונה שלה באמצעות אופטית לאחר התגובה מהירה יותר מאשר במהירות אנושית, אשר יכול להפחית משמעותית את הסיכון הראשוני של 1Vt מחקרים.

מערכות V2V מתקדמות משתמשות גם במצלמות אופטיות (כמו ב-FLT:0IEEE 802.11bb StandardsFLT:1) כדי לפענח מידע מרחבי מהאור הנפלט על ידי תאורה של כלי רכב אחרים, פנסים, וגישה אופטית ייעודית זו "תקשורת מלאכותית" אינה דורשת חומרה נוספת על מכוניות קיימות – רק על ידי מצלמות עיבוד תוכנה - פריסה מדרגת היקף.

תקשורת לרכב-ל-Infrastructure (V2I)

יחידות צדפות (RSUs) מצוידות ב- Transceivers אופטיים יכולים להחליף נתונים עם כלי רכב עובריים, מתן אות תנועה בזמן אמת, אזהרות סיכון כבישים ומגבלות מהירות דינמיות. Optical V2I הוא בעיקר יתרון באזורים עם התערבות RF צפופה, כגון מנהרות או קונסאנסים עירוניים, שבו אותות RF מידרדרים.ה, הכיוון הגבוה של דבורים אופטיות מאפשר גם לאזורים תקשורתיים - למשל, מספר מסלולים חד-זמנית יכול לשמש על ידי מסלולים מרובים.

יישום מתפתח נוסף הוא השימוש במערות אופטיות בצומת כדי לשדר מידע מקומי מדויק.רכב המקבל אותות אופטיים אלה יכול לחדד את עמדת ה- GPS שלו לדיוק תת-מטר, דרישה לניווט אוטונומי באמצעות צומת מורכב.

חיישן נתונים Fusion ו- High-Bandwidth Offload

כלי רכב אוטונומיים מייצרים terabytes של נתוני חיישן גולמי בכל שעה.תקשורת אופטית מאפשרת לנתונים אלה להיסגר לשרתי ענן או קצה מקומי באמצעות קישורים FSO גבוה, כאשר הרכב הוא חונה או מופעל בתחנות טעינה.זה מאפשר עדכונים תכופים יותר של מפות הגנה גבוהה, הכשרת נתונים עבור מודלים AI, ועדכוני תוכנה אוויריים ללא רוחב פסים.

במהלך נהיגה, קישורים אופטיים יכולים לשאת נתוני חיישן מצטברים מ צי של כלי רכב למעבד מרכזי, המאפשרים אינטליגנציה נפוחה לניהול תנועה ותחזוקה חיזוי.הההה הנמוכה של FSO מבטיחה כי הנתונים מגיעים בזמן עבור תמיכה בזמן אמת, כגון חזרה על בסיס תאונה מזוהה על ידי מכונית מייל מראש.

אפלטון ושותף מתאם בקרת Cruise Control

במשאית platooning, משאית מובילה מעבירה האצה והוראות מתפתל באמצעות V2V אופטית למשאיות הבאות, אשר לאחר מכן יכול לעקוב עם פער מינימלי (כ -10 מטרים) שיעור העדכון הגבוה וההנעה הנמוכה של תקשורת אופטית מאפשרות ללוח על מנת לשמור על היווצרות הדוקה בבטחה, שיפור יעילות הדלק עד 15% בשל צמצום חברות גרורתיות כמו Peloton ו-Daimeur נבדקו כקישורים מסוג VD2G) ל- VD2D2D (F) ו-FD2G (FD2D2D2D).

תקשורת אופטית תומכת גם בבקרת שיוט שיתופית (CACC) בכלי רכב נוסעים.על ידי קבלת מהירות מיידית ונתוני האצה מהרכב הקודם באמצעות קרן אופטית, המכונית הבאה יכולה להגיב כמעט מיד, לחוט גלי תנועה ולשפר את התנועה דרך המחשב.

High-Definition Map Updates and Localization

יחידות כביש אופטיות יכולות לשדר נתונים מדויקים מאוד של התייחסות למיקום באמצעות אור מתואם.טכניקה זו, המכונה מיקום אופטי, תוספי GPS באזורים עם חשיפה לווינית ירודה (למשל, מנהרות, מתחת לעקפים, יערות עירוניים צפופים) על ידי שילוב של כוח אות או זמן טיסה מכמה משואות אופטיות, רכב יכול למקם את המיקום שלו עם דיוק סנטימטר.

יתר על כן, קישורים אופטיים V2I יכולים לספק עדכונים מצטברים למפות הגנה גבוהה בעוד הרכב הוא בתנועה.לדוגמה, סימן כביש מזהה אות אופטית של transceiver בעל תשתית יכול להודיע לרכב של הגבלת מהירות או אזור בנייה משתנה בזמן אמת, להבטיח כי מפת הסיפון נותרה נוכחית.

יתרונות טכניים של תקשורת אופטית ברכבים אוטונומיים

אולטרה-גבוה בנדוויד

מערכות תקשורת אופטיות תומכות בשיעורי נתונים מ 1 Gbps ל- 100 Gbps באמצעות תצורה פשוטה של רוחב פס זה מספיק כדי לשאת נתונים בענן נקודה של חיישנים LiDAR (לעיתים קרובות מעל 1 Gbps), מספר זרמי מצלמה ונתונים מכ"ם בו זמנית. כמו החלטות חיישן להגדיל (למשל, 4K מצלמות, 128-beam LiDAR), קישורים אופטיים מספקים חדר צמיחה עתידית.

חוסר יציבות נמוך וקבוע

השקיפות מקצה לקצה ב- V2X אופטית יכולה להיות מתחת ל-100 מיקרו-שניות, כלומר שתיים עד שלוש הזמנות של גודל נמוך מ- 4G LTE (30-50 מ') ואפילו מהר יותר מ-5G (1-5 מ' בתנאים אידיאליים) התנהגות ⁇ סטית זו היא קריטית ליישומים כמו הימנעות מהתנגשות, שבו עיכוב של 10 מ- 100 ק"מ / שעה מתורגם ל- 0.28 מטר - כדי למנוע תאונה או תאונה.

אבטחה בלתי נמנעת

מכיוון שדבורים אופטיות הן צרות ודורשות קו-of-sight, יירוט קשה ללא חסימת פיזית את הדבורה, אשר תזהה מיד.יתר כן, אותות אופטיים אינם מתפשטים מעבר למקבל המיועד בקלות כמו RF, צמצום הסיכון של ייבוש וייבוש. עבור יישומים הדורשים שלמות נתונים גבוהה (למשל, שידור של פקודות), V2X מספק שכבה טבעית של אבטחה נוספת.

התנגדות ל-Electronic Interference

כלי רכב אוטונומיים מלאים אלקטרוניקה רבת עוצמה - מנועים חשמליים, מופנים, משדרי מכ"ם - המייצרים רעש אלקטרומגנטי משמעותי.מערכות תקשורת מבוססות RF יכולות לסבול מהתערבות, אובדן חבילות וצמצום טווח בסביבות כאלה.תקשורת אופטית היא חסין ל-EMI, הבטחת העברת נתונים אמינה גם כאשר האנטנה ממוקמת ליד מעצמה גבוהה או בתוך כד מתכת.

אין צורך ב-Pretrum Licensing

תקשורת אופטית פועלת בחלק הלא מורשה של הספקטרום האלקטרומגנטי (אור גלוי וגלוי) בניגוד ללהקות סלולריות או DSRC, אין עמלות ספקטרום או hurdles רישוי, מה שהופך אותו אופציה אטרקטיבית עבור יצרני רכב וספקי תשתיות.

אתגרים ואסטרטגיות מייגציה

קו-of-Sight (LoS) תחזוקה

המגבלה העיקרית של FSO היא הדרישה לשורה בלתי מאוימת של הראייה. בסביבות עירוניות צפופות, מבנים, עצים וכלי רכב אחרים יכולים לחסום את הדבורה. כדי להתגבר על זה, החוקרים מפתחים טכניקות כגון רשתות אופטיות מרובות-הופ מבוססות-מחדש (למשל, שימוש בכלי רכב שכנים כמו חוזר), מערכות היברידיות שמתגבות באופן אוטומטי בין אופטי ו-RFS אבודות, ונשגבות עם שלב מתואם עם מנעולים אפילו כדי לשמור על כלי רכב.

אטמוספירי

ערפל, גשם כבד, שלג ואבק לפזר אותות אופטיים, צמצום טווח והעלאת אחוזי שגיאה מעט.אופטיקה הסתגלות יכול להתאים את התפצלות של קרן וכוח לפצות על נראות לקויה.בנוסף, באמצעות אור אינפרא אדום ארוך גלי (למשל, 1550 nm, אשר חודר ערפל טוב יותר מ- 850m) יכול לשפר את הרגישות ההיברידית - תוך שימוש אופטי עם RF חזק (GRC) או במזג אוויר שלילי) קרוב ל- DS.

המונחים: Alignment and Tracking

שמירה על קרן אופטית צרה בין שני כלי רכב נעים או רכב יחידה תשתית קבועה דורשת הנעה מהירה. מצעים קטנים במהירות גבוהה (FSMs) וסורקים דמויי mMS יכולים לעקוב אחר התנועה היחסית עם דיוק מילימטרי. משוב בזמן אמת ממצלמה או טייס משנית beam מאפשר שליטה קדמית, שמירה על הקשר פעיל אפילו במהלך שינויים חדים או נתיבים.

עלויות ואינטגרציה מורכבות

הנוכחים אופטיים טרנזירים יקרים יותר ממודולי RF, אבל העלות נופלת כמו קנה מידה ייצור.אינטגרציה לתוך עיצובים הקדמיים של הרכב חייב לקחת בחשבון את המיקום מאחורי הרוחשיאלד, ליד תאורה אחורית, או חלונות אופטיים ייעודיים שאינם מעכבים חיישנים או אסתטיקה. Modular FSO מודולים כי לאותה צורה כמו לוחית רישיון הם אבטיפוס, מבטיח אפשרות ירידה נמוכה.

סטנדרט והתאמה

עבור V2X אופטי להפוך לזרם המרכזי, הסטנדרטים חייבים להבטיח כי טרנזירים מיצרנים שונים יכולים לתקשר. IEEE 802.11bb הוא צעד בולט, אבל יותר עבודה נדרשת על פרוטוקולים העליון, יד בין אופטי ו RF, ודו-קיום עם מערכות מורשת.

כיוונים עתידיים ואינטגרציה עם טכנולוגיות מתפתחות

מערכות תקשורת היברידיות (Optical + 5G /Satellite)

הדרך המבטיחה ביותר קדימה היא ארכיטקטורה היברידית המנצלת את רוחב הפס הגבוה של קישורים אופטיים למשימות רגישות לנתונים (לדוגמא עומס, עדכוני מפת HD) תוך שימוש ב-5G או לוויין לכיסוי נמוך של bandwidth, סיקור אטומי כאשר אופטי LoS אינו זמין.המחשב על הסיפון של המכונית יכול לבחור באופן דינמי את הקישור מבוסס על נראות, איכות, ונתונים כאלה כבר נבדקים על ידי LTF פרויקטי בטיחות רכב 1F: 1.

אינטגרציה עם LiDAR ו- Camera Systems

LiDAR ומצלמות כבר משתמשים בטכנולוגיה אופטית לחישה.מושגים עתידיים מציעים לטיהור רכיבים אלה לתקשורת - לדוגמה, הפעלת לייזר LiDAR להעביר נתונים תוך כדי סריקה של הסביבה.פרדיגמה "הרגישה ותקשורת" זו עשויה להפחית את השכפול החומרי, משקל וצריכת חשמל, תוך מתן אור-in אופטית ב- V2X transceive בכל רכב אוטונומי.

קידוד אופטי עבור V2X Infrastructure

תשתיות Roadside ניתן מצוידות ברשתות סיבים אופטיים להאכיל לתוך מרכזי הפצה תת-קרקעית, המאפשרת פריסה צפופה של RSUs אופטית. אלה RSUs יכול להיות מחובר באמצעות סיבים אופטיים למערכת ניהול תנועה מרכזית, יצירת עקשנות נמוכה, ברזולוציה גבוהה עמוד השדרה תומך אלפי כלי רכב בו-זמנית.רשתות כאלה מתוכננות לפרויקטים חכמים בסינגפור ובדרום קוריאה.

תקשורת קוונטית לאבטחה האולטימטיבית

בטווח הארוך יותר, התפלגות מפתח קוונטית (QKD) על קישורים אופטיים יכולה לספק הצפנה תיאורטית בלתי ניתנת לבירה לתקשורת V2X. בעוד עדיין בשלב הניסויי, QKD על קישורים אופטיים מרחביים הוכח בין כלי רכב לתחנות קרקע, ובכך לסלול את הדרך לעתיד שבו כלי רכב אוטונומיים מתקשרים עם אבטחה מוחלטת.

מסקנה

טכנולוגיות תקשורת אופטיות נועדו להפוך לאבן הפינה של הדור הבא של מערכות רכב אוטונומיות.שילוב ייחודי של רוחב פס אולטרה גבוה, שקיפות נמוכה, אבטחה טבועה, וחסינות להפרעות אלקטרומגנטיות רבות של המגבלות של V2X המסורתית מבוסס RF. כמו יישומים מתעוררים - מ V2V platooning ו V2I ההקצאה לעדכונים בזמן אמת - מורכבות, קישורים אופטיים יאפשרו לפעול ביעילות רבה יותר, באופן יעיל יותר, פעיל, פעיל, ושיתופי פעולה.

הדרך קדימה היא לא ללא מכשולים: אתגרים קו-of-sight, אפקטים אטמוספריים, ואת הצורך בסטנדרטים דורשים המשך ההשקעה במחקר ופיתוח.עם זאת, עם אדריכלות היברידית, הנדסת דבורים מתקדמת ומחויבות בתעשייה הגוברת, תקשורת אופטית תמלא תפקיד חיוני יותר ויותר באבולוציה של תחבורה אוטונומית, מקרבת אותנו קרוב יותר לעתיד שבו כלי רכב מתקשרים במהירות האור.