光標簽使能的車路協同現狀與展望

李偉，許科諾，許辰人

（北京大學，北京 100871）

0 引言

隨著自動駕駛的潛力被逐步挖掘，單車智能局限性漸顯，車路協同的重要性日益突出[1-2]。對于日常駕駛中存在諸多動態的路況，如事故、施工、積水或冰面等，單車的車載傳感器（如攝像頭和LiDAR）難以識別和推理。此時，若路側的基礎設施搭載了智能傳感器，則可以將感知到的動態路況通知來車，補齊單車感知的不足。事實上，在道路基礎設施上配備智能傳感器已經成為全世界基礎設施現代化進程的一部分[3]。為了將傳感數據傳遞給車輛，通信手段至關重要。專用短程通信（DSRC）以及蜂窩車聯網（C-V2X[4]）是迄今為止兩種被廣泛認可的成熟技術。然而時至今日，由于商業模式不清晰，應用場景、政策法規不完善等原因，其大規模部署的腳步仍然緩慢。

近年來逐步興起的光標簽技術[6]為車路協同提供了另一種嶄新的可能性。其通過整合低功耗電路、逆反射材料和液晶調制器的方式，將傳統的交通標志進行翻新和改造，創造一種新的標志RetroSign。一方面，RetroSign 保留了標志本身的功能，即向駕駛員傳遞信息。光標簽僅僅將傳統路牌逆反射涂層的一小部分進行覆蓋和改造，整體的視覺效果沒有改變；另一方面，光標簽也增強了標志的功能——車輛可以通過加裝了讀寫器的車燈與道路周圍的路牌進行遠距離的通信。在弱光、黑夜等人類駕駛員視野受限的情況下，光標簽技術可以幫助駕駛員提前了解到道路上發生的動態信息，進而留有充足的時間做出相應的處理。

光標簽技術因其低成本、低速率、高方向性等特性，與C-V2X 等無線電車路協同技術優勢互補，為車路協同的多樣化發展提供了新的機會。本文首先介紹了光標簽技術的基本原理，進而給出原型光標簽系統的實驗表現。之后，本文自下而上，從技術自身、基于光標簽技術的單車級別應用，以及基于光標簽技術的車路協同級應用等方面，對光標簽技術的未來發展進行展望。

1 基于光標簽的V2X通信

整個光標簽系統基于可見光逆反射通信（VLBC,Visible Light Backscatter Communication），由兩個部分組成。其一為讀寫器，被加裝于汽車的車燈處，讀寫器負責向光標簽發送問訊信號，這條鏈路稱為下行鏈路，讀寫器所發出的照明光也可帶有高頻率的載波，為光標簽發送回的上行鏈路提供信息載體。其二為光標簽，被加裝于路牌、道釘等帶有逆反射涂層的道路基礎設施上，光標簽自身在逆反射材料層之前加入了液晶調制器（見圖1）。不同的通電狀態可以改變入射光信號的反射狀態，進而改變所調制符號信息，該鏈路稱為上行鏈路。上下行鏈路共同為汽車與基礎設施間提供了雙向通信。

圖1 光標簽系統上行鏈路原理

光標簽技術滿足了下列三個要求：（1）無閃爍——避免對人類駕駛員造成干擾，因為人類的視覺系統對運動和閃爍非常敏感；（2）長通信距離——長達幾十米，甚至上百米的通信距離才能給予駕駛員足夠的空間和時間來及時采取行動；（3）多路訪問——多個讀寫器和多個RetroSign 同時存在的情況下應當也能有效地通信。針對閃爍問題，受傳統（有源）可見光通信的最新設計啟發[7-8]，我們將前偏振器從液晶光閥（LCD shutter）上分離出來，并放置到讀寫器上的光傳感器之前。為了解決長距離通信的挑戰，我們設計了一個互補光學前端，并進一步設計了一個偏振差分接收（PDR）方案。試驗結果表明新設計實現了5.3 dB 的信噪比提升。針對多路訪問問題，我們設計了一個適用于高速移動場景的基于請求-應答模型的數據鏈路協議，實驗證明它可支持3 個讀寫器和5 個RetroSigns 的多路訪問。

1.1 延遲偏振與互補光學前端設計

VLBC 通過控制LCD 的狀態來通過或阻擋反射光，進而調制信息。LCD 由兩層偏振器和中間的液晶層組成，如圖2（a）所示，液晶在不同電壓下的偏振變化特性是LCD 調制能力的關鍵。只要光以正確的順序（即偏振層-液晶層-偏振層）通過這三層設備，便可正常實現LCD 光學調制。此外，人眼無法感知光的偏振。前端設計正是基于這一基本原理。

（1）延遲偏振

我們將普通LCD 中偏振器與液晶層分開，并將前偏振器移動到讀寫器上的光傳感器的前面，如圖2（b）所示。從圖中我們可以看到，光傳感器接收到的光信號仍然受到液晶的狀態影響而通過或被阻擋。不同的是，無論液晶層的狀態如何，總是有光被（反向）反射。從RetroSign 的改良LCD 中射出的反射光總是帶有偏振方向，而具體的方向由液晶層的充電狀態決定；不同狀態下的反射光強度相同。人眼可以感知光的強度，但不能感知其偏振，因此不會察覺到閃爍。由于第二次偏振被延遲到反射光照射到讀寫器的光傳感器上，因此被稱為延遲偏振。

（2）互補光學前端設計

受到電路設計中常見的差分信號啟發，我們在原有的光傳感器基礎上，添加了一個新的光傳感器，并在兩個傳感器的前端覆蓋具有正交偏振方向的偏振器（例如，一個傳感器的前端偏振器為水平方向，而另一個的偏振器為垂直方向）。這樣，成對的接收單元（如圖2（b）中的Rx1 和Rx2）可以提升接收信號的能量。

圖2 RetroSign和其他VLBC方案的LCD結構和狀態比較（注意前偏振器位置的不同）

（3）基于偏振的差分接收

利用延遲偏振的設計，RetroSign 可以用不同的偏振狀態來調制信息。例如，“1”和“0”可被映射映射到水平和垂直偏振（通過改變施加在液晶層的電壓）的出射光中。基于這種二進制偏振移鍵控調制方案，以及互補光學前端設計，便可設計出基于偏振的差分接收（PDR,Polarization-based Differential Reception）。

根據馬呂斯定律（Malus’law），當一束強度為I0的偏振光通過偏振器后，透射光的強度由Iθ和I0入射光與偏振器二者的偏振方向之間的夾角θ決定，即Iθ=I0cos2θ。而整個系統的噪聲σ(t) 由相對較強的自干擾（即RetroSign 之外的物體的反射）、環境光和來自相反方向的車輛光束組成。這些噪聲是未偏振的，因此其強度在通過讀寫器的接收單元的偏振器后將被減弱一半。這樣，兩個緊密排布的接收單元接收到的信號滿足：

其中Iθ1和Iθ2是兩個光傳感器接收到的信號強度，各自滿足馬呂斯定律。

互補光學前端設計確保了當液晶調制器的狀態轉換（例如從“0”到“1”）時，θ1從0°變化為90°，而θ1從90°變化為0°，即θ1與θ2滿足的互補特性。對于噪聲σ部分，由于兩個接收單元緊密排布，接收到的噪聲基本上是經歷相同路徑的環境物體的反射，且在通過偏振器過濾器之前是非偏振光，因而有σ1(t) ≈σ2(t)。通過對兩個接收單元的輸入作差，就可以得到基于偏振的差分接收（PDR）方案：

PDR 設計不僅抑制了自干擾和其他噪聲，而且將接收到的信號強度提高了一倍，大大改善了反射鏈路的信噪比。我們的原型系統顯示PDR 平均實現了5.3 dB 的信噪比增益。

1.2 系統多路訪問控制（數據鏈路）協議

（1）周期性廣播與請求-應答模型的論證

路標天生具有局部區域廣播的性質，它們被設計用來向所有來車輛傳達與位置相關的信息。RetroSign 的基于逆反射的通信鏈路設計也符合路標的局部區域廣播性質。事實上，液晶狀態的切換將調制任何來源的入射光線。因此，一個直觀的想法是將簡單的周期性廣播機制作為多路訪問控制（數據鏈路）的基礎。然而，當讀寫器的視野中有多個RetroSign 時，它們的響應一定會發生沖突。也就是說，所有毗鄰的RetroSign 都是潛在的沖突方。這種沖突不可能被靜態的方式解決：首先，RetroSign 不能感知附近的其他RetroSign 的存在。第二，由于讀寫器的移動性（即位置不同）和車前照燈功率的多樣性（即觀察范圍不同），整個通信系統高度動態。第三，很難保持一個全局時鐘，確保附近的RetroSign 之間的時鐘同步，特別是考慮在RetroSign 可能會休眠并被喚醒的情況下。這些原因使我們需要設計一個基于請求-應答模型的數據鏈路協議。

（2）沖突案例分析

不同的沖突情景說明如圖3 所示：

圖3 不同的沖突情景說明

下行鏈路沖突：當一個RetroSign 處于多個讀寫器的共同視野中，并且有多個讀寫器試圖同時與同一個RetroSign對話時，就會發生這種情況。這就是多對一的通信情況。

同步上行鏈路沖突：當多個RetroSign 在同一個讀寫器的視野中并同時被請求時，它們可能會同時作出應答，并導致同步上行鏈路沖突。這對應于一對多的通信情況。

異步上行鏈路沖突：在多對多的通信情況下，如果第一個RetroSign 正在應答第一個讀寫器，而附近的第二個讀寫器試圖請求剛好在第一個讀寫器視野內的第二個RetroSign 時，第二個RetroSign（對第二個讀寫器）的上行應答將被第一個讀寫器接收到，從而破壞第一個RetroSign 正在進行的應答。這將導致異步上行鏈路沖突。

（3）解決沖突的設計

Discovery Request-Discovery Ack機制：初始狀態下，車輛會隨機地發送Discovery Request（DReq），當RetroSign 接收到DReq 后，回復一個特定的信號去應答。我們稱這個特定的信號為Discovery Ack（DAck）。當車輛接收到DAck 時，則表明其前一次發送的DReq 已經正確地被RetroSign 接收到。如果車輛沒有收到DAck，而且在其覆蓋范圍內有RetroSign 的話，則表明下行鏈路發生了沖突，之后進行隨機退避，等到退避時間結束再次進行DReq。如果在車輛可通信的范圍內沒有RetroSign，車輛也會將其當作下行鏈路發生了沖突的情況來處理。

虛擬地址與Query 機制：對于車輛，為每個已發現的RetroSign 預先分配一個全局的ID 并不可行，因為這需要全局地址分配協議，而且必須使用非常大的ID 長度，開銷過大。我們設計了一種與車輛ID 相關的虛擬地址（VID,Virtual ID）作為RetroSign 的ID。車輛發送下行幀告訴RetroSign 隨機的臨時ID 范圍，同時告知車輛自身的ID，以及下行幀的序列號。VID 由車輛的ID、下行幀的序列號以及臨時ID 組合而成。RetroSign 可以擁有多個VID，但是每個VID 一定只對應一個RetroSign；RetroSign 根據不同車生成的VID 是不一樣的；對于同一輛車來說，RetroSign 根據不同下行幀生成的VID 也是不相同的。因此，VID 可以起到RetroSign 全局ID 的作用，讀寫器可以利用VID 唯一確定RetroSign，并通過發送包含VID 的Query Request（QReq）并接收相應的Query Response（QResp）的信息，解決了同步上行鏈路沖突的問題。

激發式載波監聽（ECS,Excitatory Carrier Sensing）：我們采用ECS 機制解決異步上行鏈路沖突。在讀寫器不進行其他操作時，默認處于ECS 狀態，持續發射載波并監聽自身發出的載波是否被有效的RetroSign 反射。當讀寫器準備發送下行數據時，會先根據ECS 狀態下的信道監聽情況，判斷上行信道是否空閑，如果空閑，則將數據發送。否則，進行隨機退避，等待下次發送。ECS 與傳統的載波監聽不同點在于，傳統的載波監聽是避免因自己搶占信道而導致通信發生沖突。而ECS 是通過推遲自己的發送時間，進而使得對端的設備（RetroSign）推遲自己的發送時間，從而來避免由對向端點搶占信道而產生的沖突。

2 系統測試與驗證

2.1 測試配置

我們在不同的環境、不同的天氣和照明條件下對系統進行了評估，如圖4 所示。由于上行速率（1 kbps）、誤碼率、RetroSign 尺寸（大，0.3 m2）、通信距離、閱讀器和RetroSign 之間的相對角度距離（垂直）以及實驗環境（晴朗的夜晚）都是相互關聯的，在下面的結果中，除非特殊說明，所有因素都設置為括號中的默認值。我們使用誤碼率（BER,Bit Error Rate）作為我們主要的PHY 性能指標。誤碼率低于1%的通信距離被視作可靠。對于每個數據點，我們發送25 個數據包，每個數據包為16 字節。

2.2 結果

上行速率。從圖4（a）中，我們可以得出幾點結論。首先，系統實現了長距離通信。即使是1 kbps 的上行速率，讀寫器依舊可以在80 m 外與光標簽通信。其次，上行鏈路速率與通信距離成反比。這是因為較低的速率意味著LCD 狀態變化得更徹底，因此在讀寫器上檢測到的信號間的差距更大。第三，對于相同的上行速率，當通信范圍變短時，誤碼率迅速下降。

RetroSign 尺寸。我們用三個尺寸的RetroSign 進行了實驗——大（尺寸為0.3 m2）、小（0.15 m2）和三角警戒牌尺寸（0.025 m2）。結果如圖4（b）所示，大尺寸會帶來更長的通信距離。但這種關系似乎是高度非線性的，尺寸減半并不導致通信距離減半。即使是最小的三角警戒牌，讀寫器也能在45 m 外與之通信。

偏航角。因為車燈上的讀寫器和位于路旁或者路上方的路牌之間由于道路彎曲或者更換車道等，往往有一定的偏航角，所以我們也測試了系統在不同偏航角下的表現。圖4（c）告訴我們，在75 m 處系統能容忍±12°的偏航角，而距離在50 m 處則增加到±30°。總體來說，讀寫器離路牌越近，則偏航角容忍度越大。

翻滾角。車輛上坡等情況會造成的讀寫器與RetroSign 之間存在翻滾角。圖4（d）指出，我們的系統可以容忍±18°的翻滾角。相對于偏航角來說，通信距離對翻滾角造成的影響并沒有特別明顯。

天氣狀況。我們在不同的天氣狀況下進行了實驗。盡管直覺上我們容易認為多云和夜間系統表現會更好，而雨水和陽光則會極大削弱系統的通信表現。但圖4（e）的結果顯示，即使在晴天、雨天和雨夜，系統仍然能夠分別實現長達60 m、62 m 和69 m 的通信。

陽光入射角。由于陽光會提升底噪，增加誤碼率，我們進一步研究其入射角的影響。圖4（f）顯示了幾個特點。其一，小的入射角（即陽光接近直射讀寫器）會導致讀寫器無法工作；其二，上行速率越高越容易受到陽光入射的影響。

圖4 實驗結果

3 未來光標簽技術發展

3.1 新型讀寫器

（1）基于光學成像的空間分集動態感知通信一體化

可見光信號的方向性是其相比于射頻信號最重要的獨特優勢，基于方向性的空間分集技術為極多光標簽、讀寫器情境（即現實中擁擠的車路協同場景）下無互相干擾的并發通信帶來了可能。利用攝像機等具有光學成像能力的設備作為讀寫器的接收端，可以實現空間分集的并發光標簽讀寫。此外，光學成像信息還可以與計算機視覺領域的研究進展相結合，在接收逆反射信道通信信息的同時，從視覺信息中獲得道路環境感知信息，實現車輛與路牌的定位與追蹤，進而成為光學感知通信一體化技術的基礎。

（2）基于脈沖視覺的超高速自由動態范圍讀寫

脈沖視覺是一種近年來新興的計算機視覺模型，具備高時間分辨率、高動態范圍等優勢。與傳統的以幀為單位的視覺系統不同，脈沖視覺參考了靈長類動物視網膜中心凹的結構和信號處理機制，實現了利用密集脈沖陣列感知、采集并重構視覺信息。仿生脈沖視覺有望成為未來光標簽系統接收反射光信號的接收器，通過將光信號進行以脈沖的形式接收并進行信號處理（有望與新興的脈沖神經網絡技術自然結合），建立起高速高動態范圍逆反射鏈路，如圖5 所示：

圖5 基于脈沖視覺的光標簽系統框圖

（3）基于激光的高定向長距離低功耗載波

自由空間光通信是指以激光作為載波，大氣作為傳輸介質的光通信技術，其功耗、通信距離、傳輸帶寬等方面的表現強于基于LED 的可見光通信。強指向性是激光作為通信介質的重要特性，對于提升大氣信道中的通信距離，降低功耗有著重要的意義。而激光作為光標簽逆反射調制的載波，同樣可以大幅提升光標簽反射鏈路的通信距離，支持更加復雜的車路協同應用。此外，由于激光的指向性，激光通信還可以與測距、測角技術相結合，實現三維空間精確車輛定位與追蹤。

（4）基于可變透鏡（組）的光學天線波束成形

當前讀寫器的光學收發組件較為簡單，無法隨環境和通信情境改變。光學天線，包括光學透鏡組和與之相配合的合束、分束濾光片、棱鏡等光學組件，可以對光束進行波束成形與操控，實現空間光信號的增益，提升光信道質量。此外，成形的光波束還可以協助高動態的車路協同場景下設備的捕獲、瞄準和跟蹤，在車輛、路牌各異的復雜情景下實現最優的通信能量分配，確保高速移動情景的穩定可靠的（逆反射）光通信鏈路。

3.2 新型光標簽

（1）高速反射調制器

反射調制器是光標簽實現調制入射光信號功能的核心組件。當前光標簽使用液晶調制器作為反射調制器，其原理與常見的液晶顯示器相類似，刷新率為幾十至幾百Hz，進而限制逆反射通信鏈路的帶寬為亞kHz 級。光標簽這一概念并不與特定的反射調制器相耦合，基于新材料（ferroelectric 等）或者新原理（如MEMS 技術，如圖6 所示）的反射調制器有望在維持光標簽技術低功耗特性的同時，極大提升通信帶寬，從而可為車路協同傳輸更復雜的數據。

圖6 一種可被光標簽應用的MEMS反射調制器的原理

（2）光學智能反射面

智能反射面通過在平面上集成大量低成本的無源反射元件，智能地重新配置無線電磁波傳播環境，從而顯著提高無線通信的性能，近年來已有光學波段的智能反射面設計問世。光學智能反射面可以作為光標簽的反射調制器，對光信號進行靈活可編程操控，實現反射光鏈路的高階調制（包括振幅、相位、頻率和偏振等方面）。此外，智能反射面可實現大范圍電磁波頻譜進行調制，建立起光電融合的無線（逆反射）車路協同通信系統。

（3）顯示通信一體化

顯示器已經在城市道路上中得到了廣泛的應用與部署，當前的顯示器主要用來為人類提供視覺信息，其與計算機系統之間蘊含的可見光通信信道尚未被充分利用。而光標簽技術也可進一步與顯示器結合，在不影響正常圖像顯示效果的同時，利用額外的、人類不可見的信道向讀寫器（車輛）傳輸信息，從而提升現有顯示基礎設施對計算機系統傳輸信息的能力，為虛擬現實、增強現實等車路深度融合技術提供顯示通信一體化的底層技術支持。

（4）細粒度信道建模

隨機多變的大氣信道會對光通信的信號傳輸帶來干擾，特別是在氣象環境惡劣的城市場景中，大氣中煙、霧、霾、雪、氣溶膠等粒子受到車流的持續擾動，會引起光的不規律吸收和散射，極大影響光信號的質量。對于光標簽系統來說，逆反射的特性使得光信號通過大氣的距離是一般光通信的兩倍，而且逆反射信道的特性與普通的光通信信道也有所差異，因而大氣信道特性對通信性能有著更大的影響。細粒度的大氣信道建模可以幫助理解環境對通信的影響因素，進而調優系統性能，提升車路協同的穩定性。

4 光車路協同應用場景與展望

4.1 智能座艙與增強輔助駕駛

隨著車路協同的深入發展，智能座艙技術和基于增強現實的增強輔助駕駛也嶄露頭角。光標簽定位技術使光標簽可以作為錨點，讓讀寫器感知到光標簽在以車輛為中心的三維世界的坐標。若結合未來的車載抬頭顯示（如智能眼鏡、全息前擋風玻璃），則可以形成增強輔助駕駛系統。

當駕駛員進入了智能座艙，并激活了抬頭顯示，便可以通過語音或者眼動的方式來與增強輔助駕駛系統交互。駕駛員可以利用汽車頭燈內整合的光標簽讀寫器，結合抬頭顯示中的視野區域，來與光標簽進行選擇性通信。駕駛員通過眼動追蹤等方式來篩選目標光標簽，不需分神用手操作，這極大提升了駕駛員專注度。同時，被激活的光標簽將以全息圖的形式疊加在駕駛員的增強視野中，駕駛員可以直接在抬頭現實中看到遠方路牌所提示的限速、急彎、信號燈的狀況，更加及時地做出相應的動作。同時，光標簽也可將弱光下的安全隱患，如過暗的故障車輛和行人等，以全息圖的形式提前告知駕駛員。若車燈與車牌之間存在鏈式VLBC 通信，后車的駕駛員也可以在增強視野中提前看到被前車或者拐彎處遮擋的行人、車輛等。這對山路、施工路段等盲區較多的情景有很大的裨益。

在高速動態的場景下，傳統的無線電技術往往難以使駕駛員實現與環境中目標智能設備的快速交互。然而借助光標簽技術，駕駛員在使用抬頭顯示的情況下，不需分神即可快速完成對周遭環境中光標簽的詢問和交互，并獲取增強的駕駛輔助信息。我們有理由相信，載有光標簽的增強現實錨點會成為未來增強輔助駕駛的組成部分。

4.2 光車路協同

光車路協同示例如圖7 所示：

圖7 光車路協同示例

由于交通基礎設施在道釘、路牌甚至道路標識線等位置大量使用了逆反射材料，基于光標簽技術的逆反射通信極易與現有的交通基礎設施結合，使得以低成本和簡易的部署流程打造大規模智能基礎設施成為可能。光標簽與智能基礎設施的結合為光車路協同創造了條件。

楔形道釘被廣泛部署在城市人流密集路口，或加裝于高速公路車道旁護欄，以在弱光條件下增強司機對行人通道的可見度。傳統的道釘僅使用了逆反射材料結合特定的聚光結構，來對遠處的行車車燈進行反射。在駕駛員視角下，連續的道釘組成了道路的邊沿線，擬合出夜間的行車路線。然而，面對夜間行人穿梭、高速路動物穿梭等高動態突發情況，逆反射材料的高亮性反倒使得駕駛員不容易發現較暗的移動物體，容易帶來安全隱患。倘若將光標簽技術與道釘結合，則可以帶來兼具低成本和高性價比的智能道釘。一方面，道釘可以融合被動運動感知技術，通過紅外、熱輻射等信息感知移動物體。另一方面，道釘的逆反射材料層可以被制作成為光標簽。由于其具有反應性，則可以僅在需要的時刻通過光標簽上行鏈路將感知信息通知來車。這樣，光標簽智能道釘可以極低的功耗全天候檢測移動物體，并幫助遠處的來車及時對動態情況做出反應。光通信的強方向性也使得信息傳遞局限在局部交通范圍內，并可以通過尾燈向加裝了光標簽的后車車牌鏈式傳遞，使得后車可以提前做出機動。

相較于基于無線電技術的DSRC 和C-V2X，光通信，尤其是光逆反射通信，以其信號的方向性，在部分的高移動性、高不確定性的交通場景下具有得天獨厚的優勢。基于光信號的V2X 通信可與基于無線電信號的V2X 通信相輔相成，共同成為未來智慧城市與智慧交通的基石。

5 結束語

本文介紹了光標簽技術的基本原理和現階段光標簽技術的實驗表現，并從光標簽技術本身、單車級應用以及車路協同級應用等方面對光標簽技術未來的應用與發展進行展望。作為一種與C-V2X 優勢互補的車路協同技術，光標簽技術仍面臨技術自身演進、標準制定、應用場景擴展等諸多挑戰。我們有理由相信，隨著光標簽技術自身的多輪迭代，智能座艙及增強輔助駕駛系統的逐步革新，車路協同技術的多樣化發展，未來的駕駛定會兼有安全與舒適，聰明的車和智慧的路定會更好地造福人類社會。