Page 31 - 网络电信2022年2月刊
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光标签技术满足了下列三个要求：（1）无闪烁——避免                          图2 RetroSign和其他VLBC方案的LCD结构和状态比较（注意前
            对人类驾驶员造成干扰，因为人类的视觉系统对运动和闪烁非                           偏振器位置的不同）
            常敏感；（2）长通信距离——长达几十米，甚至上百米的通信
            距离才能给予驾驶员足够的空间和时间来及时采取行动；（3）
            多路访问——多个读写器和多个  RetroSign  同时存在的情况
            下应当也能有效地通信。针对闪烁问题，受传统（有源）可见
            光通信的最新设计启发           [7-8] ，我们将前偏振器从液晶光阀（LCD
            shutter）上分离出来，并放置到读写器上的光传感器之前。为
                                                                                （a）其他VLBC系统中常规LCD状态
            了解决长距离通信的挑战，我们设计了一个互补光学前端，并
            进一步设计了一个偏振差分接收（PDR）方案。试验结果表明新
            设计实现了5.3dB  的信噪比提升。针对多路访问问题，我们设
            计了一个适用于高速移动场景的基于请求-应答模型的数据链路
            协议，实验证明它可支持3个读写器和5个RetroSigns的多路访
            问。
                                                                                 （b）RetroSign中改进的LCD状态
                1. 延迟偏振与互补光学前端设计
                VLBC  通过控制LCD的状态来通过或阻挡反射光，进而调制
            信息。LCD由两层偏振器和中间的液晶层组成，如图2（a）所                        声是未偏振的，因此其强度在通过读写器的接收单元的偏振器
            示，液晶在不同电压下的偏振变化特性是LCD调制能力的关键。                        后将被减弱一半。这样，两个紧密排布的接收单元接收到的信
            只要光以正确的顺序（即偏振层-液晶层-偏振层）通过这三层                         号满足：
            设备，便可正常实现LCD光学调制。此外，人眼无法感知光的偏
            振。前端设计正是基于这一基本原理。                                                                                      (1)
                （1）延迟偏振                                                                                         (2)
                我们将普通LCD中偏振器与液晶层分开，并将前偏振器移动
            到读写器上的光传感器的前面，如图2（b）所示。从图中我们                         其中    和     是两个光传感器接收到的信号强度，各自满足马
            可以看到，光传感器接收到的光信号仍然受到液晶的状态影响                          吕斯定律。
            而通过或被阻挡。不同的是，无论液晶层的状态如何，总是有                              互补光学前端设计确保了当液晶调制器的状态转换（例
            光被（反向）反射。从RetroSign的改良LCD中射出的反射光总                    如从“0”到“1”）时，θ 1  从  0°变化为  90°，而  θ 1   从
            是带有偏振方向，而具体的方向由液晶层的充电状态决定；不                          90°变化为  0°，即θ 1 与θ 2 满足的互补特性。对于噪声σ部
            同状态下的反射光强度相同。人眼可以感知光的强度，但不能                          分，由于两个接收单元紧密排布，接收到的噪声基本
            感知其偏振，因此不会察觉到闪烁。由于第二次偏振被延迟到                              上是经历相同路径的环境物体的反射，且在通过偏振器过
            反射光照射到读写器的光传感器上，因此被称为延迟偏振。                           滤器之前是非偏振光，因而有  σ 1 (t)≈σ 2 (t)。通过对两个接
                （2）互补光学前端设计                                      收单元的输入作差，就可以得到基于偏振的差分接收（PDR）方
                受到电路设计中常见的差分信号启发，我们在原有的光传                        案：
            感器基础上，添加了一个新的光传感器，并在两个传感器的前
            端覆盖具有正交偏振方向的偏振器（例如，一个传感器的前端                                                                          (3)
            偏振器为水平方向，而另一个的偏振器为垂直方向）。这样，
            成对的接收单元（如图2（b）中的Rx1和Rx2）可以提升接收信
            号的能量。
                （3）基于偏振的差分接收                                         PDR设计不仅抑制了自干扰和其他噪声，而且将接收到的信
                利用延迟偏振的设计，RetroSign  可以用不同的偏振状                   号强度提高了一倍，大大改善了反射链路的信噪比。我们的原
            态来调制信息。例如，“1”和“0”可被映射映射到水平和垂                         型系统显示PDR平均实现了5.3 dB 的信噪比增益。
            直偏振（通过改变施加在液晶层的电压）的出射光中。基于                               2. 系统多路访问控制（数据链路）协议
            这种二进制偏振移键控调制方案，以及互补光学前端设计，                               （1）周期性广播与请求 - 应答模型的论证
            便可设计出基于偏振的差分接收（PDR,  Polarization-based                  路标天生具有局部区域广播的性质，它们被设计用来向所
            Differential Reception）。                             有来车辆传达与位置相关的信息。RetroSign的基于逆反射的通
                根据马吕斯定律（Malus’law），当一束强度为I0的偏振                   信链路设计也符合路标的局部区域广播性质。事实上，液晶状
            光通过偏振器后，透射光的强度由 I θ  和 I 0  入射光与偏振器二                 态的切换将调制任何来源的入射光线。因此一个直观的想法是
            者的偏振方向之间的夹角θ决定，即  I θ =I0  cos2 θ 。而整个系              将简单的周期性广播机制作为多路访问控制（数据链路）的基
            统的噪声  σ(t)  由相对较强的自干扰（即RetroSign之外的物                 础。然而，当读写器的视野中有多个RetroSign时，它们的响应
            体的反射）、环境光和来自相反方向的车辆光束组成。这些噪                          一定会发生冲突。也就是说，所有毗邻的RetroSign都是潜在的

                                                      网络电信 二零二一年一、二月                                           61
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