CSK在智能交通系统中的应用展望

杨智 贾子彦

摘 要：随着智能交通系统对可见光通信的需求加大，室外可见光通信领域得到了更多关注。为了满足各种颜色光源的可见光通信需求，提出将色移键控通信技术应用于智能交通通信系统的方案，并比较其他可见光通信技术，对色移键控技术在智能交通通信领域的应用进行展望。

关键词：智能交通;通信;可见光;色移键控

中图分类号：TP39;TN929.1文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）02-00-02

0 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，RGB LED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，这些可見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RGB LED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RGB LED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。

参 考 文 献

[1]陈思源，王智鑫，肖江南，等.基于LED可见光通信的车联网系统研究进展[J].中国照明电器，2015（1）：13-17.

[2]秦岭，巨永锋，杜永兴，等.智能交通中新型可见光通信系统性能研究[J].公路交通科技， 2016， 33（7）：114-118.

[3]邵雯玉.智能交通系统中无线通信网络的研究[J].中国新通信，2017，19（1）：4.

[4]韦欣，郭超，孙禹锋.可见光智能LED灯在交通系统中的应用

[J].电子技术与软件工程， 2017（4）：126.

[5] DAVID J P R， SINGH R， OFARRELL T.An enhanced color shift keying modulation scheme for high-speed wireless visible light communications[J]. Journal of lightwave technology， 2014， 32（14）：2582-2592.

[6] IEEE 802.15.7-2011-IEEE standard for local and metropolitan area networks--part 15.7： short-range wireless optical communication using visible light[S].C/LM - LAN/MAN Standards Committee.2011：1-309.

[7] MONTEIRO E， HRANILOVIC S.Design and implementation of color-shift keying for visible light communications[J].Journal of lightwave technology， 2014， 32（10）：2053-2060.

[8]王嘉.淺析城市快速路智能交通通信系统的设计及施工要求[J].科技创业家，2014（3）：165.