可见光通信在工业元宇宙中的应用及解决方案

□ 文 吴忠胜 王 楠

0 引言

元宇宙基于扩展现实技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系。元宇宙的发展热潮在全球范围内引起了巨大的反响、持续的关注和巨额的资金投入。其中，越来越多的人在思考元宇宙对于工业的影响。怎样构建工业元宇宙所需的网络基础设施成为研究热点。可见光通信具有传输速率高、无需授权的丰富频谱、无射频辐射、绿色、安全、可进行水下通信等优势，是6G候选技术之一。本文针对复杂的工业环境和工业元宇宙的具体需求，具体分析了可见光通信在工业元宇宙中的应用及解决方案。

工业元宇宙通过融合虚拟世界和现实世界，进行工业的改进与优化、提高生产效率、实现降本增效。

1 工业元宇宙简述及对通信网络的要求

1.1 工业元宇宙概述

元宇宙基于扩展现实技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系。按照工业和信息化部工业文化发展中心在《工业元宇宙创新发展三年行动计划（2022-2025）》中的描述，工业元宇宙是指：工业领域中“人、虚拟空间与现实空间”虚实映射、交互、融合、以虚促实、以虚强实的工业全要素链、全产业链、全价值链（三链）智慧、协同、开放、服务、互联的复杂数字工业经济系统。换言之，工业元宇宙是元宇宙在工业领域的实际落地应用，是目前3D设计、虚拟现实、增强现实、人工智能、数字孪生、物联网、5G网络、大数据、云计算等新兴技术的发展优化乃至升级并有机大集成。

工业元宇宙通过融合虚拟世界和现实世界，进行工业的改进与优化、提高生产效率、实现降本增效。工业元宇宙能够满足物理世界与信息世界交互与共融的需求，从而可以实现制造业等行业全要素、全产业链、全价值链的互联互通，进而不断催生出新业态、新模式和新应用，相关企业将在这新一轮科技革命和产业变革的浪潮中尽享时代和技术发展的红利。根据TrendForce（集邦咨询）的预测，工业元宇宙将推动全球智能制造市场在2025年达到5400亿美元的巨大规模，2021年至2025年之间的复合成长率有望达到约15%。而工业元宇宙所带动的5G/6G、光网络、VR/AR等相关市场的总规模更是高达万亿美元以上。有鉴于此，各国、各地政府纷纷出台大力扶植工业元宇宙的政策措施，以工业元宇宙为导向，鼓励各地的企业积极实现工业元宇宙应用的落地实践。

1.2 工业元宇宙对于通信网络的严苛要求

动态全真三维元宇宙应用经常需要同时传输多路极清、超清视频，并且需要在多路极清、超清视频间进行随时切换，还要以极低的时延进行各种元宇宙场景的沉浸式交互，这些特性会给用户的网络带宽造成巨大压力。再加上工业元宇宙场景下各种业务的“零等待、零卡顿、零故障”的严苛要求，只有性能卓越的超宽带网络才能满足工业用户使用元宇宙业务的需求。

网络带宽及稳定性。由于元宇宙业务通常要支持多路并发的4K、8K或更高分辨率的超清、极清视频，那么至少需要提供高于1Gbit/s的下行链路稳定带宽且上行链路稳定带宽不小于500Mbps，这样才能正常开展元宇宙业务及应用。而对于流水线作业且涉及高精加工的工业元宇宙而言，对网络稳定性的要求也是非常高的。

网络延时。在现代工业的生产线流水化作业场景下，“低时延”是开展工业元宇宙业务的必备条件。另外，围绕生产线和工厂物流通道，还有大量的传感器需要实时上传其所采集到的各种信息。因此，开展工业元宇宙业务至少需要达到小于等于10ms的交互延时。

对复杂工业环境的适应性。就工业环境而言，各种电子电气设备会发出电磁噪声、无线电波，甚至还存在一些易燃、易爆的工业场合。需要在复杂的金属舱室环境或者大型金属容器内部进行焊接等操作，需要在水下施工等等，这些都要求工业元宇宙的通信网络增强对复杂工业环境的适应性。

2 可见光通信用于工业元宇宙的优势分析

VLC（Visible Light Commu nication，VLC 技术）是以可见光为传输载体完成无线数据传输的一种技术。V LC利用LED 灯在发光的同时发出肉眼无法察觉的速变化的编码信息，接收端的光敏传感器利用解码芯片恢复出与发端一样的数据信息，从而在进行照明的同时完成无线数据的发送与接收。目前，VLC 数据传输速率达到了11Gbit/s，且具有无需授权的丰富频谱、无射频辐射、超高宽带、难以窃取信号、低功耗等优势。值得一提的是，敏感电子设备不受VLC 的影响，VLC不会对工厂中常用的无线D2D通信（Device-To-Device，设备间通信）、物联网通信和车联网通信造成干扰。接下来探讨VLC 技术如何与元宇宙技术结合，应用于复杂的工业环境。

首先，在某些工业环境中，既要求通信用户和通信终端是移动的、无线缆连接的（如，佩戴摄像及实时通信设备的生产线巡查人员、工业机器人、巡检机器人、无人车等），同时在该环境中又由于电磁敏感环境、电磁屏蔽环境、安全敏感环境等原因无法使用或限制使用5G/6G、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等常用无线通信技术。而且，某些工业操作是在水下进行，水下无法使用无线通信技术。

其次，支持可见光通信的设备非常易于和xPON接入设备实现异构组网，而且这种异构组网的网络部署非常简单。目前，国内外不少学者都开展了可见光通信与PON 技术相结合的研究，并称之为PON-VLC 技术。在Kumari等发表的有关PON-VLC 技术的综述文章中，提炼出了如图1所示的共性PON-VLC 架构。这意味着，VLC 设备非常容易和工厂中现有的xPON接入网络进行连接。

图1 PON-VLC系统的架构示意图

再者，采用VLC可以实现水下宽带通信（请见本文3.4小节）。

最后，可见光通信定位一体化（VLCP, Visible Light Communi cation Positioning）技术是未来大规模物联网应用的关键支撑技术之一。VLC和VLP（Visible Light Positioning，可见光定位）系统具有类似的物理层结构，将通信和定位功能相融合，构建在同一物理架构上，可有效降低系统部署成本。而且，采用正交频分复用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术可将不同的频谱资源分别分配给VLC和VLP系统，同时实现通信和定位功能。VLCP具有定位精度高（厘米级）、无电波辐射、设备体积小、安装简便、安全性高等优点，特别适合于在工厂环境中用于物料、设备和人员定位。在未来工业元宇宙的应用场景下，同时实现照明、通信和定位功能的VLCP技术必将大受欢迎。

因此，随着工业元宇宙的发展和普及，可以在复杂工业环境中实现无线缆束缚宽带网络通信的VLC 技术可以给工业用户提供高性价比、宽广环境适应性的无线缆束缚的宽带解决方案。

在未来工业元宇宙的应用场景下，同时实现照明、通信和定位功能的VLCP技术必将大受欢迎。

3 与可见光通信相结合的工业元宇宙解决方案

本章介绍了几种与VLC相结合的工业元宇宙解决方案：全双工PON-VLC解决方案（主要用于D2D通信）；半双工PON-VLC解决方案（主要用于生产线巡检员等移动用户）；电力线通信+可见光通信解决方案；水下可见光通信解决方案；可见光通信及定位一体化系统（用一套系统同时实现照明、无线通信和定位）。

3.1 全双工PON-VLC解决方案

图2展示了支持全双工可见光通信的PON-VLC解决方案。采用上述支持全双工可见光通信模块的新型ONU实现了POL（Passive Optical LAN，无源光局域网）和全双工VLC的异构组网，完美地实现超宽带无源光网络和超宽带终端（如极清视频摄像机、极清视频VR/AR终端）的高效桥接。

图2 支持全双工可见光通信的工业元宇宙解决方案示意图

VLC 特别适合于工厂中常见的无线D2D通信。实际上，在工厂环境中，一些设备（如工业级极清或超清摄像机、带摄像头和传感器的工业机器人、无人物流车、无人巡检车）的位置是相对固定的，或者是沿着生产线的导轨、巡逻路线做来回运动，这些设备有足够的电力供应，也不像人一样强调无线缆束缚的、轻便的通信终端佩戴体验。所以，我们完全可以给这些设备安装支持全双工可见光通信的通信终端。

由于采用了全双工的可见光通信传输，该系统可实现10Gbit/s的上下行传输速率以及低于10ms的网络延迟。而且，支持全双工VLC的终端非常易于和xPON接入设备进行异构组网，其网络部署非常简便。

3.2 半双工PON-VLC解决方案

考虑到目前VLC光源的重量和体积，为保证用户的使用体验，VLC发射模块尚不适合集成到真人佩戴的VR/AR终端上。这一问题，可以通过在某些工厂（对于某种Wi-Fi频段敏感）使用限定频段和数量的定制Wi-Fi AP来解决（这样，经过细致的无线规划，Wi-Fi AP采用专门限定的无线频段，可避免对该工厂的设备及传感器造成无线干扰），以便支持宽带用户上行无线数据传输。这样处理之后，我们可以使用频段和数量受限的Wi-Fi AP 和VLC系统相配合，设计出半双工VLC解决方案，在尽量利用下行的VLC技术的高带宽、不占用无线频段优势的同时，使用Wi-Fi作为上行链路。

半双工PON-VLC解决方案的网络架构如图3所示。每位工业元宇宙用户各配备一只集成了VLC接收器的VR/AR终端，安装有VLC光源的从ONU布设在用户头部的上方。这样，大数据量的下行传输就由VLC来承载，少量的上行数据由Wi-Fi AP来承载。

图3 支持半双工可见光通信的工业元宇宙解决方案示意图

大数据量的下行传输就由VLC来承载，少量的上行数据由Wi-Fi AP来承载。

3.3 电力线通信+可见光通信解决方案

PLC（Power Line Commu nication）即电力线通信，利用电力线进行数据信号传输。IEEE吸收了Homeplug AV等相关技术规范，于2010年公布IEEE 1901标准后，又面向智能电网应用制定了IEEE1901.2标准，于2013年发布。ITU-T也于2011年11月发布了家用PLC的物理层标准G.9960，于2013年7月修订完毕数据层标准G.9961。而IEEE1901制定的系统间协议（ISP）用以保证IEEE1901以及ITU-T G.hn等不同电力线技术的共存。由于所有用于照明的VLC光源均与电力线相连，因此VLC与PLC相组合进行组网通信的应用场景是非常灵活的。

本文认为，针对一些典型工业场景，如大型金属容器内部通信、管道内部通信、以金属隔舱为主的船舶舱室通信，都可以考虑采用电力线通信+可见光通信的解决方案。比如，一些高难的焊接操作，如仰焊、特种钢材焊接，需要长期的经验和高超的技巧。如果电焊工的面罩上能够集成进VR眼镜的功能，就可以让电焊工更容易地随时掌握焊接操作的时机。而在大型金属容器以及金属隔舱内部加工要用到VR仰焊操作时，Wi-Fi等各种无线信号均无法穿透金属容器或金属舱壁，而且其内部空间狭小，施工期间难以进行低成本的网络部署，这个时候，只要大型金属容器以及金属隔舱内部能够拉进去一根电线，就可以在实现照明的同时，支持终端无线缆束缚的VLC宽带通信，一举两得。

多台VLC设备（均内置VLC收发器）可以在一个空间（房间）内使用一个或多个VLC光源。而VLC光源均使用PLC电力线经PLC设备与内、外网进行宽带通信。如图4所示。

图4 电力线通信+可见光通信解决方案示意图

3.4 水下可见光通信解决方案

随着各种水下勘探、水下钻井采矿、大型水下工程的兴起，各种水下专用元宇宙设备成为研究热点，如可以减少气泡和浑浊海水影响的AR眼镜，而上述这些工程和设备都要求进行水下宽带通信。

人们发现海水对波长450nm～530nm内（处于可见光的频段中）的蓝绿激光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多，人们就此进行了飞机与潜艇间的双工激光通信，证实了蓝绿激光水下通信的可行性（最大穿透深度约600米）。

在卫星、船载6G基站、船载6G D2D无人机的支持下，可以在广阔海域与6G潜航器进行蓝绿激光水下通信，为6G潜航器进行宽带通信保障。如图5所示。

图5 卫星+船载6G基站的可见光水下通信方案示意图

3.5 可见光通信及定位一体化系统

近年来，人们发现可以将VLC技术和定位技术结合起来，构成VLCP系统，用一套系统同时实现照明、无线通信和定位。在2014年，如图6所示的名为Epsilon的VLCP系统及其系统架构被公开。该系统在惯性测量单元感应模块的支持下进行RSS（Received Signal Strength，接收信号强度）测量，定位精度小于1米。2022年，Chen等在4用户的实时VLCP-CDMA系统中可以达到1.8×10-3的误码率和1.50cm的定位精度。2023年，在王玮等披露的系统中，包括4个发射光功率为10W的LED光源（3个灯发送定位信号，1个灯发送通信信息）和1个多PD（PhotoDiode，光电二极管）结构的接收端。经实验验证，该系统在1.5m×1.5m×1.5m的室内环境中有效区域的平均定位误差保持在3cm左右。

图6 Epsilon可见光通信及定位系统的架构图

显然，高定位精度的可见光通信及定位一体化系统在工业元宇宙中有广阔的应用前景，如工厂中常见的龙门吊、桥式吊、行吊等各种起重机械的行程监控、物流及物料交付监测、生产线运行监测、机器人远程控制及定位、无人车远程控制及定位等等。而且，用一套VLCP系统同时实现照明、无线通信和定位（厘米级），其性价比是相当高的。

4 结束语

工业元宇宙带来了全场景和数实融合应用，极大地提升了工业价值创造，将重构数字工业发展新生态。但是，工业元宇宙业务对宽带网络带来了巨大的挑战。一方面，工业元宇宙对通信网络的性能有严苛要求；另外一方面，在很多工厂环境中，由于种种原因无法使用或限制使用5G/6G、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等通用无线通信技术。针对上述情况，本文提出，可以在PON通信架构的基础上增加支持可见光通信模块的新型ONU，以此来实现复杂工业环境下超宽带无线缆束缚的终端的超高带宽通信连接，并且可见光通信还可以实现水下宽带通信。在工厂环境中，还可以部署厘米级定位精度的可见光通信定位一体化系统，有望为工业元宇宙业务提供有力的支撑。■