□ 文 吳忠勝 王 楠

0 引言

元宇宙基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系。元宇宙的發(fā)展熱潮在全球范圍內(nèi)引起了巨大的反響、持續(xù)的關(guān)注和巨額的資金投入。其中，越來(lái)越多的人在思考元宇宙對(duì)于工業(yè)的影響。怎樣構(gòu)建工業(yè)元宇宙所需的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施成為研究熱點(diǎn)?？梢?jiàn)光通信具有傳輸速率高、無(wú)需授權(quán)的豐富頻譜、無(wú)射頻輻射、綠色、安全、可進(jìn)行水下通信等優(yōu)勢(shì)，是6G候選技術(shù)之一。本文針對(duì)復(fù)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(jiàn)光通信在工業(yè)元宇宙中的應(yīng)用及解決方案。

工業(yè)元宇宙通過(guò)融合虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界，進(jìn)行工業(yè)的改進(jìn)與優(yōu)化、提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)降本增效。

1 工業(yè)元宇宙簡(jiǎn)述及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求

1.1 工業(yè)元宇宙概述

元宇宙基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)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(dòng)計(jì)劃（2022-2025）》中的描述，工業(yè)元宇宙是指：工業(yè)領(lǐng)域中“人、虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間”虛實(shí)映射、交互、融合、以虛促實(shí)、以虛強(qiáng)實(shí)的工業(yè)全要素鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈（三鏈）智慧、協(xié)同、開(kāi)放、服務(wù)、互聯(lián)的復(fù)雜數(shù)字工業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。換言之，工業(yè)元宇宙是元宇宙在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際落地應(yīng)用，是目前3D設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)的發(fā)展優(yōu)化乃至升級(jí)并有機(jī)大集成。

工業(yè)元宇宙通過(guò)融合虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界，進(jìn)行工業(yè)的改進(jìn)與優(yōu)化、提高生產(chǎn)效率、實(shí)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(shí)現(xiàn)制造業(yè)等行業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的互聯(lián)互通，進(jìn)而不斷催生出新業(yè)態(tài)、新模式和新應(yīng)用，相關(guān)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(shí)代和技術(shù)發(fā)展的紅利。根據(jù)TrendForce（集邦咨詢）的預(yù)測(cè)，工業(yè)元宇宙將推動(dòng)全球智能制造市場(chǎng)在2025年達(dá)到5400億美元的巨大規(guī)模，2021年至2025年之間的復(fù)合成長(zhǎng)率有望達(dá)到約15%。而工業(yè)元宇宙所帶動(dòng)的5G/6G、光網(wǎng)絡(luò)、VR/AR等相關(guān)市場(chǎng)的總規(guī)模更是高達(dá)萬(wàn)億美元以上。有鑒于此，各國(guó)、各地政府紛紛出臺(tái)大力扶植工業(yè)元宇宙的政策措施，以工業(yè)元宇宙為導(dǎo)向，鼓勵(lì)各地的企業(yè)積極實(shí)現(xiàn)工業(yè)元宇宙應(yīng)用的落地實(shí)踐。

1.2 工業(yè)元宇宙對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)苛要求

動(dòng)態(tài)全真三維元宇宙應(yīng)用經(jīng)常需要同時(shí)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(jìn)行隨時(shí)切換，還要以極低的時(shí)延進(jìn)行各種元宇宙場(chǎng)景的沉浸式交互，這些特性會(huì)給用戶的網(wǎng)絡(luò)帶寬造成巨大壓力。再加上工業(yè)元宇宙場(chǎng)景下各種業(yè)務(wù)的“零等待、零卡頓、零故障”的嚴(yán)苛要求，只有性能卓越的超寬帶網(wǎng)絡(luò)才能滿足工業(yè)用戶使用元宇宙業(yè)務(wù)的需求。

網(wǎng)絡(luò)帶寬及穩(wěn)定性。由于元宇宙業(yè)務(wù)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(kāi)展元宇宙業(yè)務(wù)及應(yīng)用。而對(duì)于流水線作業(yè)且涉及高精加工的工業(yè)元宇宙而言，對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求也是非常高的。

網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。在現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)線流水化作業(yè)場(chǎng)景下，“低時(shí)延”是開(kāi)展工業(yè)元宇宙業(yè)務(wù)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(shí)時(shí)上傳其所采集到的各種信息。因此，開(kāi)展工業(yè)元宇宙業(yè)務(wù)至少需要達(dá)到小于等于10ms的交互延時(shí)。

對(duì)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。就工業(yè)環(huán)境而言，各種電子電氣設(shè)備會(huì)發(fā)出電磁噪聲、無(wú)線電波，甚至還存在一些易燃、易爆的工業(yè)場(chǎng)合。需要在復(fù)雜的金屬艙室環(huán)境或者大型金屬容器內(nèi)部進(jìn)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(luò)增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。

2 可見(jiàn)光通信用于工業(yè)元宇宙的優(yōu)勢(shì)分析

VLC（Visible Light Commu nication，VLC 技術(shù)）是以可見(jiàn)光為傳輸載體完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N技術(shù)。V LC利用LED 燈在發(fā)光的同時(shí)發(fā)出肉眼無(wú)法察覺(jué)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(fù)出與發(fā)端一樣的數(shù)據(jù)信息，從而在進(jìn)行照明的同時(shí)完成無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。目前，VLC 數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了11Gbit/s，且具有無(wú)需授權(quán)的豐富頻譜、無(wú)射頻輻射、超高寬帶、難以竊取信號(hào)、低功耗等優(yōu)勢(shì)。值得一提的是，敏感電子設(shè)備不受VLC 的影響，VLC不會(huì)對(duì)工廠中常用的無(wú)線D2D通信（Device-To-Device，設(shè)備間通信）、物聯(lián)網(wǎng)通信和車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信造成干擾。接下來(lái)探討VLC 技術(shù)如何與元宇宙技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于復(fù)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(dòng)的、無(wú)線纜連接的（如，佩戴攝像及實(shí)時(shí)通信設(shè)備的生產(chǎn)線巡查人員、工業(yè)機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、無(wú)人車(chē)等），同時(shí)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(wú)法使用或限制使用5G/6G、Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等常用無(wú)線通信技術(shù)。而且，某些工業(yè)操作是在水下進(jìn)行，水下無(wú)法使用無(wú)線通信技術(shù)。

其次，支持可見(jiàn)光通信的設(shè)備非常易于和xPON接入設(shè)備實(shí)現(xiàn)異構(gòu)組網(wǎng)，而且這種異構(gòu)組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)部署非常簡(jiǎn)單。目前，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者都開(kāi)展了可見(jiàn)光通信與PON 技術(shù)相結(jié)合的研究，并稱之為PON-VLC 技術(shù)。在Kumari等發(fā)表的有關(guān)PON-VLC 技術(shù)的綜述文章中，提煉出了如圖1所示的共性PON-VLC 架構(gòu)。這意味著，VLC 設(shè)備非常容易和工廠中現(xiàn)有的xPON接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

圖1 PON-VLC系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖

再者，采用VLC可以實(shí)現(xiàn)水下寬帶通信（請(qǐng)見(jiàn)本文3.4小節(jié)）。

最后，可見(jiàn)光通信定位一體化（VLCP, Visible Light Communi cation Positioning）技術(shù)是未來(lái)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。VLC和VLP（Visible Light Positioning，可見(jiàn)光定位）系統(tǒng)具有類(lèi)似的物理層結(jié)構(gòu)，將通信和定位功能相融合，構(gòu)建在同一物理架構(gòu)上，可有效降低系統(tǒng)部署成本。而且，采用正交頻分復(fù)用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)可將不同的頻譜資源分別分配給VLC和VLP系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和定位功能。VLCP具有定位精度高（厘米級(jí)）、無(wú)電波輻射、設(shè)備體積小、安裝簡(jiǎn)便、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于在工廠環(huán)境中用于物料、設(shè)備和人員定位。在未來(lái)工業(yè)元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明、通信和定位功能的VLCP技術(shù)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(fù)雜工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)線纜束縛寬帶網(wǎng)絡(luò)通信的VLC 技術(shù)可以給工業(yè)用戶提供高性價(jià)比、寬廣環(huán)境適應(yīng)性的無(wú)線纜束縛的寬帶解決方案。

在未來(lái)工業(yè)元宇宙的應(yīng)用場(chǎng)景下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明、通信和定位功能的VLCP技術(shù)必將大受歡迎。

3 與可見(jiàn)光通信相結(jié)合的工業(yè)元宇宙解決方案

本章介紹了幾種與VLC相結(jié)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(dòng)用戶）；電力線通信+可見(jiàn)光通信解決方案；水下可見(jiàn)光通信解決方案；可見(jiàn)光通信及定位一體化系統(tǒng)（用一套系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明、無(wú)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(jiàn)光通信的PON-VLC解決方案。采用上述支持全雙工可見(jiàn)光通信模塊的新型ONU實(shí)現(xiàn)了POL（Passive Optical LAN，無(wú)源光局域網(wǎng)）和全雙工VLC的異構(gòu)組網(wǎng)，完美地實(shí)現(xiàn)超寬帶無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)和超寬帶終端（如極清視頻攝像機(jī)、極清視頻VR/AR終端）的高效橋接。

圖2 支持全雙工可見(jiàn)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(jiàn)的無(wú)線D2D通信。實(shí)際上，在工廠環(huán)境中，一些設(shè)備（如工業(yè)級(jí)極清或超清攝像機(jī)、帶攝像頭和傳感器的工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人物流車(chē)、無(wú)人巡檢車(chē)）的位置是相對(duì)固定的，或者是沿著生產(chǎn)線的導(dǎo)軌、巡邏路線做來(lái)回運(yùn)動(dòng)，這些設(shè)備有足夠的電力供應(yīng)，也不像人一樣強(qiáng)調(diào)無(wú)線纜束縛的、輕便的通信終端佩戴體驗(yàn)。所以，我們完全可以給這些設(shè)備安裝支持全雙工可見(jiàn)光通信的通信終端。

由于采用了全雙工的可見(jiàn)光通信傳輸，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10Gbit/s的上下行傳輸速率以及低于10ms的網(wǎng)絡(luò)延遲。而且，支持全雙工VLC的終端非常易于和xPON接入設(shè)備進(jìn)行異構(gòu)組網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)部署非常簡(jiǎn)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(yàn)，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(wèn)題，可以通過(guò)在某些工廠（對(duì)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(lái)解決（這樣，經(jīng)過(guò)細(xì)致的無(wú)線規(guī)劃，Wi-Fi AP采用專門(mén)限定的無(wú)線頻段，可避免對(duì)該工廠的設(shè)備及傳感器造成無(wú)線干擾），以便支持寬帶用戶上行無(wú)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(shè)計(jì)出半雙工VLC解決方案，在盡量利用下行的VLC技術(shù)的高帶寬、不占用無(wú)線頻段優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，使用Wi-Fi作為上行鏈路。

半雙工PON-VLC解決方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(shè)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(lái)承載，少量的上行數(shù)據(jù)由Wi-Fi AP來(lái)承載。

圖3 支持半雙工可見(jiàn)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(lái)承載，少量的上行數(shù)據(jù)由Wi-Fi AP來(lái)承載。

3.3 電力線通信+可見(jiàn)光通信解決方案

PLC（Power Line Commu nication）即電力線通信，利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。IEEE吸收了Homeplug AV等相關(guān)技術(shù)規(guī)范，于2010年公布IEEE 1901標(biāo)準(zhǔn)后，又面向智能電網(wǎng)應(yīng)用制定了IEEE1901.2標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)G.9960，于2013年7月修訂完畢數(shù)據(jù)層標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(jìn)行組網(wǎng)通信的應(yīng)用場(chǎng)景是非常靈活的。

本文認(rèn)為，針對(duì)一些典型工業(yè)場(chǎng)景，如大型金屬容器內(nèi)部通信、管道內(nèi)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(jiàn)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(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)和高超的技巧。如果電焊工的面罩上能夠集成進(jìn)VR眼鏡的功能，就可以讓電焊工更容易地隨時(shí)掌握焊接操作的時(shí)機(jī)。而在大型金屬容器以及金屬隔艙內(nèi)部加工要用到VR仰焊操作時(shí)，Wi-Fi等各種無(wú)線信號(hào)均無(wú)法穿透金屬容器或金屬艙壁，而且其內(nèi)部空間狹小，施工期間難以進(jìn)行低成本的網(wǎng)絡(luò)部署，這個(gè)時(shí)候，只要大型金屬容器以及金屬隔艙內(nèi)部能夠拉進(jìn)去一根電線，就可以在實(shí)現(xiàn)照明的同時(shí)，支持終端無(wú)線纜束縛的VLC寬帶通信，一舉兩得。

多臺(tái)VLC設(shè)備（均內(nèi)置VLC收發(fā)器）可以在一個(gè)空間（房間）內(nèi)使用一個(gè)或多個(gè)VLC光源。而VLC光源均使用PLC電力線經(jīng)PLC設(shè)備與內(nèi)、外網(wǎng)進(jìn)行寬帶通信。如圖4所示。

圖4 電力線通信+可見(jiàn)光通信解決方案示意圖

3.4 水下可見(jiàn)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(shè)備成為研究熱點(diǎn)，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(shè)備都要求進(jìn)行水下寬帶通信。

人們發(fā)現(xiàn)海水對(duì)波長(zhǎng)450nm～530nm內(nèi)（處于可見(jiàn)光的頻段中）的藍(lán)綠激光的衰減比對(duì)其他光波段的衰減要小很多，人們就此進(jìn)行了飛機(jī)與潛艇間的雙工激光通信，證實(shí)了藍(lán)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(wú)人機(jī)的支持下，可以在廣闊海域與6G潛航器進(jìn)行藍(lán)綠激光水下通信，為6G潛航器進(jìn)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(jiàn)光水下通信方案示意圖

3.5 可見(jiàn)光通信及定位一體化系統(tǒng)

近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)可以將VLC技術(shù)和定位技術(shù)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成VLCP系統(tǒng)，用一套系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明、無(wú)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(gòu)被公開(kāi)。該系統(tǒng)在慣性測(cè)量單元感應(yīng)模塊的支持下進(jìn)行RSS（Received Signal Strength，接收信號(hào)強(qiáng)度）測(cè)量，定位精度小于1米。2022年，Chen等在4用戶的實(shí)時(shí)VLCP-CDMA系統(tǒng)中可以達(dá)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(gè)發(fā)射光功率為10W的LED光源（3個(gè)燈發(fā)送定位信號(hào)，1個(gè)燈發(fā)送通信信息）和1個(gè)多PD（PhotoDiode，光電二極管）結(jié)構(gòu)的接收端。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在1.5m×1.5m×1.5m的室內(nèi)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(jiàn)光通信及定位系統(tǒng)的架構(gòu)圖

顯然，高定位精度的可見(jiàn)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(yīng)用前景，如工廠中常見(jiàn)的龍門(mén)吊、橋式吊、行吊等各種起重機(jī)械的行程監(jiān)控、物流及物料交付監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)線運(yùn)行監(jiān)測(cè)、機(jī)器人遠(yuǎn)程控制及定位、無(wú)人車(chē)遠(yuǎn)程控制及定位等等。而且，用一套VLCP系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明、無(wú)線通信和定位（厘米級(jí)），其性價(jià)比是相當(dāng)高的。

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)元宇宙帶來(lái)了全場(chǎng)景和數(shù)實(shí)融合應(yīng)用，極大地提升了工業(yè)價(jià)值創(chuàng)造，將重構(gòu)數(shù)字工業(yè)發(fā)展新生態(tài)。但是，工業(yè)元宇宙業(yè)務(wù)對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，工業(yè)元宇宙對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的性能有嚴(yán)苛要求；另外一方面，在很多工廠環(huán)境中，由于種種原因無(wú)法使用或限制使用5G/6G、Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等通用無(wú)線通信技術(shù)。針對(duì)上述情況，本文提出，可以在PON通信架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加支持可見(jiàn)光通信模塊的新型ONU，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下超寬帶無(wú)線纜束縛的終端的超高帶寬通信連接，并且可見(jiàn)光通信還可以實(shí)現(xiàn)水下寬帶通信。在工廠環(huán)境中，還可以部署厘米級(jí)定位精度的可見(jiàn)光通信定位一體化系統(tǒng)，有望為工業(yè)元宇宙業(yè)務(wù)提供有力的支撐?！?/p>