室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)切換機制設(shè)計

趙貝貝,馮莉芳

(北京科技大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院,100083,北京)

可見光通信技術(shù)(visible light communications,VLC)由于具有高帶寬、高速率、兼具照明和通信的特點,受到業(yè)界的廣泛關(guān)注,為未來室內(nèi)無線通信提供了新的解決方案[1-4]。

可見光方向性強、覆蓋范圍小、穿透性差,在室內(nèi)通信環(huán)境中易受遮擋,從而導(dǎo)致通信中斷。將VLC技術(shù)與其他無線接入技術(shù)相結(jié)合是未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向之一。文獻[5-7]提出了VLC-射頻融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),與傳統(tǒng)無線技術(shù)相比,毫米波和可見光具有相似傳播特性,如頻率高、波束窄、方向性強、穿透性差等。因此,將毫米波與VLC技術(shù)相結(jié)合,可為室內(nèi)通信帶來接近的傳播速率及用戶體驗。

在室內(nèi)環(huán)境中,當用戶在VLC小區(qū)內(nèi)進行通信時,可能會因為外來遮擋或用戶移動到小區(qū)邊緣從而導(dǎo)致信號質(zhì)量差,甚至通信中斷,需要觸發(fā)切換。文獻[8-12]主要從水平切換的角度對可見光異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換進行分析,不涉及不同網(wǎng)絡(luò)間切換。為實現(xiàn)可見光系統(tǒng)與其他射頻系統(tǒng)間的融合,文獻[13-14]提出了基于接收光照強度的切換算法,通過比較接收的光照強度和設(shè)定的閾值判斷是否觸發(fā)切換,但由于該算法易受信道環(huán)境影響,切換準確性不高,甚至出現(xiàn)乒乓效應(yīng)。文獻[15]提出了基于等效信干噪比(SINR)的垂直切換算法通過比較目標網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)SINR差值決定是否觸發(fā)切換,提高了切換判決的準確性,但由于接收信號不穩(wěn)定,該算法易出現(xiàn)乒乓效應(yīng)。為了減弱乒乓效應(yīng),文獻[16-17]提出一種改進的動態(tài)駐留時間算法,通過引入影響因子來減少切換次數(shù)。

當信道環(huán)境惡劣(如遇到障礙物阻擋)至通信中斷時,信息發(fā)生丟失。采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),需要大量的反饋信息,引起傳輸延遲,且可能導(dǎo)致反饋風暴。基于噴泉碼的差錯控制方法具有反饋信息數(shù)據(jù)量少、信道適應(yīng)性好及系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點,因此更適合可見光通信信道。文獻[18-19]提出了將噴泉碼應(yīng)用到VLC系統(tǒng)中,改善系統(tǒng)的傳輸性能,提高系統(tǒng)的可靠性。

為了提高用戶體驗,本文提出了可見光-毫米波混合系統(tǒng)的切換方案,該方案基于噴泉碼無碼率特性,基于發(fā)射端,不需要考慮信道特性,提出基于發(fā)射端傳輸時間的切換機制。采用不同度分布的噴泉碼進行數(shù)據(jù)傳輸,以傳輸時間觸發(fā)切換。與現(xiàn)有基于光強照度(RSS)切換方法相比,該切換機制降低了乒乓效應(yīng),提高了切換性能,為實現(xiàn)可見光異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接提供了一種新思路。

1 室內(nèi)LED光源環(huán)境配置

根據(jù)IEEE標準,設(shè)定房間體積的長寬高為14 m×14 m×3 m[20]。國際標準對普通辦公室和住宅房間的照明照度要求是300～500 lx,光強分布應(yīng)盡可能均勻。由于單個LED達不到照明的要求,通常通過配置多個LED來實現(xiàn)國際標準的要求,本文考慮在天花板上配置4×4個LED燈。

圖1為光源布局的立體圖,移動終端距離地面的高度為0.8 m,移動終端所在平面平行于天花板。對接收終端所在平面的光照強度進行MATLAB仿真,所采用的具體參數(shù)如表1所示,室內(nèi)光照強度分布如圖2所示。

圖1 LED光源布局立體圖

參數(shù)數(shù)值房間體積/m314×14×3LED半功率角度/(°)53LED中心發(fā)光功率/mW20LED間距/m4LED與墻間距/m1VLC小區(qū)半徑r/m2.9相鄰兩個小區(qū)干擾最大長度l/m1.8LED燈個數(shù)4×4動終端距離地面的高度/m0.8

圖2 光照強度分布圖

仿真結(jié)果顯示,接收平面內(nèi)的最小光照強度為360.720 4 lx,最大光照強度811.682 4 lx,滿足室內(nèi)工作光照要求。可見該布局的照明范圍對房間形成了全面覆蓋,無通信死角,但相鄰小區(qū)間會存在干擾。

2 基于噴泉碼的差錯控制傳輸

LT碼是最基本的噴泉碼,其編譯碼方法簡單以及低譯碼開銷和編譯碼復(fù)雜度。LT碼的編碼過程如下:先根據(jù)度分布算法生成一個度值d(1≤d≤K);然后在K個輸入數(shù)據(jù)包中隨機地選取d個數(shù)據(jù)包;對選取的d個數(shù)據(jù)包進行異或,生成編碼包;重復(fù)上述過程,可在編碼器的輸出端不斷生成新的編碼數(shù)據(jù)包。由此可見,噴泉碼的度分布是設(shè)計噴泉碼的核心,它的好壞直接決定了譯碼性能。

2.1 LT碼的度分布

常用的度分布有理想孤波度分布(ISD)、魯棒孤波度分布(RSD)和二進制指數(shù)度分布(BED)。

(1)理想孤波度分布(ISD),表達式為

(1)

(2)魯棒孤波度分布(RSD)。在理想孤波度分布的基礎(chǔ)上做了改進,設(shè)計了一個正數(shù)函數(shù)τ(d)并將τ(d)與ρ(d)歸一化處理,得到魯棒弧波度分布函數(shù)Ω(d)如下

(2)

(3)

(3)二進制指數(shù)度分布(BED)。為增大較小度值出現(xiàn)的概率,提出二進制指數(shù)度分布,即

(4)

2.2 基于噴泉碼的數(shù)據(jù)傳輸

基于噴泉碼的數(shù)據(jù)傳輸過程如下:首先對原始數(shù)據(jù)包進行分割,然后根據(jù)度值對源數(shù)據(jù)包進行異或編碼,生成源源不斷的編碼包發(fā)送到接收端,最后在接收端隨機收到一定數(shù)量編碼包之后,可恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。接收端接收編碼包的數(shù)量由噴泉碼特性決定,且與度分布、錯誤譯碼率、譯碼開銷相關(guān)。

圖3 基于噴泉碼的數(shù)據(jù)傳輸過程

假設(shè)接收端接收N(N>K)個數(shù)據(jù)包即可恢復(fù)原始數(shù)據(jù),則接收端發(fā)送一個反饋信息到發(fā)送端,表示此次傳輸任務(wù)完成。從發(fā)送端發(fā)送MPDU數(shù)據(jù)包到接收端發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包,為數(shù)據(jù)的傳輸時間,如圖4所示。

圖4 傳輸時間

在傳輸過程中,接收端無需觸發(fā)開啟裝置。接收端接收到MPDU數(shù)據(jù)包之后,則數(shù)據(jù)傳輸過程啟動。設(shè)Tprop為通信的單向傳輸時間延遲,TM為發(fā)送端發(fā)送信息到接收端開始接收信息的時間,TPDU為每個數(shù)據(jù)包傳輸需要的時間。根據(jù)圖4的傳輸時間[21],有

Ttrans=NTPDU+TM+Tprop

(5)

由式(5)可知,數(shù)據(jù)包的個數(shù)N是影響傳輸時間的主要因素,而N很大程度上受度分布譯碼開銷ε所影響。在丟包率為0的情況下,設(shè)將原始數(shù)據(jù)包分為K個大小相同的數(shù)據(jù)包,成功譯碼接收到的編碼數(shù)據(jù)包個數(shù)為N,則

N=(1+ε)K

(6)

若考慮丟包率P,則式(6)為

(7)

3 基于噴泉碼的切換機制設(shè)計

在異構(gòu)網(wǎng)中,為了保證用戶持續(xù)通信并節(jié)約能耗,用戶通信應(yīng)盡可能采用VLC鏈路。當用戶信道環(huán)境惡劣時(如信道衰減較大甚或鏈路受到遮擋時),會發(fā)生通信質(zhì)量受損甚至通信中斷。此時,優(yōu)先考慮將用戶切換至相鄰VLC小區(qū),若相鄰小區(qū)也不能滿足通信要求,則切換至毫米波網(wǎng)絡(luò)。本文主要考慮終端移動到小區(qū)邊緣和可見光受到遮擋這兩種場景。

3.1 切換機制設(shè)計

本文設(shè)計的切換機制主要基于發(fā)射端,以能否在規(guī)定時間內(nèi)接收到傳輸成功的反饋信號為依據(jù),對是否需要進行切換進行判斷。其中,切換分為水平切換和垂直切換:相連兩個VLC小區(qū)之間的切換稱為水平切換;從VLC網(wǎng)絡(luò)切換到毫米波網(wǎng)絡(luò)稱為垂直切換。

基于噴泉碼傳輸時間的切換步驟如下。

步驟1用戶通過VLC網(wǎng)絡(luò)接入當前小區(qū)。

步驟2采用基于噴泉碼的差錯控制方案對數(shù)據(jù)進行傳輸:首先將數(shù)據(jù)分成K個數(shù)據(jù)包,根據(jù)采用的度分布函數(shù)對數(shù)據(jù)包進行異或操作,同時設(shè)定切換閾值;接收端接收一定量的數(shù)據(jù)包N(N>K)后即可實現(xiàn)成功譯碼,譯碼成功后發(fā)送反饋ACK信息到發(fā)送端。

步驟3利用式(1)計算傳輸時間Ttrans。

步驟4比較傳輸時間Ttrans和閾值:若傳輸時間小于設(shè)定的閾值,則不需觸發(fā)切換;若傳輸時間超過設(shè)定閾值Dth1,則觸發(fā)水平切換至相鄰小區(qū)(目的小區(qū))。當切換到目的小區(qū)后,當前小區(qū)就停止發(fā)送數(shù)據(jù)。若傳輸時間超過設(shè)定閾值Dth2,則觸發(fā)垂直切換至毫米波網(wǎng)絡(luò),否則停留在目的小區(qū),不需要觸發(fā)切換。

步驟5當切換至毫米波網(wǎng)絡(luò)后,需對切換機制的傳輸時間進行周期性的檢測,一旦檢測到傳輸時間未超過閾值Dth2,則立即切換至目標小區(qū)的可見光網(wǎng)絡(luò),檢測判斷公式如下

(8)

基于噴泉碼傳輸時間的切換機制框圖如圖5所示。

圖5 基于噴泉碼傳輸時間的切換機制框圖

3.2 切換閾值設(shè)定

(1)水平切換閾值。令Dth1表示水平切換閾值,r表示小區(qū)的覆蓋半徑,h表示接收機與LED燈的垂直距離,σ表示業(yè)務(wù)敏感度,c表示光速,則有

Dth1=NmaxTPDU+TM+Tprop1+σ

(9)

(2)垂直切換閾值。令Dth2表示垂直切換閾值,L表示LED燈間距,TLED表示LED燈指令處理時間,σ表示業(yè)務(wù)敏感度,則有

Dth2=Dth1+Tprop2+σ

(10)

式中:Tprop2=TLED+2L/c。

不同業(yè)務(wù)對切換時間的要求不一致,例如:普通業(yè)務(wù)在進行切換時,可以有切換緩沖期間,超過切換閾值不必立即切換;視頻通信業(yè)務(wù)流在超過切換閾值時立即切換。

3.3 平均傳輸時間

若考慮信道丟包率P,則數(shù)據(jù)總傳輸時間(NTPDU)的期望為

(11)

若發(fā)送端第一次發(fā)送MPDU數(shù)據(jù)包,接收端接收成功,其發(fā)生的概率為1-PS,則TM的期望為

TM=(1-PS)TS

(12)

式中:TS為正確接收MPDU數(shù)據(jù)包所需時間。

設(shè)PS為接收端第一次未接收到MPDU數(shù)據(jù)包的概率,k為發(fā)送MPDU數(shù)據(jù)包次數(shù),T0為接收到MPDU閾值,則k均值為

(13)

式(13)化簡得

(14)

TM均值為

(15)

綜上所述,平均傳輸時間為

E(Ttrans)=E(NTPDU)+E(TM)+Tprop

(16)

根據(jù)式(16)計算傳輸時間,并結(jié)合式(8)～式(10)對切換機制進行切換判決。

MPDU傳輸次數(shù)的估計過程如圖6所示。

圖6 MPDU傳輸次數(shù)的估計過程

4 數(shù)值分析

當實際信道情況較差時,例如信道被障礙物阻擋,會出現(xiàn)丟包的情況。隨著丟包率的增加,傳輸時間必然增大。采用不同的傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸,對系統(tǒng)的傳輸時間進行MATLAB仿真和分析。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 實際信道情況時的仿真參數(shù)

4.1 平均傳輸時間

考慮信道的丟包率,根據(jù)式(16)對平均傳輸時間進行仿真分析,圖7為不同傳輸方案成功傳輸所需的平均傳輸時間。由圖7可見:丟包率較小時(約小于0.1),采用反饋重傳技術(shù)的傳統(tǒng)TCP傳輸方式,重傳的信息較少;采用ISD度分布的噴泉碼接收端實現(xiàn)成功譯碼所需的編碼數(shù)據(jù)包個數(shù)要遠遠大于源數(shù)據(jù)包個數(shù);采用BED度分布的噴泉碼由于產(chǎn)生大度值的概率接近于0,因此易出現(xiàn)譯碼過程中斷或譯碼失敗。因此,信道丟包率低時,基于TCP的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅茌^好。

圖7 不同傳輸方案成功傳輸所需平均傳輸時間

當信道環(huán)境惡劣甚至通信中斷時(如遇到障礙物阻擋),采用反饋重傳技術(shù)需要大量的反饋信息,傳輸延遲較大;噴泉碼只要沒有接收到確認信息,發(fā)送端就可以從相同的源數(shù)據(jù)包中持續(xù)不斷的產(chǎn)生數(shù)據(jù)包,只有當發(fā)送的信息被成功恢復(fù),反饋信息才會傳送到發(fā)送端。因此,隨著丟包率的增加,采用LT噴泉碼的傳輸方案與TCP傳輸方案相比優(yōu)勢越明顯。采用不同的度分布(ISD、RSD、BED),數(shù)據(jù)的平均傳輸時間差距較大,其中基于RSD的數(shù)據(jù)平均傳輸時間最短,這是因為基于RSD的噴泉碼譯碼開銷最小。不同度分布的譯碼開銷性能如圖8所示。由圖8可以看出,要達到相同的譯碼成功率,基于RSD的噴泉碼譯碼開銷最小。譯碼開銷越小,平均傳輸時間越短,因此基于RSD的數(shù)據(jù)平均傳輸時間最短。

圖8 不同度分布的譯碼性能

4.2 切換性能

根據(jù)圖1的室內(nèi)系統(tǒng)模型及表1的仿真參數(shù),采用蒙特卡羅實驗對本文所提出的切換機制性能(切換概率和VLC網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)率)進行MATLAB仿真分析,其中,切換概率指切換次數(shù)與實驗次數(shù)的比值;VLC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)率指VLC網(wǎng)絡(luò)為用戶服務(wù)比率。對切換機制進行5 000次實驗,基于RSS切換算法的切換概率為0.73,基于傳輸時間切換算法的切換概率如圖9所示。由圖9可見,在相同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,不同傳輸方案的切換概率有差異,基于LT噴泉碼傳輸比傳統(tǒng)傳輸方案的切換概率低。因此,采用基于噴泉碼傳輸比采用傳統(tǒng)傳輸方式要穩(wěn)定,有利于減弱乒乓效應(yīng),基于噴泉碼的數(shù)據(jù)傳輸適合VLC信道并且能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖9 切換概率

相較于毫米波網(wǎng)絡(luò),VLC網(wǎng)絡(luò)兼具照明與通信,且沒有電磁輻射,綠色環(huán)保,故優(yōu)先考慮將用戶切換至VLC網(wǎng)絡(luò),若VLC網(wǎng)絡(luò)不能滿足通信求,則切換至毫米波網(wǎng)絡(luò)。圖10為切換機制的VLC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)率,由圖10可見:基于RSS、ISD、BED傳輸?shù)腣LC網(wǎng)絡(luò)的平均服務(wù)率比基于TCP傳輸?shù)牡腣LC網(wǎng)絡(luò)的平均服務(wù)率高15.7%。此外,由于度分布的不同,致使VLC網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)率有差異,其中基于RSD傳輸?shù)腣LC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)率最高,均值高達83%。

圖10 VLC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)率

綜上,采用噴泉碼傳輸時間的切換機制,實現(xiàn)切換所需的次數(shù)最少,并能減弱乒乓效應(yīng),充分利用VLC網(wǎng)絡(luò)資源。

5 總 結(jié)

在可見光與毫米波組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,采用切換機制保障網(wǎng)絡(luò)間的無縫連接。本文提出一種基于發(fā)射端數(shù)據(jù)傳輸時間的切換機制,以傳輸時間為切換的評判標準,不需要考慮接收功率強度,減少了計算和切換算法的復(fù)雜度。本文系統(tǒng)在兼具室內(nèi)照明與通信的需求,減少了系統(tǒng)開銷并且節(jié)能環(huán)保。實驗結(jié)果表明:采用本文切換機制,在室內(nèi)環(huán)境下,基于魯棒孤波的傳輸方式,可以實現(xiàn)切換概率不超過0.4,減弱了乒乓效應(yīng);另外,VLC網(wǎng)絡(luò)平均服務(wù)率達到83%。因此,基于魯棒孤波的噴泉碼切換機制能夠減少系統(tǒng)的開銷,降低乒乓效應(yīng),提高切換的準確性并且提高VLC網(wǎng)絡(luò)利用率。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,垂直切換機制涉及諸多因素,如速率、帶寬、用戶偏好等。本文僅以傳輸時間作為判決切換條件,過于單一,因此后續(xù)將對提出的切換機制進行優(yōu)化,以提高切換機制的性能。