CSK 在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

引 言

可見光通信（Visual Light Communication，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?？梢姽馔ㄐ艑⒐庾鳛樾畔⒌妮d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(diǎn)，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)（Intelligent Transport System，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(diǎn)。色移鍵控（Color-Shift Keying，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。目前對光波常用的調(diào)制方式是光強(qiáng)調(diào)制（幅度調(diào)制），圖 1所示為可見光通信系統(tǒng)的一種基本構(gòu)成。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。

2 CSK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IEEE 802.15.7 已有相關(guān)表述 [6]。CSK 調(diào)制是基于 RGB LED 的 VLC 系統(tǒng)獨(dú)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，圖 2 所示為 4-CSK 的 RGB 三基色以及混色白光在色域圖中的坐標(biāo)。8-CSK 每種顏色坐標(biāo)對應(yīng)的是 3 bit 數(shù)據(jù)，16-CSK 對應(yīng)的是4 bit 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 RGB LED 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，其系統(tǒng)框圖如圖 3 所示，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。

3 CSK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(diǎn)。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(diǎn)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(diǎn)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。

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56物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年 / 第2期

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2019.02.013

CSK 在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

楊智1，賈子彥2

（1. 江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2. 江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

20211107_6187b9f4c965f__《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》2019年第9卷第2期_61-62