室內(nèi)熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)研究分析

張歡歡

1 引言

急劇增加的智能終端數(shù)量和飛速增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求促使移動業(yè)務(wù)的種類和應(yīng)用場景都發(fā)生了深刻變化。一方面，室內(nèi)熱點場景的數(shù)據(jù)需求越來越大，大約占整個數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的80%以上；另一方面，多媒體等業(yè)務(wù)的普及，極大提升用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。由于頻譜資源不可再生，如何應(yīng)對室內(nèi)熱點場景網(wǎng)絡(luò)快速增長的流量壓力和移動業(yè)務(wù)的體驗需求，已經(jīng)成為研究者普遍關(guān)注的焦點問題。依托室內(nèi)配置的發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）照明設(shè)備的室內(nèi)可見光通信（visible light communication，VLC）系統(tǒng)除了具備實現(xiàn)成本低、與原有的無線電磁（Radio Frequency，RF）通信系統(tǒng)互不干擾等優(yōu)點外，還具備保密性高、帶寬不受限等特點，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)的有益補充[1，2]。

可見光通信的想法由來已久，貝爾早在1880年便提出通過調(diào)節(jié)光束變化傳遞語音信號來進(jìn)行無線通話[3]。然而，受限于當(dāng)時的技術(shù)，可見光通信僅停留在概念上，并未走向?qū)嵱没?。隨著LED燈的普及，以及無線通信技術(shù)的進(jìn)步，可見光通信近幾十年再度興起，并且不斷取得了新的突破。在2000年，日本研究人員提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)[4]，并對LED可見光無線通信系統(tǒng)展開了具體分析[5]。此后短短十幾年，VLC相關(guān)的通信技術(shù)迅速發(fā)展，并且在信道測量與建模、調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、信道容量分析、數(shù)字均衡技術(shù)、收發(fā)機設(shè)計等鏈路級通信方面取得了大量的研究成果[6，7]。2010年，德國的研究團隊創(chuàng)造世界紀(jì)錄將可見光通信速率提高至513Mbps；2013年，中國復(fù)旦大學(xué)又刷新了世界紀(jì)錄，研發(fā)出3.75Gbps離線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?；同年，英國高校的科研人員又把這個記錄刷新到10Gbps。

在VLC系統(tǒng)，數(shù)據(jù)信號承載在光信號上進(jìn)行傳輸，由于可見光無法穿透墻壁等障礙物傳播，因此VLC系統(tǒng)也會存在受到鏈路阻塞的可能[8]。考慮到通常光源覆蓋區(qū)域僅為幾到十幾平方米，信號的傳輸范圍受限于光源覆蓋區(qū)域，從而限制了用戶的移動性[9]。同時，考慮到VLC鏈路收發(fā)天線的原理結(jié)構(gòu)不同，以及系統(tǒng)用戶終端的能耗限制，用戶終端通常不具備光信號發(fā)射功能，VLC鏈路通常只承擔(dān)下行數(shù)據(jù)的傳輸。這些缺陷使得僅采用可見光鏈路來完成室內(nèi)熱點場景的組網(wǎng)是不太現(xiàn)實的?？紤]到RF和VLC系統(tǒng)可以共存，且不會相互干擾，RF網(wǎng)絡(luò)與VLC網(wǎng)絡(luò)相補充，實現(xiàn)混合組網(wǎng)，被認(rèn)為是改善室內(nèi)熱點場景通信性能的理想選擇[10，11]。

2 RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

VLC鏈路特性的研究證明了通過可見光實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院陀行浴５怯嘘P(guān)上行鏈路傳輸方式的研究比較少，這也是限制可見光產(chǎn)業(yè)化的一個瓶頸問題。RF/ VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)上行采用RF鏈路，VLC僅承擔(dān)下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，就可以有效解決VLC技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的難題。因此，針對RF/VLC混合組網(wǎng)技術(shù)的研究有很重要的理論價值和現(xiàn)實意義。隨著VLC技術(shù)研究的興起，RF/VLC混合組網(wǎng)被認(rèn)為是室內(nèi)熱點場景的一種有效解決方案，得到了廣泛關(guān)注。

在室內(nèi)VLC系統(tǒng)中，作為發(fā)射天線陣元的LED數(shù)目眾多且分布位置不同，而陣元分布、陣元光軸極角、陣元層間距、陣元數(shù)目等參數(shù)都會影響室內(nèi)光功率分布。VLC鏈路的建模分析和特性研究是特定環(huán)境傳輸和特性通信應(yīng)用的研究基礎(chǔ)。因此，在LED自身特性、光接收器特性、LED室內(nèi)分布以及照明需求等因素的約束下，針對VLC鏈路特性和系統(tǒng)特性的研究是RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究基礎(chǔ)與前提。西安理工大學(xué)研究團隊通過分析室內(nèi)光源布局設(shè)計與接收光功率分布的關(guān)系，優(yōu)化了四個通信光源的布局設(shè)計[12]；長春理工大學(xué)研究團隊研究了室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的白光LED光源特性和信道特性，給出接收光功率分布與照明光源布局設(shè)計的關(guān)系[13]；北京理工大學(xué)研究團隊同時考慮包含/不包含墻壁反射2種情況下光源布局對室內(nèi)照度分布的影響，利用照度均方差最小化準(zhǔn)則優(yōu)化室內(nèi)光源布局，分別給出兩種情況下白光LED的最優(yōu)布局，并針對具體場景給出了最優(yōu)化光源分布方案[14]。

2011年，Rahaim等研究者提出了射頻與VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)，并分析了切換時延和系統(tǒng)吞吐量[15]。2013年，Bao X等研究者提出一種VLC與RF融合的混合組網(wǎng)系統(tǒng)，并基于切換問題設(shè)計了混合網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[16]。Duvnjak等研究者對設(shè)計了VLC與RF混合組網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)[17]。

與傳統(tǒng)的僅支持RF或僅支持VLC的網(wǎng)絡(luò)相比，RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢：不僅可以提供高速數(shù)據(jù)連接，還可以實現(xiàn)無縫可靠覆蓋。Kashef M等研究者基于用戶的數(shù)據(jù)速率約束和基站最大允許傳輸功率的約束，對比了RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)和單一RF系統(tǒng)的能量效率[18]。對比結(jié)果表明，RF/VLC混合組網(wǎng)相比單一RF系統(tǒng)具有更高的能量效率。

RF/VLC混合組網(wǎng)類型可以分為3種：VLC和RF分別用于下行鏈路和上行鏈路傳輸、RF用于上行鏈路，下行鏈路在RF和VLC中選一個、RF用于上行鏈路，下行鏈路可以同時選用RF和VLC。基于這3種組網(wǎng)類型，研究者們開展了很多研究工作。Bao X等研究者基于上述第一種混合組網(wǎng)類型研究了新的多用戶接入機制、水平切換協(xié)議和垂直切換協(xié)議[19]。Wang Y等研究者進(jìn)一步分別研究了切換機制和負(fù)載平衡機制[20，21]?；谏鲜龅诙N混合組網(wǎng)類型，Stefan I等研究者以鏈路信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）性能作為RF和VLC鏈路切換的參考指標(biāo)，分析了混合組網(wǎng)系統(tǒng)的性能[22]。基于上述第3種混合組網(wǎng)類型，Kazemi H等研究者假設(shè)RF和VLC鏈路具有相同的傳輸速率，發(fā)射機同時使用2個鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，提出了一種基于分集的傳輸方案[23]。

綜合上述分析，從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成為以及網(wǎng)絡(luò)性能3個評價指標(biāo)來看，3種混合組網(wǎng)模式各有利弊，表1給出了不同組網(wǎng)類型的優(yōu)勢和不足。

除了組網(wǎng)模式的對比分析，對多用戶接入和資源分配方法的關(guān)注也逐漸增多[24-26]。Hammouda M等研究者以用戶感知和切換時延作為性能指標(biāo)，設(shè)計了高效的鏈路選擇算法[26]。Zhang H等研究者在射頻小信元網(wǎng)絡(luò)的背景下，將資源分配問題描述為一個非凸優(yōu)化問題，然后用非凸優(yōu)化方法將其轉(zhuǎn)化為凸問題，提出了基于強替代方向法的分布式和功率分配算法[27]。

3 RF/VLC混合組網(wǎng)研究方向預(yù)測

混合組網(wǎng)模式的對比分析是RF/ VLC混合組網(wǎng)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，多用戶接入方式和資源分配算法的研究進(jìn)一步推動了RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用。目前，RF/VLC混合組網(wǎng)技術(shù)離實際應(yīng)用還有一段距離，相關(guān)研究仍然是一個開放性的課題。本文嘗試分析內(nèi)熱點場景的特點，在此基礎(chǔ)上預(yù)測RF/VLC混合組網(wǎng)下一步研究方向。

超多信號接入點（Access Points，AP）部署是室內(nèi)熱點場景的一個顯著特點。如何高效節(jié)能的規(guī)劃部署信號接入點，是室內(nèi)熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題。針對室內(nèi)熱點場景，現(xiàn)有的5G解決策略是采用超密集AP部署。在超密集部署場景下，由于AP間距離較小，網(wǎng)絡(luò)間的干擾將不可避免[28]。在RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)，VLC可以分擔(dān)下行數(shù)據(jù)傳輸壓力，減少RF系統(tǒng)需要部署的AP數(shù)目。因此，已有的RF系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署方案無法直接應(yīng)用到RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)。考慮到為了滿足照明的需求，室內(nèi)會布放密集的LED，理論上，所有的LED都可以作為AP承擔(dān)通信功能，參與信號傳輸。然而，考慮到節(jié)點之間的干擾以及控制眾多節(jié)點的復(fù)雜度和開銷等因素，需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求來選擇需要的LED作為AP進(jìn)行信號傳輸。VLC系統(tǒng)AP部署無法獨立于RF系統(tǒng)AP部署，兩者互相影響。需要根據(jù)RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的自身特性，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署研究。

超大用戶量是室內(nèi)熱點場景的另一個顯著特點。如何選擇合適的多用戶接入方案，也是室內(nèi)熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題。在RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)中，VLC鏈路通常只承擔(dān)下行數(shù)據(jù)的傳輸，上行數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過RF鏈路傳輸。這一區(qū)別于其他類型異構(gòu)網(wǎng)的特性使得現(xiàn)有的多用戶接入方案無法直接應(yīng)用到RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)；同時，網(wǎng)絡(luò)部署策略對多用戶接入方式選擇也有直接的影響。因此，需要基于RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的自身特性，以及網(wǎng)絡(luò)部署策略，進(jìn)行多用戶接入技術(shù)研究。

資源緊張也是室內(nèi)熱點場景的一個顯著特點。從節(jié)能角度看，這里的資源不僅包括頻譜資源，還包含功率資源。面對僧多粥有限的矛盾，如何設(shè)計高效的資源分配方案，實現(xiàn)資源的高效合理分配，是室內(nèi)熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵問題。

基于上述分析，RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)未來將在如下3個方向上發(fā)力。

3.1 網(wǎng)絡(luò)部署方案設(shè)計

在室內(nèi)場景下，RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)通常包括RF信號發(fā)射點和VLC的信號發(fā)射點。在VLC系統(tǒng)中，同時充當(dāng)光源和發(fā)射天線的多個AP通常分散分布在房間天花板上，其分布面積比較大。受限于視場角（Field of View，F(xiàn)OV），用戶用來接收光信號的光電二極管（Photo-Diode，PD）只能接收到一定區(qū)域范圍內(nèi)的AP發(fā)射的信號，當(dāng)房間面積比較大或者PD的FOV比較小時，AP的覆蓋區(qū)域會很小。因此，一個RF信號點的覆蓋區(qū)域內(nèi)需要布放多個VLC信號接入點（如圖1所示）。如何基于覆蓋率，充分考慮RF網(wǎng)絡(luò)特性、VLC網(wǎng)絡(luò)特性以及兩種網(wǎng)絡(luò)的特殊關(guān)系等約束條件，設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署方案，是RF/VLC混合組網(wǎng)研究的一個重要內(nèi)容。

3.2 多用戶接入算法和資源分配方法研究

在RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)，用戶網(wǎng)絡(luò)的選擇主要指選擇通過RF鏈路還是通過VLC鏈路，抑或2種鏈路聯(lián)合使用。由于用戶移動或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載容量變化，在選擇網(wǎng)絡(luò)時，會進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的水平切換和網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換。其中水平切換指采用同種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)部不同熱點的切換，垂直切換發(fā)生在不同網(wǎng)絡(luò)之間。然而，頻繁的網(wǎng)絡(luò)切換不僅增加開銷，而且嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸。為了避免這種問題，需要合理的多用戶接入算法和相應(yīng)的高效資源分配方法支撐。因此，多用戶接入算法和資源分配方法研究也是RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的一個重要研究方向。

3.3 基于真實場景的組網(wǎng)方案優(yōu)化

大規(guī)模推廣商用是RF/VLC混合組網(wǎng)研究的最終目標(biāo)。因此，結(jié)合室內(nèi)熱點場景的業(yè)務(wù)特性，將理論成果與應(yīng)用需求密切結(jié)合，兼顧網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及維護(hù)成本等約束因素，不斷優(yōu)化RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)方案，促進(jìn)RF/VLC混合組網(wǎng)在真實場景中的應(yīng)用與推廣，是RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的另一個重要研究方向。

4 結(jié)語

RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)可以將VLC和RF技術(shù)進(jìn)行融合，充分利用兩者的互補特性，實現(xiàn)室內(nèi)高速通信與無縫覆蓋，因此成為下一代網(wǎng)絡(luò)的候選技術(shù)之一。如何根據(jù)室內(nèi)熱點場景高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)動態(tài)需求，在RF系統(tǒng)特性、VLC系統(tǒng)特性、以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本約束下設(shè)計面向網(wǎng)絡(luò)容量、用戶感知、以及功率效率的智能組網(wǎng)方案，促進(jìn)RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，是下一代移動通信技術(shù)需要解決的難點問題。針對這個難點問題，從分析RF通信網(wǎng)絡(luò)和VLC通信網(wǎng)絡(luò)的特性出發(fā)，揚長避短，充分發(fā)掘2種通信網(wǎng)絡(luò)的互補優(yōu)勢，同時兼顧網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及維護(hù)成本等約束因素，結(jié)合室內(nèi)熱點場景的業(yè)務(wù)特性，將理論成果與應(yīng)用需求密切結(jié)合，開展適用于真實室內(nèi)熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案研究是主要策略。同時，立足RF/VLC混合組網(wǎng)在真實場景中的應(yīng)用與推廣，并為RF/VLC混合組網(wǎng)在其他更普適場景中的應(yīng)用設(shè)計提供理論支撐，是RF/VLC混合組網(wǎng)研究的一個關(guān)鍵目標(biāo)。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.06.016

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