1. 簡介與概述
本文提出一種專為安全關鍵智慧運輸系統（ITS）設計的突破性可見光通訊（VLC）系統。此研究旨在解決車載網路對超低延遲通訊的迫切需求，特別是針對自動煞車與車輛列隊行駛等應用。該系統利用現有的 LED 交通號誌燈作為發射器，並透過數位式主動解碼與中繼（ADR）機制，藉由車輛對車輛的中繼來延伸通訊範圍。
世界衛生組織報告指出，每年有超過 120 萬人死於道路交通事故，凸顯了對先進安全系統的關鍵需求。所提出的 I2V2V（基礎設施對車輛對車輛）架構相較於傳統的射頻（RF）系統有顯著進步，在免授權頻譜、高安全性以及抗電磁干擾方面具有先天優勢。
2. 系統架構與方法論
2.1 I2V2V VLC 系統設計
核心創新在於三層通訊架構：基礎設施（LED交通號誌燈）→ 第一輛車 → 後續車輛。這種中繼方法有效地將通訊範圍延伸至直接 VLC 的視線限制之外，建立了一個以光為媒介的車載隨意網路。
2.2 主動解碼與中繼（ADR）階段
與簡單的放大轉發系統不同，ADR 階段在重新編碼與轉發之前，會主動解碼接收到的封包。這種方法能將錯誤傳播降至最低，但會引入處理延遲。本研究著重於針對超低延遲需求來優化此權衡。
2.3 IEEE 802.15.7 標準符合性
系統原型保持與 IEEE 802.15.7 短距離無線光通訊標準的相容性，確保能與現有 VLC 框架互通，並有助於潛在的標準化與部署。
3. 技術分析與效能指標
3.1 延遲量測框架
總系統延遲（$L_{total}$）定義為傳輸延遲（$L_{tx}$）、傳播延遲（$L_{prop}$）、解碼延遲（$L_{dec}$）與中繼延遲（$L_{relay}$）的總和：$L_{total} = L_{tx} + L_{prop} + L_{dec} + L_{relay}$。本研究在 99.9% 信賴水準下達成了次毫秒級的 $L_{total}$。
3.2 封包錯誤率（PER）分析
效能評估是在封包錯誤率高達 $5 \times 10^{-3}$ 的嚴苛條件下進行。系統展現了強健性，即使在相對較高的錯誤率下仍能維持超低延遲，這對於安全應用至關重要，因為只要延遲保證能夠滿足，偶發的封包遺失是可以接受的。
3.3 統計誤差分佈
針對最遠 50 公尺的距離，進行了誤差分佈的全面統計分析。該研究描述了錯誤如何透過 ADR 鏈傳播，以及它們如何影響整體系統可靠性。
4. 實驗結果與驗證
關鍵效能指標
延遲： < 1 毫秒（99.9% 信賴水準）
最大距離： 50 公尺
PER 容忍度： 最高達 5×10⁻³
實驗參數
發射器： 標準 LED 交通號誌燈
封包大小： 短封包（安全訊息）
標準： 符合 IEEE 802.15.7
4.1 實驗設置與參數
驗證使用常規 LED 交通號誌燈作為發射器，並使用為車載節點客製化設計的 ADR 硬體。測試在中短距離（最遠 50 公尺）及各種環境條件下進行，以模擬真實世界情境。
4.2 不同距離下的效能表現
即使在最大測試距離 50 公尺處，系統仍能將延遲維持在 10 毫秒以下。效能隨距離增加而下降的模式是可預測的，這使得可靠的系統規劃與部署成為可能。
4.3 次毫秒級延遲之達成
最重要的結果是在 99.9% 信賴水準下達成了次毫秒級延遲。這滿足了安全關鍵應用（如自動緊急煞車）的嚴格要求，因為此類應用的反應時間必須極短。
5. 關鍵分析與產業觀點
核心洞見
這項研究不僅僅是另一篇 VLC 論文——它是針對自動駕駛中最脆弱環節的目標性打擊：安全關鍵情境下的通訊延遲。當產業界沉迷於感測器融合與人工智慧演算法時，Nawaz 等人正確地指出，通訊骨幹可能是最弱的一環。他們重新利用現有交通基礎設施（LED 燈）的方法在實務上非常高明，相較於建設新的 RF 基礎設施，提供了一條潛在更快的部署路徑。
邏輯脈絡
本文遵循一個引人入勝的邏輯：(1) 道路傷亡事故需要次 100 毫秒反應系統，(2) 現有的 RF 解決方案（802.11p）在密集都市環境中難以保持一致性，(3) VLC 具有先天優勢但存在距離限制，(4) 他們的 I2V2V 中繼系統在維持超低延遲的同時解決了距離問題。這不是漸進式改進，而是架構上的創新。
優勢與缺陷
優勢： 次毫秒延遲達到 99.9% 信賴水準是卓越的——這是生產等級的可靠性。與 IEEE 802.15.7 的相容性展現了務實的工程遠見。使用統計誤差分佈分析而非僅是平均指標，顯示了精密的測試方法論。
缺陷： 50 公尺的距離雖然對 VLC 而言令人印象深刻，但與 RF 替代方案相比仍顯不足。本文輕描淡寫地帶過天氣條件——雨、霧和直射陽光可能會嚴重影響效能。此外還有「第一輛車」問題：如果沒有車輛處於最佳位置，誰來中繼？系統假設車輛持續存在，這在低交通流量的情境下無法保證。
可行洞見
市政單位應在受控環境（如隧道和停車場）中試行此技術，這些地方 RF 通訊表現不佳。汽車 OEM 應考慮雙模（RF+VLC）通訊堆疊——使用 VLC 處理延遲關鍵的安全訊息，而 RF 用於高頻寬應用。研究社群應調查混合方法，或許可將此技術與毫米波回程網路結合，類似於高通和愛立信在 5G-V2X 研究中探索的概念。
原創分析（400 字）： 本文代表了車載通訊策略的重大轉向。雖然大多數研究遵循 5G-V2X 和 DSRC 的 RF 主導路徑，但這項工作為光學替代方案提供了令人信服的論據。在 99.9% 信賴水準下達成次毫秒延遲不僅在技術上令人印象深刻——對於協作式碰撞避免等應用而言，這可能是革命性的，因為在這些應用中，每一微秒都至關重要。
然而，我們必須將其置於更廣泛的生態系統中來看待。IEEE 802.11p/DSRC 與 C-V2X 的爭論主導產業討論多年，福特等主要廠商支持 C-V2X，而其他廠商則偏好 DSRC。這種 VLC 方法提供了第三條路徑，可以互補而非取代這些技術。類似於光達和攝影機在自動駕駛感知中扮演不同角色，VLC 和 RF 可以滿足不同的通訊需求。
本文對短封包的關注尤其敏銳。正如 3GPP 在 NR-V2X（Release 16）研究中所指出的，安全訊息通常很小，但需要極高的可靠性和低延遲。作者認識到「封包錯誤率高達 $5 \times 10^{-3}$」對於某些安全應用是可以接受的，這顯示了對現實世界需求的細緻理解——並非每個訊息都需要完美接收，但每個訊息都需要及時傳遞。
與其他 VLC 研究（例如愛丁堡大學 Li-Fi 研究中心的工作）相比，本文對中繼方面的強調是新穎的。大多數 VLC 研究聚焦於點對點鏈路。這裡的多跳方法雖然引入了複雜性，但解決了長期困擾車載應用 VLC 的根本距離限制。誤差分佈的統計分析也使這項工作與眾不同——太多論文僅報告平均效能，忽略了對安全系統最重要的尾端機率。
展望未來，將此技術與邊緣運算基礎設施整合可能具有變革性。想像交通號誌燈不僅僅是中繼訊號，還能處理本地交通數據並以光學方式分發控制決策。這與智慧運輸系統朝向分散式智慧發展的廣泛趨勢一致，正如歐盟 5G-MOBIX 計畫等專案所見。
6. 技術細節與數學公式
系統的效能可以透過幾個關鍵方程式來建模：
訊號雜訊比（SNR）： $SNR = \frac{(R P_t H)^2}{N_0 B}$，其中 $R$ 是光電探測器響應度，$P_t$ 是發射光功率，$H$ 是通道增益，$N_0$ 是雜訊功率譜密度，$B$ 是頻寬。
封包錯誤率： $PER = 1 - (1 - BER)^L$，其中 $BER$ 是位元錯誤率，$L$ 是封包長度（位元）。
端對端延遲： $L_{total} = \sum_{i=1}^{N} (T_{enc,i} + T_{tx,i} + T_{prop,i} + T_{dec,i})$，其中 $N$ 是中繼鏈中的跳數。
ADR 處理時間 $T_{dec}$ 透過硬體加速和平行處理架構進行了優化，以最小化其對總延遲的貢獻。
7. 分析框架與案例範例
情境： 十字路口的緊急煞車通知。
傳統 RF 系統： 車輛 A 偵測到障礙物 → 處理數據（5-10 毫秒）→ 透過 RF 傳輸（2-5 毫秒）→ 車輛 B 接收（1-3 毫秒）→ 處理（5-10 毫秒）→ 總計：13-28 毫秒
提議的 VLC 系統： 交通號誌燈（透過感測器）偵測到障礙物 → 立即透過 VLC 傳輸（0.1 毫秒）→ 車輛 A 接收並解碼（0.3 毫秒）→ 中繼給車輛 B（0.3 毫秒）→ 車輛 B 解碼並動作（0.3 毫秒）→ 總計：< 1 毫秒
此框架展示了 VLC 系統的架構優勢——使用基礎設施作為初始發射器——如何繞過車輛處理延遲來傳遞關鍵通知。
8. 未來應用與研究方向
近期應用：
- 十字路口碰撞避免系統
- 緊急車輛優先通行與優先號誌
- 受控環境（隧道、橋樑）中的高密度車輛列隊行駛
- 停車場導航與安全系統
研究方向：
- 與 5G/6G 蜂巢式 V2X 整合以實現混合通訊堆疊
- 密集交通中中繼選擇的機器學習優化
- 使用 RGB LED 陣列的波長分波多工
- 用於超高安全性車載通訊的量子安全 VLC
- 透過 IEEE 和 3GPP 工作小組進行標準化工作
此技術可能朝著全光學車載網路的方向發展，車輛在靜止時透過 Li-Fi 通訊，在行駛時透過協調的 VLC 通訊，為智慧城市創造無縫的光學通訊網絡。
9. 參考文獻
- 世界衛生組織. (2020). 全球道路安全狀況報告.
- IEEE 標準 802.15.7-2018. 使用可見光的短距離無線光通訊.
- 3GPP 技術報告 22.886. 關於增強 3GPP 對 V2X 場景支援的研究.
- Haas, H. 等人. (2016). 什麼是 LiFi？ 光波技術期刊.
- 5G 汽車協會. (2019). C-V2X 使用案例與服務等級需求.
- 歐洲聯盟執委會. (2020). 5G-MOBIX 計畫：用於跨境走廊協作與連網自動化移動的 5G.
- 愛丁堡大學 Li-Fi 研究中心. (2021). 用於 6G 的光學無線通訊.
- 高通. (2022). 蜂巢式車聯網（C-V2X）技術演進.