可見光通信與室內定位技術


1.可見光通信概述
可見光通信技術 (Visible Light communication),其原理是將需要傳輸的信息編碼成一段特殊信號,用某種調制方法將這個信號附加到LED燈具的驅動電流上,使LED燈具以極高的頻率閃爍。雖然人眼看不到這種閃爍,但是通過光敏設備可以檢測到這種高頻閃爍並將其還原為要傳輸的信息,從而通過燈具完成信息傳輸的目的。白光通信具有保密性強,不占用無線信道資源,由於照明燈具的大量存在,這種技術可以集成到廣大燈具中。

 

2.可見光通信發展現狀
早在2000年,日本慶應大學的Tanaka等人和SONY計算機科學研究所的Haruyama就提出了利用LED燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統。經過近些年的發展,國內外相關科研機構及商業公司提出了一系列解決方案及實際系統。同時可見光的商用步伐也在不斷向前,國內有華策光通信的室內可見光定位導航系統,國際上美國的Bytelight公司也有一套類似的室內可見光定位導航系統;在14年的國際消費電子展(CES)期間,法國Oledcomm公司演示了可以實現光通信技術的手機設備,技術人員將智能手機的前置攝像頭改裝成光線感應器,讓觀眾親眼見證LiFi光通信技術,傳輸速率約為10Mpbs。目前該公司網站上已有相關可見光通信套件出售。



3.可見光通信應用領域
雖然可見光通信這一名詞我們是耳熟能詳了,但具體到它的應用領域,卻未必都知曉。其主要四大應用領域有:1)照明與通信,信息可以在室內環境下進行廣播,並同時滿足照明的需求,這是最直觀的應用場景;2)視覺信號與數據傳輸,信號燈主要通過顏色的變化來給人們提供信號,而將數據通信與信號燈相結合則可以為交通管理提供更好的安全可靠性,也大大擴展了信號燈的功能;3)顯示與數據通信,LED顯示屏通常用於顯示信息,如果將相應的信息和數據直接傳輸給用戶手持終端,將會提供很大便利,在火車站、機場等場所有着巨大的應用前景,這是一種直接使用屏幕的數據傳輸與交互方式;4)室內定位,可見光通信可以將用戶的位置信息通過照明設施來進行傳遞,較傳統衛星定位更為精准,而這個方案較現有的其他室內定位方案的最大優勢是不用投入大量定位基礎設施,節省了定位系統的成本。

 

4.室內定位與可見光通信技術的結合

通過上述分析,我們知道可見光通信有很寬廣的應用領域,而該技術的研究大體朝着一下幾方面進展:1)盡可能提高通信速率,通信速率一直都是某個通信方式研究的核心問題,但該方向對信息的編碼及調制技術以及通信器件的研究要求較高,具有一定理論深度與難度;2)提高通信的可靠性,對可見光信道的研究,該方向是可見光通信能夠實用化,解決視距傳輸及抗干擾的重要基礎研究,但同樣也具有很大的理論深度與難度;3)根據具體應用場景拓展可見光通信的應用領域,使其朝着實用化方向發展,這也是很多商業公司的在該領域的發展方向,比如可見光的室內定位系統;這個方向能夠最快的將技術應用於現實,同時實現商業價值。


室內定位作為導航的“最后一公里”,一直是科技巨頭和研究機構的關注熱點,在這方面現有的研究方法與手段有如基於移動通信網絡的輔助 GPS(A-GPS)、偽衛星(Pseudolite)、無線局域網(WLAN)、射頻標簽(RFID)、Zigbee、藍牙(Bluetooth,BT)、超寬帶無線電(UltraWideBand,UWB)、紅外定位、光跟蹤定位、計算機視覺定位等。這些技術有些是以導航定位為專門或主要用途,例如偽衛星;有些則主要用於通信,但同時也能提供定位服務,例如無線局域網。室內定位技術主要有手機基站、RFID、Zigbee、藍牙、紅外、WiFi等技術,因其定位技術各自的局限性,限制了他們大規模的推廣應用,特別是必須單獨部署一套定位網絡,成本高。



不同定位技術精度對比如上圖,從圖上看,能夠滿足米級定位精度的定位技術,從規模上推廣角度來看由易到難,依次為 LED、Wi-Fi、RFID、ZiBee、超聲波、藍牙、計算機視覺、激光、超寬帶等。最熱門的室內定位技術是基於WiFi,它的優勢是WiFi的廣泛分布,同時各種智能終端如手機都具有WiFi模塊,自然而然,結合WiFi來做定位在上網的同時解決了定位問題,很有現實意義,但WiFi的缺點是其精度不高,在10m級別,可以通過位置指紋庫來提高這一精度,但位置指紋庫的構建需要地圖構建初期采集大量的信息,同時該方法的可移植性也比較差。
LED 定位系統通過天花板上的 LED 燈實現,燈光發出高頻閃爍信號,接收端一種是通過PD接收,其優點是動態范圍大,能夠實現很高速率的通信,另一種是通過CMOS攝像頭接收,圖像處理的方法獲取數據,但其缺點是圖像處理耗時大,實時性差,但卻是目前智能手機實現可見光定位的最佳手段;通過LED的定位,在算法上主要是一種廣告牌(路標)算法,也即是當接收機收到該LED的ID信息就近似判定其在該燈的光照范圍內,精度取決於LED的排列方式及密度。如果要實現更高的精度就要相應的在信號處理上下更大功夫。

 


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