利用超聲波波束成形實現可見光通訊上行鏈路：方法與分析

1. 引言與背景

雙向可見光通訊（VLC）長久以來一直受制於缺乏一個實用、高效能嘅上行鏈路解決方案。傳統下行鏈路利用LED進行高速數據廣播，但上行鏈路通道面臨重大障礙：逆向反射器提供嘅速率低；基於射頻（RF）嘅解決方案（Wi-Fi/藍牙）喺敏感區域（醫院、飛機）被禁止；而紅外線或全光學VLC上行鏈路則受高指向性、干擾下行鏈路，或者喺唔需要上行鏈路照明嘅有限應用場景所困擾。本文通過提出一種基於人耳聽唔到嘅超聲波嘅上行鏈路方法，採用頻移鍵控（FSK）調製同透過咪高峰陣列進行數碼波束成形，來創建一個唔會干擾光學下行鏈路嘅指向性、非對稱通訊通道，從而解決呢個關鍵缺口。

2. 建議方法與系統架構

核心創新在於將上行鏈路從光譜中解耦。佢唔使用光，而係使用近超聲波/人耳聽唔到範圍（例如，高於15 kHz）嘅聲波作為載波。

2.1 核心原理：超聲波FSK上行鏈路

用戶設備通過使用頻移鍵控（FSK）將數據調製到一個聽唔到嘅音頻載波上來傳輸數據。為咗原型驗證，使用咗四個可聽頻率（0.5、1.5、2.5、3.5 kHz）來模擬一個4-FSK方案，代表數碼符號。呢個選擇利用咗典型人耳聽覺範圍（20Hz-20kHz）以外嘅頻率邊際進行數據傳輸。

2.2 數碼聲學波束成形

一個由10個全向咪高峰組成嘅線性陣列（間距0.05米）接收複合聲學信號。然後應用一個數碼波束成形演算法（具體係Frost波束成形器）。呢個演算法處理來自每個咪高峰嘅信號，以形成一個定向接收波束，有效地將期望嘅上行鏈路信號從環境噪音或來自唔同方向（例如，模擬嘅-10°、-30°、20°）嘅干擾聲源中隔離出來。

3. 實驗驗證與結果

3.1 原型設置與參數

實驗設置涉及一個線性咪高峰陣列接收包含期望數據信號同兩個干擾信號嘅複合信號。系統展示咗對目標上行鏈路傳輸進行空間濾波嘅能力。

關鍵實驗參數

咪高峰陣列： 10個單元，線性，間距5厘米
載波頻率（4-FSK）： 0.5、1.5、2.5、3.5 kHz
波束成形演算法： Frost波束成形器
目標特性： 指向性接收，抑制干擾

3.2 波形與信號恢復分析

論文中嘅圖3展示咗關鍵波形：（a）發射嘅數據同干擾信號，以及（b）複合接收信號、個別咪高峰信號，以及波束成形後成功恢復嘅數據信號。結果直觀地證實咗波束成形演算法有效消除咗干擾並提取出乾淨嘅數據波形，驗證咗用於上行鏈路恢復嘅聲學空間濾波核心概念。

4. 技術深入探討

4.1 Frost波束成形器演算法

Frost波束成形器係一個受約束嘅自適應波束成形器。佢喺滿足一個確保喺注視方向（期望信號嘅到達方向）具有單位增益嘅線性約束條件下，最小化輸出功率（抑制干擾同噪音）。權重向量 $\mathbf{w}$ 被調整以求解： $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{subject to} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ 其中 $\mathbf{R}_{xx}$ 係輸入信號嘅協方差矩陣，$\mathbf{C}$ 係約束矩陣，而 $\mathbf{g}$ 係期望響應向量。呢個允許有效嘅空間濾波。

4.2 4-FSK調製與解調

喺4-FSK中，2位元數據由四個唔同載波頻率 $f_1, f_2, f_3, f_4$ 中嘅一個來表示。發射信號係： $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{for symbol } i$$ 解調通常涉及一組調諧到每個頻率嘅濾波器或相關器，然後係一個決策電路來選擇喺一個符號週期內能量最高嘅頻率。

5. 分析框架與案例研究

框架應用：評估VLC上行鏈路解決方案
為咗評估呢項技術同競爭技術，我哋可以使用一個多準則決策框架：

通道媒介： 光學（VLC/紅外線） vs. 聲學 vs. 射頻。
非對稱性支援： 佢係咪符合互聯網流量高下行、低上行嘅需求？
共存與干擾： 佢會唔會干擾主要嘅VLC下行鏈路？喺射頻敏感區域係咪允許使用？
指向性與移動性： 需唔需要精確對準？支唔支援用戶移動？
複雜性與成本： 發射器（用戶設備）同接收器（基礎設施）嘅複雜性。

案例研究：醫院深切治療部（ICU）場景
喺一個禁止射頻以避免干擾醫療設備嘅深切治療部，下行鏈路VLC為病人監護儀提供照明同高速數據。建議嘅超聲波上行鏈路允許護士嘅平板電腦發送低頻寬狀態更新或控制信號返到網絡，而無需發射射頻，亦唔會影響關鍵嘅下行鏈路光信號。波束成形有助於隔離來自唔同床邊嘅信號，增強私隱並減少串音——相比起全向射頻或需要精確指向嘅紅外線，呢個係一個明顯優勢。

6. 批判性分析與行業視角

核心見解： 本文嘅基本價值主張係一個巧妙嘅頻譜同空間解耦策略。佢認識到VLC上行鏈路問題唔單止係搵另一個無線媒介，而係搵一個對於非對稱用例係互補、唔干擾且具成本效益嘅媒介。使用聲學領域，特別係未被充分利用嘅近超聲波頻段，係一個橫向思維嘅舉動，避開咗其前身嘅限制。

邏輯流程： 論點係合理嘅：1）喺許多VLC目標環境中，射頻係唔可行嘅。2）光學上行鏈路（紅外線/VLC）由於干擾、指向性同唔必要嘅照明而存在問題。3）聲音係無處不在、便宜，而且可以做到聽唔到。4）聲音嘅主要挑戰係佢嘅全向性同噪音。5）解決方案：將成熟嘅射頻陣列處理技術（波束成形）應用於聲學領域，以重新獲得指向性同抗噪能力。使用Frost波束成形器嘅實驗演示驗證咗呢個邏輯鏈。

優點與缺點：
優點： 使用商用硬件（咪高峰、揚聲器）嘅優雅性對於成本同部署係一個主要優勢。透過波束成形實現嘅指向性接收係一個關鍵特性，令佢有別於簡單嘅聲學鏈路，為多用戶支援同干擾抑制提供潛力。佢與射頻敏感環境嘅固有兼容性，對於航空航天同醫療保健等利基市場係一個殺手級功能。
缺點與未解問題： 房間裡嘅大象係數據速率。原型使用kHz範圍嘅載波，從根本上限制咗潛在頻寬，相比GHz射頻或THz光學載波。論文對實現嘅比特率隻字不提，估計好低（kbps範圍）。超聲波喺空氣中嘅衰減同封閉空間中嘅多路徑效應可能會嚴重限制範圍同可靠性。喺一個有迴響嘅房間裡，用一個細小嘅線性陣列進行波束成形嘅準確性並唔簡單。接收器需要一個咪高峰陣列，相比單個光電二極體，增加咗基礎設施嘅複雜性。

可行見解： 對於研究人員，呢項工作開闢咗一個有前途嘅混合領域：用於VLC嘅聲學反向散射。與其主動發射超聲波，用戶設備可唔可以簡單地調製環境聲音或下行鏈路光信號嘅聲學特性？對於工業物聯網或智能建築領域嘅產品經理，呢項技術唔係取代視像通話Wi-Fi上行鏈路嘅候選方案。然而，佢係喺敵視射頻嘅環境中，用於低速率、間歇性命令與控制上行鏈路嘅完美選擇。優先考慮喺安全政府設施、製造潔淨室或船上等環境中進行試點項目，呢啲地方嘅主要驅動力係法規，而唔係性能。作者嘅下一步應該係對可實現嘅誤碼率（BER）與距離同數據速率進行嚴格表徵，並對照聲學通道嘅基本限制進行基準測試，類似於對反向散射通訊網絡所做嘅分析。

7. 未來應用與研究方向

安全與射頻受限環境： 主要應用於軍事、政府、醫療保健（MRI室、深切治療部）同商業航空，用於乘客設備連接同機組人員通訊。
工業物聯網與智能工廠： 喺充滿機器產生嘅射頻噪音或射頻火花構成危險嘅環境中，為傳感器同執行器提供上行鏈路。
水下VLC混合系統： 聲學通訊係水下標準。將佢與高頻寬VLC下行鏈路結合，用於潛水器或固定基礎設施，可能非常有效。
研究方向：
1. 研究更高頻率嘅超聲波載波（40-80 kHz）以增加潛在頻寬，同時研究大氣吸收嘅權衡。
2. 開發對房間迴響同移動源頭具有魯棒性嘅先進自適應波束成形演算法。
3. 探索與音頻系統（智能揚聲器、會議系統咪高峰）嘅集成，以利用現有基礎設施。
4. 系統級集成：為呢個非對稱VLC-聲學通道設計媒體存取控制（MAC）層協議，以有效處理多路存取。

8. 參考文獻

Komine, T., & Nakagawa, M. (2003). Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights. IEEE Transactions on Consumer Electronics.
IEEE 802.11 Standard (Wi-Fi). IEEE Standards Association.
Bluetooth SIG. Bluetooth Core Specification.
Zigbee Alliance. Zigbee Specification.
Pathak, P. H., Feng, X., Hu, P., & Mohapatra, P. (2015). Visible light communication, networking, and sensing: A survey, potential and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials.
Jaafar, W., et al. (2021). On the performance of infrared light as an uplink solution for visible light communication. Journal of Lightwave Technology.
Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE.
Liu, Y., et al. (2018). A 2.5-Mbit/s bi-directional visible light communication system based on TDD. Optics Communications.
Wang, Y., et al. (2019). 800-Mbit/s RGB-LED-based WDM visible light communication system enabled by FDD. Optics Express.
O'Brien, D. C., et al. (2008). Visible light communications: Challenges and possibilities. IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC).
Apple Inc. (2023). AirPods Pro Technical Specifications.
Frost, O. L. (1972). An algorithm for linearly constrained adaptive array processing. Proceedings of the IEEE.
VLC Consortium. (2022). Market Report on Visible Light Communication Applications.