PLC和VLC融合的車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)

孫幫成，丁文伯，閆陽天，楊 昉，穆俊斌，宋 健

(1．唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035；2．清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084)

PLC和VLC融合的車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)

孫幫成1，丁文伯2，閆陽天2，楊 昉2，穆俊斌1，宋 健2

(1．唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035；2．清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084)

電力線通信(Power Line Communication，PLC)可以為LED燈提供照明功率的同時(shí)作為骨干網(wǎng)為可見光通信(Visible Light Communication，VLC)饋入信息，具有很好的應(yīng)用前景。提出了一個(gè)基于PLC和VLC融合的車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)，詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和框架、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，測試了演示系統(tǒng)的關(guān)鍵通信性能，討論了未來的應(yīng)用方向，可為新一代列車車廂內(nèi)部的綜合信息服務(wù)和通信系統(tǒng)提供一定的指導(dǎo)和參考。

PLC；VLC；SFN；車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)

2.DepartmentofElectronicEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)

1 可見光通信與電力線通信簡介

隨著人們對(duì)信息服務(wù)需求的日益增加。國際電聯(lián)認(rèn)為到2020年全球無線通信將有上吉赫茲的新增頻譜需求。我國目前規(guī)劃的移動(dòng)頻譜總量僅約為550 MHz，亟需開拓新頻譜以從根本上解決超大容量通信需求與頻譜危機(jī)的矛盾。

可見光通信(Visible Light Communication，VLC)利用照明用發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)來實(shí)現(xiàn)通信[1]。只需在LED燈上增加通信模塊，即可在照明的同時(shí)進(jìn)行信息傳輸。2011年美國《時(shí)代》周刊將基于LED的可見光通信評(píng)為“當(dāng)今最棒的50項(xiàng)發(fā)明”。相關(guān)研究報(bào)告也指出產(chǎn)業(yè)界已將VLC視作解決頻譜危機(jī)的重要應(yīng)對(duì)方案之一。

VLC可為人口密集區(qū)域(譬如列車車廂)的信息服務(wù)需求提供高速大容量的解決方案。基于LED的基礎(chǔ)設(shè)施，如車燈、信號(hào)燈、路燈等，亦有望形成服務(wù)于交通管理部門和智能駕駛的交通信息網(wǎng)。在無法接收GPS信號(hào)的地方，可以借助基于LED的定位服務(wù)，支持室內(nèi)外的無縫銜接覆蓋，包括地下車庫、隧道、礦井等。圖1為基于可見光通信的應(yīng)用示意圖。

傳統(tǒng)無線通信除了頻譜匱乏、通信容量低、抗干擾和保密性差，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和金屬材料會(huì)導(dǎo)致射頻無線電波在列車車廂內(nèi)傳播時(shí)面臨導(dǎo)體效應(yīng)、多徑效應(yīng)等，有線通信的方式會(huì)造成內(nèi)部布線的困擾，而且極大地制約了終端移動(dòng)性。因此，VLC也特別適用于車輛(列車)內(nèi)部通信。

電力線通信(Power Line Communication，PLC)將擬傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行數(shù)字調(diào)制并耦合在低壓(或中壓)電力線上，即可利用電力線作為介質(zhì)進(jìn)行傳輸，由于性能良好、且不需額外布線，是一種在電力系統(tǒng)(包括智能電網(wǎng))、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字家庭中廣泛使用的通信方式[2]。在接收端，先經(jīng)過濾波器濾出所調(diào)制的信號(hào)，再經(jīng)過與發(fā)端對(duì)應(yīng)的解調(diào)過程，就可實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。PLC具有成本低、覆蓋廣、即插即用、安裝方便等特點(diǎn)，做到了“有電線就可以通信”。同時(shí)，PLC網(wǎng)絡(luò)可以作為骨干網(wǎng)為LED燈提供照明功率的同時(shí)饋入信息，也就是PLC-VLC融合系統(tǒng)。PLC-VLC融合系統(tǒng)相比于其他方式具有天然的優(yōu)勢：PLC技術(shù)為基于LED燈的VLC提供一個(gè)覆蓋廣泛的骨干網(wǎng)絡(luò)(使LED燈不再是獨(dú)立的“信息孤島”，而連接成為一個(gè)具有一定覆蓋規(guī)模的可見光通信網(wǎng)絡(luò)，類似于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線與無線WiFi間的關(guān)系)。電力線網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)滿足LED燈的電力驅(qū)動(dòng)和信息饋入兩方面的需求，做到“有電就有燈光，有燈光就有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)”[3]。

本文提出了一種適用于車輛(列車)內(nèi)部通信的PLC-VLC融合通信系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)其主要的技術(shù)及參數(shù)進(jìn)行介紹，可為新一代列車車廂內(nèi)部的綜合信息服務(wù)和通信系統(tǒng)提供一定的指導(dǎo)和參考。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到車廂內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用中，一定是多個(gè)LED燈產(chǎn)生的光斑相互覆蓋的場景，為了避免遮擋和用戶組移動(dòng)當(dāng)中不斷地在LED燈之間的切換，筆者設(shè)想了一個(gè)類似于數(shù)字廣播電視中單頻網(wǎng)(Single Frequency Network，SFN)的技術(shù)方案。單頻網(wǎng)是指若干個(gè)廣播電視的發(fā)射臺(tái)在同一個(gè)頻率、相同時(shí)間發(fā)射同樣的無線信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一定服務(wù)區(qū)域可靠覆蓋的廣播組網(wǎng)方式。因此，單頻網(wǎng)被廣泛采用來提升頻譜效率以及為數(shù)字電視地面廣播(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)提供穩(wěn)定可靠的覆蓋。筆者提出了一種高效的基于PLC-VLC的車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)，如圖2所示。該方案中，數(shù)據(jù)首先被PLC調(diào)制器調(diào)制變?yōu)槟M信號(hào)。之后，信號(hào)通過耦合器耦合到電力線上。本系統(tǒng)使用LED里的“PLC-VLC轉(zhuǎn)換”模塊接收來自電力線的耦合信號(hào)，其結(jié)構(gòu)功能如圖3所示。經(jīng)過信號(hào)放大后，該模塊將數(shù)據(jù)信號(hào)加載到LED的直流偏置電流上，在驅(qū)動(dòng)LED的同時(shí)又作為覆蓋車廂內(nèi)區(qū)域的光發(fā)射機(jī)。連接到同一電源適配器上的所有LED燈傳輸相同的信號(hào)，從而構(gòu)成單頻網(wǎng)。在多業(yè)務(wù)時(shí)，LED燈可以通過連接不同的電源適配器傳輸不同的信號(hào)，從而獲得更高的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量。

圖2 基于PLC+VLC的車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)

圖3 “PLC-VLC轉(zhuǎn)換”模塊

這個(gè)技術(shù)方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：在目前車廂內(nèi)的信息服務(wù)中，絕大部分是音視頻和與旅客本次旅行相關(guān)的信息(包括車次、到站時(shí)間、將抵達(dá)城市的介紹等共性消息)，完全可以通過這種廣播的方式發(fā)送到各位乘客，每個(gè)人可以根據(jù)自己的需要，在終端上選擇所需要的信息。單頻網(wǎng)的缺點(diǎn)是有嚴(yán)重的“人工多徑效應(yīng)”，從而導(dǎo)致頻率選擇性衰落和符號(hào)間串?dāng)_。正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)可以很好地解決這個(gè)問題，它將寬帶信號(hào)分割到很多窄帶的子載波上，以便每一個(gè)子載波都能單獨(dú)的經(jīng)過一個(gè)平坦衰落信道[4]。此外，由于可見光良好的空間指向性，這樣的多徑效應(yīng)只會(huì)在重疊區(qū)域發(fā)生。本文方案大大簡化了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，減少了對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的改動(dòng)。從成本和信號(hào)覆蓋角度來看，都是非常高效的。

3 系統(tǒng)搭建

3.1 平臺(tái)搭建

在實(shí)驗(yàn)室，筆者搭建了演示平臺(tái)，并且通過實(shí)驗(yàn)測試了其可行性，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)技術(shù)框圖

視頻數(shù)據(jù)在PLC調(diào)制器中，經(jīng)過編碼、調(diào)制，然后耦合到電力線上。在“PLC-VLC轉(zhuǎn)換”模塊，信號(hào)被加入直流偏置來驅(qū)動(dòng)LED燈，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。在接收端，信號(hào)被雪崩光電二極管(APD)檢測到，然后解調(diào)、解碼。為了評(píng)估LED燈之間的干擾，筆者用兩盞LED燈構(gòu)建了一個(gè)最簡單的單頻網(wǎng)，系統(tǒng)框圖如圖4所示，實(shí)驗(yàn)室組裝圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)室演示平臺(tái)

整個(gè)系統(tǒng)的組成很簡單，不需要安裝新的通信線路。在基本的通信模塊之后，又加入了PLC調(diào)制器、“PLC-VLC轉(zhuǎn)換”模塊、接收機(jī)，不需要對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模修改，就能使系統(tǒng)正常工作。事實(shí)上，這些模塊都能被做得足夠小，安裝方便，以適應(yīng)商業(yè)化的需求?，F(xiàn)實(shí)生活中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，必須合理地選擇一些關(guān)鍵的參數(shù)，比如：系統(tǒng)工作點(diǎn)、調(diào)制階數(shù)、光探測器靈敏度等。

3.2 性能測試

高清電視節(jié)目采用時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM)調(diào)制后，在PLC-VLC系統(tǒng)中傳輸，來評(píng)估其性能。在第一步演示中使用了64QAM(多載波，PN420，F(xiàn)EC0.6，TI720)的模式[5]。

系統(tǒng)帶寬為8 MHz，占用頻率從2～10 MHz。經(jīng)驗(yàn)證，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中(僅適用一個(gè)LED燈發(fā)送信號(hào))，在可見光路徑最高可達(dá)8 m，正常的車廂內(nèi)光照情況下，在8 MHz帶寬內(nèi)提供48 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，這是現(xiàn)有電力線、可見光聯(lián)合系統(tǒng)中速率最高的。

對(duì)于雙LED燈，LED燈A直接與PLC調(diào)制器相連，LED燈B通過一段電力線與PLC調(diào)制器相連。因?yàn)?，一般的天花板距離地面高度為3 m，所以，APD型接收機(jī)被放置在離雙燈3 m外的位置，來模擬終端處于重疊區(qū)域或者終端在不同燈之間切換的場景。為了評(píng)估系統(tǒng)在多徑條件下的性能，與LED燈B相連的電力線長度以及LED燈B的傳輸信號(hào)功率被設(shè)置了不同的值，而LED燈A的值是固定的。參見表1。

表1 性能驗(yàn)證參數(shù)配置

筆者測量了接收信號(hào)的頻譜以及整個(gè)系統(tǒng)的多徑信道，如圖6～圖8所示。由于篇幅所限，只提供第一種情況的測量截圖。從圖7和圖8可以看出，在該系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)會(huì)引起信道的頻率選擇性。幸運(yùn)的是，與復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信的切換、切換協(xié)議相比，這個(gè)缺點(diǎn)可以通過成熟的信道估計(jì)和均衡技術(shù)解決。

圖6 LED B關(guān)閉情況下接收信號(hào)的頻譜(截圖)

圖7 測試1情況下接收信號(hào)的頻譜(截圖)

圖8 測試1情況下的多徑信道(截圖)

3.3 系統(tǒng)特性

本文提出的車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)繼承了PLC和VLC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它們存在的一些缺點(diǎn)，比如PLC系統(tǒng)中移動(dòng)設(shè)備的覆蓋問題和VLC系統(tǒng)中“信息孤島”的問題，特別適用在高鐵等復(fù)雜密集通信環(huán)境中的信號(hào)覆蓋。PLC-VLC系統(tǒng)的特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

1)大容量：PLC-VLC系統(tǒng)繼承了VLC超大容量的特性，能夠同時(shí)支持多用戶連接使用。這種性能由以下3個(gè)方面來保證：VLC可用帶寬遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的射頻頻帶(WIFI和3G/4G)、波分復(fù)用(WDM)可以支持不同的用戶使用不同顏色進(jìn)行通信；空間劃分多用戶訪問(SDMA)可以創(chuàng)建平行空間信道通過改變不同的空間位置來提高用戶訪問容量。與此同時(shí)，最新的PLC技術(shù)數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1 Gbit/s以上使整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率增長到相當(dāng)可觀的水平。

2)易于安裝和低成本：PLC集成系統(tǒng)相對(duì)于VLC系統(tǒng)更容易、更便于其他公用通信和供電系統(tǒng)。它可以利用無所不在的電力線通過增加一個(gè)小模塊為VLC提供后備支撐，從PLC中耦合信號(hào)并加入直流偏置。通過這種方式不僅能節(jié)省額外的通信線路成本，同時(shí)很容易在不改動(dòng)任何現(xiàn)有設(shè)施的情況下在LED適配器上安裝這類模塊。

4 可能的研究方向及未來的工作

本節(jié)將詳細(xì)論述一些有前景的研究領(lǐng)域。這些絕不是詳盡的，但是概述了未來工作中可能需要的重要領(lǐng)域。

4.1 協(xié)同光通信

車廂內(nèi)部、高鐵樞紐、車站內(nèi)部人員流動(dòng)情況較大，加上復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很容易對(duì)于可見光產(chǎn)生遮擋。以視線傳播(Light of Sight，LOS)為主要方式的VLC系統(tǒng)如果有障礙物擋住了直射路徑，性能將急劇惡化。所以，協(xié)同光通信的開發(fā)變得尤為重要，因?yàn)閰f(xié)同光通信可以繞過由LOS傳播帶來的問題。

4.2 光學(xué)終端接入策略

在PLC-VLC寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)中，光終端在做接入決策時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)通常是不確定的。例如，當(dāng)選擇一個(gè)VLC熱點(diǎn)，光終端很難確定每一個(gè)LED燈的穩(wěn)定性和有效性。此外，光終端必須考慮后續(xù)的其他指令以避免增加等待時(shí)間和阻斷率。最近，博弈論已經(jīng)被引入來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并從用戶的角度來提供接入策略。將博弈論應(yīng)用于光學(xué)終端接入技術(shù)中獲得多約束情況下最優(yōu)的接入策略是一個(gè)很有前景的研究方向。

4.3 未來的工作

筆者下一步的工作是將所搭建的系統(tǒng)在高鐵地鐵車廂、高鐵地鐵樞紐環(huán)境下進(jìn)行測試，以驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，并獲得性能改進(jìn)。與此同時(shí)，筆者將基于PLC-VLC，通過手機(jī)相機(jī)實(shí)現(xiàn)低速率傳輸?？紤]到PLC-VLC系統(tǒng)在白天仍然可以工作的需要，筆者將進(jìn)一步研究一些技術(shù)，來確保在光照限制或不同的昏暗條件下的通信質(zhì)量。同時(shí)，研究適合于車廂內(nèi)及車站內(nèi)的通信服務(wù)，如基于位置信息的信息推送業(yè)務(wù)、緊急廣播業(yè)務(wù)等，能夠更好地完善商業(yè)模式。

5 結(jié)論

本文提出了一個(gè)新穎的、可行的、適用于車廂內(nèi)和車站內(nèi)的基于PLC-VLC融合的寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)。該模型將極大地簡化VLC網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，盡可能地減少對(duì)車廂內(nèi)基本設(shè)施布局的改動(dòng)，這樣既節(jié)約了成本又增強(qiáng)了信號(hào)覆蓋率。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙燈網(wǎng)絡(luò)傳輸演示并在這個(gè)演示方案中展現(xiàn)出了基于此模型的性能評(píng)估。這個(gè)模型繼承了VLC和PLC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，讓它們彼此互補(bǔ)，這對(duì)車廂內(nèi)數(shù)據(jù)廣播和“數(shù)據(jù)推送”是一個(gè)很有吸引力的解決方案。此外，通過新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，如MIMO、博弈論等，可以使得該系統(tǒng)的性能獲得進(jìn)一步的提升，從而可以更好地運(yùn)用到其他用戶擁擠的網(wǎng)絡(luò)條件中，如醫(yī)院、商場、場館、音樂廳等。

[1] KOMINE T，NAKAGAWA M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lightings[J]. IEEE Trans. Consum. Electron.，2004， 50(1)： 100-107.

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責(zé)任編輯：閆雯雯

PLC and VLC Integrated System for In-coach Broadband Video Service

SUN Bangcheng1，DING Wenbo2，YAN Yangtian2，YANG Fang2，MU Junbin1，SONG Jian2

(1.CNRTangshanRailwayVehicleCo.，Ltd.，HebeiTangshan063035，China；

Power line communication (PLC) can power the LED lamp while working as the backbone to transmit signal for the visible light communication (VLC)， which has a good application foreground. In this paper， a PLC and VLC integrated system for in-coach broadband video service is proposed. The structure and key parameters of the proposed system are detailed as well as the future applications， which can provide some

and suggestions for the in-coach communication system and general information service in the next generation high-speed railway.

PLC；VLC；SFN；in-coach broadband video service

【本文獻(xiàn)信息】孫幫成，丁文伯，閆陽天,等.PLC和VLC融合的車廂內(nèi)寬帶視頻服務(wù)系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2015，39(11).

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61471219)

TN914.34

A

10.16280/j.videoe.2015.11.014

2015-01-06