LED靠啥定位？精度居然要追上GPS了

LED灯具与灯泡只要以kHz等级的频率调变，即可发出可见光通讯(VLC)讯号，在照明同时，还能像GPS般提供定位功能。虽然该技术仍处初期发展阶段，还有部分技术瓶颈须要克服，不过随着LED照明市场迅速发展，前景不可限量。

灯具可藉由调节输出光线明暗的方式来广播定位讯号，这种通讯概念很早就已被提出，例如光纤的应用；但直到最近，业界才开始能有效的调节一般照明灯具与灯泡所发出的高功率光线。而促成这项变革的技术就是高功率白光发光二极体(LED)，其迅速取代萤光灯成为未来照明技术的首选，因为它的能源效率相对较高、成本更低、对环境造成的冲击也比较小。

LED灯要发挥良好定位功能的前提为可见光通讯(VLC)讯号必须妥善设计，以确保不会影响主要的照明功能。关键的设计考量因素，包括对人类视觉的影响、能够支援较大的调光范围、省电，以及能与既存的硬体相容。

Lumicast传讯机制具备双重功能

为此，高通(Qualcomm)提出了名为Lumicast的可见光定位技术，将针对上述问题提出对应解答。不同于体积小巧的萤光灯管，LED属于半导体元件，因此输出的光线能以相对更高的频率进行调节。以kHz等级的频率来进行讯号调变，不只能确保VLC讯号不会产生肉眼可察觉的灯光闪烁，还能以定位所需的数据率来传递资讯。

Lumicast透过简单的二进制调变，让VLC讯号不会影响到灯具的省电性，这种调变机制使用了本身也是可调光LED驱动电路整合元件的升压式转换器，这样的设计不仅节省讯号资源，能和现有驱动电路硬体相容，还能与各种标准调光方法自然并存。

Lumicast的通讯机制在设计时就考虑到这些限制，运用这些条件，LED灯具就能同时满足提供省电照明的主要功能，以及扮演定位中枢的角色。

VLC定位拥有独特优势

每个灯具所传送的VLC讯号都拥有一个独一无二的识别标签(Identifier)，并可用来与场所内其他灯具做出区别。当系统启用时，就会建立起所有灯具与其识别标签的位置图，该位置会储存在远端伺服器，当要判断位置时，行动装置必须先下载位置图，每当要透过VLC讯号找出某特定灯具时，都得参照这份位置图。识别标签若非储存在驱动元件内部，就是由外部系统提供，像是从蓝牙无线网路取得。灯具可定时切换传送新的识别标签，以防范有人未经授权使用此定位功能。藉由建立这种"滚动式ID"机制，企业能防止未经授权的第三方行动应用在自家场所提供定位服务。

在Lumicast的通讯机制中，手机的关键运作元件为CMOS影像感测器，它经过设定后，能从一连串所拍到特定灯具的影片画面中撷取出一段时间的VLC讯号变化，收到的VLC讯号经过智慧手机进行解调变与解码后，产生一个独一无二的灯具识别标签(图1)。此外，只要在影像感测器视野可及范围内，还能从拍到的多个灯具的影片画面中同步撷取出多个VLC讯号，这一点很重要，因为手机或行动装置能透过多个独立的定位资讯来源确认所在位置并进行校正(图2)。

图1　灯具识别标签产生示意图

图2　LED光定位校正过程

不过，光是仰赖灯具的识别标签，智慧型手机只能判断出误差范围在几公尺内的大概位置。撷取到的影片画面必须进行更多量测与处理，才能将误差范围缩小在几公分内。

这也正是影像感测器的擅长之处，它能精准量测接收到的光线讯号，影像感测器的每个画素都会累积来自极窄范围方向的光线能量，进行像素层级的分析，接收器就能精准判断来自一个或多个灯具的光线方位。如此一来，装置就能推算出和灯具之间的相对位置，且让误差范围在数公分之内。这里用到的讯号处理技巧类似射频无线电接收器的"波束成型"，差别在于天线数量数以百万计，因此方位的精准性远远高于射频无线电。

藉由精准预测和灯具之间的相对位置，再加上根据解码后识别标签所判断的灯具位置，行动装置就能辨别场所中的全域位置，且误差范围仅在数公分左右。 VLC定位并不会有其他定位技术采用量测模型面临到的不确定性，因为射频讯号强度的定位法无法预测多重讯号传递路径，但VLC定位仅使用无障碍直视(Line-of-sight)传递路径，故能透过影像感测器精准地判断，这也是让可见光通讯VLC定位法有更多优点的原因。本文后续会再详细讨论其他技术；现在，先列举出VLC技术的一些关键特点如下。

三轴向定位

Lumicast的一项关键特点就是除了提供装置在水平面的位置，它还提供垂直轴向(Z轴)的位置，这个数据取自于光线抵达的方向，再根据三维向量进行推算。 精准的高度推测有利于更多情况的应用，包括无人机以及仓库和厂房中堆高机的自动导