可見光通信技術(shù)在艦艇通信中的應(yīng)用設(shè)想

中國人民武裝警察部隊(duì)海警學(xué)院 劉麗麗 胡云琴 杜永鋒 高贊

本文對(duì)可見光通信技術(shù)進(jìn)行了概述，并結(jié)合可見光通信的工作原理及特點(diǎn)，闡明可與艦艇通信相結(jié)合，在艦艇艙室內(nèi)部信息傳輸、艦艇內(nèi)部人員及重點(diǎn)裝備定位、燈光通信等方面的具體應(yīng)用提出設(shè)想，并就其可行性及通信效能提升方面展開論述。

艦艇通信是保障艦艇內(nèi)外通信聯(lián)絡(luò)的基礎(chǔ)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，將量子通信、認(rèn)知無線電等新技術(shù)運(yùn)用到艦艇通信能夠有效提高通信保障效能，為戰(zhàn)爭提供更加迅速、準(zhǔn)確、保密的信息傳遞途徑。在LED照明技術(shù)還沒有像如今這樣普及的1999年就有研究人員提出利用LED發(fā)出的光來進(jìn)行通信的設(shè)想，通過各國科研人員20多年實(shí)驗(yàn)研究，可見光通信技術(shù)將新型照明技術(shù)與光通信技術(shù)深入融合，提供了一種全新的寬帶接入方式，利用照明光實(shí)現(xiàn)信息傳送將為艦艇通信特別是艦艇艙室內(nèi)通信提供一種新的通信保障方式，為艦艇中單兵作戰(zhàn)裝備的使用提供新的無線通信鏈路。本文將從可見光技術(shù)的原理入手與現(xiàn)有艦艇通信的方式結(jié)合，繼而展開關(guān)于可見光技術(shù)在艦艇通信中應(yīng)用場景的設(shè)想及實(shí)現(xiàn)方法的論述。

1 可見光通信概述

1.1 可見光通信技術(shù)原理

可見光通信（Visible Light Communication,VLC）是一種以照明可見光（光譜400-700nm）為調(diào)制載波傳輸信息的無線光通信系統(tǒng)。VLC的顯著特點(diǎn)是，它利用人視覺生理能力下能見的光波資源作為介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不是傳統(tǒng)的如紅外通信、微波通信等非人眼可視的無線電磁波信號(hào)。一般情況下，這種技術(shù)也被稱為近程光無線通信(Optical Wireless Communication，OWC)[1]。

如圖1所示，VLC系統(tǒng)與一般通信系統(tǒng)相同，均需要對(duì)信源信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制并在接收端放大、解調(diào)、解碼。不同的是傳輸介質(zhì)部分，有線通信系統(tǒng)傳輸介質(zhì)采用的是同軸電纜、雙絞線、光纖等，無線通信系統(tǒng)常采用電磁波在自由空間內(nèi)傳輸。而VLC采用光作為通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，因此數(shù)據(jù)是通過改變LED的光強(qiáng)來編碼的。流經(jīng)LED的電流需要驅(qū)動(dòng)電路給與控制，驅(qū)動(dòng)電路可以是直接的電流驅(qū)動(dòng)，也可以是改進(jìn)的電壓驅(qū)動(dòng)的方式，即通過一定的方式達(dá)到調(diào)節(jié)LED的亮度水平的目的。用于室內(nèi)環(huán)境時(shí)，由于傳輸距離不長，不必使用光學(xué)器件聚攏光束，而光信號(hào)在距離較遠(yuǎn)的通信場景中，需要通過光放大器透鏡、濾光片等光學(xué)器使光束的能量在空間上得到集中。調(diào)制器是將光的振幅通過電信號(hào)來控制，實(shí)現(xiàn)光的調(diào)制。光探測器在接收端完成對(duì)光的接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。光在進(jìn)行高速傳輸時(shí)，可見光的光譜發(fā)散是提升信號(hào)質(zhì)量的消極因素，因此，為了選擇所需的有效的信號(hào)，接收端還需配備光學(xué)濾波器[2]。

圖1 VLC 系統(tǒng)模型Fig.1 VLC system model

1.2 可見光通信特點(diǎn)

(1)豐富且免許可的頻譜資源：近400THz的可用頻段，約是射頻帶寬的10000倍，豐富且免許可的頻譜資源為高速通信提供了可能，同時(shí)打破了無線電頻譜資源緊缺的困境。光波長范圍內(nèi)的電磁波能夠被限制在一個(gè)房間里，基本上不會(huì)穿透物體，通過采用這種自我限制鏈路距離的方式可以形成“高帶寬信息島”，在隔壁房間能夠重復(fù)利用整個(gè)帶寬資源，而且互不干擾，相對(duì)于無線電波，其可提供額外更多的通信容量。(2)免受電磁干擾且綠色無輻射：LED是一種綠色環(huán)保光源，其自身不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，對(duì)人體基本無害且不會(huì)與射頻通信相互干擾，能夠應(yīng)用于電磁敏感場合，可作為射頻通信技術(shù)的重要補(bǔ)充。(3)更高級(jí)別的安全性和保密性：可見光波長較短，衍射能力較弱，無法穿透墻壁等不透明物體，可以將通信范圍約束在特定空間內(nèi)，有效避免了信息的泄露，使通信更具保密性，更加安全。(4)基礎(chǔ)設(shè)施成本低廉、分布廣泛：LED的照明市場占有率預(yù)計(jì)在2030年將達(dá)到75%，廣泛的LED分布足以保證在無額外部署設(shè)施的情況下，以較低成本并且在較短周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的部署[3-5]。

1.3 可見光通信的應(yīng)用場景

(1)室內(nèi)通信應(yīng)用，作為WiFi和蜂窩無線通信等技術(shù)補(bǔ)充手段，室內(nèi)通信也是智慧城市概念中的一部分。結(jié)合具體環(huán)境可用于醫(yī)院、地鐵、艦艇艙室內(nèi)等，實(shí)現(xiàn)信息傳輸、智能裝備互聯(lián)、傳感器預(yù)警等。(2)室外通信應(yīng)用，可用于智能交通、礦井下通信、水下通信等。

2 艦艇通信主要形式

為保障艦艇通信的順利進(jìn)行，不斷的將新的通信技術(shù)運(yùn)用到艦艇通信中，使得通信在實(shí)時(shí)、保密、準(zhǔn)確的要求中性能不斷提升。為適應(yīng)現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭，構(gòu)建以指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視、偵察系統(tǒng)為基礎(chǔ)的一體化信息作戰(zhàn)體系對(duì)艦艇通信提出更高要求，因此多數(shù)艦艇采用綜合通信系統(tǒng)融入指揮信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更加高效的通信與指揮效能。艦艇綜合通信系統(tǒng)主要包括內(nèi)部通信系統(tǒng)和外部通信系統(tǒng)。此外不可忽視的輔助通信手段還有視覺通信方式。

(1)艦艇內(nèi)部通信系統(tǒng)。艦艇內(nèi)部通信系統(tǒng)主要依托光纖通信網(wǎng)連接艦艇內(nèi)通信裝備設(shè)施，用于溝通艦艇內(nèi)部各部門、各戰(zhàn)位和有關(guān)艙室間通信聯(lián)絡(luò)，以保障作戰(zhàn)和訓(xùn)練時(shí)艦艇指揮員、武器控制人員向各戰(zhàn)斗部門及各戰(zhàn)位下達(dá)命令、指示、發(fā)布警報(bào)、報(bào)警信號(hào)；保障艦艇在緊急情況下的最底線內(nèi)部指揮通信；保障政治工作、行政管理及日常生活的艦艇內(nèi)部通信。(2)外部通信系統(tǒng)。艦艇外部通信主要包括短波、超短波、衛(wèi)星通信等無線通信手段，保障艦艦、艦岸、艦空之間的無線通信。(3)視覺通信。視覺通信主要包括燈光通信、手旗通信、旗語通信、形體信號(hào)通信和煙火通信等，主要用于艦艇之間，艦艇與觀通站、港口信號(hào)臺(tái)、飛機(jī)之間傳遞簡短命令、保障協(xié)同、互相識(shí)別和遇險(xiǎn)求救等。

3 艦艇通信融入可見光通信技術(shù)運(yùn)用設(shè)想

3.1 可見光通信在艦艇內(nèi)部通信中應(yīng)用

(1)可見光通信為艦艇內(nèi)部通信提供新的室內(nèi)無線傳輸方式。艦艇內(nèi)部通信系統(tǒng)對(duì)接單兵通信裝備的有效途徑。艙室內(nèi)空間相對(duì)密閉狹窄，且各艙室間對(duì)無線信號(hào)的阻隔比較嚴(yán)重，運(yùn)用WiFi技術(shù)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞诫y以實(shí)現(xiàn)，因此艙室內(nèi)基本靠安裝有線電話、布線廣播、警鈴等裝置傳遞信息、指令等，單兵智能裝備在艙室通過無線通信方式連接效果較差，而可見光通信卻能夠通過照明電路的改造構(gòu)建VLC無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為作戰(zhàn)指揮及日常訓(xùn)練管理提供一個(gè)新的通信保障方式，如圖2所示：

圖2 燈光通信無線網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Lighting communication wireless network

通過在原有照明系統(tǒng)中加入可見光調(diào)制器控制光發(fā)射的平均強(qiáng)度和閃爍程度，當(dāng)光脈沖以200Hz或更高頻率閃爍時(shí)，人眼幾乎無法感知到光閃爍，因此在充分考慮人眼在可見光通信下的照明體驗(yàn)，常用的調(diào)制方法可以分為三類：一是基于照明顏色的色移鍵控；二是基于副載波調(diào)制的正交頻分復(fù)用；三是基于時(shí)域的強(qiáng)度測量調(diào)制，包括開關(guān)鍵控調(diào)制（OOK）、脈沖位置調(diào)制(PPM)、逆脈沖位置調(diào)制（IPPM）和可變脈沖位置調(diào)制（VPPM）等。接收部分需在原有信息設(shè)備中加入光探測器和解調(diào)器，用于感知可見光并解調(diào)出其中攜帶的信息。

(2)可見光通信為艦艇內(nèi)防火安全預(yù)警提供新方法。在圖2中可見，除了為計(jì)算機(jī)、單兵終端等設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還可以通過連接無線傳感器，用于火警、溫濕度的數(shù)據(jù)采集與報(bào)警，僅為傳感器提供電源無需提供復(fù)雜的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，另外在可見光通信傳輸中遇火焰和煙霧的遮擋會(huì)使傳輸信號(hào)在接收端出現(xiàn)不同程度的衰減，通過對(duì)衰減量的分析對(duì)應(yīng)火焰位置及形狀要素的測算，可對(duì)火焰有無、位置和形狀測試與感知，能夠?qū)ε炌?nèi)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警和定位。

(3)可見光通信定位技術(shù)為艦艇人員、關(guān)鍵裝備管控提供輔助手段。常見的定位方式有全球定位系統(tǒng)（GPS）能夠很好的用于戶外，但是由于衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋能力有限，GPS很難在室內(nèi)使用。嚴(yán)格落實(shí)“定人、定物、定車、定位”的要求下，大型艦艇艙室較多的情況下，人、物的管理僅以制度約束還不夠，信息化手段是輔助管控的一種較好選擇?？梢姽馔ㄐ趴梢栽诶谜彰髟O(shè)施的基礎(chǔ)上，給人和關(guān)鍵裝備配發(fā)光收機(jī)。定位的目的就是完成從光源到接收機(jī)間的距離估算問題，盡管這個(gè)距離很難直接測量得到，但是通過測量接收信號(hào)的強(qiáng)度、信號(hào)到達(dá)時(shí)間或者到達(dá)時(shí)間差等方法，可以間接獲取接收機(jī)的位置信息。常用的定位算法有三角測量法、場景分析法、接近度法等，隨著定位算法的深入研究，從二維定位信息向加入目標(biāo)高度信息的三維定位信息發(fā)展，光接收裝備的數(shù)據(jù)處理能力不斷提升，將可見光通信定位技術(shù)直接運(yùn)用到智能手機(jī)成為可能，在人人都有智能手機(jī)時(shí)代可見光通信定位技術(shù)的運(yùn)行成本會(huì)逐步降低。

3.2 可見光通信與燈光通信綜合運(yùn)用

燈光通信是視覺通信的一種，利用燈光通信器材發(fā)出長短閃光表示字母、數(shù)字、勤務(wù)符號(hào)等信息。主要依靠信號(hào)兵的操作燈光通信器材進(jìn)行報(bào)文拍發(fā)，拍發(fā)速度與準(zhǔn)確度與信號(hào)兵業(yè)務(wù)能力有直接關(guān)系，每年院校及訓(xùn)練基地花費(fèi)大量的時(shí)間與師資力量培養(yǎng)信號(hào)兵，使其技能本領(lǐng)過硬，以達(dá)到信息傳遞快速、準(zhǔn)確的目標(biāo)。燈光通信的收發(fā)距離可視環(huán)境的影響較大，只能在視距范圍內(nèi)傳輸，通常為明文通信。為增加拍發(fā)信息的速度與準(zhǔn)確度，研究人員提出了“燈光通信自動(dòng)拍收系統(tǒng)”，獨(dú)立一套設(shè)備現(xiàn)在廣泛用于訓(xùn)練和教學(xué)測試中，并未用于艦艇燈光通信中，需要考量兼顧燈光通信在艦艇通信的使用頻次與設(shè)備更新成本間的關(guān)系。

可見光通信，正是利用對(duì)光源的調(diào)制實(shí)現(xiàn)信息傳遞，光源可攜帶較燈光通信拍發(fā)信息更為復(fù)雜的信息，且可以通過編碼的方式對(duì)信息進(jìn)行加密，室外收發(fā)過程與室內(nèi)照明需求不同，收發(fā)裝備間可排除對(duì)人眼的影響，通過增加發(fā)射功率，降低對(duì)光脈沖閃爍頻率的要求，可以較燈光通信在傳遞信息量、距離、安全性、速度等方面有全面的提升，并可在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行升級(jí)改造，能夠有效節(jié)約升級(jí)成本。

4 結(jié)語

艦艇通信在海上戰(zhàn)場通信保障中有至關(guān)重要的作用，跟隨通信技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)現(xiàn)有裝備的更新與升級(jí)，有利于提升戰(zhàn)斗效能，在通信裝備的選型與升級(jí)中常常就裝備間電磁兼容等問題展開論證與試驗(yàn)，而可見光通信能夠避開現(xiàn)有無線電頻譜范圍，不會(huì)行成干擾，又可以現(xiàn)有照明電路與光源上進(jìn)行改造，能夠節(jié)約成本的同時(shí)，為艦艇通信信息傳遞開拓了新的思路。