可見光通信中繼技術(shù)研究

朱蔓菁，王玉皞，劉曉東

(1．江西開放大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，南昌 330046；2.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330031； 3.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，智能設(shè)備接入對(duì)無線通信的高速率傳輸、高容量和超低時(shí)延提出了更高要求和挑戰(zhàn)。據(jù)報(bào)道，從第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4th Generation Mobile Networks,4G)到5G，移動(dòng)用戶數(shù)量將增加100倍，數(shù)據(jù)流量將增加1 000倍[1-2]，傳統(tǒng)射頻(Radio Frequency, RF)通信的頻譜資源難以滿足無線通信的發(fā)展需求，可見光通信(Visible Light Communications, VLC)的頻譜從430 ～790 THz，具有豐富的未使用頻譜資源，能彌補(bǔ)無線通信稀缺的頻譜資源[3]。VLC是指通過人眼可見光頻段實(shí)現(xiàn)的通信技術(shù)[4]，利用具備響應(yīng)靈敏度且支持信號(hào)調(diào)制特性的發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)在照明的同時(shí)提供無線通信服務(wù)[5-6]。VLC具有低成本、綠色環(huán)保、高安全性和抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于室內(nèi)智能家居、水下高速光通信和電磁嚴(yán)控場(chǎng)景等領(lǐng)域[5]。然而，VLC受到LED視場(chǎng)角覆蓋范圍的限制以及障礙物遮擋，信號(hào)傳輸范圍受限[7]。

為擴(kuò)大VLC覆蓋范圍，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和安全性，提出在VLC中采用中繼技術(shù)。中繼技術(shù)是一種借助中繼設(shè)備[8-9]將信息進(jìn)行有效傳輸?shù)膮f(xié)作通信技術(shù)。在VLC系統(tǒng)中，采用中繼技術(shù)可以提高頻譜利用率、擴(kuò)大覆蓋范圍且降低鏈路中斷概率，對(duì)提高通信系統(tǒng)的可靠性、安全性和能效性具有非常重要的意義。本文根據(jù)中繼技術(shù)和VLC系統(tǒng)特性，研究了中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及性能。

1 VLC中繼系統(tǒng)模型及應(yīng)用場(chǎng)景

1.1 系統(tǒng)模型

中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)模型如圖1所示，LED信源不能和遠(yuǎn)端用戶直接通信，需借助中繼(任務(wù)燈或近端用戶)協(xié)作通信。與RF中繼相比，VLC系統(tǒng)中繼主要有兩點(diǎn)不同：一是傳輸?shù)男盘?hào)不同，RF系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)是復(fù)信號(hào)，而VLC系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)是非負(fù)實(shí)信號(hào)；二是信道不同，RF中繼信道是RF信道；而VLC中繼系統(tǒng)是VLC信道或VLC-RF混合信道。

圖1 中繼協(xié)作的VLC通信系統(tǒng)模型

在中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)中，根據(jù)引入的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量，可分為單中繼VLC系統(tǒng)和多中繼VLC系統(tǒng)[10]。

單中繼VLC系統(tǒng)：只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信息傳輸效率有限。在單中繼VLC系統(tǒng)中，通常考慮無直連鏈路和直連鏈路。在無直連鏈路系統(tǒng)中，信宿節(jié)點(diǎn)只能接收來自中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信息。在直連鏈路中繼系統(tǒng)中，信宿節(jié)點(diǎn)能夠接收到信源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)各自發(fā)送的信息。圖1所示為中繼協(xié)作的VLC通信系統(tǒng)模型，遠(yuǎn)端用戶和信源之間屬于無直連鏈路，近端用戶和信源之間屬于直連鏈路。

多中繼VLC系統(tǒng)：信源節(jié)點(diǎn)和信宿節(jié)點(diǎn)之間有多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)傳輸場(chǎng)景復(fù)雜，中繼選擇、信道分配和功率分配等[10]方面靈活多變。目前研究的大部分是單中繼或雙跳多中繼VLC系統(tǒng)。中繼VLC系統(tǒng)中，充當(dāng)中繼的可能是任務(wù)燈[8]、臺(tái)燈[9]和地面燈[11]等光源或近端用戶[12]。圖1中當(dāng)近端用戶具有收發(fā)功能時(shí)，該系統(tǒng)具有任務(wù)燈和近端用戶兩個(gè)中繼，可稱為多中繼系統(tǒng)。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，VLC中繼系統(tǒng)可分為室內(nèi)通信和戶外通信。目前主要聚焦于室內(nèi)VLC[7-9]，戶外VLC通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于智能交通與車聯(lián)網(wǎng)[13-14]。文獻(xiàn)[14]考慮一個(gè)下行戶外車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在RF通信受阻的情況下，將一輛電動(dòng)汽車指定為中繼，同時(shí)要求中繼滿足主干網(wǎng)絡(luò)干擾約束條件，通過VLC信道使信源能夠與受阻車輛通信，得到了完全和不完全信道狀態(tài)信息兩種情況下的中斷概率閉合表達(dá)式并進(jìn)行了漸近分析，結(jié)果表明，RF-VLC混合網(wǎng)絡(luò)的中斷性能超過RF完全信道狀態(tài)信息場(chǎng)景的中斷性能。

在VLC中繼系統(tǒng)的上下行鏈路中，中繼的作用不一樣。在下行鏈路中，中繼節(jié)點(diǎn)的作用主要是協(xié)助信源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息；有時(shí)不僅轉(zhuǎn)發(fā)信源節(jié)點(diǎn)的信息，而且還傳輸中繼自身信息。文獻(xiàn)[13]提出了一種戶外可見光疊加中繼策略，該策略中繼節(jié)點(diǎn)不僅可以轉(zhuǎn)發(fā)信源信息，而且可以同時(shí)傳輸自身車輛信息，文獻(xiàn)中同時(shí)還比較了疊加中繼策略、時(shí)分多址和非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)的平均誤碼率(Bit Error Rate，BER)，結(jié)果表明，平均BER為10-7，疊加中繼策略的平均BER比NOMA有著大約7 dB的增益，比時(shí)分多址有著5 dB的增益，如圖2所示[13]。

圖2 信道對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為σh=0.1的疊加中繼、時(shí)分多址和NOMA 3種方式下信號(hào)x1和x2的BER及其平均BER比較

由于LED的高光功率特性可能會(huì)給人眼造成一定的輻射傷害，因此，在上行鏈路中，中繼的作用主要是降低光源的發(fā)射功率，從而減少對(duì)人眼的傷害。為降低VLC上行鏈路中信源的光功率，文獻(xiàn)[15]基于放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward, AF)中繼上行傳輸系統(tǒng)，提出使用窮舉搜索法來降低信源光功率；考慮到窮舉搜索法具有較大計(jì)算量并且耗時(shí)，文獻(xiàn)[11]提出使用AF和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward, DF)的次優(yōu)設(shè)計(jì)方案來最小化VLC系統(tǒng)上行鏈路中的信源光功率。

2 VLC中繼系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 組網(wǎng)方式

遲楠等人[16]提出研究如何將VLC接入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)以及VLC網(wǎng)自身組網(wǎng)是組網(wǎng)的關(guān)鍵問題。根據(jù)組網(wǎng)方式，中繼協(xié)作的VLC可分為VLC同構(gòu)和異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)。VLC同構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)[7-8]指在VLC中繼通信網(wǎng)絡(luò)中，所有通信信道均是VLC信道；VLC異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)[17-21]指VLC網(wǎng)絡(luò)和其他通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的組網(wǎng)方式，比如，VLC-RF異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

為擴(kuò)大VLC覆蓋范圍，使信源節(jié)點(diǎn)和VLC覆蓋范圍之外的遠(yuǎn)端用戶通信，同時(shí)支持多個(gè)用戶通信，文獻(xiàn)[17]提出采用VLC-RF混合中繼網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定在每組用戶對(duì)中，近端用戶能夠通過VLC直連鏈路接收光源發(fā)來的信號(hào)，然后作為中繼通過RF鏈路將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給VLC覆蓋范圍之外的遠(yuǎn)端用戶。即使遠(yuǎn)端用戶在VLC覆蓋范圍之內(nèi)，也可以采用VLC-RF中繼混合網(wǎng)絡(luò)提高系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[12]提出采用VLC-RF中繼混合網(wǎng)絡(luò)和可見光直連并行協(xié)作策略，遠(yuǎn)端用戶能夠根據(jù)獲得的速率和服務(wù)質(zhì)量自適應(yīng)地選擇VLC-RF中繼鏈路或VLC直連鏈路。

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議

根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的信息處理方式不同，中繼協(xié)議可以分為固定和非固定中繼協(xié)議。

(1) 固定中繼協(xié)議

在VLC中，最常用的是固定中繼協(xié)議，它指中繼是固定的，轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議包括AF和DF。

AF指中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)從信源節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)進(jìn)行功率放大，再將放大后的信號(hào)傳輸給下一節(jié)點(diǎn)[15]。由于AF協(xié)議在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，因此AF協(xié)議更適應(yīng)于高信噪比系統(tǒng)。

DF指中繼節(jié)點(diǎn)先對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼和判決，然后將判決后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制，再轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點(diǎn)[22-24]。由于DF對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行了重新編碼，能夠有效消除噪聲的影響，但是中繼在譯碼時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，容易造成“譯碼錯(cuò)誤傳播”問題。

目前研究中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)大多數(shù)是基于AF和DF協(xié)議。文獻(xiàn)[22]研究了室內(nèi)多徑信道中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)性能，基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)，對(duì)比了采用DF比AF更容易實(shí)現(xiàn)。

(2) 非固定中繼協(xié)議

目前研究的非固定中繼協(xié)議主要有選擇中繼、增量中繼以及編碼協(xié)作協(xié)議。

選擇中繼協(xié)議[24]是利用信道狀態(tài)信息確定信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道質(zhì)量情況，當(dāng)信道質(zhì)量高于門限值時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)將采取AF或DF把接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)；當(dāng)信道質(zhì)量低于門限值時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收的信息不做任何處理。選擇中繼協(xié)議能夠避免固定中繼協(xié)議中存在的噪聲放大或“譯碼錯(cuò)誤傳播”等問題。

增量中繼協(xié)議[24]是在目的節(jié)點(diǎn)增加一個(gè)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的反饋信息，中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的反饋信息，決定是否對(duì)接收到的信源信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。增量中繼通過反饋信息減少了不必要的重傳，提高了信道的利用率和頻譜效率，但是要求中繼節(jié)點(diǎn)具有信息存儲(chǔ)能力。

編碼協(xié)作協(xié)議[10]無需對(duì)信道的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，也無需節(jié)點(diǎn)反饋，它是通過信道編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。編碼協(xié)作協(xié)議在性能上進(jìn)行了優(yōu)化，然而中繼需要先解碼再編碼，增加了中繼的復(fù)雜度，同時(shí)導(dǎo)致中繼處理時(shí)延較大。

VLC中繼系統(tǒng)中各種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議比較如表1所示。

VLC中繼系統(tǒng)中研究非固定中繼協(xié)議的文獻(xiàn)鮮有。文獻(xiàn)[24]比較研究了DF、增量中繼和選擇中繼3種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)LED的最大信源半徑<3 m時(shí)，單跳系統(tǒng)和采用DF協(xié)議系統(tǒng)的中斷概率幾乎相同，當(dāng)最大信源半徑在3 m及以上時(shí)，采用DF協(xié)議的系統(tǒng)性能優(yōu)于單跳系統(tǒng)；增量中繼和選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略具有更低的中斷概率。同時(shí)文獻(xiàn)[24]將這3種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議支持的系統(tǒng)能效性與單跳系統(tǒng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，其能效性均隨著垂直距離或最大信源半徑的增加而下降，而且單跳系統(tǒng)的能效性最差，由增量中繼協(xié)議支持的系統(tǒng)能效性最好，如圖3所示[24]。

圖3 DF、增量中繼和選擇中繼3種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對(duì)系統(tǒng)性能的影響

2.3 多載波調(diào)制技術(shù)

近年來，為有效解決5G網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)VLC的高頻譜效率和低復(fù)雜度均衡，有學(xué)者提出在VLC中采用光學(xué)正交頻分復(fù)用(Optical OFDM, O-OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)方案[25-26]。由于OFDM信號(hào)是雙極性的，而在使用強(qiáng)度調(diào)制的VLC系統(tǒng)中，其信號(hào)是非負(fù)性的，因此，目前探索OFDM的變體應(yīng)用于VLC系統(tǒng)。在VLC中繼系統(tǒng)中使用的多載波調(diào)制O-OFDM方案主要有：直流偏置O-OFDM[15]、非對(duì)稱限幅O-OFDM[25-26]和非對(duì)稱限幅直流偏置O-OFDM[27]等。

在中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[27]提出使用非對(duì)稱限幅直流偏置O-OFDM多載波調(diào)制方式，信源端信號(hào)被分配給偶數(shù)子載波，中繼端信號(hào)被分配給奇數(shù)子載波，然后這兩部分信號(hào)組合成非對(duì)稱限幅直流偏置O-OFDM信號(hào)。在該系統(tǒng)中，奇數(shù)子載波上的信號(hào)不干擾偶數(shù)子載波上的信號(hào)，而偶數(shù)子載波上的信號(hào)對(duì)奇數(shù)子載波上的信號(hào)的干擾可以通過噪聲估計(jì)來消除。最后，兩個(gè)信號(hào)都可以在接收端恢復(fù)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有比非對(duì)稱限幅O-OFDM單載波調(diào)制系統(tǒng)更高的帶寬利用率，比直流偏置O-OFDM系統(tǒng)更低的BER。文獻(xiàn)[28]結(jié)合預(yù)編碼與迭代限幅濾波技術(shù)應(yīng)用于Hartley變換OFDM調(diào)制的VLC系統(tǒng)中，提高了頻譜利用率，降低了系統(tǒng)BER。

2.4 NOMA技術(shù)

為提高VLC系統(tǒng)頻譜效率，有學(xué)者提出在VLC系統(tǒng)中使用NOMA技術(shù)[29]。NOMA基本思想是：發(fā)射端通過功率域區(qū)分不同用戶，接收端則利用串行干擾消除接收機(jī)來消除其他用戶干擾?；贜OMA的中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于NOMA的中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)

NOMA能有效提高頻譜效率，文獻(xiàn)[7]研究表明，在盡力而為機(jī)制下，相對(duì)于正交多址(Orthogonal Multiple Access，OMA)，NOMA可以為更多用戶提供更高的系統(tǒng)容量；與OMA相比，NOMA能夠提供更大的覆蓋率，而且使用固定功率分配策略的NOMA可以在用戶數(shù)量較大的情況下實(shí)現(xiàn)較高的總速率。文獻(xiàn)[12]提出在VLC-RF混合系統(tǒng)中采用NOMA支持多用戶協(xié)作傳輸，能有效提高系統(tǒng)的頻譜效率和吞吐量。

在中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)中，NOMA技術(shù)和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)有機(jī)結(jié)合，可以提高多用戶系統(tǒng)總速率[30]。文獻(xiàn)[30]提出采用NOMA技術(shù)來提高基于MIMO的多用戶VLC系統(tǒng)的總速率，結(jié)果表明，在3個(gè)用戶的MIMO-VLC系統(tǒng)中，當(dāng)r/R=1(r為用戶K離中心點(diǎn)的距離；R為L(zhǎng)ED光源的最大輻射半徑)，用戶數(shù)K=2和3時(shí)，采用基于用戶信道歸一化增益差功率分配方法的NOMA比采用增益比功率分配方法的NOMA的總速率分別提高了16.7%和29.1%，如圖5所示[30]。NOMA技術(shù)還可與OFDM的變體相結(jié)合來改善系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[31]研究結(jié)果表明，專門能量效率頻分復(fù)用的NOMA比非對(duì)稱限幅O-OFDM NOMA的性能提高了25 dB，而專門能量效率頻分復(fù)用技術(shù)的OMA和NOMA結(jié)果相差約4 dB。

圖5 基于NOMA的歸一化增益差功率分配方法和增益比功率分配方法的比較

2.5 工作模式

在中繼協(xié)作的VLC中，中繼可以采用半雙工模式或全雙工模式。

半雙工模式：接收端和發(fā)射端采用正交時(shí)域、頻域和碼域通信，導(dǎo)致頻譜資源浪費(fèi)。文獻(xiàn)[32]利用多個(gè)半雙工LED光源作中繼，對(duì)于每種中繼方案，在中繼節(jié)點(diǎn)上都精心設(shè)計(jì)了安全波束形成向量，以防止竊聽者竊聽信息，從而有利于保護(hù)合法者接收信息，實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸。

全雙工模式：接收端和發(fā)射端可以同時(shí)同頻進(jìn)行信號(hào)傳輸，理論上可以實(shí)現(xiàn)信道容量加倍，避免頻譜資源浪費(fèi)，但與此同時(shí)帶來收發(fā)端環(huán)路干擾問題，然而相對(duì)于RF通信，由于光源具有光照多方向性，VLC系統(tǒng)中全雙工中繼的環(huán)路干擾水平會(huì)較低[32]，因此全雙工模式的中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[33]研究了中繼節(jié)點(diǎn)工作在全雙工模式下且建立了環(huán)路干擾信道的VLC中繼系統(tǒng)模型，同時(shí)比較了半雙工中繼和全雙工中繼下的中斷概率。結(jié)果表明，當(dāng)調(diào)制階數(shù)增大時(shí)，全雙工中繼的性能優(yōu)于半雙工中繼系統(tǒng)。具體來說，在BER為10-3、吞吐率分別為1和2 bit/s/Hz時(shí)，全雙工中繼可獲得3.9 dB的性能改進(jìn)，如圖6所示[33]。

圖6 中繼協(xié)助和直接傳輸?shù)腂ER性能比較

3 中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)性能分析

3.1 可靠性

可靠性是研究中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。衡量中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)主要有中斷概率、BER以及吞吐量。文獻(xiàn)[17]的研究表明，多中繼系統(tǒng)的中斷概率隨著信噪比的增大而減小，當(dāng)用戶數(shù)量較少時(shí)，系統(tǒng)的可靠性能更好。文獻(xiàn)[15]的研究表明，中繼節(jié)點(diǎn)可以顯著提高上行傳輸系統(tǒng)的BER性能，最優(yōu)中繼系統(tǒng)可以在更低信源光功率下獲得更高光譜效率；文獻(xiàn)[34]分析了室內(nèi)中繼輔助VLC-RF系統(tǒng)的中斷性能，利用差分進(jìn)化算法優(yōu)化中斷概率，利用脈沖位置調(diào)制方法分析了VLC-RF混合系統(tǒng)的平均BER性能；文獻(xiàn)[12]比較了VLC網(wǎng)絡(luò)、VLC-RF混合網(wǎng)絡(luò)和交叉頻帶選擇組合機(jī)制3種策略下的中斷概率和吞吐量。研究表明，交叉頻帶選擇組合機(jī)制的中斷概率和吞吐量性能最優(yōu)。

3.2 安全性

保障信息安全傳輸是VLC研究的關(guān)鍵問題之一。很多文獻(xiàn)利用VLC信道和中繼特性研究了VLC系統(tǒng)物理層安全性。文獻(xiàn)[35]考慮一個(gè)位于VLC覆蓋范圍之外的合法接收者和一個(gè)盡力竊聽的竊聽者存在的VLC中繼系統(tǒng)，竊聽者采用最大似然比接收方案，推導(dǎo)了竊聽者在兩種不同位置情況下，VLC-RF混合系統(tǒng)保密中斷概率的近似表達(dá)式，同時(shí)探討了VLC光源的高度、覆蓋范圍以及光源和中繼的發(fā)射功率對(duì)系統(tǒng)性能的影響；文獻(xiàn)[36]不僅考慮了竊聽者的存在，而且還引入干擾阻塞來防止竊聽者竊聽信息，同時(shí)采用波束形成策略最大化中繼和目的節(jié)點(diǎn)的最大保密容量，在滿足最大保密容量前提下最小化系統(tǒng)功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過采用波束形成策略、干擾阻塞策略以及功率最小化策略，該系統(tǒng)可以達(dá)到所需的保密容量。還可以利用節(jié)能策略來提高保密容量，文獻(xiàn)[18]提出非協(xié)同節(jié)能和協(xié)同節(jié)能兩種節(jié)能策略，協(xié)同節(jié)能策略允許中繼節(jié)點(diǎn)分享剩余的能量來提高傳輸可靠性；同時(shí)研究了竊聽者存在的情況下兩種節(jié)能策略的保密容量和中斷概率，研究結(jié)果表明，協(xié)同節(jié)能比非協(xié)同節(jié)能具有更高的安全容量和更低的中斷概率。

3.3 能效性

能源效率已經(jīng)發(fā)展成為衡量能量受限網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。VLC中繼系統(tǒng)中，對(duì)于能效性能的研究主要包括能量收集和能量效率兩方面。

能量收集可以讓中繼節(jié)點(diǎn)從信源節(jié)點(diǎn)獲取能量來進(jìn)行信息傳輸。文獻(xiàn)[20]提出在VLC-RF異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，在VLC鏈路中，中繼節(jié)點(diǎn)使用直接偵測(cè)策略來獲取信息，同時(shí)收集能量，再利用收集的能量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給移動(dòng)用戶；同時(shí)研究了采用RF信道瞬時(shí)功率增益比平均功率增益方法，系統(tǒng)獲得的平均數(shù)據(jù)速率更高；文獻(xiàn)[21] 考慮VLC-RF混合中繼網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)能夠從LED光源中獲取能量用于信息安全傳輸，提出了VLC系統(tǒng)能量收集模型，利用隨機(jī)幾何方法推導(dǎo)了系統(tǒng)保密中斷概率的精確和漸近解析表達(dá)式；文獻(xiàn)[37]提出了一個(gè)具有兩個(gè)LED光源、兩個(gè)沒有安裝光探測(cè)器目的節(jié)點(diǎn)以及1個(gè)具有能量收集能力(如太陽面板)的中繼節(jié)點(diǎn)的VLC-RF混合中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼可以從光源獲取能量來轉(zhuǎn)發(fā)信息，從而使目的節(jié)點(diǎn)能夠獲得相應(yīng)的傳輸速率，并且探討了在最大化可獲得速率區(qū)域內(nèi)，能量獲取時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的最優(yōu)時(shí)間交換協(xié)議；文獻(xiàn)[29]提出了具有同步信息傳輸和能量轉(zhuǎn)換的基于NOMA的VLC-RF室內(nèi)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的近端用戶可作為中繼，能夠從光源中獲取能量，一部分能量用于能量轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)，另一部分能量用于譯碼及轉(zhuǎn)發(fā)信息給遠(yuǎn)端用戶。該研究在分析兩個(gè)用戶中斷概率的基礎(chǔ)上，探討了在最小化中斷概率時(shí)的最優(yōu)能量分配比率。

在VLC系統(tǒng)中可通過采用不同的中繼策略來優(yōu)化VLC中繼系統(tǒng)性能，如表2所示。

本文從VLC系統(tǒng)覆蓋范圍受限切入點(diǎn)出發(fā)，研究了中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)模型、關(guān)鍵技術(shù)及其系統(tǒng)性能，其概要如圖7所示。

表2 VLC中繼系統(tǒng)性能分析

圖7 中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)概要圖

4 結(jié)束語

雖然許多學(xué)者在中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和性能優(yōu)化方面做了很多貢獻(xiàn)，但是面向5G甚至6G未來通信網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)移動(dòng)帶寬、超低時(shí)延、超可靠和海量設(shè)備接入等應(yīng)用場(chǎng)景，中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)還有待進(jìn)一步研究。

(1) 從系統(tǒng)建模分析，目前研究的系統(tǒng)建模大多數(shù)是基于單中繼的3節(jié)點(diǎn)VLC系統(tǒng)模型，而面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景，不管是室內(nèi)VLC還是戶外VLC系統(tǒng)，其發(fā)展方向均為信道選擇的多中繼大規(guī)模MIMO復(fù)雜場(chǎng)景。

(2) 從組網(wǎng)方式分析，VLC作為RF通信的有益補(bǔ)充技術(shù)，必然要與RF通信實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，所以由VLC和其他通信方式組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)必將是未來網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)基礎(chǔ)。

(3) 從頻譜效率角度分析，NOMA可以有效提高頻譜效率，基于NOMA中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)也將是下一代通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)之一。

(4) 從能量效率角度分析，未來網(wǎng)絡(luò)更加注重能量消耗的減少和能量的有效利用問題。因此，基于能量收集與能量效率的中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)必然是發(fā)展趨勢(shì)。

綜上所述，面向未來網(wǎng)絡(luò)，中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)的研究方向是基于NOMA的多中繼協(xié)作的MIMO的VLC異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，平衡系統(tǒng)的復(fù)雜度與性能成為研究者需要面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。