低成本/高可靠車聯網新秀　可見光照亮車載通訊前景

目前的自駕車技術也屬於類似的決策模式，仰賴車輛自身感測器提供周邊環境的相關資訊，例如攝影機、光達、雷達等。系統在即時處理感測資訊後，對車輛移動路徑進行控制。單一車輛的決策模式取決於自身的利益，對整體交通不一定是最有利的方式，而車聯網概念的出現則提供了一個新的決策模式。車輛可以透過無線通訊，分享自身感測器之資訊給周邊車輛，並且透過通訊來協調或共同決策彼此移動的速度、路徑等。此一模式創造了許多新的機會，可有效解決道路或車輛系統面臨的挑戰。

例如，在行車安全方面，目前單一車輛都仰賴攝影機、光達、雷達等感測器偵測周邊可能會造成危險的物體，如其他車輛、行人、障礙物等。這些感測器通常有視線遮蔽的問題，無法偵測在其他物體背後被擋住的物體。此外，遠距離偵測也會減低其量測精確度，當物體距離感測器較遠，誤差也會隨之提升。若車輛間可以透過通訊連結共享自身感測器搜集的資訊，則可透過整合這些資訊，互補被遮蔽的區域、擴大觀測的區域，偵測到更多潛在的危險物體，或增加量測的位置或速度的精確度以利決策，提升目前自動駕駛或先進駕駛輔助系統可提供的安全性。

另一個例子是透過協調附近車輛的行駛速度，在不擴建原本的道路基礎設施的前提下，提升道路容量、減少能源消耗。車輛行駛中，如前面車輛調整速度，則後方車輛會隨之調整其速度避免撞上或是跟上車流，但此速度調整會伴隨著一個反應時間的延遲。此一延遲會造成車輛間距的改變，產生車輛密度在車流中的高低改變。高密度車流在通過交流道匯流、施工、或狹窄區域時，容易產生壅塞。若可以無延遲地同步周邊車輛的行駛速度，則車輛間距、車流密度皆保持固定，可減少壅塞產生的機率。另外，若可以自駕車進行車速協調，則可大幅減少車輛行駛時前後車的間距，提升道路面積利用率。以高速公路正常車速行駛的狀況而言，前後車平均間距約為45公尺，即9輛車車長，而車寬通常僅占車道的一半—即道路面積利用率僅有1/10/2=5%(如圖1所示)。縮短間距可立即提升道路面積利用率，也就可以在同樣的道路上，放入更高容量的車流而不造成壅塞。此外，因為減少了加減速、壅塞停等的狀況，能源利用率也可以大幅提升。這些都是透過通訊協調車輛行為，可以帶來的新機會。

車聯網帶來通訊新挑戰

車聯網的最終目的為支援行車安全相關應用，為使駕駛/自駕系統能夠即時收到周圍車輛行駛資訊，低延遲、高傳輸速率為最主要的通訊需求。目前主流車聯網通訊技術以無線射頻(Radio Frequency, RF)為主有兩大技術標準，分別為短距無線通訊技術(Dedicated Short Range Communications, DSRC)與蜂巢式車聯網通訊(Cellular Vehicle-to-Everything, C-V2X)，可支援傳輸距離1公里以上，且具有數Mbps以上之資料傳輸速率。

然而，無線射頻為主的車間通訊技術容易受到道路環境的干擾。舉例而言，在高速行駛的情況下，無線射頻通訊會受到多種干擾，包括多重路徑衰落(Multipath Fading)、遮蔽效應(Shadowing)及都卜勒效應(Doppler Effect)等，皆會嚴重減低訊號品質，增加掉包率(Packet Loss Rate)，降低通訊可靠度。另一個無線射頻的挑戰在於，當車流量密度較高時(如塞車)，單一通訊頻道內的使用者過多，使用者傳輸互相干擾，造成掉包率大增，封包延遲大幅提升，使得行車安全資訊無法即時完成傳輸。最後，由於車間通訊裝置尚未普遍設置於車輛產品中，因生產數量少而成本高昂，加上在裝設率低時無法立即讓使用者享受到增加車輛安全、減少能源消耗等好處，因此導入市場的動能低落。美國及部分歐洲國家設置供DSRC技術專用的5.9GHz頻譜已經超過二十年，但因為以上種種原因，目前仍未見相關技術普及，專用頻譜亦閒置多年。

認識車載可見光通訊

隨著照明設備的進步，目前的車輛照明系統(如頭燈、尾燈等)多以發光二極體(LED)取代鹵素燈泡作為主要照明元件。相較於傳統鹵素燈泡，LED具有省電、亮度高、反應時間快且壽命長等優點。以通訊的角度來看，LED作為可見光通訊中最常見的通訊光源，LED的普及為可見光通訊在車輛上的發展帶來極大的優勢。

可見光通訊的基本架構為光源、光調變模組、感光元件與訊號解調模組，傳送端利用光源發出的亮度變化傳送資訊，接收端則以感光元件(如光電二極體等)接收光訊號進行解碼。在車間通訊上，可見光通訊相較於其他射頻技術有二個優點。第一，成本低廉。車間可見光通訊的實作僅須加裝通訊用的LED控制模組，即可將車燈轉化為兼具照明與通訊功能之裝置，大幅降低安裝的複雜度，降低導入市場的難度。其二，車間可見光通訊在高密度車流(如塞車)的情況下仍可維持低延遲、低掉包率的通訊品質。這項優點受益於光的直線傳播特性，任何光訊號接收車輛僅會收到其視野範圍內車燈訊號，較遠車輛發出的光訊號會被較近的車輛擋住，形成天然的訊號屏障機制。此特性確保使用同一個通訊頻道的車輛數量有其上限。以高速公路為例，一個搭載在車頭的感測器可接收到不被阻擋的車燈數量，在最壅塞的情況亦少於20輛車，意即少於20台車同時使用同一個通訊頻道，與射頻技術可穿透車輛的訊號傳輸，塞車時可達上百台車相去甚遠。因此，即使在車輛密度很高的狀況下，可見光通訊通道壅塞的情形並不會隨之劇烈地提高。如此一來，延遲跟掉包率便不會隨著車輛密度提升而惡化。

然而，在車載可見光通訊中，最大的問題是通訊距離較其他射頻通訊短(100公尺以下)。這是因為隨著通訊距離拉遠，接收到的光強度急遽降低。提升通訊距離的主要方法為增加發光亮度，但在車輛照明上，過高的照射亮度會影響附近或是對向駕駛的視線，造成行車危險。因此，如何不增加發光亮度抑或是在不影響行車安全的情況下增加接收端收到的光強度，提升光訊號訊噪比(Signal-to-noise Ratio, SNR)，以增加通訊距離，實為車載可見光通訊最主要的挑戰。

車載可見光通訊發展

目前車載可見光通訊的發展可根據接收端元件的不同分為兩類：光電二極體與攝影機。

・以光電二極體作為接收端

此類車載可見光通訊為車輛搭載光電二極體作為接收端，具有較長的通訊距離(約15到100公尺)及較高的通訊速度(數十Kbps)。2017年，筆者的團隊與北美福特的合作案即為此一架構之車載可見光通訊之研究。透過後車搭載光感元件作為接收端，收集前車尾燈發射之光訊號進行通訊(如圖2)。該系統以即時傳遞車速為主，可接收左右各半及中央車道，共二車道寬之光訊號來源。透過在高速公路上的實際測試證實，即使在高速行駛的情況下(90~110km/hr)，仍可維持持續10~20秒、零通訊錯誤之通訊連結，提供極高通訊可靠度。

然而，此類型通訊最大的缺點在於需要額外的設計來實現多傳輸端的情境。由於光電二極體偵測到的是整個環境中的亮度變化，當有多台車同時傳輸時，訊號會互相干擾，需搭配多工傳輸(Multiplexing)來將不同車輛訊號分開，增加傳輸成本。

・以攝影機作為接收端

以攝影機作為接收端進行通訊，可解決光電二極體在多車傳輸時的困境。攝影機具有高解析度，可從影像中直接區分出多台車(傳輸端)的位置進行分別接收。然市售攝影機的幀率(frames per second, fps)較低(30~120fps)，大大限制以攝影機作為接收端的可見光通訊速率(小於數Kbps)。此外，攝影機會捕捉環境中其他與通訊無關的物體，需要額外的影像處理或是物體辨識等演算法來過濾出畫面中車燈的位置以接收車燈傳輸的訊號，造成通訊及計算資源的浪費。

動態視覺感測器或可成為可見光通訊新主力

上述兩類可見光通訊系統皆有各自的弱點需克服。為兼具高解析度與高傳輸率，使用高幀率或是無幀率的特殊攝影機成為另一發展趨勢。舉例而言，常見於機器人領域，用於環境或是行為偵測的動態視覺感測器(Dynamic Vision Sensor, DVS)即為一有潛力之可見光通訊元件。如圖3所示，動態視覺感測器屬於無幀率的特殊攝影機，與一般攝影機一樣具有高解析度。但是不同於攝影機直接輸出整個畫面中每個像素之感光強度，動態視覺感測器的輸出為每個像素的感光強度是否有變化的事件。感測器中的每個像素會比較其上一次收到的訊號強度與這一次收到的強度，如偵測到變化(變強或變弱)大於設定的臨界值，即產生相對應的輸出，反之則不產生任何輸出。此外，無幀率也代表動態視覺感測器不受限於整幀的影像輸出，而單一像素在感測到變化之後即輸出該事件，每秒輸出率可高達數百到數千萬次事件。

相較於傳統攝影機，動態視覺感測器可帶來許多新的機會。例如，由於動態視覺感測器僅會輸出畫面中光強度變化夠大的地方，因此大部分不會變動的物體或是背景(如天空、路面等)會被過濾，僅需針對有變化、輸出的地方，進行車輛辨識，判定是否為一通訊傳輸端，可大幅降低通訊以外的資料處理成本。另一方面，因為動態視覺感測器僅可輸出光變強或變弱的資訊，不包含變化的實際值，使用動態視覺感測器進行車載可見光通訊可採取較單純之調變方式，目的在於製造明顯的亮度變化以產生變強或變弱的事件，可降低LED調變模組的成本。反向脈波位置調變(Inverse Pulse-Position Modulation, i-PPM)即為一個適合動態視覺感測器，同時兼具照明功能的調變方式。透過具有向下劇烈亮度變化的脈波使感測器能夠穩健地偵測到每次脈波的位置變化以進行通訊。圖4為反向脈波位置調變的示意圖，光源大部分的時間會維持同一亮度不變，僅在不同的時間點有一劇烈亮度變化。產生亮度變化的時間位置代表傳輸的資料。此外，在通訊之餘，透過動態視覺感測器可捕捉到前車輪廓的變化、道路標線等，可用於進行車道偏移輔助、計算兩車的車距與相對速度的變化等，可提供額外感測資訊給先進駕駛輔助系統，增加行車安全。

車載可見光通訊具有低延遲與高可靠性的通訊特性，可彌補許多無線射頻技術的缺點，被視為車聯網中不可或缺的通訊技術之一。筆者認為，考量這些優點，未來趨勢上可將車載可見光通訊與無線射頻技術結合，實作Hybrid通訊系統，以達到各種車輛安全應用的通訊需求。本文以車聯網的機會出發，闡述車聯網在增進行車安全與道路容量之貢獻，並提出車聯網中的通訊挑戰。後段文章則是介紹車載可見光通訊的潛力，討論不同可見光通訊接收端的優勢與挑戰，最後介紹一個新架構的攝影機，或可突破傳統可見光通訊接收端的困境，達成高傳輸速率且可應用於多傳輸端情境，滿足實際通訊需求。筆者希望以本文作為一個起始點，未來有更多研究者及業界先進，能投入此一領域的研究，或進行相關產品的開發。

(本文作者沈雯萱為台灣大學資訊工程系博士班學生；蔡欣穆為台灣大學資訊工程系教授)