结合射频系统和多个VLC的混合通信方法

王俊珺

(河南牧业经济学院信息与电子工程学院,河南 郑州 450044)

0 引 言

随着全球对无线数据需求呈指数级增长，研究人员提出异构网络(HetNets)技术来满足需求[1]。HetNets技术的关键之一是可见光通信(VLC，Visible Light Communication)。VLC技术将传统照明设施转变为高速接入点，利用未调节的光谱进行无线通信，提供照明和通信双重功能。VLC技术具有明显优势：无需频谱许可、高物理链路安全、无射频(Radio Frequency, RF)干扰、高速通信、可用于室内定位等[2-3]。然而，由于LED光源限制在较小区域，并且光束容易受到阻塞，所以VLC技术的空间吞吐量会出现波动，尤其在室内环境[4-5]。

RF系统可以无处不在地支持中等数据传输速率，避免了小区间干扰[6-7]。通过混合部署VLC和RF系统可以实现更大范围的信号覆盖，提供更好的数据速率性能和用户体验[8-10]。而且，VLC系统能够承载大部分数据流量，在提供照明和通信的同时，不会对其他RF系统造成干扰，这些优势在医院等电辐射场所显得特别重要。基于VLC系统的特性，本文以VLC技术为主，以RF技术为辅，分析并设计覆盖大型室内区域的混合VLC和RF系统(Hybrid Visible Light and Radio Frequency, HVLRF)。本文的主要工作总结如下：1)全面分析独立VLC系统的各用户数据速率中断性能，提出独立VLC系统存在的问题；2)设计一种室内HVLRF模型，以提高独立VLC网络的覆盖范围；3)模拟提出的HVLRF系统的关键参数，并设计分析框架和参数评估方法。

1 系统模型

为解决VLC系统通信阻塞问题，提出一种可覆盖大型室内空间的VLC和RF混合通信系统(HVLRF)，其通信系统效果图如图1所示。该系统由nV个VLC接入点和nR个RF接入点组成。活跃用户均匀分布在覆盖区域，由VLC接入点提供服务。这些用户服从λu=c/A0的泊松分布，其中c为覆盖区域中活跃用户的平均数，A0为覆盖区域的面积。因此，用户形成强度为λu的空间泊松点过程。系统中，每个VLC接入点包含多个LED灯，每个用户由最强信道增益的单个VLC 接入点提供服务，且所有VLC接入点使用相同的带宽。由于VLC接入点存在小区间干扰(Inter Cell Interference, ICI)，因此使用毫米波RF系统进行扩充，创建一个两层/多层网络。为了减小最小访问距离，降低链路中断概率，本文将多个全向发射天线的RF接入点引入到VLC系统。同时为了避免RF接入点之间的严重干扰，整个RF系统具有固定频谱BR和功率预算PR，且每个RF接入点分配不重叠的频谱。

VLC和RF系统的控制通过中央单元(Central Unit,CU)。为了给予VLC网络优先权，CU首先通过VLC系统检测特定用户的数据速率或信号噪声干扰比(SINR)，如果SINR或数据速率低于给定阈值，则该特定用户被迁移到RF系统。

图1 大型室内HVLRF系统

由于实际环境的复杂性，RF接入点并不能均匀放置，因此本文考虑CU，根据瞬时流量需求将频谱和功率动态分给不同RF接入点。如果第i个RF接入点在特定时间具有比第j个接入点更多的用户数量，则CU为第i个RF接入点分配更多的频谱和功率。该部署需要RF接入点之间进行某种形式的带外通信。本文通过量化RF系统的频谱和功率资源要求来改善每个用户数据速率的中断性能。下面对VLC系统和RF系统进行简要介绍。

1.1 VLC系统

在VLC系统中，为避免信道拥堵，需对其光信道进行增益处理，以提高信道的信号传输能力，其光信道增益如公式(1)所示[11]：

(1)

信号与干扰加噪声比 (Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)是指接收到有用信号强度与接收到干扰信号(噪声和干扰)强度的比值，在单一VLC系统中，信道增益后SINR定义如公式(2)所示。

(2)

式中，k是接收机的光电转换效率；PV和BV分别是VLC接入点的传输光功率和调制带宽；N0是噪声功率谱密度；H0是用户和最近接入点间的信道增益；Hk是用户和第k个干扰接入点间的信道增益。表示平均透射光功率PV。

当每个VLC 接入点对应N个用户，假设系统使用TDMA用于多个接入，则用户可实现的速率如公式(3)所示。

(3)

图2给出nV=20时，VLC系统的各用户数据速率累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)，其覆盖区域为40m×40m×3.5m。 由于光的传播特性，单个VLC接入点的覆盖区域可能很小。小区间干扰和有限覆盖会降低VLC网络中每个用户数据速率的空间分布。如果VLC系统平均有35个用户，则40%用户的吞吐量会低于30 Mbps。对于70位用户情况，61%用户会低于30 Mbps。平均速率和50%中断速率随着用户密度的增加而稳步下降，如图3所示。

图2 VLC系统用户数据速率累积分布函数

图3 VLC系统用户平均速率和中断性能曲线

1.2 RF系统

本文考虑60 GHz范围的宽带RF系统。在毫米波频谱中，传输信号的散射分量非常弱，可以忽略不计。假定采用带宽BR、发送功率PR的OFDM，从RF接入点到用户的第n个子信道的复信道增益如公式(4)所示。

(4)

RF系统中用户可利用速率如公式(5)所示。

(5)

式中，UR是RF系统中的用户总数。信道传递函数H如公式(6)所示。

(6)

式中，Hd为直接路径衰落信道；散射路径衰落信道Hs为零均值单位方差复高斯随机变量；K表示室内毫米波链路的莱斯因子。

2 HVLRF系统设计

在分析单一的可见光通信系统与射频系统后，将射频系统引入到可见光系统，构建混合的HVLRF系统。本节使用蒙特卡罗模拟评估HVLRF系统的各用户速率性能。CU以固定的时间间隔检测VLC系统，并且将数据速率低于ΓT的用户迁移到RF系统。速率阈值ΓT根据实际系统进行优化设计，本部分设置ΓT=30 Mbps。模拟包括以下情景。

情景1：考虑平均加载35个用户的系统，用户均匀分布在覆盖区域。结果如图4所示，只利用VLC系统时，可以提供50 Mbps的平均用户数据速率，但40%的用户可能会遇到30 Mbps或更低的数据速率。HVLRF系统在原来VLC系统增加nR=10个RF接入点，如图1所示。为了说明频谱与功率间的权衡，考虑不同组合。结果如图4所示，BR=20 MHz和PR=1 W的HVLRF系统的用户中断概率降低到21%。通过进一步增加频谱或发射功率，可以进一步降低中断概率；当BR=30 MHz和PR=1 W时，所有用户的速率均大于30 Mbps。

图4 35个用户时VLC系统和HVLRF系统的CDF性能

情景2：对情形1进行扩展，考虑平均加载70个用户的系统。在这种情况下，由于用户密度的提高，nV=20的原始VLC系统的用户速率性能显著下降，如图5所示，61%用户会遭受低于30 Mbps的数据速率。HVLRF系统增加10个RF接入点，并比较不同BR 和PR情况时的性能，可以看出，当BR=60 MHz、PR=2 W时，中断概率降低到19%。与情景1比较可以看出，随着用户数量的增加，资源需求明显提高。

图5 70个用户时VLC系统和HVLRF系统的CDF性能

情景3：HVLRF系统不仅能够提高用户信号中断性能，同时可以解决链路阻塞问题。如图6所示，当信道存在概率为0.5的阻塞时，VLC系统严重受到阻塞问题的影响。HVLRF系统引入10个BR=30 MHz和PR=1 W的RF接入点，阻塞问题得到很好解决。而且对于HVLRF系统，有无阻塞对性能的影响可以忽略不计。

图6 VLC系统与HVLRF系统阻塞问题性能

3 参数计算

第4小节利用蒙特卡罗模拟分析HVLRF系统，说明其能够实现速率与可靠性要求，但具体参数需要优化。

为了便于分析，假定VLC和RF接入点和用户的位置均服从均匀强度为λV、λR、λu的随机泊松点过程(Random Poisson Point Process,RPPP)[12]。对于混合VLC系统和RF系统部署，该种网络分布模型的中断性能为其他实际网格分布中断性能的上限[13]。因此，研究该随机混合网络具有重要意义。

本文VLC和RF的AP数量和位置可被视为动态。这个假设主要有两个原因，1)如果覆盖范围内没有用户，则AP不传输。因此，网络中的活动AP数量会频繁变化；2)在这里不考虑非视距通信，因此用户所需和干扰的AP数量和位置会根据覆盖区域中的障碍物和人的行为而频繁改变。因此，将完全随机网络获得的性能结果扩展到实际部署是合理的。

3.1 随机VLC网络

该部分研究独立VLC网络的用户速率覆盖率。如果用户的PD直接面向上，则辐照角和入射角相等，SINR如公式(7)所示。

2.5 两组护理满意度比较 观察组护理满意度为(94.33±10.60)分，对照组(89.46±10.19)分，两组比较差异有统计学意义(t=2.068，P<0.05)。

(7)

通信网络的用户数据速率取决于SINR捕获的邻近效应和网络拥塞情况。公式(3)给出VLC系统的用户数据速率，其中N是VLC接入点相关联的用户总数。在RPPP的VLC系统中，N的概率质量函数[14]如公式(8)所示。

(8)

式中，ζ0和ζ1为经验评估的辅助参数。仿真结果表明，当λu= 60、λv= 20时，ζ0= 5.6、ζ1= 8.2。

用户的中断概率OV(x)可以使用总概率定律得出，如公式(9)所示。

OV(x)=Pr(ΓV≤x)=

(9)

为了解决VLC系统用户的中断性能问题，本文引入RF系统。假设VLC系统的参数固定，研究RF系统如何影响混合系统的整体用户性能，尤其BR和PR对原始VLC系统各用户中断性能的影响。

3.2 随机RF网络

该部分研究独立RF网络的用户速率覆盖范围，假定所有用户均由RF系统服务。RF系统中用户所利用的速率如公式(5)所示。则相应的SINR如公式(10)所示。

(10)

根据公式(6)，公式(10)可转换为：

(11)

SINR的累积分布函数FR(x)=Pr(SINR≤x)如公式(12)所示。

(12)

式中，γ()表示低阶不完整的伽玛函数；其中，w=(K2+2K+1)/(2K+1)，a=1/(eσ^2-1)，b=e(3σ^2)/2-e(σ^2)/2，σ=ln100.18。

对于RPPP的RF网络，用户速率中断概率OR(x)近似如公式(13)所示。

(13)

3.3 随机HVLRF网络

本部分组合随机VLC和RF系统以量化随机HVLRF网络的用户速率中断性能。HVLRF系统假设由VLC系统服务的用户与物理上最接近的VLC接入点相关联；由RF系统服务的用户与物理上最接近的RF接入点相关联。

令Pr(AV)和Pr(AR)分别表示用户与VLC和RF系统相连的概率。假设由VLC网络实现的SINR下降到SINRT以下的用户由RF系统服务，则Pr(AR)=FV(SINRT)、Pr(AV)=1-FV(SINRT)。

HVLRF系统的用户速率中断概率OH(x)近似如公式(14)所示。

Pr(N=n))Pr(AV)

(14)

在优化了参数设置后，图7给出不同参数情况下，随机HVLRF系统对于用户速率性能的模拟和分析情况。系统A中BV=40 MHz，BR=20 MHz，PR=1 W，ΓT=30 Mbps，系统B中BV=40 MHz，BR=100 MHz，PR=1 W，ΓT=30 Mbps，系统C的BV=60 MHz，BR=120 MHz，PR=1 W，ΓT=50 Mbps。对于所有情况，λV=90/A0，λR=10/A0，λu=70/A0，表示在A0=40×40平方米的区域内平均有90个VLC接入点、10个RF接入点和70个用户。可以看出，分析结果与模拟结果曲线非常接近；用户中断率性能曲线并不平滑，行为表现复杂，而参数分析成功捕获该行为。系统A与系统B、系统C之间性能差异明显，原因是系统A的RF带宽明显低于系统B和系统C。系统C优于所有其他系统，因为其利用更丰富的VLC和RF系统资源。

图7 HVLRF系统的用户速率中断性能

4 结 语

本文研究的主要目标是设计混合VLC和RF系统——HVLRF系统，以保证每个用户的速率覆盖率。当网络具有一定数量的活动用户时，HVLRF系统应该能够保证用户的数据速率。首先，评估独立VLC系统的各用户速率覆盖；如果所需速率的中断性能低于规定，将RF系统引入VLC系统进行扩充，同时量化最小资源要求。由于随机HVLRF系统的中断性能为其他实际部署性能的上限，所以本文分析设计随机HVLRF系统框架，确定参数设置，以满足实际业务需求。

虽然随机混合网络的用户速率中断性能为各种部署的上限，但在实际应用中，节点部署会趋于固定。在固定部署中，总干扰明显低于随机部署，且各区域的用户数量也随着部署的特性而变化。因此，如何根据现实情况进一步自主优化通信资源，是下一步的研究重点。

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