CSK 在智能交通系统中的应用展望

引 言

可见光通信（Visual Light Communication，VLC）是一种新型无线通信技术。相较于其他通信方式，VLC 的优势在于既能满足照明又能满足通信功能。可见光通信将光作为信息的载体进行信号传递，因为 LED 具有绿色安全、发射功率大、架设简单、无需无线电频谱认证等优点，所以成为可见光通信的理想光源 [1]。由于在交通中 LED 的使用越来越普遍，因此 VLC 适用于智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）[2]。

VLC 系统原理是 LED 照明设备发出人眼察觉不到的调制信号，利用光电转换器件接收可见光信号并进行后期解调 [3]。运用于智能交通通信系统的可见光通信技术受到了美国、日本、欧洲各国的关注和认可，并成为研究热点。色移键控（Color-Shift Keying，CSK）也是可见光通信的一种方式，为智能交通通信系统可见光通信工程提供了另一种选择。

1 可见光通信

随着绿色环保要求的不断提高，LED 作为新型环保光源逐渐广泛应用于照明、交通信号灯、汽车照明灯、电气设备指示、商业广告等各种场合 [4]。同时，由于 LED 具有响应时间短、可实现高速调制的特性，可以承担照明光源和信息传输的双重功能，且 LED 光源本身就是基础设施的主要组成部分 [5]，因此采用 LED 光源的可见光通信系统不同于其他移动通信系统，无需依赖基站等庞大的基础设施。

由于光波的波长较短，很难用一种电子设备分辨出光的频率和相位，故不能对可见光直接进行频率调制和相位调制。目前对光波常用的调制方式是光强调制（幅度调制），图 1所示为可见光通信系统的一种基本构成。在发送端，用方波信号控制 LED“亮”“灭”闪烁，LED 发出的光波信号就会随控制信号变化 ；在接收端，PD 等光电探测器件从接收的光波中取出控制方波信号的电信号，经过后续信号处理就能恢复出发送的原始信号。

一般情况下，可见光通信使用的光源是单色光，每一套可见光收发机只能满足一种色彩要求，在规模生产使用时不能体现出灵活性。CSK 通信采用颜色调制解调方式，如果光源的颜色可变，那么同一套收发机可满足各种颜色光源的要求。

2 CSK通信原理及特征

CSK 技术是一种可见光通信的颜色调制技术，其标准在IEEE 802.15.7 已有相关表述 [6]。CSK 调制是基于 RGB LED 的 VLC 系统独有的调制方式，不同于传统基于 IM-DD 的调制方式（使用 LED 光源强度的变化传输信息），而是通过不同颜色的变化传输信息 [7]。在最低阶 4-CSK 标准中，红色代表 11，蓝色代表 10，绿色代表 00，通过颜色的快速变化使得表示信息的颜色最终融合为白色，白色代表 01，图 2 所示为 4-CSK 的 RGB 三基色以及混色白光在色域图中的坐标。8-CSK 每种颜色坐标对应的是 3 bit 数据，16-CSK 对应的是4 bit 数据，依次类推，可见 CSK 通信是一种高速可见光通信方式。

CSK 的发射端电路将接收到的上位机数据经过颜色编码处理后再连接 RGB LED 驱动电路，从而控制灯光的颜色变化。由于人眼视觉暂留的原因，不会发现光源颜色的改变， 再在接收端将颜色对应的信号进行还原。以 4-CSK 通信系统为例，其系统框图如图 3 所示，每路电路中的 LED 只需要发送“亮”“灭”两种信号即可。发送端的主要功能是将所要发送的数据经过 FPGA 编码处理和 LED 驱动电路将信号加载到 LED 光源上发送出去，主要由串并转换、颜色编码和驱动电路三部分组成。在接收前端首先将 R，G，B 三种颜色波长的光从混合白光中分别检测出来，然后经过信号检测电路、放大电路、电压比较器、颜色解码，将发送端的信号恢复出来，主要包括信号检测、信号放大、信号处理、颜色解码和串并转换。

参照 CSK 的标准光源是由红、绿、蓝三色 LED 组成的白光，如果严格按照标准要求制作收发机，则不能体现出光源色彩的多样性，因此可将 CSK 标准进行一定的改变，使其应用场景更加广泛。

3 CSK与智能交通通信结合

基于可见光通信的智能交通通信技术系统的设计目的在于实现车辆与交通灯的可见光通信、车辆与路灯之间的可见光通信、车辆与车辆之间的可见光通信。该系统能够使行驶中的司机及时了解前方路况，同时可实现车辆之间互相通信， 从而提高交通运行效率，减少交通事故发生。

在智能交通光通信系统中，不同可见光的通信方式都有各自的特点。通信的基本要求是在满足一定误码率的前提下， 提高通信速率 [8]。为了更好地将可见光通信运用到智能交通通信系统中，本文提出将 CSK 通信技术运用到智能交通光通信系统中，这种可见光通信技术不但可以提高可见光通信的速率，还可增加可见光光源颜色的可变性和丰富性。CSK 技术在智能交通通信中的优越性主要体现在以下几个方面 ：

(1) 通信速率快，系统升级简单。CSK的通信速率可变，RGBLED拥有更快的状态切换速度，且每种颜色坐标所包含的码元会随着色点的增加而增加，其提高速率的方式无需改变硬件，只需对软件进行更改即可，从而可降低系统升级成本。

(2) 光源色彩多样，光源颜色可变，适合各种颜色的交通用灯。目前，在智能交通通信系统中最常用的有开关键控（OOK）、多脉冲位置调制（MPPM）、正交频分复用（OFDM）等调制解调方式，这些可见光通信方式只在调制解调方式上有所不同。但由于交通灯和车灯的颜色多样，且一些场合下信号灯的颜色需要变换，这样就给可见光通信接收端的设计带来了巨大挑战，很大程度上提高了成本与实现难度，而CSK 收发机可实现颜色变化的要求。虽然波分复用也能实现各种色彩光源的通信，但其通信方式的本质还是单一光源的通信，其通信速率受到限制。

(3) CSK收发机制作成本低。相较于采用数字图形处理技术进行可见光通信的方式，CSK发射机硬件只需一组RGBLED 作为光源即可，无需大量 LED 组成阵列。数字图像处理技术的接收端需要使用一部高速摄像机，成本较高， 而 CSK 接收机的主要组成部分仅仅是与 RGBLED相对应的三种 PD电路。

将 CSK 技术运用到智能交通可见光通信系统中，不但能够满足一个 CSK 接收机接收几种颜色发射机的信号，还能实现一个 CSK 发射机发送多种颜色的信号。例如，LED 交通指示牌上的指示标志可变，而 CSK 技术既可满足标志颜色切换又能满足通信需求 ；交通路灯的色温需要随天气的变化而变化，也可通过 CSK 技术调整灯光暖色调。

4 结 语

本文将 CSK 技术应用于智能交通可见光通信系统中， 不仅可提高可见光通信的通信速率，还可实现一套收发机就能完成各种颜色光信号的发送与接收，利用 CSK 技术光源颜色可变的特点丰富交通光源的色彩，在提高可见光通信性能的同时，收发机制作成本相对较低。此应用虽然还在试验阶段，但是这种调制方式可在一定程度上使得智能交通光通信系统得到统一，其使用的广泛性较强，值得今后做进一步研究。

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56物联网技术 2019年 / 第2期

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2019.02.013

CSK 在智能交通系统中的应用展望

杨智1，贾子彦2

（1. 江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001；2. 江苏理工学院 电气信息工程学院，江苏 常州 213001）

20211107_6187b9f4c965f__《物联网技术》2019年第9卷第2期_61-62