DOI: https://doi.org/10.1109/tim.2026.3655932
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Sander Bastiaens وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الاتصالات الضوئية اللاسلكية
نظرة عامة
إن الطلب المتزايد على خدمات المواقع (LBS) يدفع التقدم في أنظمة تحديد المواقع الداخلية (IPS)، مما يتطلب تحسين معايير جودة خدمة تحديد المواقع (QPoS). يظهر تحديد المواقع بالضوء المرئي (VLP) كحل فعال من حيث التكلفة لتحقيق تحديد المواقع من السنتيمتر إلى الديسيمتر من خلال الاستفادة من البنية التحتية للإضاءة الحالية. ومع ذلك، فإن الأدبيات الحالية تركز بشكل أساسي على الدقة، مما يفتقر إلى مقارنة شاملة لمعايير QPoS عبر تقنيات تحديد المواقع المختلفة. تستعرض هذه الورقة VLP من منظور QPoS، مقترحة إطار عمل قابل للتكرار لتقييمات عادلة عبر الدراسات. تقيم أداء VLP مقارنة بتقنيات IPS الأخرى، مثل النطاق العريض للغاية (UWB) وWi-Fi/Bluetooth منخفض الطاقة (Wi-Fi/BLE)، كاشفة أن VLP يمكن أن يتطابق مع دقة UWB في ظل الظروف المثلى ولكنه محدد بالتطبيق.
على الرغم من إمكاناته، يواجه VLP عدة تحديات، بما في ذلك الحاجة إلى معايير QPoS موحدة، وأرضيات اختبار مرجعية، وبروتوكولات للتقييم المتسق. تحدد الورقة قيود الأجهزة، وتداخل الضوء المحيط، والحاجة إلى تقييمات متعددة المسارات واقعية كأمور حاسمة لمزيد من البحث. لتعزيز قابلية تطبيق VLP، يقترح المؤلفون استكشاف VLP غير المعدل، وتحسين تخطيط المرسل، ودمج الأنظمة الهجينة مع وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) أو تقنية 5G. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح تطوير الأسطح الذكية القابلة لإعادة التكوين (RIS) لتحسين متانة ودقة نشر VLP، مع معالجة متطلبات الكمون والموثوقية لتطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية المستقبلية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الأهمية المتزايدة لأنظمة تحديد المواقع الداخلية (IPSs) على مدار العقد الماضي، خاصة في البيئات التي تكون فيها أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية (GNSS) غير فعالة. تُستخدم IPSs بشكل متزايد عبر مختلف القطاعات، بما في ذلك الصناعة 4.0 لتتبع الأصول، والمباني الذكية لتحسين الطاقة، والصحة 4.0 لإدارة المرضى والمعدات، والزراعة 4.0 لمراقبة وتوجيه العمليات. على الرغم من إمكاناتها، لا يزال سوق تحديد المواقع الداخلية مجزأً بسبب قيود الأنظمة الحالية، التي غالبًا ما لا توفر جودة كافية لخدمات تحديد المواقع (QPoS) عند النظر في عوامل مثل الدقة، والمتانة، والتغطية، والكمون، وقابلية الصيانة.
تشير الورقة إلى أن تقنيات IPS المختلفة تظهر تنازلات بين التكلفة والدقة، حيث تعتبر Bluetooth منخفض الطاقة (BLE) وWi-Fi فعالة من حيث التكلفة ولكن أقل دقة، بينما تقدم أنظمة النطاق العريض للغاية (UWB) دقة أعلى بتكلفة أكبر. أدى عدم وجود حل قياسي عالمي إلى وجود أنظمة مختلفة جزئيًا متوافقة مصممة لتطبيقات محددة. تميز المقدمة أيضًا بين أنظمة IPS المعتمدة على الترددات الراديوية (RF) وأنظمة IPS المعتمدة على الضوء، مع التركيز بشكل خاص على أنظمة تحديد المواقع بالضوء المرئي (VLP) التي تستخدم أضواء LED المعدلة. يوفر VLP مزايا مثل دقة مكانية عالية وتكاليف نشر منخفضة، مما يجعله بديلاً واعدًا للأنظمة المعتمدة على RF. تهدف الورقة إلى سد الفجوة في الأدبيات الحالية من خلال مقارنة منهجية لـ VLP مع تقنيات IPS الأخرى من منظور شامل لـ QPoS. ستتناول الأقسام اللاحقة دقة VLP، والتحديات المرتبطة، ومعايير QPoS، ومجالات البحث الحالية، وآفاق المستقبل.
نقاش
في مناقشة أنظمة تحديد المواقع بالضوء المرئي (VLP)، تسلط الورقة الضوء على المشهد التنافسي لتقنيات تحديد المواقع الداخلية، بما في ذلك أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS)، وRFID، ومختلف تقنيات RF، كل منها مع أخطاء تحديد مواقع متميزة تصنف إلى دقة (مرتبطة بالضوضاء) ودقة (أخطاء منهجية). يُلاحظ أن VLP لديه القدرة على تحقيق دقة على مستوى السنتيمتر، متفوقًا بشكل كبير على العديد من نظرائه من RF. ومع ذلك، تتأثر دقة أنظمة VLP بعدة عوامل، بما في ذلك خصائص مرسلات الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، وتكوينات المستقبل (عادةً ما تكون ثنائيات ضوئية)، والخوارزميات المستخدمة في تحديد المواقع. تؤكد الورقة أنه بينما يمكن لأنظمة VLP التخفيف من مشاكل مثل الانعكاسات متعددة المسارات بسبب اعتمادها على الضوء، إلا أنها لا تزال تواجه تحديات من تداخل الضوء المحيط وتعقيدات البيئات الواقعية.
تستكشف القسم المزيد من أساليب تحديد المواقع VLP، مع التركيز بشكل أساسي على قوة الإشارة المستلمة (RSS)، وزاوية الوصول (AoA)، ووقت الوصول (ToA)، ووقت الفرق في الوصول (TDoA). تعتبر RSS الأكثر اعتمادًا نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة وبساطتها، على الرغم من أنها تخضع لقيود في الدقة، خاصة في النشر على نطاق واسع. تستعرض الورقة كل من النشر التجاري والأكاديمي، مشيرة إلى أنه بينما تدعي بعض الأنظمة التجارية دقة عالية، غالبًا ما تكشف البيانات التجريبية عن تناقضات عند اختبارها في الإعدادات العملية. على سبيل المثال، تشير النتائج التجريبية إلى أن دقة تحديد المواقع يمكن أن تتراوح من 10 سم إلى أكثر من 1 م، اعتمادًا على البيئة وتكوين النظام. تختتم المناقشة بتناول التحديات المحددة التي تواجه VLP في الإعدادات الصناعية، مثل المسافات الأكبر بين LEDs، وأنماط الإشعاع غير لامبرتية، والظروف الجوية السلبية، والتي تعيق مجتمعة تحقيق دقة تحديد المواقع العالية المطلوبة للتطبيقات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1109/tim.2026.3655932
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Sander Bastiaens et al.
Primary Topic: Optical Wireless Communication Technologies
Overview
The increasing demand for location-based services (LBS) is propelling advancements in indoor positioning systems (IPS), necessitating enhanced quality of positioning service (QPoS) standards. Visible light positioning (VLP) emerges as a cost-effective solution for achieving centimetre-to-decimetre localization by utilizing existing lighting infrastructure. However, the current literature primarily emphasizes accuracy, lacking a comprehensive QPoS comparison across various positioning technologies. This paper reviews VLP from a QPoS perspective, proposing a reproducible framework for fair cross-study evaluations. It assesses VLP’s performance against other IPS technologies, such as ultra-wideband (UWB) and Wi-Fi/Bluetooth Low Energy (Wi-Fi/BLE), revealing that VLP can match UWB accuracy under optimal conditions but is application-specific.
Despite its potential, VLP faces several challenges, including the need for standardized QPoS metrics, reference testbeds, and protocols for consistent evaluation. The paper identifies hardware limitations, ambient light interference, and the necessity for realistic multipath assessments as critical areas for further research. To enhance VLP’s applicability, the authors suggest exploring unmodulated VLP, optimizing transmitter planning, and integrating hybrid systems with inertial measurement units (IMUs) or 5G technology. Additionally, the development of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) is proposed to improve the robustness and accuracy of VLP deployments, addressing the latency and reliability demands of future industrial IoT applications.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing significance of indoor positioning systems (IPSs) over the past decade, particularly in environments where Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are ineffective. IPSs are increasingly utilized across various sectors, including Industry 4.0 for asset tracking, smart buildings for energy optimization, Health 4.0 for patient and equipment management, and Agriculture 4.0 for monitoring and guiding operations. Despite their potential, the indoor positioning market remains fragmented due to the limitations of existing systems, which often do not provide adequate Quality of Positioning Services (QPoS) when considering factors such as accuracy, robustness, coverage, latency, and maintainability.
The paper notes that different IPS technologies exhibit trade-offs between cost and accuracy, with Bluetooth Low Energy (BLE) and Wi-Fi being cost-effective but less accurate, while Ultra-Wideband (UWB) systems offer higher precision at a greater expense. The lack of a universal standard solution has resulted in a coexistence of various partially compatible systems tailored to specific applications. The introduction also distinguishes between radio-frequency (RF)-based and optical-based IPSs, with a particular focus on Visible Light Positioning (VLP) systems that utilize modulated LED lights. VLP offers advantages such as high spatial resolution and low deployment costs, making it a promising alternative to RF-based systems. The paper aims to fill the gap in existing literature by systematically comparing VLP against other IPS technologies from a comprehensive QPoS perspective. Subsequent sections will delve into VLP’s accuracy, associated challenges, QPoS metrics, current research areas, and future perspectives.
Discussion
In the discussion of visible light positioning (VLP) systems, the paper highlights the competitive landscape of indoor positioning technologies, including Inertial Navigation Systems (INS), RFID, and various RF technologies, each with distinct positioning errors categorized into precision (noise-related) and accuracy (systematic errors). VLP is noted for its potential to achieve centimeter-level accuracy, significantly outperforming many RF counterparts. However, the accuracy of VLP systems is influenced by several factors, including the characteristics of the light-emitting diode (LED) transmitters, the receiver configurations (commonly photodiodes), and the localization algorithms employed. The paper emphasizes that while VLP systems can mitigate issues like multipath reflections due to their reliance on light, they still face challenges from ambient light interference and the complexities of real-world environments.
The section further explores various VLP positioning approaches, primarily focusing on received signal strength (RSS), angle of arrival (AoA), time of arrival (ToA), and time difference of arrival (TDoA) methods. RSS is the most widely adopted due to its cost-effectiveness and simplicity, although it is subject to limitations in accuracy, especially in larger-scale deployments. The paper reviews both commercial and academic deployments, noting that while some commercial systems claim high accuracy, empirical data often reveal discrepancies when tested in practical settings. For instance, experimental results indicate that positioning accuracy can range from 10 cm to over 1 m, depending on the environment and system configuration. The discussion concludes by addressing the specific challenges faced by VLP in industrial settings, such as larger inter-LED distances, non-Lambertian radiation patterns, and adverse atmospheric conditions, which collectively hinder the realization of high-accuracy positioning required for industrial applications.