可见光通信技术在舰艇通信中的应用设想

中国人民武装警察部队海警学院 刘丽丽 胡云琴 杜永锋 高赞

本文对可见光通信技术进行了概述，并结合可见光通信的工作原理及特点，阐明可与舰艇通信相结合，在舰艇舱室内部信息传输、舰艇内部人员及重点装备定位、灯光通信等方面的具体应用提出设想，并就其可行性及通信效能提升方面展开论述。

舰艇通信是保障舰艇内外通信联络的基础，随着信息技术的快速发展，将量子通信、认知无线电等新技术运用到舰艇通信能够有效提高通信保障效能，为战争提供更加迅速、准确、保密的信息传递途径。在LED照明技术还没有像如今这样普及的1999年就有研究人员提出利用LED发出的光来进行通信的设想，通过各国科研人员20多年实验研究，可见光通信技术将新型照明技术与光通信技术深入融合，提供了一种全新的宽带接入方式，利用照明光实现信息传送将为舰艇通信特别是舰艇舱室内通信提供一种新的通信保障方式，为舰艇中单兵作战装备的使用提供新的无线通信链路。本文将从可见光技术的原理入手与现有舰艇通信的方式结合，继而展开关于可见光技术在舰艇通信中应用场景的设想及实现方法的论述。

1 可见光通信概述

1.1 可见光通信技术原理

可见光通信（Visible Light Communication,VLC）是一种以照明可见光（光谱400-700nm）为调制载波传输信息的无线光通信系统。VLC的显著特点是，它利用人视觉生理能力下能见的光波资源作为介质进行数据传输，而不是传统的如红外通信、微波通信等非人眼可视的无线电磁波信号。一般情况下，这种技术也被称为近程光无线通信(Optical Wireless Communication，OWC)[1]。

如图1所示，VLC系统与一般通信系统相同，均需要对信源信号进行编码调制并在接收端放大、解调、解码。不同的是传输介质部分，有线通信系统传输介质采用的是同轴电缆、双绞线、光纤等，无线通信系统常采用电磁波在自由空间内传输。而VLC采用光作为通信过程中数据传输的介质，因此数据是通过改变LED的光强来编码的。流经LED的电流需要驱动电路给与控制，驱动电路可以是直接的电流驱动，也可以是改进的电压驱动的方式，即通过一定的方式达到调节LED的亮度水平的目的。用于室内环境时，由于传输距离不长，不必使用光学器件聚拢光束，而光信号在距离较远的通信场景中，需要通过光放大器透镜、滤光片等光学器使光束的能量在空间上得到集中。调制器是将光的振幅通过电信号来控制，实现光的调制。光探测器在接收端完成对光的接收，将光信号转变成电信号。光在进行高速传输时，可见光的光谱发散是提升信号质量的消极因素，因此，为了选择所需的有效的信号，接收端还需配备光学滤波器[2]。

图1 VLC 系统模型Fig.1 VLC system model

1.2 可见光通信特点

(1)丰富且免许可的频谱资源：近400THz的可用频段，约是射频带宽的10000倍，丰富且免许可的频谱资源为高速通信提供了可能，同时打破了无线电频谱资源紧缺的困境。光波长范围内的电磁波能够被限制在一个房间里，基本上不会穿透物体，通过采用这种自我限制链路距离的方式可以形成“高带宽信息岛”，在隔壁房间能够重复利用整个带宽资源，而且互不干扰，相对于无线电波，其可提供额外更多的通信容量。(2)免受电磁干扰且绿色无辐射：LED是一种绿色环保光源，其自身不会产生电磁辐射，对人体基本无害且不会与射频通信相互干扰，能够应用于电磁敏感场合，可作为射频通信技术的重要补充。(3)更高级别的安全性和保密性：可见光波长较短，衍射能力较弱，无法穿透墙壁等不透明物体，可以将通信范围约束在特定空间内，有效避免了信息的泄露，使通信更具保密性，更加安全。(4)基础设施成本低廉、分布广泛：LED的照明市场占有率预计在2030年将达到75%，广泛的LED分布足以保证在无额外部署设施的情况下，以较低成本并且在较短周期内实现通信系统的部署[3-5]。

1.3 可见光通信的应用场景

(1)室内通信应用，作为WiFi和蜂窝无线通信等技术补充手段，室内通信也是智慧城市概念中的一部分。结合具体环境可用于医院、地铁、舰艇舱室内等，实现信息传输、智能装备互联、传感器预警等。(2)室外通信应用，可用于智能交通、矿井下通信、水下通信等。

2 舰艇通信主要形式

为保障舰艇通信的顺利进行，不断的将新的通信技术运用到舰艇通信中，使得通信在实时、保密、准确的要求中性能不断提升。为适应现代信息化战争，构建以指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察系统为基础的一体化信息作战体系对舰艇通信提出更高要求，因此多数舰艇采用综合通信系统融入指挥信息系统，实现更加高效的通信与指挥效能。舰艇综合通信系统主要包括内部通信系统和外部通信系统。此外不可忽视的辅助通信手段还有视觉通信方式。

(1)舰艇内部通信系统。舰艇内部通信系统主要依托光纤通信网连接舰艇内通信装备设施，用于沟通舰艇内部各部门、各战位和有关舱室间通信联络，以保障作战和训练时舰艇指挥员、武器控制人员向各战斗部门及各战位下达命令、指示、发布警报、报警信号；保障舰艇在紧急情况下的最底线内部指挥通信；保障政治工作、行政管理及日常生活的舰艇内部通信。(2)外部通信系统。舰艇外部通信主要包括短波、超短波、卫星通信等无线通信手段，保障舰舰、舰岸、舰空之间的无线通信。(3)视觉通信。视觉通信主要包括灯光通信、手旗通信、旗语通信、形体信号通信和烟火通信等，主要用于舰艇之间，舰艇与观通站、港口信号台、飞机之间传递简短命令、保障协同、互相识别和遇险求救等。

3 舰艇通信融入可见光通信技术运用设想

3.1 可见光通信在舰艇内部通信中应用

(1)可见光通信为舰艇内部通信提供新的室内无线传输方式。舰艇内部通信系统对接单兵通信装备的有效途径。舱室内空间相对密闭狭窄，且各舱室间对无线信号的阻隔比较严重，运用WiFi技术构建无线网络传输的方式难以实现，因此舱室内基本靠安装有线电话、布线广播、警铃等装置传递信息、指令等，单兵智能装备在舱室通过无线通信方式连接效果较差，而可见光通信却能够通过照明电路的改造构建VLC无线网络环境，为作战指挥及日常训练管理提供一个新的通信保障方式，如图2所示：

图2 灯光通信无线网络Fig.2 Lighting communication wireless network

通过在原有照明系统中加入可见光调制器控制光发射的平均强度和闪烁程度，当光脉冲以200Hz或更高频率闪烁时，人眼几乎无法感知到光闪烁，因此在充分考虑人眼在可见光通信下的照明体验，常用的调制方法可以分为三类：一是基于照明颜色的色移键控；二是基于副载波调制的正交频分复用；三是基于时域的强度测量调制，包括开关键控调制（OOK）、脉冲位置调制(PPM)、逆脉冲位置调制（IPPM）和可变脉冲位置调制（VPPM）等。接收部分需在原有信息设备中加入光探测器和解调器，用于感知可见光并解调出其中携带的信息。

(2)可见光通信为舰艇内防火安全预警提供新方法。在图2中可见，除了为计算机、单兵终端等设备提供网络环境，还可以通过连接无线传感器，用于火警、温湿度的数据采集与报警，仅为传感器提供电源无需提供复杂的有线网络传输，另外在可见光通信传输中遇火焰和烟雾的遮挡会使传输信号在接收端出现不同程度的衰减，通过对衰减量的分析对应火焰位置及形状要素的测算，可对火焰有无、位置和形状测试与感知，能够对舰艇内火灾进行报警和定位。

(3)可见光通信定位技术为舰艇人员、关键装备管控提供辅助手段。常见的定位方式有全球定位系统（GPS）能够很好的用于户外，但是由于卫星信号的覆盖能力有限，GPS很难在室内使用。严格落实“定人、定物、定车、定位”的要求下，大型舰艇舱室较多的情况下，人、物的管理仅以制度约束还不够，信息化手段是辅助管控的一种较好选择。可见光通信可以在利用照明设施的基础上，给人和关键装备配发光收机。定位的目的就是完成从光源到接收机间的距离估算问题，尽管这个距离很难直接测量得到，但是通过测量接收信号的强度、信号到达时间或者到达时间差等方法，可以间接获取接收机的位置信息。常用的定位算法有三角测量法、场景分析法、接近度法等，随着定位算法的深入研究，从二维定位信息向加入目标高度信息的三维定位信息发展，光接收装备的数据处理能力不断提升，将可见光通信定位技术直接运用到智能手机成为可能，在人人都有智能手机时代可见光通信定位技术的运行成本会逐步降低。

3.2 可见光通信与灯光通信综合运用

灯光通信是视觉通信的一种，利用灯光通信器材发出长短闪光表示字母、数字、勤务符号等信息。主要依靠信号兵的操作灯光通信器材进行报文拍发，拍发速度与准确度与信号兵业务能力有直接关系，每年院校及训练基地花费大量的时间与师资力量培养信号兵，使其技能本领过硬，以达到信息传递快速、准确的目标。灯光通信的收发距离可视环境的影响较大，只能在视距范围内传输，通常为明文通信。为增加拍发信息的速度与准确度，研究人员提出了“灯光通信自动拍收系统”，独立一套设备现在广泛用于训练和教学测试中，并未用于舰艇灯光通信中，需要考量兼顾灯光通信在舰艇通信的使用频次与设备更新成本间的关系。

可见光通信，正是利用对光源的调制实现信息传递，光源可携带较灯光通信拍发信息更为复杂的信息，且可以通过编码的方式对信息进行加密，室外收发过程与室内照明需求不同，收发装备间可排除对人眼的影响，通过增加发射功率，降低对光脉冲闪烁频率的要求，可以较灯光通信在传递信息量、距离、安全性、速度等方面有全面的提升，并可在现有设备上进行升级改造，能够有效节约升级成本。

4 结语

舰艇通信在海上战场通信保障中有至关重要的作用，跟随通信技术的快速发展对现有装备的更新与升级，有利于提升战斗效能，在通信装备的选型与升级中常常就装备间电磁兼容等问题展开论证与试验，而可见光通信能够避开现有无线电频谱范围，不会行成干扰，又可以现有照明电路与光源上进行改造，能够节约成本的同时，为舰艇通信信息传递开拓了新的思路。