射頻系統和多個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

經過創新與改革，研究人員提出了可見光通信技術，轉變傳統的照明設施，使其成為高速接入點，通過光譜進行無線通信，實現通信功能與照明功能的雙重使用。然而，由于在較小區域時，LED光源受到限制，導致光束容易出現阻塞現象，尤其是在室內環境中，需要混合部署RF系統和VLC系統，擴大信號覆蓋的范圍。

1 可見光通信技術

可見光通信技術是采用波長在380～780 nm的可見光電磁波段進行通信的無線通信技術。我國有關可見光通信技術的研究起步雖滯后于世界發達國家，但技術發展迅速，目前有關高速可見光關鍵通信技術的研究已經達到世界領先水平[1]。可見光無法穿透不透明介質，其信號傳播途徑較射頻通信技術更為有限，因此目前對該技術的研究重點主要集中在兩個方向：(1)將可見光通信技術與射頻技術相融合，打造混合通信方案；(2)將可見光通信單獨應用于安全會議室、安全移動支付等場景。

2 可見光通信技術組網方案

可見光通信技術與現有通信系統融合需重點解決上行機制的優化選擇問題，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網絡組網，具體方案介紹如下：

定義VLC網絡調度器，用于VLC網絡配置及管理，其核心模塊為VLC網絡協調器，除IEEE802.15.7標準中定義的功能項，協調器還可提供室內外通信雙向接口，以便于上行WiFi及下行LED燈接入。協調器內包括數據緩存及交叉轉換數列、用戶定位及切換控制軟件，若有用戶進入，定位程序自動檢測其所在位置，依照下行數據幀可獲取MAC地址，完成用戶識別，并將有關數據傳輸至數字交換矩陣，將數據幀傳輸至輸出端。當用戶在不同空間間轉移時，切換控制程序可自動向另一輸出端口傳遞用戶數據。用戶定位及切換控制為協調器的新功能項，目前已有多種以LED為基礎的室內定位機制研究問世，但此類機制多專用于照明和定位，無法提供通信功能。WiFi為基礎的定位機制定位精度不足，也無法達到混合通信系統的要求。

在VLC組網中，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，只對用戶信息組別進行廣播。基于該特點，各空間內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，將其與其他機制結合使用可進一步提高通信網絡的吞吐能力。

3 基于可見光通信技術的混合通信方案

3.1 混合通信系統需求分析

運用該種通信系統有助于打破VLC本身的限制，并強化使用者的數據速率中斷效果。近幾年，人們對于無線數據的需求量逐漸提升，曾有學者指出借助異構網絡滿足當前社會對無線數據的需要，而可見光通信正是其重要內容之一。此項技術實現將常規照明裝置轉換成高速接入點，并借助光譜實現無線通信，同時實現照明及通信的功能。此項技術的應用優勢在于，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，因而該技術在空間上的吞吐量會有存在不穩定的問題，特別在室內空間中。

RF系統能夠在任何條件下達到數據傳輸的中等效率，在某種程度上降低小區間的限制。借助混合部署形式與此系統相結合，拓展數據信號的覆蓋面積，提高數據傳輸的效率，進而優化用戶通信的體驗感。此外，VLC系統可以應對數據流量偏大的情況，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 混合通信系統設計方案

首先，為消除VLC系統在通信方面的限制，設計混合式的通信系統方案，其中包括VLC與RF兩項技術。整個系統包括VLC與RF多個接入點。系統用戶處于信號覆蓋的范圍內，并利用VLC完成基本的服務任務，用戶的分布情況滿足泊松分布，并計算出用戶的平均數值以及信號覆蓋范圍的面積。在此混合系統內部，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，而各接入點應用的帶寬為同等規格。為消除VLC本身受到小區間影響的問題，利用RF進行補充，構建兩層甚至多層的通信系統網絡。此外，為控制用戶范圍的距離，盡量避免出現信號中斷的問題，需要在VLC系統中加設數量合適的RF接入點。為消除RF接入點相互的影響問題，將此系統設計為具備固定頻譜以及功率預算，同時各接入點配有相互無聯系的頻譜，以達到相對獨立的效果。

VLC與RF系統借助中央單元完成操控作業，為保證VLC網絡在此系統中的優先地位，可利用該系統檢測用戶的數據傳輸情況以及所處環境信號干擾程度。若檢測的結果低于既定的閾值，便需將該用戶劃分至RF系統處理，保證VLC系統的優先性[3]。但由于客觀條件的影響，難以確保RF系統接入點分布均勻，應按照用戶瞬時流量的需要，將BR以及PR重新劃分，保證數據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的用戶相較于第B點的用戶更多，由此，在進行系統設計時，應適當增加Y點的BR及PB。

其次，HVLRF系統。基于上述的系統設計分析，增加射頻系統，形成混合式的HVLRF。CU按照既定的間隔時間對VLC進行檢測，對于數據速率偏低的接入點，將其涵蓋的用戶轉移到RF系統中。速率閾值結合系統的具體狀況加以優化設計。假設速率閾值在30 Mbps的情況下，進行情景模擬。

(1)系統用戶平均值在35，且處于均勻分布的狀態。在僅使用VLC系統的情況下，其數據速率可達到50 Mbps，但會出現40%左右的用戶數據速率僅在30 Mbps及以下的情況。利用HWLRF系統，在原本的基礎上加設RF系統的接入點，綜合考量BR及PR，應當考量不同的組合形式。如在BR達到20 MHz且PR為1W時，該系統中的數據傳輸中斷概率僅為1/5左右，而不斷提高BR或PR，呈現的中斷率會隨之下降。直至BR達到30 MHz時，相應的數據速率便可超過30 Mbps。(2)基于上述情境，將用戶容量擴大至70位。此種情況下，有限區域內的用戶密度提升一倍。在原本VLC系統下，其數據速率明確下降，其中超過60%的用戶處于30 Mbps以下。在HVLRF系統中，加設多個接入點，依舊以頻譜和功率為變量進行分析。BR達到60 MHz，PR為2W時，中斷率小于20%。結合上述假設情境可得，在特定區域內，用戶的數量與資源需求存在同向變動的關系。(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到0.5，單一的VLC系統便會產引發極為明顯的阻塞情況。應用HVLRF系統，該問題得到較好的處理。總體而言，運用該系統形成混合通信，形成的阻塞對通信性能的干擾程度可以不計。

最后，相關參數計算。在VLC系統中，著重探究數據速率的覆蓋情況。若用戶的PD為面向上，其輻照角以及入射角應為等值關系。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]。

系統中用戶數據速率和系統信號干擾比值有直接聯系。為切實消除在VLC系統下中斷概率較高的情況，在系統中加設RF系統和HVLRF系統，共同構成混合通信系統。

4 結語

技術人員需要先評估VLC系統的用戶覆蓋率，當速率中斷性能較低時，需要在VLC系統中引入RF系統，將最小資源要求量化。在HVLRF系統中，確定參數設置和設計系統框架，加大對RF系統和VLC系統的研究力度，根據實際情況優化通信資源，設計出HVLRF系統，提高用戶的數據速率以及系統的可靠性，從而確保速率、覆蓋率。