CSK在智能交通系統中的應用展望

楊智 賈子彥

摘 要：隨著智能交通系統對可見光通信的需求加大，室外可見光通信領域得到了更多關注。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應用于智能交通通信系統的方案，并比較其他可見光通信技術，對色移鍵控技術在智能交通通信領域的應用進行展望。

關鍵詞：智能交通;通信;可見光;色移鍵控

中圖分類號：TP39;TN929.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-02

0 引 言

可見光通信（Visual Light Communication，VLC）是一種新型無線通信技術。相較于其他通信方式，VLC的優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行信號傳遞，因為LED具有綠色安全、發射功率大、架設簡單、無需無線電頻譜認證等優點，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（Intelligent Transport System，ITS）[2]。

VLC系統原理是LED照明設備發出人眼察覺不到的調制信號，利用光電轉換器件接收可見光信號并進行后期解

調[3]。運用于智能交通通信系統的可見光通信技術受到了美國、日本、歐洲各國的關注和認可，并成為研究熱點。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

隨著綠色環保要求的不斷提高，LED作為新型環保光源逐漸廣泛應用于照明、交通信號燈、汽車照明燈、電氣設備指示、商業廣告等各種場合[4]。同時，由于LED具有響應時間短、可實現高速調制的特性，可以承擔照明光源和信息傳輸的雙重功能，且LED光源本身就是基礎設施的主要組成部分[5]，因此采用LED光源的可見光通信系統不同于其他移動通信系統，無需依賴基站等龐大的基礎設施。

由于光波的波長較短，很難用一種電子設備分辨出光的頻率和相位，故不能對可見光直接進行頻率調制和相位調制。目前對光波常用的調制方式是光強調制（幅度調制），圖1所示為可見光通信系統的一種基本構成。在發送端，用方波信號控制LED“亮”“滅”閃爍，LED發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，經過后續信號處理就能恢復出發送的原始信號。

一般情況下，可見光通信使用的光源是單色光，每一套可見光收發機只能滿足一種色彩要求，在規模生產使用時不能體現出靈活性。CSK通信采用顏色調制解調方式，如果光源的顏色可變，那么同一套收發機可滿足各種顏色光源的要求。

2 CSK通信原理及特征

CSK技術是一種可見光通信的顏色調制技術，其標準在IEEE 802.15.7已有相關表述[6]。CSK調制是基于RGB LED的VLC系統獨有的調制方式，不同于傳統基于IM-DD的調制方式（使用LED光源強度的變化傳輸信息），而是通過不同顏色的變化傳輸信息[7]。在最低階4-CSK標準中，紅色代表11，藍色代表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。8-CSK每種顏色坐標對應的是3 bit數據，16-CSK對應的是4 bit數據，依次類推，可見CSK通信是一種高速可見光通信方式。

CSK的發射端電路將接收到的上位機數據經過顏色編碼處理后再連接RGB LED驅動電路，從而控制燈光的顏色變化。由于人眼視覺暫留的原因，不會發現光源顏色的改變，再在接收端將顏色對應的信號進行還原。以4-CSK通信系統為例，其系統框圖如圖3所示，每路電路中的LED只需要發送“亮”“滅”兩種信號即可。發送端的主要功能是將所要發送的數據經過FPGA編碼處理和LED驅動電路將信號加載到LED光源上發送出去，主要由串并轉換、顏色編碼和驅動電路三部分組成。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，然后經過信號檢測電路、放大電路、電壓比較器、顏色解碼，將發送端的信號恢復出來，主要包括信號檢測、信號放大、信號處理、顏色解碼和串并轉換。

參照CSK的標準光源是由紅、綠、藍三色LED組成的白光，如果嚴格按照標準要求制作收發機，則不能體現出光源色彩的多樣性，因此可將CSK標準進行一定的改變，使其應用場景更加廣泛。

3 CSK與智能交通通信結合

基于可見光通信的智能交通通信技術系統的設計目的在于實現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。該系統能夠使行駛中的司機及時了解前方路況，同時可實現車輛之間互相通信，從而提高交通運行效率，減少交通事故發生。

在智能交通光通信系統中，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用到智能交通通信系統中，本文提出將CSK通信技術運用到智能交通光通信系統中，這種可見光通信技術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技術在智能交通通信中的優越性主要體現在以下幾個方面：

（1）通信速率快，系統升級簡單。CSK的通信速率可變，RGB LED擁有更快的狀態切換速度，且每種顏色坐標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，只需對軟件進行更改即可，從而可降低系統升級成本。

（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中最常用的有開關鍵控（OOK）、多脈沖位置調制（MPPM）、正交頻分復用（OFDM）等調制解調方式，這些可見光通信方式只在調制解調方式上有所不同。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計帶來了巨大挑戰，很大程度上提高了成本與實現難度，而CSK收發機可實現顏色變化的要求。雖然波分復用也能實現各種色彩光源的通信，但其通信方式的本質還是單一光源的通信，其通信速率受到限制。

（3）CSK收發機制作成本低。相較于采用數字圖形處理技術進行可見光通信的方式，CSK發射機硬件只需一組RGB LED作為光源即可，無需大量LED組成陣列。數字圖像處理技術的接收端需要使用一部高速攝像機，成本較高，而CSK接收機的主要組成部分僅僅是與RGB LED相對應的三種PD電路。

將CSK技術運用到智能交通可見光通信系統中，不但能夠滿足一個CSK接收機接收幾種顏色發射機的信號，還能實現一個CSK發射機發送多種顏色的信號。例如，LED交通指示牌上的指示標志可變，而CSK技術既可滿足標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技術調整燈光暖色調。

4 結 語

本文將CSK技術應用于智能交通可見光通信系統中，不僅可提高可見光通信的通信速率，還可實現一套收發機就能完成各種顏色光信號的發送與接收，利用CSK技術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，收發機制作成本相對較低。此應用雖然還在試驗階段，但是這種調制方式可在一定程度上使得智能交通光通信系統得到統一，其使用的廣泛性較強，值得今后做進一步研究。

參 考 文 獻

[1]陳思源，王智鑫，肖江南，等.基于LED可見光通信的車聯網系統研究進展[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.智能交通系統中無線通信網絡的研究[J].中國新通信，2017，19（1）：4.

[4]韋欣，郭超，孫禹鋒.可見光智能LED燈在交通系統中的應用

[J].電子技術與軟件工程， 2017（4）：126.

[5] DAVID J P R， SINGH R， OFARRELL T.An enhanced color shift keying modulation scheme for high-speed wireless visible light communications[J]. Journal of lightwave technology， 2014， 32（14）：2582-2592.

[6] IEEE 802.15.7-2011-IEEE standard for local and metropolitan area networks--part 15.7： short-range wireless optical communication using visible light[S].C/LM - LAN/MAN Standards Committee.2011：1-309.

[7] MONTEIRO E， HRANILOVIC S.Design and implementation of color-shift keying for visible light communications[J].Journal of lightwave technology， 2014， 32（10）：2053-2060.

[8]王嘉.淺析城市快速路智能交通通信系統的設計及施工要求[J].科技創業家，2014（3）：165.