燈具可藉由調節輸出光線明暗的方式來廣播定位訊號，這種通訊概念很早就已被提出，例如光纖的應用；但直到最近，業界才開始能有效的調節一般照明燈具與燈泡所發出的高功率光線。而促成這項變革的技術就是高功率白光發光二極體(LED)，其迅速取代螢光燈成為未來照明技術的首選，因為它的能源效率相對較高、成本更低、對環境造成的沖擊也比較小。

 

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

 

　　Lumicast傳訊機制具備雙重功能

 

　　為此，高通(Qualcomm)提出了名為Lumicast的可見光定位技術，將針對上述問題提出對應解答。不同于體積小巧的螢光燈管，LED屬于半導體元件，因此輸出的光線能以相對更高的頻率進行調節。以kHz等級的頻率來進行訊號調變，不只能確保VLC訊號不會產生肉眼可察覺的燈光閃爍，還能以定位所需的數據率來傳遞資訊。

 

　　Lumicast透過簡單的二進制調變，讓VLC訊號不會影響到燈具的省電性，這種調變機制使用了本身也是可調光LED驅動電路整合元件的升壓式轉換器，這樣的設計不僅節省訊號資源，能和現有驅動電路硬體相容，還能與各種標準調光方法自然并存。

 

　　Lumicast的通訊機制在設計時就考慮到這些限制，運用這些條件，LED燈具就能同時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定位擁有獨特優勢

 

　　每個燈具所傳送的VLC訊號都擁有一個獨一無二的識別標簽(Identifier)，并可用來與場所內其他燈具做出區別。當系統啟用時，就會建立起所有燈具與其識別標簽的位置圖，該位置會儲存在遠端伺服器，當要判斷位置時，行動裝置必須先下載位置圖，每當要透過VLC訊號找出某特定燈具時，都得參照這份位置圖。識別標簽若非儲存在驅動元件內部，就是由外部系統提供，像是從藍牙無線網路取得。燈具可定時切換傳送新的識別標簽，以防范有人未經授權使用此定位功能。藉由建立這種“滾動式ID”機制，企業能防止未經授權的第三方行動應用在自家場所提供定位服務。

 

　　在Lumicast的通訊機制中，手機的關鍵運作元件為CMOS影像感測器，它經過設定后，能從一連串所拍到特定燈具的影片畫面中擷取出一段時間的VLC訊號變化，收到的VLC訊號經過智慧手機進行解調變與解碼后，產生一個獨一無二的燈具識別標簽(圖1)。此外，只要在影像感測器視野可及范圍內，還能從拍到的多個燈具的影片畫面中同步擷取出多個VLC訊號，這一點很重要，因為手機或行動裝置能透過多個獨立的定位資訊來源確認所在位置并進行校正(圖2)。

　　圖1 燈具識別標簽產生示意圖

　　圖2 LED光定位校正過程

　　不過，光是仰賴燈具的識別標簽，智慧型手機只能判斷出誤差范圍在幾公尺內的大概位置。擷取到的影片畫面必須進行更多量測與處理，才能將誤差范圍縮小在幾公分內。

 

　　這也正是影像感測器的擅長之處，它能精準量測接收到的光線訊號，影像感測器的每個畫素都會累積來自極窄范圍方向的光線能量，進行像素層級的分析，接收器就能精準判斷來自一個或多個燈具的光線方位。如此一來，裝置就能推算出和燈具之間的相對位置，且讓誤差范圍在數公分之內。這里用到的訊號處理技巧類似射頻無線電接收器的“波束成型”，差別在于天線數量數以百萬計，因此方位的精準性遠遠高于射頻無線電。

 

　　藉由精準預測和燈具之間的相對位置，再加上根據解碼后識別標簽所判斷的燈具位置，行動裝置就能辨別場所中的全域位置，且誤差范圍僅在數公分左右。 VLC定位并不會有其他定位技術采用量測模型面臨到的不確定性，因為射頻訊號強度的定位法無法預測多重訊號傳遞路徑，但VLC定位僅使用無障礙直視(Line-of-sight)傳遞路徑，故能透過影像感測器精準地判斷，這也是讓可見光通訊VLC定位法有更多優點的原因。本文后續會再詳細討論其他技術；現在，先列舉出VLC技術的一些關鍵特點如下。

 

　　三軸向定位

 

　　Lumicast的一項關鍵特點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，這個數據取自于光線抵達的方向，再根據三維向量進行推算。 精準的高度推測有利于更多情況的應用，包括無人機以及倉庫和廠房中堆高機的自動導航與操作。

 

　　方位

 

　　運用光線向量的另一個直接結果，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。這個資訊在實務上非常有用，因為它能告知使用者握手機的方向(以及自己面向的方位)，相對于場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一段時間，才能知道自己面朝的方向；運用Lumicast的可見光通訊(VLC)技術，只須第一次擷取定位資料就能判斷出方位/前進方向。

 

　　等待時間與更新率

 

　　一般的室內定位系統采用射頻訊號，因此必須花一段時間與透過一段距離進行多次量測，才能校正出位置。運用Lumicast的VLC定位技術，完成第一次校正的時間僅須100毫秒，而且更新率可高達30Hz。這對人類使用者來說，可確?？焖偾壹磿r的應用，甚至許多要求嚴密復雜的無人機/機器人導航應用也能應付自如。

 

　　擴充性

 

　　定位系統必須在智慧型手機與基礎設施之間進行雙向通訊，卻無法因應行動使用者與基礎設施基地臺數量擴充。這是因為每個智慧型手機與基礎設施之間的通訊都會對其他智慧手機產生干擾，在進行定位時就會相互干擾。在Wi-Fi頻段進行RTT定位時，訊號干擾也會造成整體WLAN處理量的下滑。VLC定位本身就具有擴充性，因為它采用單向通訊，不論場所中有多少使用者或發送器同時運行，運作效能都不會衰減。

 

　　運用相機感測器作為接收器會有一項明顯的限制：當相機的視野被擋住時，就無法收到訊號，因而也無法運算出位置。正常使用情況下，因為遮擋或訊號死區產生訊號/定位停擺的機率微乎其微；不過若是將智慧型手機置于口袋或提包，就一定會發生定位停擺的狀況。

 

　　即便在大多數情況下，都是使用者主動以智慧型手機來進行導航與位置搜尋；但仍有一些使用情況，像是手機待機、使用者沒有主動握著手機，這時若定位準確，使用情境就能改善。舉例來說，零售店面想要追蹤來客移動，藉以進行位置分析或發送位置型促銷訊息/折價券，但此時若客人的手機一直放在口袋/提包內就無法達到這個效果；由于無法使用VLC來應付這類使用情境，因此必須采用其他定位系統。在下個章節中我們將探討這些替代定位系統，以及VLC定位技術如何提升其效能。

 

　　多種技術混搭　背景定位難題有解

 

　　當行動應用處在前景模式，而使用者主動使用智慧型手機，VLC技術就能達到卓越的定位效能。為了解決處在背景模式時的定位難題，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，并且討論一些面臨到的基本問題，以及如何運用VLC定位技術來提升其表現，達到更好的效能與擴充性。

 

　　談到背景定位就免不了涉及隱私與使用者經驗的問題。首先，必須明確詢問使用者是否愿意加入背景定位服務。這點在前景服務也是一樣，只不過當背景定位服務在啟動時比較不引人注意而已。第二，行動應用必須避免對手機電池電力產生大量損耗，因為使用者認為應用程式不可以太過耗電。此外，背景定位系統必須夠精準，避免發出過多錯誤的行動警訊和通知。任何提供背景定位的系統都必須將這些因素納入考量。

 

　　包括Wi-Fi基地臺或藍牙無線電元件發出的射頻訊號，都是背景定位的自然選擇，因為即使裝置在使用者的口袋或手提包內時，仍能有效接收絕大多數射頻訊號，以射頻訊號強度定位的方法，是以在場所中的每個位置去比較所接收到的訊號強度和預期的訊號強度來做應用。

 

　　如本文之前所述，實務上不可能精準地預測或模擬出射頻訊號強度，因為訊號傳遞具有多重路徑的性質，接收到的射頻訊號等于許多個別射線的總和，各自透過環境中不同的實體路徑傳到目的地。即使環境中每個物體的位置都是已知，想要精準預測這些傳遞路徑依然極為困難。此外，每當環境中人或物體出現移動，甚至連人拿著或戴著裝置的方式有所變動，訊號傳遞就會有所改變，就會導致估算的位置出現偏差與雜訊。

 

　　要將多重路徑的影響減至最低，就必須經常更新場所的指紋圖(Fingerprint Map)，如介紹中所述，若是采用人工調查，這種方法不僅代價高昂且極容易出錯。反觀運用Lumicast的技術，這個程序就能大幅改進。只要能用VLC技術產生定位結果，實質上都能反映實際狀況，可用來建立更精準的指紋圖。

 

　　當使用者在場所中移動并運用VLC定位功能時，系統會自動執行這個程序，如此一來，就能視情況使用前景模式來改進背景定位系統的精準度。此外，若建構指紋圖所采用的機器學習演算法是在遠端伺服器上運行，那么所有行動裝置都能向伺服器傳輸資料，這樣的方法能大幅改進精準度，并降低建立指紋圖所耗費的時間與成本。

 

　　另一個面臨類似技術難題的定位法，就是量測室內環境周圍空間的磁場。這種定位法的主要挑戰是調查必須達到更高的精準度，因為周圍磁場要比射頻訊號的傳遞更難以建立模型。感測器出現的各種量測偏差也非常難排除，因為它們會隨著周圍磁場的波動而改變。

 

　　想要減少這些誤差，通常需要讓使用者以規定的方式握持手機，即便如此，最好的定位精準度也只能達到數公尺等級。

 

　　如同射頻訊號強度的定位方法，運用VLC定位技術作為基準，再輔以磁場指紋圖，即可大幅改進系統的效能，系統啟動的時間與成本也有所改進。此外，由于Lumicast的VLC技術能支援裝置在空間中的六個自由度，因此就能取得磁場的方位資訊，用來校正磁場感測器的各項偏差。

 

　　有許多定位法依賴裝置內部的慣性感測器來推測和上一次定位校正之間的相對位置。但這些方法會面臨許多誤差，而且會隨著時間逐漸累積，因為現今行動裝置中采用低成本微機電系統感測器，不可避免地會出現這類量測偏差。為了將誤差累積或漂移的效應減至最小，感測器在獨立模式下運行的時間應盡可能減少。VLC定位技術在這方面能派上用場，當應用在前景模式運作時能不時提供位置校正，而以感測器運行的慣性導航系統則能定時重置與校正。

 

　　上述所有定位方法都能合并運作(圖3)。事實上，VLC可同時用來訓練與校正這些系統。由于量測來源彼此獨立，并用這些系統會讓整體效能有增無減。

 

　　誤差范圍可縮小至數公分　LED定位準度直追GPS2

　　圖3　前景定位與背景定位的合并運作架構

 

　　以照明建構數位服務平臺

 

　　本文介紹一種新穎的定位系統，運用照明設備作為定位發送器的基礎設施。許多因素讓燈具成為定位發送器的絕佳選擇，全都衍生自照明扮演的主要角色：

 

　?。芍麟娫垂╇?不須定期更換電池)

 

　?。茉趫鏊刑峁┛鐗Φ挠嵦柛采w率

 

　　．緊密布建

 

　　．在環境中擁有絕佳的無障礙視野

 

　?。苋菀捉⑽恢玫貓D，且鮮少會移動

 

　　正是這些屬性讓照明基礎設施成為感測器與無線電的理想安裝目標，加上在行動裝置與云端上運行的軟體，即可建構出一個完整的端至端平臺，供業者提供各種新類型服務。藉由定位作為基石，這類服務還能納入判斷人與物體情境與狀態的功能，目標為建構出理想的實體環境，能感知在居住其中的人們所想的需求與期盼，并加以回應。

 

　　這類型態的服務正是科技界過去幾年提及的環境智能(Ambient Intelligence)，如今照明產業跨出第一步，將相機感測器整合至戶外燈具，以支援包括尋找停車位在內的使用情境。雖然這種系統尚處于發展初期，其前景非?？春??；谠S多其他因素，LED照明的市場加速發展，低成本感測器與無線電元件全面普及，以及行動技術在消費市場的遍地開花，可以看到分散式運算的新時代正全面啟航。

 

　　(本文作者任職于高通)