PLC和VLC融合的车厢内宽带视频服务系统

2015-10-10孙帮成丁文伯闫阳天穆俊斌

电视技术 2015年11期

关键词：电力线车厢宽带

孙帮成，丁文伯，闫阳天，杨昉，穆俊斌，宋健

(1．唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山 063035；2．清华大学电子工程系，北京 100084)

PLC和VLC融合的车厢内宽带视频服务系统

孙帮成1，丁文伯2，闫阳天2，杨昉2，穆俊斌1，宋健2

(1．唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山 063035；2．清华大学电子工程系，北京 100084)

电力线通信(Power Line Communication，PLC)可以为LED灯提供照明功率的同时作为骨干网为可见光通信(Visible Light Communication，VLC)馈入信息，具有很好的应用前景。提出了一个基于PLC和VLC融合的车厢内宽带视频服务系统，详细描述了该系统的结构和框架、关键技术参数，测试了演示系统的关键通信性能，讨论了未来的应用方向，可为新一代列车车厢内部的综合信息服务和通信系统提供一定的指导和参考。

PLC；VLC；SFN；车厢内宽带视频服务

2.DepartmentofElectronicEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)

1 可见光通信与电力线通信简介

随着人们对信息服务需求的日益增加。国际电联认为到2020年全球无线通信将有上吉赫兹的新增频谱需求。我国目前规划的移动频谱总量仅约为550 MHz，亟需开拓新频谱以从根本上解决超大容量通信需求与频谱危机的矛盾。

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)利用照明用发光二极管(Light Emitting Diode， LED)来实现通信[1]。只需在LED灯上增加通信模块，即可在照明的同时进行信息传输。2011年美国《时代》周刊将基于LED的可见光通信评为“当今最棒的50项发明”。相关研究报告也指出产业界已将VLC视作解决频谱危机的重要应对方案之一。

VLC可为人口密集区域(譬如列车车厢)的信息服务需求提供高速大容量的解决方案。基于LED的基础设施，如车灯、信号灯、路灯等，亦有望形成服务于交通管理部门和智能驾驶的交通信息网。在无法接收GPS信号的地方，可以借助基于LED的定位服务，支持室内外的无缝衔接覆盖，包括地下车库、隧道、矿井等。图1为基于可见光通信的应用示意图。

传统无线通信除了频谱匮乏、通信容量低、抗干扰和保密性差，复杂的结构和金属材料会导致射频无线电波在列车车厢内传播时面临导体效应、多径效应等，有线通信的方式会造成内部布线的困扰，而且极大地制约了终端移动性。因此，VLC也特别适用于车辆(列车)内部通信。

电力线通信(Power Line Communication，PLC)将拟传输的信息进行数字调制并耦合在低压(或中压)电力线上，即可利用电力线作为介质进行传输，由于性能良好、且不需额外布线，是一种在电力系统(包括智能电网)、物联网和数字家庭中广泛使用的通信方式[2]。在接收端，先经过滤波器滤出所调制的信号，再经过与发端对应的解调过程，就可实现信息的传递。PLC具有成本低、覆盖广、即插即用、安装方便等特点，做到了“有电线就可以通信”。同时，PLC网络可以作为骨干网为LED灯提供照明功率的同时馈入信息，也就是PLC-VLC融合系统。PLC-VLC融合系统相比于其他方式具有天然的优势：PLC技术为基于LED灯的VLC提供一个覆盖广泛的骨干网络(使LED灯不再是独立的“信息孤岛”，而连接成为一个具有一定覆盖规模的可见光通信网络，类似于计算机网络线与无线WiFi间的关系)。电力线网络可同时满足LED灯的电力驱动和信息馈入两方面的需求，做到“有电就有灯光，有灯光就有网络信号”[3]。

本文提出了一种适用于车辆(列车)内部通信的PLC-VLC融合通信系统架构，并对其主要的技术及参数进行介绍，可为新一代列车车厢内部的综合信息服务和通信系统提供一定的指导和参考。

2 系统架构

考虑到车厢内的实际应用中，一定是多个LED灯产生的光斑相互覆盖的场景，为了避免遮挡和用户组移动当中不断地在LED灯之间的切换，笔者设想了一个类似于数字广播电视中单频网(Single Frequency Network，SFN)的技术方案。单频网是指若干个广播电视的发射台在同一个频率、相同时间发射同样的无线信号，从而实现对一定服务区域可靠覆盖的广播组网方式。因此，单频网被广泛采用来提升频谱效率以及为数字电视地面广播(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)提供稳定可靠的覆盖。笔者提出了一种高效的基于PLC-VLC的车厢内宽带视频服务系统，如图2所示。该方案中，数据首先被PLC调制器调制变为模拟信号。之后，信号通过耦合器耦合到电力线上。本系统使用LED里的“PLC-VLC转换”模块接收来自电力线的耦合信号，其结构功能如图3所示。经过信号放大后，该模块将数据信号加载到LED的直流偏置电流上，在驱动LED的同时又作为覆盖车厢内区域的光发射机。连接到同一电源适配器上的所有LED灯传输相同的信号，从而构成单频网。在多业务时，LED灯可以通过连接不同的电源适配器传输不同的信号，从而获得更高的网络数据吞吐量。

图2 基于PLC+VLC的车厢内宽带视频服务系统

图3 “PLC-VLC转换”模块

这个技术方案的另一个优点是：在目前车厢内的信息服务中，绝大部分是音视频和与旅客本次旅行相关的信息(包括车次、到站时间、将抵达城市的介绍等共性消息)，完全可以通过这种广播的方式发送到各位乘客，每个人可以根据自己的需要，在终端上选择所需要的信息。单频网的缺点是有严重的“人工多径效应”，从而导致频率选择性衰落和符号间串扰。正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)可以很好地解决这个问题，它将宽带信号分割到很多窄带的子载波上，以便每一个子载波都能单独的经过一个平坦衰落信道[4]。此外，由于可见光良好的空间指向性，这样的多径效应只会在重叠区域发生。本文方案大大简化了网络复杂度，减少了对现有基础设施的改动。从成本和信号覆盖角度来看，都是非常高效的。

3 系统搭建

3.1 平台搭建

在实验室，笔者搭建了演示平台，并且通过实验测试了其可行性，如图4所示。

图4 系统技术框图

视频数据在PLC调制器中，经过编码、调制，然后耦合到电力线上。在“PLC-VLC转换”模块，信号被加入直流偏置来驱动LED灯，这是系统的关键部分。在接收端，信号被雪崩光电二极管(APD)检测到，然后解调、解码。为了评估LED灯之间的干扰，笔者用两盏LED灯构建了一个最简单的单频网，系统框图如图4所示，实验室组装图如图5所示。

图5 实验室演示平台

整个系统的组成很简单，不需要安装新的通信线路。在基本的通信模块之后，又加入了PLC调制器、“PLC-VLC转换”模块、接收机，不需要对现有的基础设施进行大规模修改，就能使系统正常工作。事实上，这些模块都能被做得足够小，安装方便，以适应商业化的需求。现实生活中实现系统，必须合理地选择一些关键的参数，比如：系统工作点、调制阶数、光探测器灵敏度等。

3.2 性能测试

高清电视节目采用时域同步正交频分复用(Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM)调制后，在PLC-VLC系统中传输，来评估其性能。在第一步演示中使用了64QAM(多载波，PN420，FEC0.6，TI720)的模式[5]。

系统带宽为8 MHz，占用频率从2～10 MHz。经验证，在点对点系统中(仅适用一个LED灯发送信号)，在可见光路径最高可达8 m，正常的车厢内光照情况下，在8 MHz带宽内提供48 Mbit/s的数据速率，这是现有电力线、可见光联合系统中速率最高的。

对于双LED灯，LED灯A直接与PLC调制器相连，LED灯B通过一段电力线与PLC调制器相连。因为，一般的天花板距离地面高度为3 m，所以，APD型接收机被放置在离双灯3 m外的位置，来模拟终端处于重叠区域或者终端在不同灯之间切换的场景。为了评估系统在多径条件下的性能，与LED灯B相连的电力线长度以及LED灯B的传输信号功率被设置了不同的值，而LED灯A的值是固定的。参见表1。

表1 性能验证参数配置

笔者测量了接收信号的频谱以及整个系统的多径信道，如图6～图8所示。由于篇幅所限，只提供第一种情况的测量截图。从图7和图8可以看出，在该系统中，多径效应会引起信道的频率选择性。幸运的是，与复杂的网络结构、通信的切换、切换协议相比，这个缺点可以通过成熟的信道估计和均衡技术解决。

图6 LED B关闭情况下接收信号的频谱(截图)

图7 测试1情况下接收信号的频谱(截图)

图8 测试1情况下的多径信道(截图)

3.3 系统特性

本文提出的车厢内宽带视频服务系统继承了PLC和VLC系统的优点，同时又克服了它们存在的一些缺点，比如PLC系统中移动设备的覆盖问题和VLC系统中“信息孤岛”的问题，特别适用在高铁等复杂密集通信环境中的信号覆盖。PLC-VLC系统的特点可以总结如下：

1)大容量：PLC-VLC系统继承了VLC超大容量的特性，能够同时支持多用户连接使用。这种性能由以下3个方面来保证：VLC可用带宽远大于传统的射频频带(WIFI和3G/4G)、波分复用(WDM)可以支持不同的用户使用不同颜色进行通信；空间划分多用户访问(SDMA)可以创建平行空间信道通过改变不同的空间位置来提高用户访问容量。与此同时，最新的PLC技术数据速率可达到1 Gbit/s以上使整个系统的数据速率增长到相当可观的水平。

2)易于安装和低成本：PLC集成系统相对于VLC系统更容易、更便于其他公用通信和供电系统。它可以利用无所不在的电力线通过增加一个小模块为VLC提供后备支撑，从PLC中耦合信号并加入直流偏置。通过这种方式不仅能节省额外的通信线路成本，同时很容易在不改动任何现有设施的情况下在LED适配器上安装这类模块。

4 可能的研究方向及未来的工作

本节将详细论述一些有前景的研究领域。这些绝不是详尽的，但是概述了未来工作中可能需要的重要领域。

4.1 协同光通信

车厢内部、高铁枢纽、车站内部人员流动情况较大，加上复杂的内部结构，很容易对于可见光产生遮挡。以视线传播(Light of Sight，LOS)为主要方式的VLC系统如果有障碍物挡住了直射路径，性能将急剧恶化。所以，协同光通信的开发变得尤为重要，因为协同光通信可以绕过由LOS传播带来的问题。

4.2 光学终端接入策略

在PLC-VLC宽带视频服务系统中，光终端在做接入决策时的网络状态通常是不确定的。例如，当选择一个VLC热点，光终端很难确定每一个LED灯的稳定性和有效性。此外，光终端必须考虑后续的其他指令以避免增加等待时间和阻断率。最近，博弈论已经被引入来优化网络协议并从用户的角度来提供接入策略。将博弈论应用于光学终端接入技术中获得多约束情况下最优的接入策略是一个很有前景的研究方向。

4.3 未来的工作

笔者下一步的工作是将所搭建的系统在高铁地铁车厢、高铁地铁枢纽环境下进行测试，以验证系统的有效性，并获得性能改进。与此同时，笔者将基于PLC-VLC，通过手机相机实现低速率传输。考虑到PLC-VLC系统在白天仍然可以工作的需要，笔者将进一步研究一些技术，来确保在光照限制或不同的昏暗条件下的通信质量。同时，研究适合于车厢内及车站内的通信服务，如基于位置信息的信息推送业务、紧急广播业务等，能够更好地完善商业模式。

5 结论

本文提出了一个新颖的、可行的、适用于车厢内和车站内的基于PLC-VLC融合的宽带视频服务系统。该模型将极大地简化VLC网络的复杂性，尽可能地减少对车厢内基本设施布局的改动，这样既节约了成本又增强了信号覆盖率。实现了一个双灯网络传输演示并在这个演示方案中展现出了基于此模型的性能评估。这个模型继承了VLC和PLC系统的优点，让它们彼此互补，这对车厢内数据广播和“数据推送”是一个很有吸引力的解决方案。此外，通过新技术的研发和应用，如MIMO、博弈论等，可以使得该系统的性能获得进一步的提升，从而可以更好地运用到其他用户拥挤的网络条件中，如医院、商场、场馆、音乐厅等。

[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.

[2] ZIMMERMANNM，DOSTERTK. A multipath model for the powerline channel[J]. IEEE Trans. Commun.，2002，50(4)：553-559.

[3] MA H，LAMPE L，HRANILOVIC S. Integration of indoor visible light and power line communication systems[C]//Proc. IEEE International Symposium of Power Line Communications and its Applications (ISPLC’ 2013).[S.l.]：IEEE Press，2013：291-296.

[4] BARROS D J F，WILSON S K，KAHN J M. Comparison of orthogonal frequency-division multiplexing and pulse-amplitude modulation in indoor optical wireless links[J]. IEEE Trans. Commun.， 2012， 60(1)：153-163.

[5] ITU. ITU-R BT. 1306-6，Error-correction， data framing， modulation and emission methods for digital terrestrial television broadcasting， recommendation [S].2011.

责任编辑：闫雯雯

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