可見光通信技術在艦艇通信中的應用設想

中國人民武裝警察部隊海警學院 劉麗麗 胡云琴 杜永鋒 高贊

本文對可見光通信技術進行了概述，并結合可見光通信的工作原理及特點，闡明可與艦艇通信相結合，在艦艇艙室內部信息傳輸、艦艇內部人員及重點裝備定位、燈光通信等方面的具體應用提出設想，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外通信聯絡的基礎，隨著信息技術的快速發展，將量子通信、認知無線電等新技術運用到艦艇通信能夠有效提高通信保障效能，為戰爭提供更加迅速、準確、保密的信息傳遞途徑。在LED照明技術還沒有像如今這樣普及的1999年就有研究人員提出利用LED發出的光來進行通信的設想，通過各國科研人員20多年實驗研究，可見光通信技術將新型照明技術與光通信技術深入融合，提供了一種全新的寬帶接入方式，利用照明光實現信息傳送將為艦艇通信特別是艦艇艙室內通信提供一種新的通信保障方式，為艦艇中單兵作戰裝備的使用提供新的無線通信鏈路。本文將從可見光技術的原理入手與現有艦艇通信的方式結合，繼而展開關于可見光技術在艦艇通信中應用場景的設想及實現方法的論述。

1 可見光通信概述

1.1 可見光通信技術原理

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

如圖1所示，VLC系統與一般通信系統相同，均需要對信源信號進行編碼調制并在接收端放大、解調、解碼。不同的是傳輸介質部分，有線通信系統傳輸介質采用的是同軸電纜、雙絞線、光纖等，無線通信系統常采用電磁波在自由空間內傳輸。而VLC采用光作為通信過程中數據傳輸的介質，因此數據是通過改變LED的光強來編碼的。流經LED的電流需要驅動電路給與控制，驅動電路可以是直接的電流驅動，也可以是改進的電壓驅動的方式，即通過一定的方式達到調節LED的亮度水平的目的。用于室內環境時，由于傳輸距離不長，不必使用光學器件聚攏光束，而光信號在距離較遠的通信場景中，需要通過光放大器透鏡、濾光片等光學器使光束的能量在空間上得到集中。調制器是將光的振幅通過電信號來控制，實現光的調制。光探測器在接收端完成對光的接收，將光信號轉變成電信號。光在進行高速傳輸時，可見光的光譜發散是提升信號質量的消極因素，因此，為了選擇所需的有效的信號，接收端還需配備光學濾波器[2]。

圖1 VLC 系統模型Fig.1 VLC system model

1.2 可見光通信特點

(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，同時打破了無線電頻譜資源緊缺的困境。光波長范圍內的電磁波能夠被限制在一個房間里，基本上不會穿透物體，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利用整個帶寬資源，而且互不干擾，相對于無線電波，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是一種綠色環保光源，其自身不會產生電磁輻射，對人體基本無害且不會與射頻通信相互干擾，能夠應用于電磁敏感場合，可作為射頻通信技術的重要補充。(3)更高級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，有效避免了信息的泄露，使通信更具保密性，更加安全。(4)基礎設施成本低廉、分布廣泛：LED的照明市場占有率預計在2030年將達到75%，廣泛的LED分布足以保證在無額外部署設施的情況下，以較低成本并且在較短周期內實現通信系統的部署[3-5]。

1.3 可見光通信的應用場景

(1)室內通信應用，作為WiFi和蜂窩無線通信等技術補充手段，室內通信也是智慧城市概念中的一部分。結合具體環境可用于醫院、地鐵、艦艇艙室內等，實現信息傳輸、智能裝備互聯、傳感器預警等。(2)室外通信應用，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行，不斷的將新的通信技術運用到艦艇通信中，使得通信在實時、保密、準確的要求中性能不斷提升。為適應現代信息化戰爭，構建以指揮、控制、通信、計算機、情報、監視、偵察系統為基礎的一體化信息作戰體系對艦艇通信提出更高要求，因此多數艦艇采用綜合通信系統融入指揮信息系統，實現更加高效的通信與指揮效能。艦艇綜合通信系統主要包括內部通信系統和外部通信系統。此外不可忽視的輔助通信手段還有視覺通信方式。

(1)艦艇內部通信系統。艦艇內部通信系統主要依托光纖通信網連接艦艇內通信裝備設施，用于溝通艦艇內部各部門、各戰位和有關艙室間通信聯絡，以保障作戰和訓練時艦艇指揮員、武器控制人員向各戰斗部門及各戰位下達命令、指示、發布警報、報警信號；保障艦艇在緊急情況下的最底線內部指揮通信；保障政治工作、行政管理及日常生活的艦艇內部通信。(2)外部通信系統。艦艇外部通信主要包括短波、超短波、衛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、港口信號臺、飛機之間傳遞簡短命令、保障協同、互相識別和遇險求救等。

3 艦艇通信融入可見光通信技術運用設想

3.1 可見光通信在艦艇內部通信中應用

(1)可見光通信為艦艇內部通信提供新的室內無線傳輸方式。艦艇內部通信系統對接單兵通信裝備的有效途徑。艙室內空間相對密閉狹窄，且各艙室間對無線信號的阻隔比較嚴重，運用WiFi技術構建無線網絡傳輸的方式難以實現，因此艙室內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建VLC無線網絡環境，為作戰指揮及日常訓練管理提供一個新的通信保障方式，如圖2所示：

圖2 燈光通信無線網絡Fig.2 Lighting communication wireless network

通過在原有照明系統中加入可見光調制器控制光發射的平均強度和閃爍程度，當光脈沖以200Hz或更高頻率閃爍時，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，常用的調制方法可以分為三類：一是基于照明顏色的色移鍵控；二是基于副載波調制的正交頻分復用；三是基于時域的強度測量調制，包括開關鍵控調制（OOK）、脈沖位置調制(PPM)、逆脈沖位置調制（IPPM）和可變脈沖位置調制（VPPM）等。接收部分需在原有信息設備中加入光探測器和解調器，用于感知可見光并解調出其中攜帶的信息。

(2)可見光通信為艦艇內防火安全預警提供新方法。在圖2中可見，除了為計算機、單兵終端等設備提供網絡環境，還可以通過連接無線傳感器，用于火警、溫濕度的數據采集與報警，僅為傳感器提供電源無需提供復雜的有線網絡傳輸，另外在可見光通信傳輸中遇火焰和煙霧的遮擋會使傳輸信號在接收端出現不同程度的衰減，通過對衰減量的分析對應火焰位置及形狀要素的測算，可對火焰有無、位置和形狀測試與感知，能夠對艦艇內火災進行報警和定位。

(3)可見光通信定位技術為艦艇人員、關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（GPS）能夠很好的用于戶外，但是由于衛星信號的覆蓋能力有限，GPS很難在室內使用。嚴格落實“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施的基礎上，給人和關鍵裝備配發光收機。定位的目的就是完成從光源到接收機間的距離估算問題，盡管這個距離很難直接測量得到，但是通過測量接收信號的強度、信號到達時間或者到達時間差等方法，可以間接獲取接收機的位置信息。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高度信息的三維定位信息發展，光接收裝備的數據處理能力不斷提升，將可見光通信定位技術直接運用到智能手機成為可能，在人人都有智能手機時代可見光通信定位技術的運行成本會逐步降低。

3.2 可見光通信與燈光通信綜合運用

燈光通信是視覺通信的一種，利用燈光通信器材發出長短閃光表示字母、數字、勤務符號等信息。主要依靠信號兵的操作燈光通信器材進行報文拍發，拍發速度與準確度與信號兵業務能力有直接關系，每年院校及訓練基地花費大量的時間與師資力量培養信號兵，使其技能本領過硬，以達到信息傳遞快速、準確的目標。燈光通信的收發距離可視環境的影響較大，只能在視距范圍內傳輸，通常為明文通信。為增加拍發信息的速度與準確度，研究人員提出了“燈光通信自動拍收系統”，獨立一套設備現在廣泛用于訓練和教學測試中，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備更新成本間的關系。

可見光通信，正是利用對光源的調制實現信息傳遞，光源可攜帶較燈光通信拍發信息更為復雜的信息，且可以通過編碼的方式對信息進行加密，室外收發過程與室內照明需求不同，收發裝備間可排除對人眼的影響，通過增加發射功率，降低對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，并可在現有設備上進行升級改造，能夠有效節約升級成本。

4 結語

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