發(fā)布時間：2019-04-25所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：隨著智能交通系統(tǒng)對可見光通信的需求加大，室外可見光通信領(lǐng)域得到了更多關(guān)注。為了滿足各種顏色光源的可見光通信需求，提出將色移鍵控通信技術(shù)應(yīng)用于智能交通通信系統(tǒng)的方案，并比較其他可見光通信技術(shù)，對色移鍵控技術(shù)在智能交通通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行
摘要：隨著智能交通系統(tǒng)對可見光通信的需求加大，室外可見光通信領(lǐng)域得到了更多關(guān)注。為了滿足各種顏色光源的可見光通信需求，提出將色移鍵控通信技術(shù)應(yīng)用于智能交通通信系統(tǒng)的方案，并比較其他可見光通信技術(shù)，對色移鍵控技術(shù)在智能交通通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞：智能交通,通信,可見光,色移鍵控
可見光通信(VisualLightCommunication，VLC)是一種新型無線通信技術(shù)。相較于其他通信方式，VLC的優(yōu)勢在于既能滿足照明又能滿足通信功能。可見光通信將光作為信息的載體進(jìn)行信號傳遞，因為LED具有綠色安全、發(fā)射功率大、架設(shè)簡單、無需無線電頻譜認(rèn)證等優(yōu)點，所以成為可見光通信的理想光源[1]。由于在交通中LED的使用越來越普遍，因此VLC適用于智能交通系統(tǒng)(IntelligentTransportSystem，ITS)[2]。
VLC系統(tǒng)原理是LED照明設(shè)備發(fā)出人眼察覺不到的調(diào)制信號，利用光電轉(zhuǎn)換器件接收可見光信號并進(jìn)行后期解調(diào)[3]。運(yùn)用于智能交通通信系統(tǒng)的可見光通信技術(shù)受到了美國、日本、歐洲各國的關(guān)注和認(rèn)可，并成為研究熱點。色移鍵控(Color-ShiftKeying，CSK)也是可見光通信的一種方式，為智能交通通信系統(tǒng)可見光通信工程提供了另一種選擇。
1可見光通信
隨著綠色環(huán)保要求的不斷提高，LED作為新型環(huán)保光源逐漸廣泛應(yīng)用于照明、交通信號燈、汽車照明燈、電氣設(shè)備指示、商業(yè)廣告等各種場合[4]。同時，由于LED具有響應(yīng)時間短、可實現(xiàn)高速調(diào)制的特性，可以承擔(dān)照明光源和信息傳輸?shù)碾p重功能，且LED光源本身就是基礎(chǔ)設(shè)施的主要組成部分[5]，因此采用LED光源的可見光通信系統(tǒng)不同于其他移動通信系統(tǒng)，無需依賴基站等龐大的基礎(chǔ)設(shè)施。由于光波的波長較短，很難用一種電子設(shè)備分辨出光的頻率和相位，故不能對可見光直接進(jìn)行頻率調(diào)制和相位調(diào)制。
在發(fā)送端，用方波信號控制LED“亮”“滅”閃爍，LED發(fā)出的光波信號就會隨控制信號變化;在接收端，PD等光電探測器件從接收的光波中取出控制方波信號的電信號，經(jīng)過后續(xù)信號處理就能恢復(fù)出發(fā)送的原始信號。一般情況下，可見光通信使用的光源是單色光，每一套可見光收發(fā)機(jī)只能滿足一種色彩要求，在規(guī)模生產(chǎn)使用時不能體現(xiàn)出靈活性。CSK通信采用顏色調(diào)制解調(diào)方式，如果光源的顏色可變，那么同一套收發(fā)機(jī)可滿足各種顏色光源的要求。
2CSK通信原理及特征
CSK技術(shù)是一種可見光通信的顏色調(diào)制技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)在IEEE802.15.7已有相關(guān)表述[6]。CSK調(diào)制是基于RGBLED的VLC系統(tǒng)獨有的調(diào)制方式，不同于傳統(tǒng)基于IM-DD的調(diào)制方式(使用LED光源強(qiáng)度的變化傳輸信息)，而是通過不同顏色的變化傳輸信息[7]。在最低階4-CSK標(biāo)準(zhǔn)中，紅色代表11，藍(lán)色代表10，綠色代表00，通過顏色的快速變化使得表示信息的顏色最終融合為白色，白色代表01。
8-CSK每種顏色坐標(biāo)對應(yīng)的是3bit數(shù)據(jù)，16-CSK對應(yīng)的是4bit數(shù)據(jù)，依次類推，可見CSK通信是一種高速可見光通信方式。CSK的發(fā)射端電路將接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)過顏色編碼處理后再連接RGBLED驅(qū)動電路，從而控制燈光的顏色變化。由于人眼視覺暫留的原因，不會發(fā)現(xiàn)光源顏色的改變，再在接收端將顏色對應(yīng)的信號進(jìn)行還原。以4-CSK通信系統(tǒng)為例，每路電路中的LED只需要發(fā)送“亮”“滅”兩種信號即可。
發(fā)送端的主要功能是將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA編碼處理和LED驅(qū)動電路將信號加載到LED光源上發(fā)送出去，主要由串并轉(zhuǎn)換、顏色編碼和驅(qū)動電路三部分組成。在接收前端首先將R，G，B三種顏色波長的光從混合白光中分別檢測出來，然后經(jīng)過信號檢測電路、放大電路、電壓比較器、顏色解碼，將發(fā)送端的信號恢復(fù)出來，主要包括信號檢測、信號放大、信號處理、顏色解碼和串并轉(zhuǎn)換。參照CSK的標(biāo)準(zhǔn)光源是由紅、綠、藍(lán)三色LED組成的白光，如果嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求制作收發(fā)機(jī)，則不能體現(xiàn)出光源色彩的多樣性，因此可將CSK標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一定的改變，使其應(yīng)用場景更加廣泛。
3CSK與智能交通通信結(jié)合
基于可見光通信的智能交通通信技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計目的在于實現(xiàn)車輛與交通燈的可見光通信、車輛與路燈之間的可見光通信、車輛與車輛之間的可見光通信。該系統(tǒng)能夠使行駛中的司機(jī)及時了解前方路況，同時可實現(xiàn)車輛之間互相通信，從而提高交通運(yùn)行效率，減少交通事故發(fā)生。在智能交通光通信系統(tǒng)中，不同可見光的通信方式都有各自的特點。
通信的基本要求是在滿足一定誤碼率的前提下，提高通信速率[8]。為了更好地將可見光通信運(yùn)用到智能交通通信系統(tǒng)中，本文提出將CSK通信技術(shù)運(yùn)用到智能交通光通信系統(tǒng)中，這種可見光通信技術(shù)不但可以提高可見光通信的速率，還可增加可見光光源顏色的可變性和豐富性。CSK技術(shù)在智能交通通信中的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)通信速率快，系統(tǒng)升級簡單。CSK的通信速率可變，RGBLED擁有更快的狀態(tài)切換速度，且每種顏色坐標(biāo)所包含的碼元會隨著色點的增加而增加，其提高速率的方式無需改變硬件，只需對軟件進(jìn)行更改即可，從而可降低系統(tǒng)升級成本。
(2)光源色彩多樣，光源顏色可變，適合各種顏色的交通用燈。目前，在智能交通通信系統(tǒng)中最常用的有開關(guān)鍵控(OOK)、多脈沖位置調(diào)制(MPPM)、正交頻分復(fù)用(OFDM)等調(diào)制解調(diào)方式，這些可見光通信方式只在調(diào)制解調(diào)方式上有所不同。但由于交通燈和車燈的顏色多樣，且一些場合下信號燈的顏色需要變換，這樣就給可見光通信接收端的設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)，很大程度上提高了成本與實現(xiàn)難度，而CSK收發(fā)機(jī)可實現(xiàn)顏色變化的要求。雖然波分復(fù)用也能實現(xiàn)各種色彩光源的通信，但其通信方式的本質(zhì)還是單一光源的通信，其通信速率受到限制。
(3)CSK收發(fā)機(jī)制作成本低。相較于采用數(shù)字圖形處理技術(shù)進(jìn)行可見光通信的方式，CSK發(fā)射機(jī)硬件只需一組RGBLED作為光源即可，無需大量LED組成陣列。數(shù)字圖像處理技術(shù)的接收端需要使用一部高速攝像機(jī)，成本較高，而CSK接收機(jī)的主要組成部分僅僅是與RGBLED相對應(yīng)的三種PD電路。
將CSK技術(shù)運(yùn)用到智能交通可見光通信系統(tǒng)中，不但能夠滿足一個CSK接收機(jī)接收幾種顏色發(fā)射機(jī)的信號，還能實現(xiàn)一個CSK發(fā)射機(jī)發(fā)送多種顏色的信號。例如，LED交通指示牌上的指示標(biāo)志可變，而CSK技術(shù)既可滿足標(biāo)志顏色切換又能滿足通信需求;交通路燈的色溫需要隨天氣的變化而變化，也可通過CSK技術(shù)調(diào)整燈光暖色調(diào)。
4結(jié)語
本文將CSK技術(shù)應(yīng)用于智能交通可見光通信系統(tǒng)中，不僅可提高可見光通信的通信速率，還可實現(xiàn)一套收發(fā)機(jī)就能完成各種顏色光信號的發(fā)送與接收，利用CSK技術(shù)光源顏色可變的特點豐富交通光源的色彩，在提高可見光通信性能的同時，收發(fā)機(jī)制作成本相對較低。此應(yīng)用雖然還在試驗階段，但是這種調(diào)制方式可在一定程度上使得智能交通光通信系統(tǒng)得到統(tǒng)一，其使用的廣泛性較強(qiáng)，值得今后做進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
[1]陳思源，王智鑫，肖江南，等.基于LED可見光通信的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].中國照明電器，2015(1)：13-17.
[2]秦嶺，巨永鋒，杜永興，等.智能交通中新型可見光通信系統(tǒng)性能研究[J].公路交通科技，2016，33(7)：114-118.
[3]邵雯玉.智能交通系統(tǒng)中無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究[J].中國新通信，2017，19(1)：4.
[4]韋欣，郭超，孫禹鋒.可見光智能LED燈在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017(4)：126.
[5]DAVIDJPR，SINGHR，O’FARRELLT.Anenhancedcolorshiftkeyingmodulationschemeforhigh-speedwirelessvisiblelightcommunications[J].Journaloflightwavetechnology，2014，32(14)：2582-2592.
相關(guān)刊物推薦：《公路交通科技》(月刊)創(chuàng)刊于1984年，為中華人民共和國交通部主管、交通部公路科學(xué)研究院主辦的中央一級學(xué)術(shù)性期刊，辦刊方針是促進(jìn)、推廣和傳播我國公路交通領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究成果，為廣大科研人員建立更加廣泛的國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流平臺，推動我國公路交通事業(yè)的發(fā)展，提高行業(yè)內(nèi)的科研和管理水平，為社會主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。
