可見光通信系統(tǒng)微小區(qū)預(yù)切換算法的研究

洪文昕，李天嶼，陳建飛

(南京郵電大學(xué) a.電子與光學(xué)工程,微電子學(xué)院； b.通信與信息工程學(xué)院，南京 210023)

0 引 言

可見光通信(Visible Light Communication, VLC)技術(shù)為室內(nèi)無線通信系統(tǒng)提供了一種全新的接入方式，但由于室內(nèi)環(huán)境受限，引起通信覆蓋范圍重疊，終端切換頻繁的問題得到廣泛研究，而切換技術(shù)也是移動(dòng)通信系統(tǒng)中不可或缺的重要技術(shù)之一，它保證了終端在隨意移動(dòng)的過程中語音和數(shù)據(jù)通信不中斷[1-2]。

為解決室內(nèi)VLC高效切換的問題，首先需建模室內(nèi)的通信覆蓋情況，針對(duì)這一問題，成順利等人提出了一種白光發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)朗伯模型參數(shù)估計(jì)法，此方法可高效估計(jì)LED的朗伯模型參數(shù)和發(fā)射光功率[3]?；诖?，喬琪等人根據(jù)室內(nèi)VLC的光照布局模型，在照明、接收功率和信噪比的約束條件下實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端在同構(gòu)組網(wǎng)下的鏈路切換[4]。此外，還可通過異構(gòu)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)切換，Sewaiwar A等人提出雙向VLC的顏色單元概念，結(jié)合室內(nèi)超大型集成電路的綜合解決方案，實(shí)現(xiàn)了較大室內(nèi)環(huán)境下用戶移動(dòng)的通信鏈路切換[5]；Chen J等人為保證用戶可以靈活地連接到網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point, AP)，研究了AP分組、用戶關(guān)聯(lián)和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化，提出了一種基于圖的干擾管理(Interference Management，IM)算法，以提高切換的有效性[6]。

除了在發(fā)射端計(jì)算光功率來實(shí)現(xiàn)切換的方法外，也有學(xué)者研究了接收端在小區(qū)切換。Ryoo H等人提出一種差分檢測接收系統(tǒng)，可有效消除VLC小區(qū)間的干擾[7]；Chen C等人也提出并評(píng)估了一種廣義的角分集接收器(Angle Diversity Receiver, ADR)結(jié)構(gòu)，該 ADR可提高鏈路切換的可靠性[8]。

根據(jù)以上研究成果，本文提出一種基于室內(nèi)VLC系統(tǒng)的微小區(qū)預(yù)切換算法，采用基于時(shí)隙計(jì)算的預(yù)測切換算法，該算法可以提前預(yù)測終端即將切換的微小區(qū)。

1 室內(nèi)VLC系統(tǒng)模型

在室內(nèi)VLC系統(tǒng)中，常采用多個(gè)LED且呈一定規(guī)律的布局方案[9]。本文采用7個(gè)LEDs陣列的對(duì)稱布局方案，設(shè)定LED滿足朗伯輻射模型，并且房間的長寬高為10 m×10 m×3 m，其他參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖1所示為7個(gè)LEDs陣列的布局位置以及在高度為0.85 m水平面的光照度分布，根據(jù)光功率分布，將作為切換功率計(jì)算的參考。

圖1 LEDs陣列布局及光照度分布

在本文室內(nèi)VLC系統(tǒng)中，每個(gè)LEDs陣列視作一個(gè)AP，每個(gè)AP覆蓋一個(gè)通信微小區(qū)。終端正在接受某個(gè)AP提供的通信服務(wù)，因?yàn)榉?wù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)需要轉(zhuǎn)換接入到另一個(gè)AP，以接受更好的通信服務(wù)，并且在轉(zhuǎn)換過程中盡力保證通信服務(wù)不間斷。由于單個(gè)AP的覆蓋范圍較小，接收終端在房間內(nèi)隨意移動(dòng)時(shí)可能發(fā)生頻繁的鏈路切換，系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的切換開銷，因此研究室內(nèi)VLC系統(tǒng)的鏈路切換算法顯得十分必要。

2 基于時(shí)隙計(jì)算的預(yù)測切換算法

即可獲得移動(dòng)終端的位置坐標(biāo)(x,y,ht)。

2.1 探測時(shí)隙

在移動(dòng)終端向LEDs陣列發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù)中設(shè)定兩個(gè)探測時(shí)隙，并結(jié)合式(1)所示的到達(dá)時(shí)間差 (Time Difference of Arrival，TDOA) 定位法確定探測時(shí)隙處移動(dòng)終端的坐標(biāo)位置，進(jìn)而確定移動(dòng)終端在兩個(gè)時(shí)隙時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)距離和移動(dòng)方向，最終可以獲得移動(dòng)終端的移動(dòng)速度。具體而言，設(shè)移動(dòng)終端向LEDs陣列發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)中包含N個(gè)時(shí)隙，且第1和第3個(gè)時(shí)隙為探測時(shí)隙，圖2所示為幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖2 幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在傳輸一幀數(shù)據(jù)的過程中，利用TDOA定位法獲得探測時(shí)隙1和3處的終端位置坐標(biāo)pos1和pos3，并計(jì)算終端的速度矢量為v=(pos3-pos1)/2，其單位為米每時(shí)隙。其中，若|v|≠0，則終端為移動(dòng)狀態(tài)，可能發(fā)生鏈路切換；若v=0，則終端為靜止?fàn)顟B(tài)，無鏈路切換趨勢，因此繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 基于時(shí)隙計(jì)算的預(yù)測切換算法

從以上分析可知，若終端為移動(dòng)狀態(tài)，則可能發(fā)生鏈路切換，鏈路切換的成功與否將極大地影響通信服務(wù)質(zhì)量的好壞，因此本文提出一種基于時(shí)隙計(jì)算的預(yù)測切換算法，該算法能夠根據(jù)移動(dòng)終端的速度矢量v，對(duì)終端在當(dāng)前數(shù)據(jù)幀結(jié)束時(shí)是否發(fā)生鏈路切換進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而輔助LEDs陣列完成通信鏈路的提前切換工作。

具體而言，將相鄰LEDs陣列網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍重疊區(qū)域設(shè)定為預(yù)切換保護(hù)區(qū)域，預(yù)切換保護(hù)區(qū)域是預(yù)切換啟動(dòng)和執(zhí)行切換之間的區(qū)域，圖3中網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍重疊的錐形區(qū)域即為預(yù)切換保護(hù)區(qū)域。同時(shí)，在圖3中模擬了終端從位置1移動(dòng)至位置2，再移動(dòng)至位置3的運(yùn)動(dòng)過程，顯然，終端在運(yùn)動(dòng)過程中需要從LEDs陣列1切換至LEDs陣列2。因此，下面以圖3的終端模擬運(yùn)動(dòng)過程說明本節(jié)提出的基于時(shí)隙計(jì)算的預(yù)測切換算法。

圖3 預(yù)切換保護(hù)區(qū)域

終端從位置1移動(dòng)至位置2的過程中，終端進(jìn)入了預(yù)切換保護(hù)區(qū)域，可能即將發(fā)生鏈路切換，因此網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)該基于時(shí)隙計(jì)算的預(yù)測切換算法。網(wǎng)關(guān)對(duì)通信過程中的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以某一幀數(shù)據(jù)為例，通過2.1節(jié)的內(nèi)容可知該幀數(shù)據(jù)探測時(shí)隙3處的終端位置坐標(biāo)pos3和移動(dòng)終端的速度矢量v，因此可以預(yù)測該幀數(shù)據(jù)第N時(shí)隙處的終端位置posN，即該幀數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)的終端位置，計(jì)算公式如下：

之后，網(wǎng)關(guān)判斷終端位置posN是否超出預(yù)切換保護(hù)區(qū)域，若未超出保護(hù)區(qū)域或超出了保護(hù)區(qū)域，但終端位置posN仍處于LEDs陣列1的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，則不作處理；若終端位置posN超出保護(hù)區(qū)域，并且處于LEDs陣列2的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，則說明終端即將在某個(gè)時(shí)隙發(fā)生切換。當(dāng)終端移動(dòng)到與LEDs陣列1和陣列2等距的位置時(shí)，即為發(fā)生切換的位置，設(shè)發(fā)生切換的時(shí)隙為n，其計(jì)算公式為

式中：x1和y1為探測時(shí)隙1處獲得的坐標(biāo)位置；vx和vy分別為速度矢量v的橫向分量和縱向分量；xLED1和yLED1為LEDs陣列1的坐標(biāo)位置；xLED2和yLED2為LEDs陣列2的坐標(biāo)位置；N*為一幀數(shù)據(jù)中包含的時(shí)隙數(shù)。此后，網(wǎng)關(guān)在第n-2個(gè)時(shí)隙發(fā)起鏈路切換請(qǐng)求，進(jìn)行預(yù)切換處理。圖4所示為該算法的流程示意圖。

圖4 算法流程示意圖

3 仿真校驗(yàn)

本節(jié)針對(duì)基于時(shí)隙計(jì)算的預(yù)測切換算法提升室內(nèi)VLC系統(tǒng)切換性能的能力進(jìn)行仿真分析。

圖5所示為一幀數(shù)據(jù)包含不同數(shù)量的時(shí)隙時(shí)使用該算法的預(yù)測切換成功率。由圖可知，該算法在每幀數(shù)據(jù)包含20個(gè)時(shí)隙時(shí)，預(yù)切換成功率超過80%，并達(dá)到最高，驗(yàn)證了該算法的可行性。圖6所示為不同切換時(shí)延時(shí)，采用該算法能夠節(jié)約的切換時(shí)間。由圖可知，該算法在每幀數(shù)據(jù)包含20個(gè)時(shí)隙時(shí)，可為室內(nèi)VLC系統(tǒng)節(jié)約的切換時(shí)間最多。

圖5 預(yù)測切換成功率

圖6 切換節(jié)約時(shí)間

圖7所示為不同切換時(shí)延時(shí)，采用該算法為系統(tǒng)節(jié)約的切換時(shí)間占數(shù)據(jù)總傳輸時(shí)間的比例。由圖可知，該算法在每幀數(shù)據(jù)包含20個(gè)時(shí)隙時(shí)，切換節(jié)約時(shí)間占比最高，可以有效地降低室內(nèi)VLC系統(tǒng)的切換開銷，進(jìn)而驗(yàn)證了該算法的合理性和有效性。

圖7 切換節(jié)約時(shí)間占比

4 結(jié)束語

本文首先分析了室內(nèi)VLC系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并提出了一種預(yù)切換計(jì)算方法，利用LED朗伯輻射模型和TDOA定位法計(jì)算得到終端的具體位置和移動(dòng)速度矢量，并結(jié)合速度矢量對(duì)終端移動(dòng)位置做出預(yù)判斷，從而提前預(yù)測終端即將要切換到哪個(gè)微小區(qū)。仿真結(jié)果表明，該算法有較高的預(yù)測切換成功率，可以有效降低室內(nèi)VLC系統(tǒng)的切換開銷。