Двунаправленная связь с использованием видимого света (VLC) долгое время ограничивалась отсутствием практичного высокопроизводительного решения для обратного канала. Традиционные прямые каналы используют светодиоды для высокоскоростной широковещательной передачи данных, но обратные каналы сталкиваются со значительными препятствиями: ретрорефлекторы обеспечивают низкую скорость, решения на основе радиочастот (Wi-Fi/Bluetooth) запрещены в чувствительных зонах (больницы, самолёты), а инфракрасные или полностью оптические обратные каналы VLC страдают от высокой направленности, помех прямому каналу или ограниченных сценариев применения, где подсветка для обратного канала не требуется. Данная статья устраняет этот критический пробел, предлагая метод обратного канала на основе неслышимых ультразвуковых волн, использующий частотную манипуляцию (FSK) и цифровое формирование луча с помощью микрофонной решётки для создания направленного асимметричного канала связи, который не мешает оптическому прямому каналу.
Ключевое нововведение заключается в отделении обратного канала от оптического спектра. Вместо света используются звуковые волны в ближнем ультразвуковом/неслышимом диапазоне (например, выше 15 кГц) в качестве несущей.
Пользовательское устройство передаёт данные, модулируя их на неслышимую звуковую несущую с использованием частотной манипуляции (FSK). Для проверки прототипа использовались четыре слышимые частоты (0.5, 1.5, 2.5, 3.5 кГц) для имитации схемы 4-FSK, представляющей цифровые символы. Этот выбор использует частотный запас за пределами обычного человеческого слуха (20Гц-20кГц) для передачи данных.
Линейная решётка из 10 всенаправленных микрофонов (расстояние 0.05 м) принимает составной акустический сигнал. Затем применяется алгоритм цифрового формирования луча (конкретно, формирователь луча Фроста). Этот алгоритм обрабатывает сигналы с каждого микрофона для формирования направленного приёмного луча, эффективно изолируя желаемый сигнал обратного канала от окружающего шума или мешающих источников звука, приходящих с других направлений (например, -10°, -30°, 20°, как было смоделировано).
Экспериментальная установка включала линейную микрофонную решётку, принимающую составной сигнал, содержащий целевой сигнал данных и два сигнала помех. Система продемонстрировала способность к пространственной фильтрации целевой передачи обратного канала.
На рисунке 3 в статье представлены ключевые формы сигналов: (a) переданные данные и сигналы помех, и (b) составной принятый сигнал, индивидуальные сигналы с микрофонов и успешно восстановленный сигнал данных после формирования луча. Результаты наглядно подтверждают, что алгоритм формирования луча эффективно подавил помехи и извлёк чистую форму волны данных, подтверждая основную концепцию акустической пространственной фильтрации для восстановления обратного канала.
Формирователь луча Фроста — это ограниченный адаптивный формирователь луча. Он минимизирует выходную мощность (подавляя помехи и шум) при условии линейного ограничения, которое обеспечивает единичное усиление в направлении наблюдения (направлении прихода желаемого сигнала). Вектор весов $\mathbf{w}$ адаптируется для решения: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{при условии} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ где $\mathbf{R}_{xx}$ — ковариационная матрица входных сигналов, $\mathbf{C}$ — матрица ограничений, а $\mathbf{g}$ — вектор желаемого отклика. Это позволяет осуществлять эффективную пространственную фильтрацию.
В 4-FSK 2 бита данных представлены одной из четырёх различных несущих частот $f_1, f_2, f_3, f_4$. Передаваемый сигнал: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{для символа } i$$ Демодуляция обычно включает набор фильтров или корреляторов, настроенных на каждую частоту, за которыми следует решающая схема для выбора частоты с наибольшей энергией в течение периода символа.
Применение структуры: Оценка решений для обратного канала VLC
Для оценки этой и конкурирующих технологий можно использовать структуру принятия решений по нескольким критериям:
Пример использования: Сценарий в больничной палате интенсивной терапии
В палате интенсивной терапии, где РЧ запрещены для предотвращения помех медицинскому оборудованию, а прямой канал VLC обеспечивает освещение и высокоскоростную передачу данных на мониторы пациентов. Предлагаемый ультразвуковой обратный канал позволяет планшетам медсестёр отправлять обновления статуса или управляющие сигналы низкой пропускной способности обратно в сеть без РЧ-излучения и без влияния на критически важный прямой световой канал. Формирование луча помогает изолировать сигналы от разных коек, повышая конфиденциальность и уменьшая перекрёстные помехи — явное преимущество перед всенаправленными РЧ или инфракрасными системами, которые могут требовать точного наведения.
Ключевое понимание: Фундаментальное ценностное предложение этой статьи — это умная стратегия спектрального и пространственного разделения. Она признаёт, что проблема обратного канала VLC заключается не просто в поиске другой беспроводной среды, а в поиске такой, которая является дополнительной, не создающей помех и экономически эффективной для асимметричного случая использования. Использование акустической области, в частности недостаточно используемой ближней ультразвуковой полосы, — это нестандартный ход, позволяющий обойти ограничения предшественников.
Логическая последовательность: Аргументация убедительна: 1) РЧ исключены во многих средах, на которые нацелен VLC. 2) Оптический обратный канал (ИК/VLC) проблематичен из-за помех, направленности и ненужной подсветки. 3) Звук повсеместен, дёшев и может быть сделан неслышимым. 4) Основная проблема звука — его всенаправленность и шум. 5) Решение: Применить хорошо зарекомендовавшие себя методы обработки РЧ-решёток (формирование луча) в акустической области, чтобы восстановить направленность и помехоустойчивость. Экспериментальная демонстрация с формирователем луча Фроста подтверждает эту логическую цепочку.
Сильные стороны и недостатки:
Сильные стороны: Элегантность использования стандартного оборудования (микрофоны, динамики) — это большое преимущество с точки зрения стоимости и развёртывания. Направленный приём посредством формирования луча — это критически важная особенность, которая отличает его от простых акустических каналов, предлагая потенциал для поддержки нескольких пользователей и подавления помех. Его врождённая совместимость со средами, чувствительными к РЧ, является ключевой особенностью для нишевых рынков, таких как аэрокосмическая отрасль и здравоохранение.
Недостатки и открытые вопросы: Главный нерешённый вопрос — это скорость передачи данных. Прототип использует несущие в диапазоне кГц, что принципиально ограничивает потенциальную полосу пропускания по сравнению с РЧ-несущими в ГГц или оптическими в ТГц. В статье ничего не говорится о достигнутой битовой скорости, которая, вероятно, низка (диапазон кбит/с). Затухание ультразвука в воздухе и эффекты многолучевого распространения в закрытых помещениях могут серьёзно ограничить дальность и надёжность. Точность формирования луча с небольшой линейной решёткой в реверберирующем помещении — нетривиальная задача. Необходимость в микрофонной решётке на стороне приёмника увеличивает сложность инфраструктуры по сравнению с одним фотодиодом.
Практические выводы: Для исследователей эта работа открывает перспективное гибридное направление: Акустическое обратное рассеяние для VLC. Могут ли пользовательские устройства вместо активной ультразвуковой передачи просто модулировать окружающий звук или сигнал прямого светового канала акустически? Для продуктовых менеджеров в секторах промышленного IoT или умных зданий эта технология не является кандидатом на замену РЧ-обратных каналов Wi-Fi для видеозвонков. Однако она идеально подходит для низкоскоростных, прерывистых командных и управляющих обратных каналов в средах, враждебных к РЧ. Следует отдать приоритет пилотным проектам в таких условиях, как защищённые правительственные объекты, чистые производственные помещения или на борту судов, где основным драйвером является регулирование, а не производительность. Следующим непосредственным шагом для авторов должно стать тщательное определение достижимого коэффициента битовых ошибок (BER) в зависимости от расстояния и скорости передачи данных, сравнивая его с фундаментальными пределами акустического канала, аналогично анализам, проведённым для сетей связи с обратным рассеянием.