基于可見(jiàn)光通信的室內(nèi)光電混合網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

郭偉+于宏毅+劉建輝

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1009-6868 （2014） 06-0002-006

摘要：針對(duì)可見(jiàn)光通信在室內(nèi)的應(yīng)用，分析了采用可見(jiàn)光與無(wú)線(xiàn)射頻構(gòu)成光電混合網(wǎng)絡(luò)的可行性，提出了一種可行的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);指出了該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的光源布局、多址接入、小區(qū)切換、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合等給出了技術(shù)路線(xiàn)。

關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信;光電混合網(wǎng)絡(luò);媒體接入控制;小區(qū)切換;異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

Abstract：Color shift keying （CSK） is a modulation scheme proposed in IEEE 802.15.7. In view of the indoor application of VLC， the feasibility of constructing a hybrid wireless VLC network and WLAN is analyzed， and a kind of feasible network architecture is proposed. This paper points out the key technical problems of network and gives the technical route， including lighting layout， multiple access， cell handover and heterogeneous network integration.

Keywords：?visible light communication; hybrid network of visible light and radio frequency; medium access control; cell handover; heterogeneous network integration

可見(jiàn)光通信（VLC）是一種新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，利用發(fā)光二極管（LED）響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)等特性，將信號(hào)調(diào)制到LED上，利用可見(jiàn)光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。可見(jiàn)光通信技術(shù)具有綠色健康、覆蓋靈活、兼容性強(qiáng)和靈活性好等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

早在2000年，Keio大學(xué)的Masao Nakagawa利用LED照明燈實(shí)現(xiàn)了信息無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)[1]。2003年10月，可見(jiàn)光通信協(xié)會(huì)（VLCC）成立，發(fā)布了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)規(guī)范（VLCC-STD-001）和低速通信可見(jiàn)光身份標(biāo)識(shí)（ID）應(yīng)用規(guī)范（VLCC-STD-003）。韓國(guó)三星電子于2011年推出可見(jiàn)光通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.7[2]。同年，愛(ài)丁堡大學(xué)教授哈斯提出光無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（Li-Fi）的概念，讓可見(jiàn)光通信進(jìn)入全世界的視野。

歐盟的家庭吉比特接入計(jì)劃集成可見(jiàn)光通信、無(wú)線(xiàn)通信和電力線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)構(gòu)建家庭區(qū)域?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)，使得通信速率達(dá)到了1 Gb/s。2011年，德國(guó)海因里希-赫茲研究所的Jelena等人采用單個(gè)RGB型LED，利用波分復(fù)用、離散多音頻（DMT）調(diào)制技術(shù)和雪崩光電二極管（APD）接收，實(shí)現(xiàn)了803 Mb/s的傳輸速率[3]。2013年，復(fù)旦大學(xué)使用單載波頻域均衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)最高單向3.75 Gb/s的傳輸速率[4]。2013年，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)使用50 μm的微型LED，已將LED燈的3種初始顏色的傳輸速率提升到每秒3.5 Gb/s，使總速度達(dá)到10 Gb/s以上[5]。

但目前針對(duì)可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)研究還比較少。2008年，Klaus-Dieter Langer、Olivier Bouchet等人描述了采用無(wú)線(xiàn)射頻與可見(jiàn)光混合結(jié)構(gòu)的下一代本地網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)獨(dú)立的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層控制，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域服務(wù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的連通[6-7]。2011年，美國(guó)波士頓大學(xué)的Michael B.Rahaim等人提出一種Wi-Fi與VLC相結(jié)合的室內(nèi)混合通信系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出一種Wi-Fi和VLC網(wǎng)絡(luò)的切換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了資源動(dòng)態(tài)分配與系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化[8]。2013年，東南大學(xué)提出了一種由多個(gè)光接入點(diǎn)和一個(gè)調(diào)制方式為OFDM的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)組成的混合網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)了MAC協(xié)議[9]。

本文在深入分析室內(nèi)可見(jiàn)光通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了一種室內(nèi)光電混合網(wǎng)絡(luò)可行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，并分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，給出了初步的解決方案。

1 室內(nèi)光電混合系統(tǒng)架構(gòu)

室內(nèi)是可見(jiàn)光通信重要應(yīng)用場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下，用戶(hù)主要業(yè)務(wù)為以Web瀏覽、文件下載、高清視頻點(diǎn)播等為代表的上下行非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)，其上下行業(yè)務(wù)量相差懸殊。以WWW瀏覽為例，一般上下行的數(shù)據(jù)量差異為1：5至1：10，在文件傳輸協(xié)議（FTP）類(lèi)的文件下載中，這個(gè)比例可達(dá)1：20至1：100。由于可見(jiàn)光通信與照明密切結(jié)合，下行采用可見(jiàn)光鏈路可以有效解決頻譜緊缺問(wèn)題。上行鏈路可以采用如下的方式：

（1）采用光（可見(jiàn)光、紅外）作為上行鏈路。該方式無(wú)需借助其他傳輸媒質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，無(wú)需申請(qǐng)額外的頻譜資源，且可見(jiàn)光和紅外均不產(chǎn)生電磁干擾。可應(yīng)用于醫(yī)院、飛機(jī)、加油站等對(duì)電磁輻射敏感的場(chǎng)合。

（2）采用無(wú)線(xiàn)射頻作為上行鏈路。該方式可以申請(qǐng)新的頻譜資源作為VLC網(wǎng)絡(luò)上行信道。也可以借助現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)作為其上行鏈路，實(shí)現(xiàn)異傳輸媒質(zhì)協(xié)同組網(wǎng)。該方式適用于家庭室內(nèi)廣域接入、大型公共場(chǎng)所廣域接入等場(chǎng)所。結(jié)合本文考慮的室內(nèi)環(huán)境，上下行鏈路分別采用無(wú)線(xiàn)射頻和可見(jiàn)光兩種屬性不同的媒質(zhì)構(gòu)成的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。基本的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為：一般來(lái)說(shuō)，室內(nèi)單個(gè)無(wú)線(xiàn)基站的信號(hào)覆蓋范圍很廣，依具體環(huán)境數(shù)十米到百米不等。而一組LED陣列的燈光輻射范圍約2～5 m，為使兩類(lèi)信號(hào)的室內(nèi)覆蓋區(qū)域基本一致，需對(duì)1個(gè)無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)配置n個(gè)VLC熱點(diǎn)，形成1WLAN+nVLC模式的光電混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）基站支持Wi-Fi協(xié)議，可以進(jìn)行雙向傳輸，因此無(wú)線(xiàn)射頻可以作為與可見(jiàn)光并行的下行鏈路進(jìn)行通信。endprint

針對(duì)這種室內(nèi)光電混合網(wǎng)絡(luò)，在具體實(shí)現(xiàn)室內(nèi)組網(wǎng)時(shí)，必須重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)是：

（1）光源布局優(yōu)化問(wèn)題

室內(nèi)光源布局不僅影響照明，還對(duì)混合網(wǎng)絡(luò)的通信能力影響巨大，需根據(jù)具體要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。尤其在大型商場(chǎng)超市、機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳等室內(nèi)復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，多光源合理布局與優(yōu)化將會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，均衡流量，減少擁塞。

（2）媒體接入控制技術(shù)

在目前的研究中，尚無(wú)完善的多址接入技術(shù)保證用戶(hù)高效接入光電混合網(wǎng)絡(luò)。而用可見(jiàn)光和無(wú)線(xiàn)射頻同時(shí)作為室內(nèi)通信的下行鏈路時(shí)，必須解決下行光電資源分配問(wèn)題。

（3）移動(dòng)終端的切換技術(shù)

室內(nèi)用戶(hù)低速游牧移動(dòng)，可見(jiàn)光通信容易因遮擋或終端遠(yuǎn)離導(dǎo)致斷開(kāi)。為保證通信連續(xù)，快速的光電鏈路切換技術(shù)及終端水平切換技術(shù)是基本研究?jī)?nèi)容。

（4）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)

光電混合網(wǎng)絡(luò)與室內(nèi)其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)可以保證用戶(hù)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)效用最大化。

2 光電混合網(wǎng)絡(luò)的光源布局

可見(jiàn)光通信中，照明與通信結(jié)合。合理規(guī)范的室內(nèi)LED光源布局可以使照明區(qū)域充分覆蓋。但LED布設(shè)并非越多越好，LED的數(shù)目越大，室內(nèi)的照明度越高，系統(tǒng)接受到的光信號(hào)的功率也越大，由不同路徑的可見(jiàn)光在同一光敏二極管（PD）上交疊造成的信號(hào)間干擾也越嚴(yán)重。因此必須針對(duì)室內(nèi)光源布局進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋最大化

室內(nèi)光電混合系統(tǒng)中，LED光源需要實(shí)現(xiàn)照明和通信的雙重功能。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50034-2004規(guī)定，室內(nèi)環(huán)境下理想光照度的范圍是100 lx到500 lx之間。滿(mǎn)足通信要求的誤比特率至少是10-3。依據(jù)這個(gè)原則可以建立室內(nèi)環(huán)境水平面上光照度和可見(jiàn)光信干噪比（SINR）的數(shù)學(xué)模型，對(duì)室內(nèi)同一水平面上的接收光的信干噪比進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的準(zhǔn)則是盡量使室內(nèi)照明盲區(qū)及通信盲區(qū)最小化，同時(shí)平面上各點(diǎn)的信噪比方差最小，從而獲得可見(jiàn)光熱點(diǎn)的最佳個(gè)數(shù)及位置分布。

室內(nèi)布設(shè)n個(gè)LED燈時(shí)，室內(nèi)（x，y）處總光照度為：

[ET=i=1nEi] ? ?（1）

根據(jù)朗伯發(fā)射模型，其中第i個(gè)LED的光在該處的光照度[Ei=I（0）D2cosm（?）cos（ψ）]，其中[I（0）]是LED燈中心信號(hào)強(qiáng)度，D為L(zhǎng)ED燈與光敏二極管檢測(cè)器間距，[m=ln 2 / ln（cos ?12）]，[?12]是LED燈的半功率角。

忽略可見(jiàn)光的散射，只考慮其直射光（LOS）信號(hào)，從LED到PD檢測(cè)器的可見(jiàn)光信道直流增益為：

[H（0）=（m+1）A2πD2cosm（?）Ts（ψ）g（ψ）cos（ψ）] （2）

其中為[A]為PD檢測(cè)器的面積，[Ts（ψ）]是光濾波器增益，[g（ψ）]是聚光器增益。

可見(jiàn)光聚光器的模型為：

[g（ψ）=n2sin2Ψc，0≤ψ≤Ψc0 ? ? ，0≥Ψc] ? ?（3）

其中n表示折射率，[Ψc]表示接收器的視場(chǎng)角。

可見(jiàn)光接收功率[Pr]根據(jù)LED的發(fā)射功率[Pt]求得：

[Pr=Pt?H（0）] ? ?（4）

可見(jiàn)光信干噪比（SINR）的定義如下：

[SINR=（rPt，xHx（0））2（i≠xrPt，iHi（0））2+n0W] ?（5）

其中，r是PD的反射系數(shù)，x指相關(guān)接入點(diǎn)（AP），[Pt，xHx（0）]是相關(guān)AP的接收功率，[Pt，iHi（0）]是第i個(gè)干擾AP的接收信號(hào)強(qiáng)度，W是LED的調(diào)制帶寬，[n0]則是散射噪聲的功率譜密度。

經(jīng)過(guò)理論分析，影響光照度及SINR的參數(shù)主要有：可見(jiàn)光信號(hào)功率、LED燈的半功率角、LED燈的高度、光接收器的視場(chǎng)角。光源的優(yōu)化布局如圖2所示。通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)及仿真模擬對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲得最優(yōu)的室內(nèi)LED陣列的布局設(shè)計(jì)：最佳光源分布形式為六角形分布、LED燈個(gè)數(shù)為13時(shí)，可以使照明及通信盲區(qū)最小化。其中圖2（a）是這種布局下光照度分布圖，約90%以上是理想照明區(qū)域;圖2（b）是該布局下SINR分布圖，表示理想可見(jiàn)光通信區(qū)域高于96%。對(duì)于不同的室內(nèi)環(huán)境，應(yīng)快速地建立光照度及信干噪比分布模型，實(shí)現(xiàn)快速地智能布局，這是構(gòu)建室內(nèi)光電混合網(wǎng)絡(luò)的前提。

2.2 網(wǎng)絡(luò)容量最大化

在室內(nèi)可見(jiàn)光熱點(diǎn)布設(shè)時(shí)還應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)容量?jī)?yōu)化問(wèn)題，包含對(duì)于無(wú)線(xiàn)路由覆蓋范圍、人員聚集位置、局域通信能力等指標(biāo)。

首先，室內(nèi)無(wú)線(xiàn)信道復(fù)雜造成網(wǎng)絡(luò)覆蓋不均衡。室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線(xiàn)路由器覆蓋范圍受到距離、障礙物等影響會(huì)出現(xiàn)不同程度信號(hào)強(qiáng)度減弱從而不能滿(mǎn)足通信需求，因此在無(wú)線(xiàn)信號(hào)的通信盲區(qū)應(yīng)適當(dāng)布設(shè)可見(jiàn)光熱點(diǎn)，從而完善通信網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到室內(nèi)通信區(qū)域的無(wú)縫全覆蓋。

其次，人員活動(dòng)造成業(yè)務(wù)量分布不均衡。如圖3所示，在室內(nèi)不同區(qū)域，人員聚集數(shù)量差別很大，對(duì)于局域網(wǎng)通信能力的需求也不同，例如視頻會(huì)議室、機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳等出人員密集，下行業(yè)務(wù)量很大，在這些區(qū)域需要盡量多地布設(shè)可見(jiàn)光熱點(diǎn)，從而滿(mǎn)足用戶(hù)正常的通信需求;而在個(gè)人辦公室、臥室等處可以少量布設(shè)熱點(diǎn)，滿(mǎn)足基本照明需求和通信即可。

3 光電協(xié)同媒體接入控制

技術(shù)

可見(jiàn)光和無(wú)線(xiàn)射頻同時(shí)作為室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路時(shí)，媒體接入控制技術(shù)與單一無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不同。一方面，如何應(yīng)充分利用兩種信道資源進(jìn)行協(xié)同傳輸;另一方面，如何克服可見(jiàn)光鏈路的脆弱性。

3.1 上行接入問(wèn)題

室內(nèi)通信系統(tǒng)上行接入技術(shù)主要有基于無(wú)線(xiàn)的多址技術(shù)、基于位置信息輔助的多址技術(shù)。

（1）基于無(wú)線(xiàn)的多址技術(shù)endprint

VLC-WLAN網(wǎng)絡(luò)中，可以利用無(wú)線(xiàn)電信道作為終端接入網(wǎng)絡(luò)的控制信道。終端在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以借鑒基于802.11的Wi-Fi的成熟MAC機(jī)制[12-13]，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)室內(nèi)混合網(wǎng)絡(luò)的接入控制。前述室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，當(dāng)n =1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)退化為由1條射頻（RF）鏈路和1條VLC鏈路構(gòu)成，即所有用戶(hù)處于一個(gè)VLC熱點(diǎn)時(shí)。將控制信令和數(shù)據(jù)信令分離，其中控制信令采用無(wú)線(xiàn)射頻信道發(fā)送，支持無(wú)線(xiàn)電協(xié)議如IEEE 802.11協(xié)議，可以使用戶(hù)以較低的沖突概率高效接入網(wǎng)絡(luò)。而數(shù)據(jù)信令經(jīng)過(guò)相關(guān)的算法計(jì)算并分配后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻和可見(jiàn)光兩種信道進(jìn)行并行傳輸。這種思想能在保證了多用戶(hù)有效地接入網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，大幅度地提升無(wú)線(xiàn)混合的網(wǎng)絡(luò)容量和利用效率。這種多址接入技術(shù)無(wú)需重新設(shè)計(jì)新的協(xié)議，可以Wi-Fi協(xié)議基礎(chǔ)上加以部分改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)。

（2）基于位置信息輔助的多址技術(shù)

室內(nèi)通信系統(tǒng)中，VLC熱點(diǎn)不止一個(gè)，因此在不同VLC熱點(diǎn)下的用戶(hù)終端可以同時(shí)接收下行鏈路的數(shù)據(jù)。可以考慮借助不同熱點(diǎn)下用戶(hù)的位置信息進(jìn)行多址接入技術(shù)設(shè)計(jì)。在不同VLC熱點(diǎn)下的用戶(hù)同時(shí)有通信需求時(shí)，根據(jù)所處位置的熱點(diǎn)不同，在發(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)，在控制信令上附加一段位置信息。中心接入點(diǎn)（AP）收到后，根據(jù)收到的控制信令，即可識(shí)別用戶(hù)數(shù)據(jù)的所處位置和優(yōu)先級(jí)，AP同時(shí)與不同位置不同VLC熱點(diǎn)的用戶(hù)發(fā)起通信。而在同一個(gè)VLC熱點(diǎn)下的用戶(hù)，根據(jù)其業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的不同，AP優(yōu)先分配給業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高的用戶(hù)可見(jiàn)光信道使用權(quán)，優(yōu)先級(jí)低的用戶(hù)可以分配無(wú)線(xiàn)信道，或隨機(jī)退避一段時(shí)間。

3.2 光電鏈路協(xié)同分配

下行鏈路中，可見(jiàn)光和無(wú)線(xiàn)射頻信道并行傳輸，根據(jù)兩類(lèi)信道帶寬、傳輸速率等適用于不同用戶(hù)的業(yè)務(wù)，可以對(duì)信道資源分配問(wèn)題進(jìn)行研究，光電鏈路信道資源分配問(wèn)題可以視為非線(xiàn)性的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。建立針對(duì)用戶(hù)時(shí)延最小化、信道丟包率最小及時(shí)延抖動(dòng)最小化等為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。以矩陣論、博弈論、MATLAB仿真軟件等工具可以推導(dǎo)出在不同用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求時(shí)，業(yè)務(wù)傳輸占用的可見(jiàn)光信道和無(wú)線(xiàn)射頻信道情況，從而優(yōu)化信道配置、最大化資源效用[14]。以時(shí)延最小化為例，建立目標(biāo)函數(shù)，n個(gè)用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)，各自業(yè)務(wù)長(zhǎng)度為[Li]，按照一定比例分配到兩種信道上傳輸，則系統(tǒng)的總時(shí)延：

[minT=i=1nmax（αiLi/Rv，（1-αi）Li/Rr）] ? ?（6）

其中，[Rv]、[Rr]分別為兩信道傳輸速率，[αi]、[1-αi]分別是用戶(hù)i在VLC信道、無(wú)線(xiàn)射頻信道上的業(yè)務(wù)比例。

約束條件是有效可用帶寬B及各用戶(hù)最小接入時(shí)延限制[τi]：

[s.t.i=1nαiL

4 移動(dòng)終端的切換技術(shù)

可見(jiàn)光的鏈路特殊性使其通信鏈路相對(duì)其他無(wú)線(xiàn)傳輸方式比較脆弱，VLC信道受遮擋及遠(yuǎn)離效應(yīng)的影響很大，通信過(guò)程很容易被障礙物遮擋，從而造成鏈路斷開(kāi)，這極大地影響了用戶(hù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信QoS的要求。

4.1 光電鏈路垂直切換

用戶(hù)在可見(jiàn)光信道上通信時(shí)，因受到障礙物遮擋而導(dǎo)致鏈路斷開(kāi)，可以切換到無(wú)線(xiàn)信道上繼續(xù)通信，鏈路恢復(fù)暢通后可以切換回VLC信道，即光電鏈路的垂直切換技術(shù)。切換包括3個(gè)階段：切換發(fā)起、切換判決和切換執(zhí)行。在切換發(fā)起階段，需要檢測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度（RSI），判斷鏈路斷開(kāi)類(lèi)型;在切換判決階段，需根據(jù)鏈路斷開(kāi)類(lèi)型（遮擋或遠(yuǎn)離）、斷開(kāi)時(shí)間（長(zhǎng)時(shí)斷開(kāi)或短時(shí)斷開(kāi)）和用戶(hù)QoS要求等參數(shù)建立判決函數(shù)，決定是否立即執(zhí)行切換或等待鏈路恢復(fù)。牛津大學(xué)Jindong Hou和Dominic C. OBrien提出了一種基于模糊邏輯的垂直切換決策機(jī)制[10]，但判決參數(shù)未考慮用戶(hù)QoS需求，模糊判決結(jié)果不理想。鏈路切換的關(guān)鍵內(nèi)容就是切換發(fā)起和切換判決兩個(gè)階段，其中切換判決是切換機(jī)制的關(guān)鍵，也是研究的重點(diǎn)。

4.2 終端的水平切換

室內(nèi)通信用戶(hù)往往低速游牧移動(dòng)，當(dāng)因受到障礙物遮擋導(dǎo)致通信鏈路斷開(kāi)時(shí)，可以觸發(fā)鏈路間的垂直切換機(jī)制，若進(jìn)入新的VLC熱點(diǎn)或小區(qū)，可以執(zhí)行水平切換，從而保證用戶(hù)繼續(xù)保持高速通信能力。

水平切換包括在同一個(gè)小區(qū)中不同VLC熱點(diǎn)之間的切換，不同小區(qū)間的切換兩類(lèi)。在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)不同熱點(diǎn)間切換只需針對(duì)用戶(hù)QoS需求及VLC熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過(guò)小區(qū)選擇算法選擇出理想的切換目標(biāo)。而不同小區(qū)之間的水平切換不是單純的水平切換，包含幾個(gè)過(guò)程：用戶(hù)離開(kāi)一個(gè)小區(qū)進(jìn)入另一個(gè)小區(qū)時(shí)，首先觸發(fā)垂直切換到WLAN網(wǎng)絡(luò);再進(jìn)入新小區(qū)的WLAN網(wǎng)絡(luò)后認(rèn)證連接;識(shí)別到VLC熱點(diǎn)后再執(zhí)行垂直切換到VLC網(wǎng)絡(luò)。可簡(jiǎn)化為光電垂直切換—WLAN水平切換—電光垂直切換。

小區(qū)選擇算法是一個(gè)典型的多目標(biāo)決策算法，需要綜合考慮不同接入網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度、剩余帶寬、上行鏈路視距徑和用戶(hù)QoS要求等多個(gè)方面的因素，做出最合理的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)選擇決策[15]。

構(gòu)建相應(yīng)的多屬性判決效應(yīng)函數(shù)如下所示，其中N是屬性集合總數(shù)，M是目標(biāo)方案數(shù)：

[U（Ai）=j=1NwjXij，i∈M] ? ?（8）

由于無(wú)線(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為了消除量綱效應(yīng)和盡可能維持各參數(shù)值的變化信息，需要對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化。

用矩陣選擇網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值進(jìn)行表示，如下式所示：

[X=x11x12...x1nx21x22...x2nx31x32...x3nx41x42...x4n] ? ?（9）

其中，n表示候選小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，[x1]、[x2]、[x3]、[x4]分別表示信號(hào)強(qiáng)度、剩余帶寬、上行鏈路視距徑和用戶(hù)QoS要求。矩陣X的元素[xij]代表第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)第j（j=1、2、3、4）個(gè)參數(shù)值。從4個(gè)參數(shù)（[x1]、[x2]、[x3]、[x4]）中每次選取2個(gè)參數(shù)xi和xj，xi和xj對(duì)網(wǎng)絡(luò)選擇的影響程度比值用Cij表示，從而得到兩兩比較判斷，并且按照重要程度評(píng)定等級(jí)，采用數(shù)學(xué)1～9個(gè)數(shù)表示其重要性。比較結(jié)果構(gòu)成等級(jí)用于判斷矩陣[C=cij]，這樣判決矩陣可如下式所示：endprint

[C=c11c12...c14c21c22...c24c31c32...c34c41c42...c44] ? ?（10）

其中，[cij>0]，[cii=1]且[cij=1/cji]，然后利用方根法計(jì)算判斷矩陣，得到評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重。具體操作如下：

（1）計(jì)算判決矩陣每一行的積：[Mi=j=14cij（i=1，2，3，4）]

（2）計(jì)算Mi的m次方根：[w*i=Mi4]

（3）歸一化處理：[wi=w*ii=14w*i]

其中[wi]（i =1、2、3、4）為信號(hào)強(qiáng)度、剩余帶寬、上行鏈路視距徑和用戶(hù)QoS要求的標(biāo)準(zhǔn)化屬性值。代價(jià)函數(shù)即為各屬性權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化屬性值的乘積和，代價(jià)函數(shù)越大表明選擇該小區(qū)越好。通過(guò)終端的水平切換技術(shù)可以用戶(hù)因遠(yuǎn)離可見(jiàn)光熱點(diǎn)導(dǎo)致通信被打斷時(shí)還能繼續(xù)通信，從而保證光電混合系統(tǒng)進(jìn)行高速、高效的通信。

5 室內(nèi)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

單一的通信接入技術(shù)往往針對(duì)特定的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信令流程及管理體系，并擁有獨(dú)立的資源管理模式，長(zhǎng)此以往使得各個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)成為孤島般的相對(duì)獨(dú)立自治域。由于異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)間缺乏有效的協(xié)調(diào)，系統(tǒng)間的干擾、重疊覆蓋、單一網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供能力有限等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題凸現(xiàn)，其解決方案就是網(wǎng)絡(luò)間的互通融合。因此，異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)體系和機(jī)理的確立，將是實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高效可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵。

在可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee等室內(nèi)短距離接入技術(shù)融合方面，VLC、Wi-Fi等末端網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立地執(zhí)行各自的物理層和媒體接入控制層通信協(xié)議，通過(guò)增加一個(gè)通用鏈路層（GLL）實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合。GLL位于二層之上或部分取代二層的功能，其功能是為不同的無(wú)線(xiàn)接入機(jī)制提供統(tǒng)一的鏈路層處理。

另外，秉承控制與數(shù)據(jù)層面分離的演進(jìn)思路，分別定義控制平面和用戶(hù)平面：在用戶(hù)平面，基于不同接入技術(shù)的不同格式數(shù)據(jù)包通過(guò)轉(zhuǎn)換處理，按照統(tǒng)一接口向上層提供給數(shù)據(jù)流;在控制層面，將各網(wǎng)絡(luò)的下層反饋信息收集傳遞到協(xié)同資源管理單元，以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的移動(dòng)性管理和聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)資源管理。

5.1 接入網(wǎng)絡(luò)選擇

在可見(jiàn)光通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境下，IEEE 802.11系列網(wǎng)絡(luò)與可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，如接收信號(hào)強(qiáng)度、可用帶寬、發(fā)射功率各有不同，多種網(wǎng)絡(luò)的融合，使用戶(hù)不再只由單一網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，而是無(wú)縫漫游于多種無(wú)線(xiàn)接入環(huán)境中。多模終端如何在多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)并存的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中始終保持接入最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在融合網(wǎng)絡(luò)中，在性能、覆蓋、數(shù)據(jù)速率和移動(dòng)性支持等方面各具特性，不同接入技術(shù)相互補(bǔ)充、融合和集成。當(dāng)多模終端處于多種網(wǎng)絡(luò)不同網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇，保證終端接入最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，也能有效利用全網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)資源。

通用接入選擇過(guò)程分為網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、接入判決、接入執(zhí)行3個(gè)部分，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，配置有多種無(wú)線(xiàn)接口的移動(dòng)終端尋找可以使用的網(wǎng)絡(luò)，并記錄每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可用服務(wù)類(lèi)型。接入判決過(guò)程中，移動(dòng)終端確定接入的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，接入算法基于多種參數(shù)如帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等。其具體的判決算法與小區(qū)切換算法目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇方法類(lèi)似。接入執(zhí)行階段，終端連接到接入選擇階段的目標(biāo)。

5.2 網(wǎng)絡(luò)資源管理

根據(jù)室內(nèi)用戶(hù)請(qǐng)求的業(yè)務(wù)類(lèi)型特征、網(wǎng)絡(luò)能力等，研究全新的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)資源管理機(jī)制，通過(guò)資源變化的不同粒度引入時(shí)間尺度上的智能方法，支持動(dòng)態(tài)調(diào)整接入權(quán)限、智能聯(lián)合會(huì)話(huà)和異構(gòu)多連接協(xié)同傳輸，從而能實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)間及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的資源合理分配和使用，使網(wǎng)絡(luò)效能最大化。

在可見(jiàn)光異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，存在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題，針對(duì)此，首先從最大化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量角度出發(fā)，討論網(wǎng)絡(luò)效用最大化模型。利用模型將可見(jiàn)光與其他無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)資源抽象化最優(yōu)化問(wèn)題來(lái)解決，并用函數(shù)變量表示異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的資源要素。為分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體效益，以光電混合網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)資源為例討論，引入網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)：

[Ui，l=σlog（ab）]表示網(wǎng)絡(luò)i為連接l分配帶寬b所獲得的收益，系統(tǒng)的總收益為：

[Utol（mi，ci）=σ[N1log（am1N1）+N2log（a（m2+c2）N2）+N3log（a（m3+c3+Bi）N3）]]

其中，[mi]、[ci]分別表示光電混合網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)為各個(gè)區(qū)域分配的帶寬，[Ni=B/bm]表示區(qū)域i的平均用戶(hù)數(shù)，[B]是區(qū)域i網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的預(yù)測(cè)值，[bm]為平均每個(gè)用戶(hù)的業(yè)務(wù)量，基于此，網(wǎng)絡(luò)級(jí)資源分配最優(yōu)化問(wèn)題建模為：

目標(biāo)函數(shù)[maxUtol（mi ，ci） ?]，約束條件[m1+m2+m3=Bm，c2+c3=Bc ]。

其中，[Bm]、[Bc]分別表示光電混合網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)的總帶寬，最優(yōu)化模型中的約束條件表示為網(wǎng)絡(luò)為各個(gè)區(qū)域的帶寬之和等于該網(wǎng)絡(luò)可用的總帶寬。通過(guò)求解上述最優(yōu)化模型可以獲得使系統(tǒng)效益最大化的帶寬分配方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

全球綠色照明的推廣和LED的發(fā)展使可見(jiàn)光通信技術(shù)引起廣泛關(guān)注。目前針對(duì)可見(jiàn)光通信高速拓展技術(shù)的研究十分廣泛，但針對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光組網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究還沒(méi)有受到重視。本文在分析了可見(jiàn)光通信應(yīng)用在室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的可行性基礎(chǔ)上，介紹了一種可見(jiàn)光和無(wú)線(xiàn)射頻混合的室內(nèi)基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。針對(duì)這種光電混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)其光源布局技術(shù)分別從網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域最大化和網(wǎng)絡(luò)容量最大化為目標(biāo)的方向進(jìn)行了研究。在光電混合組網(wǎng)中，媒體接入控制技術(shù)研究是重點(diǎn)，本文分析了兩種可行的上行多址接入技術(shù)和下行光電鏈路的協(xié)同分配算法。針對(duì)可見(jiàn)光通信容易受到遮擋和遠(yuǎn)離造成斷開(kāi)的情況，提出了光電鏈路垂直切換技術(shù)和用戶(hù)水平移動(dòng)引發(fā)的小區(qū)切換技術(shù)。另外，室內(nèi)光電混合網(wǎng)絡(luò)與其他基本網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)是完善室內(nèi)通信系統(tǒng)，保證通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)用戶(hù)對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入選擇方法、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源管理方案，提出了一些基本技術(shù)方案。endprint

隨著LED照明和高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可見(jiàn)光與無(wú)線(xiàn)射頻融合在室內(nèi)組網(wǎng)方面的研究必將成為一個(gè)充滿(mǎn)前景的研究方向。本文提出的一些組網(wǎng)方面的關(guān)鍵技術(shù)只是一些基本的解決方案，還有更多技術(shù)細(xì)節(jié)有待進(jìn)一步研究。

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隨著LED照明和高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可見(jiàn)光與無(wú)線(xiàn)射頻融合在室內(nèi)組網(wǎng)方面的研究必將成為一個(gè)充滿(mǎn)前景的研究方向。本文提出的一些組網(wǎng)方面的關(guān)鍵技術(shù)只是一些基本的解決方案，還有更多技術(shù)細(xì)節(jié)有待進(jìn)一步研究。

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隨著LED照明和高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可見(jiàn)光與無(wú)線(xiàn)射頻融合在室內(nèi)組網(wǎng)方面的研究必將成為一個(gè)充滿(mǎn)前景的研究方向。本文提出的一些組網(wǎng)方面的關(guān)鍵技術(shù)只是一些基本的解決方案，還有更多技術(shù)細(xì)節(jié)有待進(jìn)一步研究。

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