基於超音波波束成形的可見光通訊上行鏈路：方法與分析

1. 引言與背景

雙向可見光通訊長期以來一直受限於缺乏實用且高效能的上行鏈路解決方案。傳統的下行鏈路利用LED進行高速資料廣播，但上行鏈路通道面臨重大障礙：逆向反射器提供低速率、基於射頻的解決方案（Wi-Fi/藍牙）在敏感區域（醫院、飛機）被禁止使用，而紅外線或全光學VLC上行鏈路則存在高指向性、與下行鏈路干擾，或是在無需上行照明之應用場景受限等問題。本文透過提出一種基於聽不見的超音波的上行鏈路方法來解決此關鍵缺口，該方法採用頻移鍵控調變，並透過麥克風陣列進行數位波束成形，以建立一個不干擾光學下行鏈路的定向、非對稱通訊通道。

2. 提議方法與系統架構

核心創新在於將上行鏈路從光譜中解耦。它不使用光，而是使用近超音波/聽不見範圍（例如，高於15 kHz）的聲波作為載波。

2.1 核心原理：超音波FSK上行鏈路

使用者裝置透過使用頻移鍵控調變，將資料調變到一個聽不見的音訊載波上進行傳輸。為進行原型驗證，使用了四個可聽頻率（0.5、1.5、2.5、3.5 kHz）來模擬一個4-FSK方案，代表數位符號。此選擇利用了典型人耳聽覺範圍（20Hz-20kHz）之外的頻率邊際進行資料傳輸。

2.2 數位聲學波束成形

一個由10個全向麥克風組成的線性陣列（間距0.05公尺）接收複合聲學訊號。接著應用數位波束成形演算法（具體而言是Frost波束成形器）。該演算法處理來自每個麥克風的訊號，以形成一個定向接收波束，有效地將所需的上行鏈路訊號與來自不同方向（例如模擬的-10°、-30°、20°）的環境噪音或干擾聲源隔離開來。

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麥克風陣列，接收包含所需資料訊號和兩個干擾訊號的複合訊號。該系統展示了對目標上行鏈路傳輸進行空間濾波的能力。

關鍵實驗參數

麥克風陣列： 10個單元，線性排列，間距5公分
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： 定向接收，干擾抑制

3.2 波形與訊號恢復分析

論文中圖3展示了關鍵波形：(a) 傳輸的資料和干擾訊號，以及 (b) 複合接收訊號、個別麥克風訊號，以及波束成形後成功恢復的資料訊號。結果直觀地證實了波束成形演算法有效地消除了干擾並提取出乾淨的資料波形，驗證了用於上行鏈路恢復的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波束成形器是一種受限的自適應波束成形器。它在滿足一個線性約束條件下最小化輸出功率（抑制干擾和噪音），該約束確保在注視方向（期望訊號的到達方向）上具有單位增益。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 $\mathbf{R}_{xx}$ 是輸入訊號的共變異數矩陣，$\mathbf{C}$ 是約束矩陣，而 $\mathbf{g}$ 是期望響應向量。這使得有效的空間濾波成為可能。

4.2 4-FSK調變與解調

在4-FSK中，2位元的資料由四個不同的載波頻率 $f_1, f_2, f_3, f_4$ 中的一個來表示。傳輸訊號為： $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{for symbol } i$$ 解調通常涉及一組調諧到每個頻率的濾波器或相關器，然後由一個決策電路在一個符號週期內選擇能量最高的頻率。

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
為了評估此技術與競爭技術，我們可以使用多準則決策框架：

通道媒介： 光學（VLC/紅外線） vs. 聲學 vs. 射頻。
非對稱性支援： 是否符合網際網路流量高下行、低上行的需求？
共存與干擾： 是否會干擾主要的VLC下行鏈路？是否允許在射頻敏感區域使用？
指向性與移動性： 是否需要精確對準？是否支援使用者移動？
複雜度與成本： 發射器（使用者裝置）和接收器（基礎設施）的複雜度。

案例研究：醫院加護病房情境
在禁止使用射頻以避免干擾醫療設備的加護病房中，下行VLC為病人監視器提供照明和高速資料。所提議的超音波上行鏈路允許護理人員的平板電腦發送低頻寬狀態更新或控制訊號回傳網路，而無需射頻發射，且不影響關鍵的下行光訊號。波束成形有助於隔離來自不同床邊的訊號，增強隱私並減少串音——這相較於可能需要精確指向的全向射頻或紅外線方案，是一個明顯的優勢。

6. 批判性分析與產業觀點

核心見解： 本文的基本價值主張是一個巧妙的頻譜與空間解耦策略。它認識到VLC上行鏈路問題不僅僅是尋找另一種無線媒介，而是尋找一種對於非對稱使用案例具有互補性、無干擾且具成本效益的媒介。使用聲學領域，特別是未充分利用的近超音波頻段，是一種橫向思維的舉措，避開了其前身技術的限制。

邏輯流程： 論點是合理的：1) 在許多VLC目標環境中，射頻不可行。2) 光學上行鏈路（紅外線/VLC）由於干擾、指向性及不必要的照明而存在問題。3) 聲音無所不在、成本低廉，且可以做到聽不見。4) 聲音的主要挑戰是其全向性與噪音。5) 解決方案：將成熟的射頻陣列處理技術（波束成形）應用於聲學領域，以重新獲得指向性和抗噪性。使用Frost波束成形器進行的實驗演示驗證了此邏輯鏈。

優點與缺陷：
優點： 使用商用硬體（麥克風、揚聲器）的優雅性對於成本和部署是一大優勢。透過波束成形實現的定向接收是一個關鍵特性，使其與簡單的聲學鏈路區分開來，提供了多使用者支援和干擾抑制的潛力。其與射頻敏感環境的固有相容性，對於航太和醫療保健等利基市場是一個殺手級特性。
缺陷與開放性問題： 房間裡的大象是資料速率。原型使用kHz範圍的載波，從根本上限制了與GHz射頻或THz光學載波相比的潛在頻寬。論文未提及達成的位元率，這很可能很低（kbps範圍）。超音波在空氣中的衰減以及封閉空間中的多重路徑效應可能嚴重限制傳輸距離和可靠性。在具有迴響的房間中使用小型線性陣列進行波束成形的準確性並非易事。與單一光電二極體相比，接收端需要麥克風陣列增加了基礎設施的複雜度。

可執行的見解： 對於研究人員而言，這項工作開啟了一個有前景的混合領域：用於VLC的聲學反向散射。使用者裝置是否可以簡單地調變環境聲音或下行光訊號，而不是主動發射超音波？對於工業物聯網或智慧建築領域的產品經理而言，這項技術並非取代視訊通話Wi-Fi上行鏈路的候選方案。然而，它非常適合在敵對射頻環境中進行低速率、間歇性的命令與控制上行鏈路。應優先考慮在安全政府設施、製造潔淨室或船上等環境中進行試點專案，這些地方法規而非效能是主要驅動力。作者接下來的步驟應該是嚴格表徵可達成的位元錯誤率與距離和資料速率的關係，並以聲學通道的基本限制為基準進行比較，類似於對反向散射通訊網路所做的分析。

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、加護病房）和商業航空，用於乘客裝置連線和機組人員通訊。
工業物聯網與智慧工廠： 在充滿機器產生的射頻噪音或射頻火花構成危險的環境中，為感測器和致動器提供上行鏈路。
水下VLC混合系統： 聲學通訊是水下的標準。將其與高頻寬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. 研究更高頻率的超音波載波（40-80 kHz）以增加潛在頻寬，並探討大氣吸收的權衡。
2. 開發對房間迴響和移動源具有魯棒性的先進自適應波束成形演算法。
3. 探索與音訊系統（智慧揚聲器、會議系統麥克風）的整合，以利用現有基礎設施。
4. 系統層級整合：為此非對稱VLC-聲學通道設計媒體存取控制層協定，以有效處理多重存取。

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.