射頻系統(tǒng)和多個VLC的混合通信方法探究

郭曉初

(江蘇無線電廠有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

經(jīng)過創(chuàng)新與改革，研究人員提出了可見光通信技術(shù)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的照明設(shè)施，使其成為高速接入點，通過光譜進(jìn)行無線通信，實現(xiàn)通信功能與照明功能的雙重使用。然而，由于在較小區(qū)域時，LED光源受到限制，導(dǎo)致光束容易出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，尤其是在室內(nèi)環(huán)境中，需要混合部署RF系統(tǒng)和VLC系統(tǒng)，擴大信號覆蓋的范圍。

1 可見光通信技術(shù)

可見光通信技術(shù)是采用波長在380～780 nm的可見光電磁波段進(jìn)行通信的無線通信技術(shù)。我國有關(guān)可見光通信技術(shù)的研究起步雖滯后于世界發(fā)達(dá)國家，但技術(shù)發(fā)展迅速，目前有關(guān)高速可見光關(guān)鍵通信技術(shù)的研究已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平[1]?？梢姽鉄o法穿透不透明介質(zhì)，其信號傳播途徑較射頻通信技術(shù)更為有限，因此目前對該技術(shù)的研究重點主要集中在兩個方向：(1)將可見光通信技術(shù)與射頻技術(shù)相融合，打造混合通信方案；(2)將可見光通信單獨應(yīng)用于安全會議室、安全移動支付等場景。

2 可見光通信技術(shù)組網(wǎng)方案

可見光通信技術(shù)與現(xiàn)有通信系統(tǒng)融合需重點解決上行機制的優(yōu)化選擇問題，目前較主流的為可見光上行機制和紅外微波上行機制，但兩種機制均存在明顯的技術(shù)缺陷。鑒于以上背景，決定采用射頻信道作為上行機制，主要滿足辦公、休憩、商超等電磁不敏感空間的通信需求，順利完成VLC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，具體方案介紹如下：

定義VLC網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器，用于VLC網(wǎng)絡(luò)配置及管理，其核心模塊為VLC網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，除IEEE802.15.7標(biāo)準(zhǔn)中定義的功能項，協(xié)調(diào)器還可提供室內(nèi)外通信雙向接口，以便于上行WiFi及下行LED燈接入。協(xié)調(diào)器內(nèi)包括數(shù)據(jù)緩存及交叉轉(zhuǎn)換數(shù)列、用戶定位及切換控制軟件，若有用戶進(jìn)入，定位程序自動檢測其所在位置，依照下行數(shù)據(jù)幀可獲取MAC地址，完成用戶識別，并將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字交換矩陣，將數(shù)據(jù)幀傳輸至輸出端。當(dāng)用戶在不同空間間轉(zhuǎn)移時，切換控制程序可自動向另一輸出端口傳遞用戶數(shù)據(jù)。用戶定位及切換控制為協(xié)調(diào)器的新功能項，目前已有多種以LED為基礎(chǔ)的室內(nèi)定位機制研究問世，但此類機制多專用于照明和定位，無法提供通信功能。WiFi為基礎(chǔ)的定位機制定位精度不足，也無法達(dá)到混合通信系統(tǒng)的要求。

在VLC組網(wǎng)中，依照用戶具體位置可將信息劃分為多個組別，某空間的LED陣列以TDM形式出現(xiàn)，只對用戶信息組別進(jìn)行廣播。基于該特點，各空間內(nèi)的光信號可均勻分布，因墻壁及門的隔斷，空間的光信號不發(fā)生任何干擾。此外，RDM與TDM，OFDM等機制均具備較高的相容性，將其與其他機制結(jié)合使用可進(jìn)一步提高通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力。

3 基于可見光通信技術(shù)的混合通信方案

3.1 混合通信系統(tǒng)需求分析

運用該種通信系統(tǒng)有助于打破VLC本身的限制，并強化使用者的數(shù)據(jù)速率中斷效果。近幾年，人們對于無線數(shù)據(jù)的需求量逐漸提升，曾有學(xué)者指出借助異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)滿足當(dāng)前社會對無線數(shù)據(jù)的需要，而可見光通信正是其重要內(nèi)容之一。此項技術(shù)實現(xiàn)將常規(guī)照明裝置轉(zhuǎn)換成高速接入點，并借助光譜實現(xiàn)無線通信，同時實現(xiàn)照明及通信的功能。此項技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢在于，其無須頻譜許可、抗干擾能力強、通信速度較快、在較為封閉的空間內(nèi)可以滿足定位需要等。但受到LED光源的約束，形成的光束極易遭到阻塞，因而該技術(shù)在空間上的吞吐量會有存在不穩(wěn)定的問題，特別在室內(nèi)空間中。

RF系統(tǒng)能夠在任何條件下達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹械刃?，在某種程度上降低小區(qū)間的限制。借助混合部署形式與此系統(tǒng)相結(jié)合，拓展數(shù)據(jù)信號的覆蓋面積，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，進(jìn)而優(yōu)化用戶通信的體驗感。此外，VLC系統(tǒng)可以應(yīng)對數(shù)據(jù)流量偏大的情況，在保證基本照明及通信的同時，不會影響RF系統(tǒng)的正常運行，滿足具有較強輻射空間的通信需要[2]。

3.2 混合通信系統(tǒng)設(shè)計方案

首先，為消除VLC系統(tǒng)在通信方面的限制，設(shè)計混合式的通信系統(tǒng)方案，其中包括VLC與RF兩項技術(shù)。整個系統(tǒng)包括VLC與RF多個接入點。系統(tǒng)用戶處于信號覆蓋的范圍內(nèi)，并利用VLC完成基本的服務(wù)任務(wù)，用戶的分布情況滿足泊松分布，并計算出用戶的平均數(shù)值以及信號覆蓋范圍的面積。在此混合系統(tǒng)內(nèi)部，各VLC接入點中都涉及大量的LED等，且用戶直接受單個接入點的服務(wù)，而各接入點應(yīng)用的帶寬為同等規(guī)格。為消除VLC本身受到小區(qū)間影響的問題，利用RF進(jìn)行補充，構(gòu)建兩層甚至多層的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。此外，為控制用戶范圍的距離，盡量避免出現(xiàn)信號中斷的問題，需要在VLC系統(tǒng)中加設(shè)數(shù)量合適的RF接入點。為消除RF接入點相互的影響問題，將此系統(tǒng)設(shè)計為具備固定頻譜以及功率預(yù)算，同時各接入點配有相互無聯(lián)系的頻譜，以達(dá)到相對獨立的效果。

VLC與RF系統(tǒng)借助中央單元完成操控作業(yè)，為保證VLC網(wǎng)絡(luò)在此系統(tǒng)中的優(yōu)先地位，可利用該系統(tǒng)檢測用戶的數(shù)據(jù)傳輸情況以及所處環(huán)境信號干擾程度。若檢測的結(jié)果低于既定的閾值，便需將該用戶劃分至RF系統(tǒng)處理，保證VLC系統(tǒng)的優(yōu)先性[3]。但由于客觀條件的影響，難以確保RF系統(tǒng)接入點分布均勻，應(yīng)按照用戶瞬時流量的需要，將BR以及PR重新劃分，保證數(shù)據(jù)速率和用戶的通信體驗感。例如，第Y個接入點在某時間段內(nèi)的用戶相較于第B點的用戶更多，由此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)增加Y點的BR及PB。

其次，HVLRF系統(tǒng)?；谏鲜龅南到y(tǒng)設(shè)計分析，增加射頻系統(tǒng)，形成混合式的HVLRF。CU按照既定的間隔時間對VLC進(jìn)行檢測，對于數(shù)據(jù)速率偏低的接入點，將其涵蓋的用戶轉(zhuǎn)移到RF系統(tǒng)中。速率閾值結(jié)合系統(tǒng)的具體狀況加以優(yōu)化設(shè)計。假設(shè)速率閾值在30 Mbps的情況下，進(jìn)行情景模擬。

(1)系統(tǒng)用戶平均值在35，且處于均勻分布的狀態(tài)。在僅使用VLC系統(tǒng)的情況下，其數(shù)據(jù)速率可達(dá)到50 Mbps，但會出現(xiàn)40%左右的用戶數(shù)據(jù)速率僅在30 Mbps及以下的情況。利用HWLRF系統(tǒng)，在原本的基礎(chǔ)上加設(shè)RF系統(tǒng)的接入點，綜合考量BR及PR，應(yīng)當(dāng)考量不同的組合形式。如在BR達(dá)到20 MHz且PR為1W時，該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸中斷概率僅為1/5左右，而不斷提高BR或PR，呈現(xiàn)的中斷率會隨之下降。直至BR達(dá)到30 MHz時，相應(yīng)的數(shù)據(jù)速率便可超過30 Mbps。(2)基于上述情境，將用戶容量擴大至70位。此種情況下，有限區(qū)域內(nèi)的用戶密度提升一倍。在原本VLC系統(tǒng)下，其數(shù)據(jù)速率明確下降，其中超過60%的用戶處于30 Mbps以下。在HVLRF系統(tǒng)中，加設(shè)多個接入點，依舊以頻譜和功率為變量進(jìn)行分析。BR達(dá)到60 MHz，PR為2W時，中斷率小于20%。結(jié)合上述假設(shè)情境可得，在特定區(qū)域內(nèi)，用戶的數(shù)量與資源需求存在同向變動的關(guān)系。(3)HVLRF既可以提升信號中斷的性能，又能夠有效消除鏈路阻塞。若鏈路的阻塞概率達(dá)到0.5，單一的VLC系統(tǒng)便會產(chǎn)引發(fā)極為明顯的阻塞情況。應(yīng)用HVLRF系統(tǒng)，該問題得到較好的處理?？傮w而言，運用該系統(tǒng)形成混合通信，形成的阻塞對通信性能的干擾程度可以不計。

最后，相關(guān)參數(shù)計算。在VLC系統(tǒng)中，著重探究數(shù)據(jù)速率的覆蓋情況。若用戶的PD為面向上，其輻照角以及入射角應(yīng)為等值關(guān)系。計算信號干擾比的公式為：

其中，r0為用戶距離最近接入點的間距，rk為用戶距離k點的間距，h是指用戶與接入點之間的縱向距離[3]。

系統(tǒng)中用戶數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)信號干擾比值有直接聯(lián)系。為切實消除在VLC系統(tǒng)下中斷概率較高的情況，在系統(tǒng)中加設(shè)RF系統(tǒng)和HVLRF系統(tǒng)，共同構(gòu)成混合通信系統(tǒng)。

4 結(jié)語

技術(shù)人員需要先評估VLC系統(tǒng)的用戶覆蓋率，當(dāng)速率中斷性能較低時，需要在VLC系統(tǒng)中引入RF系統(tǒng)，將最小資源要求量化。在HVLRF系統(tǒng)中，確定參數(shù)設(shè)置和設(shè)計系統(tǒng)框架，加大對RF系統(tǒng)和VLC系統(tǒng)的研究力度，根據(jù)實際情況優(yōu)化通信資源，設(shè)計出HVLRF系統(tǒng)，提高用戶的數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)的可靠性，從而確保速率、覆蓋率。