燈具可藉由調(diào)節(jié)輸出光線明暗的方式來廣播定位訊號(hào)，這種通訊概念很早就已被提出，例如光纖的應(yīng)用；但直到最近，業(yè)界才開始能有效的調(diào)節(jié)一般照明燈具與燈泡所發(fā)出的高功率光線。而促成這項(xiàng)變革的技術(shù)就是高功率白光發(fā)光二極體(LED)，其迅速取代螢光燈成為未來照明技術(shù)的首選，因?yàn)樗哪茉葱氏鄬?duì)較高、成本更低、對(duì)環(huán)境造成的沖擊也比較小。

 

　　LED燈要發(fā)揮良好定位功能的前提為可見光通訊(VLC)訊號(hào)必須妥善設(shè)計(jì)，以確保不會(huì)影響主要的照明功能。關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量因素，包括對(duì)人類視覺的影響、能夠支援較大的調(diào)光范圍、省電，以及能與既存的硬體相容。

 

　　Lumicast傳訊機(jī)制具備雙重功能

 

　　為此，高通(Qualcomm)提出了名為L(zhǎng)umicast的可見光定位技術(shù)，將針對(duì)上述問題提出對(duì)應(yīng)解答。不同于體積小巧的螢光燈管，LED屬于半導(dǎo)體元件，因此輸出的光線能以相對(duì)更高的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。以kHz等級(jí)的頻率來進(jìn)行訊號(hào)調(diào)變，不只能確保VLC訊號(hào)不會(huì)產(chǎn)生肉眼可察覺的燈光閃爍，還能以定位所需的數(shù)據(jù)率來傳遞資訊。

 

　　Lumicast透過簡(jiǎn)單的二進(jìn)制調(diào)變，讓VLC訊號(hào)不會(huì)影響到燈具的省電性，這種調(diào)變機(jī)制使用了本身也是可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路整合元件的升壓式轉(zhuǎn)換器，這樣的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省訊號(hào)資源，能和現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路硬體相容，還能與各種標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光方法自然并存。

 

　　Lumicast的通訊機(jī)制在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到這些限制，運(yùn)用這些條件，LED燈具就能同時(shí)滿足提供省電照明的主要功能，以及扮演定位中樞的角色。

 

　　VLC定位擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

 

　　每個(gè)燈具所傳送的VLC訊號(hào)都擁有一個(gè)獨(dú)一無二的識(shí)別標(biāo)簽(Identifier)，并可用來與場(chǎng)所內(nèi)其他燈具做出區(qū)別。當(dāng)系統(tǒng)啟用時(shí)，就會(huì)建立起所有燈具與其識(shí)別標(biāo)簽的位置圖，該位置會(huì)儲(chǔ)存在遠(yuǎn)端伺服器，當(dāng)要判斷位置時(shí)，行動(dòng)裝置必須先下載位置圖，每當(dāng)要透過VLC訊號(hào)找出某特定燈具時(shí)，都得參照這份位置圖。識(shí)別標(biāo)簽若非儲(chǔ)存在驅(qū)動(dòng)元件內(nèi)部，就是由外部系統(tǒng)提供，像是從藍(lán)牙無線網(wǎng)路取得。燈具可定時(shí)切換傳送新的識(shí)別標(biāo)簽，以防范有人未經(jīng)授權(quán)使用此定位功能。藉由建立這種“滾動(dòng)式ID”機(jī)制，企業(yè)能防止未經(jīng)授權(quán)的第三方行動(dòng)應(yīng)用在自家場(chǎng)所提供定位服務(wù)。

 

　　在Lumicast的通訊機(jī)制中，手機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)作元件為CMOS影像感測(cè)器，它經(jīng)過設(shè)定后，能從一連串所拍到特定燈具的影片畫面中擷取出一段時(shí)間的VLC訊號(hào)變化，收到的VLC訊號(hào)經(jīng)過智慧手機(jī)進(jìn)行解調(diào)變與解碼后，產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)一無二的燈具識(shí)別標(biāo)簽(圖1)。此外，只要在影像感測(cè)器視野可及范圍內(nèi)，還能從拍到的多個(gè)燈具的影片畫面中同步擷取出多個(gè)VLC訊號(hào)，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槭謾C(jī)或行動(dòng)裝置能透過多個(gè)獨(dú)立的定位資訊來源確認(rèn)所在位置并進(jìn)行校正(圖2)。

　　圖1 燈具識(shí)別標(biāo)簽產(chǎn)生示意圖

　　圖2 LED光定位校正過程

　　不過，光是仰賴燈具的識(shí)別標(biāo)簽，智慧型手機(jī)只能判斷出誤差范圍在幾公尺內(nèi)的大概位置。擷取到的影片畫面必須進(jìn)行更多量測(cè)與處理，才能將誤差范圍縮小在幾公分內(nèi)。

 

　　這也正是影像感測(cè)器的擅長(zhǎng)之處，它能精準(zhǔn)量測(cè)接收到的光線訊號(hào)，影像感測(cè)器的每個(gè)畫素都會(huì)累積來自極窄范圍方向的光線能量，進(jìn)行像素層級(jí)的分析，接收器就能精準(zhǔn)判斷來自一個(gè)或多個(gè)燈具的光線方位。如此一來，裝置就能推算出和燈具之間的相對(duì)位置，且讓誤差范圍在數(shù)公分之內(nèi)。這里用到的訊號(hào)處理技巧類似射頻無線電接收器的“波束成型”，差別在于天線數(shù)量數(shù)以百萬計(jì)，因此方位的精準(zhǔn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于射頻無線電。

 

　　藉由精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和燈具之間的相對(duì)位置，再加上根據(jù)解碼后識(shí)別標(biāo)簽所判斷的燈具位置，行動(dòng)裝置就能辨別場(chǎng)所中的全域位置，且誤差范圍僅在數(shù)公分左右。 VLC定位并不會(huì)有其他定位技術(shù)采用量測(cè)模型面臨到的不確定性，因?yàn)樯漕l訊號(hào)強(qiáng)度的定位法無法預(yù)測(cè)多重訊號(hào)傳遞路徑，但VLC定位僅使用無障礙直視(Line-of-sight)傳遞路徑，故能透過影像感測(cè)器精準(zhǔn)地判斷，這也是讓可見光通訊VLC定位法有更多優(yōu)點(diǎn)的原因。本文后續(xù)會(huì)再詳細(xì)討論其他技術(shù)；現(xiàn)在，先列舉出VLC技術(shù)的一些關(guān)鍵特點(diǎn)如下。

 

　　三軸向定位

 

　　Lumicast的一項(xiàng)關(guān)鍵特點(diǎn)就是除了提供裝置在水平面的位置，它還提供垂直軸向(Z軸)的位置，這個(gè)數(shù)據(jù)取自于光線抵達(dá)的方向，再根據(jù)三維向量進(jìn)行推算。 精準(zhǔn)的高度推測(cè)有利于更多情況的應(yīng)用，包括無人機(jī)以及倉庫和廠房中堆高機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航與操作。

 

　　方位

 

　　運(yùn)用光線向量的另一個(gè)直接結(jié)果，就是裝置能判斷在水平面(X-Y)上自己面向的方位，也就是裝置的方位或偏航角。這個(gè)資訊在實(shí)務(wù)上非常有用，因?yàn)樗芨嬷褂谜呶帐謾C(jī)的方向(以及自己面向的方位)，相對(duì)于場(chǎng)所中其他物體的位置。相比之下，GPS接收器藉由一連串定位資訊來推測(cè)使用者面向的方位，這意謂使用者必須一直朝特定方向移動(dòng)一段時(shí)間，才能知道自己面朝的方向；運(yùn)用Lumicast的可見光通訊(VLC)技術(shù)，只須第一次擷取定位資料就能判斷出方位/前進(jìn)方向。

 

　　等待時(shí)間與更新率

 

　　一般的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用射頻訊號(hào)，因此必須花一段時(shí)間與透過一段距離進(jìn)行多次量測(cè)，才能校正出位置。運(yùn)用Lumicast的VLC定位技術(shù)，完成第一次校正的時(shí)間僅須100毫秒，而且更新率可高達(dá)30Hz。這對(duì)人類使用者來說，可確保快速且即時(shí)的應(yīng)用，甚至許多要求嚴(yán)密復(fù)雜的無人機(jī)/機(jī)器人導(dǎo)航應(yīng)用也能應(yīng)付自如。

 

　　擴(kuò)充性

 

　　定位系統(tǒng)必須在智慧型手機(jī)與基礎(chǔ)設(shè)施之間進(jìn)行雙向通訊，卻無法因應(yīng)行動(dòng)使用者與基礎(chǔ)設(shè)施基地臺(tái)數(shù)量擴(kuò)充。這是因?yàn)槊總€(gè)智慧型手機(jī)與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通訊都會(huì)對(duì)其他智慧手機(jī)產(chǎn)生干擾，在進(jìn)行定位時(shí)就會(huì)相互干擾。在Wi-Fi頻段進(jìn)行RTT定位時(shí)，訊號(hào)干擾也會(huì)造成整體WLAN處理量的下滑。VLC定位本身就具有擴(kuò)充性，因?yàn)樗捎脝蜗蛲ㄓ?，不論?chǎng)所中有多少使用者或發(fā)送器同時(shí)運(yùn)行，運(yùn)作效能都不會(huì)衰減。

 

　　運(yùn)用相機(jī)感測(cè)器作為接收器會(huì)有一項(xiàng)明顯的限制：當(dāng)相機(jī)的視野被擋住時(shí)，就無法收到訊號(hào)，因而也無法運(yùn)算出位置。正常使用情況下，因?yàn)檎趽趸蛴嵦?hào)死區(qū)產(chǎn)生訊號(hào)/定位停擺的機(jī)率微乎其微；不過若是將智慧型手機(jī)置于口袋或提包，就一定會(huì)發(fā)生定位停擺的狀況。

 

　　即便在大多數(shù)情況下，都是使用者主動(dòng)以智慧型手機(jī)來進(jìn)行導(dǎo)航與位置搜尋；但仍有一些使用情況，像是手機(jī)待機(jī)、使用者沒有主動(dòng)握著手機(jī)，這時(shí)若定位準(zhǔn)確，使用情境就能改善。舉例來說，零售店面想要追蹤來客移動(dòng)，藉以進(jìn)行位置分析或發(fā)送位置型促銷訊息/折價(jià)券，但此時(shí)若客人的手機(jī)一直放在口袋/提包內(nèi)就無法達(dá)到這個(gè)效果；由于無法使用VLC來應(yīng)付這類使用情境，因此必須采用其他定位系統(tǒng)。在下個(gè)章節(jié)中我們將探討這些替代定位系統(tǒng)，以及VLC定位技術(shù)如何提升其效能。

 

　　多種技術(shù)混搭　背景定位難題有解

 

　　當(dāng)行動(dòng)應(yīng)用處在前景模式，而使用者主動(dòng)使用智慧型手機(jī)，VLC技術(shù)就能達(dá)到卓越的定位效能。為了解決處在背景模式時(shí)的定位難題，Lumicast就必須依賴其他定位方法。筆者接下來將審視一些適合這種情境的技術(shù)，并且討論一些面臨到的基本問題，以及如何運(yùn)用VLC定位技術(shù)來提升其表現(xiàn)，達(dá)到更好的效能與擴(kuò)充性。

 

　　談到背景定位就免不了涉及隱私與使用者經(jīng)驗(yàn)的問題。首先，必須明確詢問使用者是否愿意加入背景定位服務(wù)。這點(diǎn)在前景服務(wù)也是一樣，只不過當(dāng)背景定位服務(wù)在啟動(dòng)時(shí)比較不引人注意而已。第二，行動(dòng)應(yīng)用必須避免對(duì)手機(jī)電池電力產(chǎn)生大量損耗，因?yàn)槭褂谜哒J(rèn)為應(yīng)用程式不可以太過耗電。此外，背景定位系統(tǒng)必須夠精準(zhǔn)，避免發(fā)出過多錯(cuò)誤的行動(dòng)警訊和通知。任何提供背景定位的系統(tǒng)都必須將這些因素納入考量。

 

　　包括Wi-Fi基地臺(tái)或藍(lán)牙無線電元件發(fā)出的射頻訊號(hào)，都是背景定位的自然選擇，因?yàn)榧词寡b置在使用者的口袋或手提包內(nèi)時(shí)，仍能有效接收絕大多數(shù)射頻訊號(hào)，以射頻訊號(hào)強(qiáng)度定位的方法，是以在場(chǎng)所中的每個(gè)位置去比較所接收到的訊號(hào)強(qiáng)度和預(yù)期的訊號(hào)強(qiáng)度來做應(yīng)用。

 

　　如本文之前所述，實(shí)務(wù)上不可能精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)或模擬出射頻訊號(hào)強(qiáng)度，因?yàn)橛嵦?hào)傳遞具有多重路徑的性質(zhì)，接收到的射頻訊號(hào)等于許多個(gè)別射線的總和，各自透過環(huán)境中不同的實(shí)體路徑傳到目的地。即使環(huán)境中每個(gè)物體的位置都是已知，想要精準(zhǔn)預(yù)測(cè)這些傳遞路徑依然極為困難。此外，每當(dāng)環(huán)境中人或物體出現(xiàn)移動(dòng)，甚至連人拿著或戴著裝置的方式有所變動(dòng)，訊號(hào)傳遞就會(huì)有所改變，就會(huì)導(dǎo)致估算的位置出現(xiàn)偏差與雜訊。

 

　　要將多重路徑的影響減至最低，就必須經(jīng)常更新場(chǎng)所的指紋圖(Fingerprint Map)，如介紹中所述，若是采用人工調(diào)查，這種方法不僅代價(jià)高昂且極容易出錯(cuò)。反觀運(yùn)用Lumicast的技術(shù)，這個(gè)程序就能大幅改進(jìn)。只要能用VLC技術(shù)產(chǎn)生定位結(jié)果，實(shí)質(zhì)上都能反映實(shí)際狀況，可用來建立更精準(zhǔn)的指紋圖。

 

　　當(dāng)使用者在場(chǎng)所中移動(dòng)并運(yùn)用VLC定位功能時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行這個(gè)程序，如此一來，就能視情況使用前景模式來改進(jìn)背景定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。此外，若建構(gòu)指紋圖所采用的機(jī)器學(xué)習(xí)演算法是在遠(yuǎn)端伺服器上運(yùn)行，那么所有行動(dòng)裝置都能向伺服器傳輸資料，這樣的方法能大幅改進(jìn)精準(zhǔn)度，并降低建立指紋圖所耗費(fèi)的時(shí)間與成本。

 

　　另一個(gè)面臨類似技術(shù)難題的定位法，就是量測(cè)室內(nèi)環(huán)境周圍空間的磁場(chǎng)。這種定位法的主要挑戰(zhàn)是調(diào)查必須達(dá)到更高的精準(zhǔn)度，因?yàn)橹車艌?chǎng)要比射頻訊號(hào)的傳遞更難以建立模型。感測(cè)器出現(xiàn)的各種量測(cè)偏差也非常難排除，因?yàn)樗鼈儠?huì)隨著周圍磁場(chǎng)的波動(dòng)而改變。

 

　　想要減少這些誤差，通常需要讓使用者以規(guī)定的方式握持手機(jī)，即便如此，最好的定位精準(zhǔn)度也只能達(dá)到數(shù)公尺等級(jí)。

 

　　如同射頻訊號(hào)強(qiáng)度的定位方法，運(yùn)用VLC定位技術(shù)作為基準(zhǔn)，再輔以磁場(chǎng)指紋圖，即可大幅改進(jìn)系統(tǒng)的效能，系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間與成本也有所改進(jìn)。此外，由于Lumicast的VLC技術(shù)能支援裝置在空間中的六個(gè)自由度，因此就能取得磁場(chǎng)的方位資訊，用來校正磁場(chǎng)感測(cè)器的各項(xiàng)偏差。

 

　　有許多定位法依賴裝置內(nèi)部的慣性感測(cè)器來推測(cè)和上一次定位校正之間的相對(duì)位置。但這些方法會(huì)面臨許多誤差，而且會(huì)隨著時(shí)間逐漸累積，因?yàn)楝F(xiàn)今行動(dòng)裝置中采用低成本微機(jī)電系統(tǒng)感測(cè)器，不可避免地會(huì)出現(xiàn)這類量測(cè)偏差。為了將誤差累積或漂移的效應(yīng)減至最小，感測(cè)器在獨(dú)立模式下運(yùn)行的時(shí)間應(yīng)盡可能減少。VLC定位技術(shù)在這方面能派上用場(chǎng)，當(dāng)應(yīng)用在前景模式運(yùn)作時(shí)能不時(shí)提供位置校正，而以感測(cè)器運(yùn)行的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則能定時(shí)重置與校正。

 

　　上述所有定位方法都能合并運(yùn)作(圖3)。事實(shí)上，VLC可同時(shí)用來訓(xùn)練與校正這些系統(tǒng)。由于量測(cè)來源彼此獨(dú)立，并用這些系統(tǒng)會(huì)讓整體效能有增無減。

 

　　誤差范圍可縮小至數(shù)公分　LED定位準(zhǔn)度直追GPS2

　　圖3　前景定位與背景定位的合并運(yùn)作架構(gòu)

 

　　以照明建構(gòu)數(shù)位服務(wù)平臺(tái)

 

　　本文介紹一種新穎的定位系統(tǒng)，運(yùn)用照明設(shè)備作為定位發(fā)送器的基礎(chǔ)設(shè)施。許多因素讓燈具成為定位發(fā)送器的絕佳選擇，全都衍生自照明扮演的主要角色：

 

　　．由主電源供電(不須定期更換電池)

 

　?。茉趫?chǎng)所中提供跨墻的訊號(hào)覆蓋率

 

　?。o密布建

 

　?。诃h(huán)境中擁有絕佳的無障礙視野

 

　?。苋菀捉⑽恢玫貓D，且鮮少會(huì)移動(dòng)

 

　　正是這些屬性讓照明基礎(chǔ)設(shè)施成為感測(cè)器與無線電的理想安裝目標(biāo)，加上在行動(dòng)裝置與云端上運(yùn)行的軟體，即可建構(gòu)出一個(gè)完整的端至端平臺(tái)，供業(yè)者提供各種新類型服務(wù)。藉由定位作為基石，這類服務(wù)還能納入判斷人與物體情境與狀態(tài)的功能，目標(biāo)為建構(gòu)出理想的實(shí)體環(huán)境，能感知在居住其中的人們所想的需求與期盼，并加以回應(yīng)。

 

　　這類型態(tài)的服務(wù)正是科技界過去幾年提及的環(huán)境智能(Ambient Intelligence)，如今照明產(chǎn)業(yè)跨出第一步，將相機(jī)感測(cè)器整合至戶外燈具，以支援包括尋找停車位在內(nèi)的使用情境。雖然這種系統(tǒng)尚處于發(fā)展初期，其前景非?？春??；谠S多其他因素，LED照明的市場(chǎng)加速發(fā)展，低成本感測(cè)器與無線電元件全面普及，以及行動(dòng)技術(shù)在消費(fèi)市場(chǎng)的遍地開花，可以看到分散式運(yùn)算的新時(shí)代正全面啟航。

 

　　(本文作者任職于高通)