□ 文 吳忠勝 王 楠

0 引言

元宇宙基于擴展現(xiàn)實技術提供沉浸式體驗，基于數(shù)字孿生技術生成現(xiàn)實世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術搭建經(jīng)濟體系。元宇宙的發(fā)展熱潮在全球范圍內引起了巨大的反響、持續(xù)的關注和巨額的資金投入。其中，越來越多的人在思考元宇宙對于工業(yè)的影響。怎樣構建工業(yè)元宇宙所需的網(wǎng)絡基礎設施成為研究熱點?？梢姽馔ㄐ啪哂袀鬏斔俾矢?、無需授權的豐富頻譜、無射頻輻射、綠色、安全、可進行水下通信等優(yōu)勢，是6G候選技術之一。本文針對復雜的工業(yè)環(huán)境和工業(yè)元宇宙的具體需求，具體分析了可見光通信在工業(yè)元宇宙中的應用及解決方案。

工業(yè)元宇宙通過融合虛擬世界和現(xiàn)實世界，進行工業(yè)的改進與優(yōu)化、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)降本增效。

1 工業(yè)元宇宙簡述及對通信網(wǎng)絡的要求

1.1 工業(yè)元宇宙概述

元宇宙基于擴展現(xiàn)實技術提供沉浸式體驗，基于數(shù)字孿生技術生成現(xiàn)實世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術搭建經(jīng)濟體系。按照工業(yè)和信息化部工業(yè)文化發(fā)展中心在《工業(yè)元宇宙創(chuàng)新發(fā)展三年行動計劃（2022-2025）》中的描述，工業(yè)元宇宙是指：工業(yè)領域中“人、虛擬空間與現(xiàn)實空間”虛實映射、交互、融合、以虛促實、以虛強實的工業(yè)全要素鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈（三鏈）智慧、協(xié)同、開放、服務、互聯(lián)的復雜數(shù)字工業(yè)經(jīng)濟系統(tǒng)。換言之，工業(yè)元宇宙是元宇宙在工業(yè)領域的實際落地應用，是目前3D設計、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術的發(fā)展優(yōu)化乃至升級并有機大集成。

工業(yè)元宇宙通過融合虛擬世界和現(xiàn)實世界，進行工業(yè)的改進與優(yōu)化、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)降本增效。工業(yè)元宇宙能夠滿足物理世界與信息世界交互與共融的需求，從而可以實現(xiàn)制造業(yè)等行業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的互聯(lián)互通，進而不斷催生出新業(yè)態(tài)、新模式和新應用，相關企業(yè)將在這新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮中盡享時代和技術發(fā)展的紅利。根據(jù)TrendForce（集邦咨詢）的預測，工業(yè)元宇宙將推動全球智能制造市場在2025年達到5400億美元的巨大規(guī)模，2021年至2025年之間的復合成長率有望達到約15%。而工業(yè)元宇宙所帶動的5G/6G、光網(wǎng)絡、VR/AR等相關市場的總規(guī)模更是高達萬億美元以上。有鑒于此，各國、各地政府紛紛出臺大力扶植工業(yè)元宇宙的政策措施，以工業(yè)元宇宙為導向，鼓勵各地的企業(yè)積極實現(xiàn)工業(yè)元宇宙應用的落地實踐。

1.2 工業(yè)元宇宙對于通信網(wǎng)絡的嚴苛要求

動態(tài)全真三維元宇宙應用經(jīng)常需要同時傳輸多路極清、超清視頻，并且需要在多路極清、超清視頻間進行隨時切換，還要以極低的時延進行各種元宇宙場景的沉浸式交互，這些特性會給用戶的網(wǎng)絡帶寬造成巨大壓力。再加上工業(yè)元宇宙場景下各種業(yè)務的“零等待、零卡頓、零故障”的嚴苛要求，只有性能卓越的超寬帶網(wǎng)絡才能滿足工業(yè)用戶使用元宇宙業(yè)務的需求。

網(wǎng)絡帶寬及穩(wěn)定性。由于元宇宙業(yè)務通常要支持多路并發(fā)的4K、8K或更高分辨率的超清、極清視頻，那么至少需要提供高于1Gbit/s的下行鏈路穩(wěn)定帶寬且上行鏈路穩(wěn)定帶寬不小于500Mbps，這樣才能正常開展元宇宙業(yè)務及應用。而對于流水線作業(yè)且涉及高精加工的工業(yè)元宇宙而言，對網(wǎng)絡穩(wěn)定性的要求也是非常高的。

網(wǎng)絡延時。在現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)線流水化作業(yè)場景下，“低時延”是開展工業(yè)元宇宙業(yè)務的必備條件。另外，圍繞生產(chǎn)線和工廠物流通道，還有大量的傳感器需要實時上傳其所采集到的各種信息。因此，開展工業(yè)元宇宙業(yè)務至少需要達到小于等于10ms的交互延時。

對復雜工業(yè)環(huán)境的適應性。就工業(yè)環(huán)境而言，各種電子電氣設備會發(fā)出電磁噪聲、無線電波，甚至還存在一些易燃、易爆的工業(yè)場合。需要在復雜的金屬艙室環(huán)境或者大型金屬容器內部進行焊接等操作，需要在水下施工等等，這些都要求工業(yè)元宇宙的通信網(wǎng)絡增強對復雜工業(yè)環(huán)境的適應性。

2 可見光通信用于工業(yè)元宇宙的優(yōu)勢分析

VLC（Visible Light Commu nication，VLC 技術）是以可見光為傳輸載體完成無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N技術。V LC利用LED 燈在發(fā)光的同時發(fā)出肉眼無法察覺的速變化的編碼信息，接收端的光敏傳感器利用解碼芯片恢復出與發(fā)端一樣的數(shù)據(jù)信息，從而在進行照明的同時完成無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。目前，VLC 數(shù)據(jù)傳輸速率達到了11Gbit/s，且具有無需授權的豐富頻譜、無射頻輻射、超高寬帶、難以竊取信號、低功耗等優(yōu)勢。值得一提的是，敏感電子設備不受VLC 的影響，VLC不會對工廠中常用的無線D2D通信（Device-To-Device，設備間通信）、物聯(lián)網(wǎng)通信和車聯(lián)網(wǎng)通信造成干擾。接下來探討VLC 技術如何與元宇宙技術結合，應用于復雜的工業(yè)環(huán)境。

首先，在某些工業(yè)環(huán)境中，既要求通信用戶和通信終端是移動的、無線纜連接的（如，佩戴攝像及實時通信設備的生產(chǎn)線巡查人員、工業(yè)機器人、巡檢機器人、無人車等），同時在該環(huán)境中又由于電磁敏感環(huán)境、電磁屏蔽環(huán)境、安全敏感環(huán)境等原因無法使用或限制使用5G/6G、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等常用無線通信技術。而且，某些工業(yè)操作是在水下進行，水下無法使用無線通信技術。

其次，支持可見光通信的設備非常易于和xPON接入設備實現(xiàn)異構組網(wǎng)，而且這種異構組網(wǎng)的網(wǎng)絡部署非常簡單。目前，國內外不少學者都開展了可見光通信與PON 技術相結合的研究，并稱之為PON-VLC 技術。在Kumari等發(fā)表的有關PON-VLC 技術的綜述文章中，提煉出了如圖1所示的共性PON-VLC 架構。這意味著，VLC 設備非常容易和工廠中現(xiàn)有的xPON接入網(wǎng)絡進行連接。

圖1 PON-VLC系統(tǒng)的架構示意圖

再者，采用VLC可以實現(xiàn)水下寬帶通信（請見本文3.4小節(jié)）。

最后，可見光通信定位一體化（VLCP, Visible Light Communi cation Positioning）技術是未來大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應用的關鍵支撐技術之一。VLC和VLP（Visible Light Positioning，可見光定位）系統(tǒng)具有類似的物理層結構，將通信和定位功能相融合，構建在同一物理架構上，可有效降低系統(tǒng)部署成本。而且，采用正交頻分復用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術可將不同的頻譜資源分別分配給VLC和VLP系統(tǒng)，同時實現(xiàn)通信和定位功能。VLCP具有定位精度高（厘米級）、無電波輻射、設備體積小、安裝簡便、安全性高等優(yōu)點，特別適合于在工廠環(huán)境中用于物料、設備和人員定位。在未來工業(yè)元宇宙的應用場景下，同時實現(xiàn)照明、通信和定位功能的VLCP技術必將大受歡迎。

因此，隨著工業(yè)元宇宙的發(fā)展和普及，可以在復雜工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)無線纜束縛寬帶網(wǎng)絡通信的VLC 技術可以給工業(yè)用戶提供高性價比、寬廣環(huán)境適應性的無線纜束縛的寬帶解決方案。

在未來工業(yè)元宇宙的應用場景下，同時實現(xiàn)照明、通信和定位功能的VLCP技術必將大受歡迎。

3 與可見光通信相結合的工業(yè)元宇宙解決方案

本章介紹了幾種與VLC相結合的工業(yè)元宇宙解決方案：全雙工PON-VLC解決方案（主要用于D2D通信）；半雙工PON-VLC解決方案（主要用于生產(chǎn)線巡檢員等移動用戶）；電力線通信+可見光通信解決方案；水下可見光通信解決方案；可見光通信及定位一體化系統(tǒng)（用一套系統(tǒng)同時實現(xiàn)照明、無線通信和定位）。

3.1 全雙工PON-VLC解決方案

圖2展示了支持全雙工可見光通信的PON-VLC解決方案。采用上述支持全雙工可見光通信模塊的新型ONU實現(xiàn)了POL（Passive Optical LAN，無源光局域網(wǎng)）和全雙工VLC的異構組網(wǎng)，完美地實現(xiàn)超寬帶無源光網(wǎng)絡和超寬帶終端（如極清視頻攝像機、極清視頻VR/AR終端）的高效橋接。

圖2 支持全雙工可見光通信的工業(yè)元宇宙解決方案示意圖

VLC 特別適合于工廠中常見的無線D2D通信。實際上，在工廠環(huán)境中，一些設備（如工業(yè)級極清或超清攝像機、帶攝像頭和傳感器的工業(yè)機器人、無人物流車、無人巡檢車）的位置是相對固定的，或者是沿著生產(chǎn)線的導軌、巡邏路線做來回運動，這些設備有足夠的電力供應，也不像人一樣強調無線纜束縛的、輕便的通信終端佩戴體驗。所以，我們完全可以給這些設備安裝支持全雙工可見光通信的通信終端。

由于采用了全雙工的可見光通信傳輸，該系統(tǒng)可實現(xiàn)10Gbit/s的上下行傳輸速率以及低于10ms的網(wǎng)絡延遲。而且，支持全雙工VLC的終端非常易于和xPON接入設備進行異構組網(wǎng)，其網(wǎng)絡部署非常簡便。

3.2 半雙工PON-VLC解決方案

考慮到目前VLC光源的重量和體積，為保證用戶的使用體驗，VLC發(fā)射模塊尚不適合集成到真人佩戴的VR/AR終端上。這一問題，可以通過在某些工廠（對于某種Wi-Fi頻段敏感）使用限定頻段和數(shù)量的定制Wi-Fi AP來解決（這樣，經(jīng)過細致的無線規(guī)劃，Wi-Fi AP采用專門限定的無線頻段，可避免對該工廠的設備及傳感器造成無線干擾），以便支持寬帶用戶上行無線數(shù)據(jù)傳輸。這樣處理之后，我們可以使用頻段和數(shù)量受限的Wi-Fi AP 和VLC系統(tǒng)相配合，設計出半雙工VLC解決方案，在盡量利用下行的VLC技術的高帶寬、不占用無線頻段優(yōu)勢的同時，使用Wi-Fi作為上行鏈路。

半雙工PON-VLC解決方案的網(wǎng)絡架構如圖3所示。每位工業(yè)元宇宙用戶各配備一只集成了VLC接收器的VR/AR終端，安裝有VLC光源的從ONU布設在用戶頭部的上方。這樣，大數(shù)據(jù)量的下行傳輸就由VLC來承載，少量的上行數(shù)據(jù)由Wi-Fi AP來承載。

圖3 支持半雙工可見光通信的工業(yè)元宇宙解決方案示意圖

大數(shù)據(jù)量的下行傳輸就由VLC來承載，少量的上行數(shù)據(jù)由Wi-Fi AP來承載。

3.3 電力線通信+可見光通信解決方案

PLC（Power Line Commu nication）即電力線通信，利用電力線進行數(shù)據(jù)信號傳輸。IEEE吸收了Homeplug AV等相關技術規(guī)范，于2010年公布IEEE 1901標準后，又面向智能電網(wǎng)應用制定了IEEE1901.2標準，于2013年發(fā)布。ITU-T也于2011年11月發(fā)布了家用PLC的物理層標準G.9960，于2013年7月修訂完畢數(shù)據(jù)層標準G.9961。而IEEE1901制定的系統(tǒng)間協(xié)議（ISP）用以保證IEEE1901以及ITU-T G.hn等不同電力線技術的共存。由于所有用于照明的VLC光源均與電力線相連，因此VLC與PLC相組合進行組網(wǎng)通信的應用場景是非常靈活的。

本文認為，針對一些典型工業(yè)場景，如大型金屬容器內部通信、管道內部通信、以金屬隔艙為主的船舶艙室通信，都可以考慮采用電力線通信+可見光通信的解決方案。比如，一些高難的焊接操作，如仰焊、特種鋼材焊接，需要長期的經(jīng)驗和高超的技巧。如果電焊工的面罩上能夠集成進VR眼鏡的功能，就可以讓電焊工更容易地隨時掌握焊接操作的時機。而在大型金屬容器以及金屬隔艙內部加工要用到VR仰焊操作時，Wi-Fi等各種無線信號均無法穿透金屬容器或金屬艙壁，而且其內部空間狹小，施工期間難以進行低成本的網(wǎng)絡部署，這個時候，只要大型金屬容器以及金屬隔艙內部能夠拉進去一根電線，就可以在實現(xiàn)照明的同時，支持終端無線纜束縛的VLC寬帶通信，一舉兩得。

多臺VLC設備（均內置VLC收發(fā)器）可以在一個空間（房間）內使用一個或多個VLC光源。而VLC光源均使用PLC電力線經(jīng)PLC設備與內、外網(wǎng)進行寬帶通信。如圖4所示。

圖4 電力線通信+可見光通信解決方案示意圖

3.4 水下可見光通信解決方案

隨著各種水下勘探、水下鉆井采礦、大型水下工程的興起，各種水下專用元宇宙設備成為研究熱點，如可以減少氣泡和渾濁海水影響的AR眼鏡，而上述這些工程和設備都要求進行水下寬帶通信。

人們發(fā)現(xiàn)海水對波長450nm～530nm內（處于可見光的頻段中）的藍綠激光的衰減比對其他光波段的衰減要小很多，人們就此進行了飛機與潛艇間的雙工激光通信，證實了藍綠激光水下通信的可行性（最大穿透深度約600米）。

在衛(wèi)星、船載6G基站、船載6G D2D無人機的支持下，可以在廣闊海域與6G潛航器進行藍綠激光水下通信，為6G潛航器進行寬帶通信保障。如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星+船載6G基站的可見光水下通信方案示意圖

3.5 可見光通信及定位一體化系統(tǒng)

近年來，人們發(fā)現(xiàn)可以將VLC技術和定位技術結合起來，構成VLCP系統(tǒng)，用一套系統(tǒng)同時實現(xiàn)照明、無線通信和定位。在2014年，如圖6所示的名為Epsilon的VLCP系統(tǒng)及其系統(tǒng)架構被公開。該系統(tǒng)在慣性測量單元感應模塊的支持下進行RSS（Received Signal Strength，接收信號強度）測量，定位精度小于1米。2022年，Chen等在4用戶的實時VLCP-CDMA系統(tǒng)中可以達到1.8×10-3的誤碼率和1.50cm的定位精度。2023年，在王瑋等披露的系統(tǒng)中，包括4個發(fā)射光功率為10W的LED光源（3個燈發(fā)送定位信號，1個燈發(fā)送通信信息）和1個多PD（PhotoDiode，光電二極管）結構的接收端。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)在1.5m×1.5m×1.5m的室內環(huán)境中有效區(qū)域的平均定位誤差保持在3cm左右。

圖6 Epsilon可見光通信及定位系統(tǒng)的架構圖

顯然，高定位精度的可見光通信及定位一體化系統(tǒng)在工業(yè)元宇宙中有廣闊的應用前景，如工廠中常見的龍門吊、橋式吊、行吊等各種起重機械的行程監(jiān)控、物流及物料交付監(jiān)測、生產(chǎn)線運行監(jiān)測、機器人遠程控制及定位、無人車遠程控制及定位等等。而且，用一套VLCP系統(tǒng)同時實現(xiàn)照明、無線通信和定位（厘米級），其性價比是相當高的。

4 結束語

工業(yè)元宇宙帶來了全場景和數(shù)實融合應用，極大地提升了工業(yè)價值創(chuàng)造，將重構數(shù)字工業(yè)發(fā)展新生態(tài)。但是，工業(yè)元宇宙業(yè)務對寬帶網(wǎng)絡帶來了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，工業(yè)元宇宙對通信網(wǎng)絡的性能有嚴苛要求；另外一方面，在很多工廠環(huán)境中，由于種種原因無法使用或限制使用5G/6G、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等通用無線通信技術。針對上述情況，本文提出，可以在PON通信架構的基礎上增加支持可見光通信模塊的新型ONU，以此來實現(xiàn)復雜工業(yè)環(huán)境下超寬帶無線纜束縛的終端的超高帶寬通信連接，并且可見光通信還可以實現(xiàn)水下寬帶通信。在工廠環(huán)境中，還可以部署厘米級定位精度的可見光通信定位一體化系統(tǒng)，有望為工業(yè)元宇宙業(yè)務提供有力的支撐。■