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)備接入對無線通信的高速率傳輸、高容量和超低時延提出了更高要求和挑戰(zhàn)。據(jù)報道，從第四代移動通信系統(tǒng)(4th Generation Mobile Networks,4G)到5G，移動用戶數(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現(xiàn)的通信技術(shù)[4]，利用具備響應(yīng)靈敏度且支持信號調(diào)制特性的發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)在照明的同時提供無線通信服務(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，可應(yīng)用于室內(nèi)智能家居、水下高速光通信和電磁嚴控場景等領(lǐng)域[5]。然而，VLC受到LED視場角覆蓋范圍的限制以及障礙物遮擋，信號傳輸范圍受限[7]。

為擴大VLC覆蓋范圍，增強系統(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、擴大覆蓋范圍且降低鏈路中斷概率，對提高通信系統(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)中繼主要有兩點不同：一是傳輸?shù)男盘柌煌琑F系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柺菑?fù)信號，而VLC系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柺欠秦搶嵭盘枺欢切诺啦煌琑F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)：只有一個中繼節(jié)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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)點只能接收來自中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信息。在直連鏈路中繼系統(tǒng)中，信宿節(jié)點能夠接收到信源節(jié)點和中繼節(jié)點各自發(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)點和信宿節(jié)點之間有多個中繼節(jié)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。特點是：網(wǎng)絡(luò)傳輸場景復(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，充當中繼的可能是任務(wù)燈[8]、臺燈[9]和地面燈[11]等光源或近端用戶[12]。圖1中當近端用戶具有收發(fā)功能時，該系統(tǒng)具有任務(wù)燈和近端用戶兩個中繼，可稱為多中繼系統(tǒng)。

1.2 應(yīng)用場景

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[14]考慮一個下行戶外車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在RF通信受阻的情況下，將一輛電動汽車指定為中繼，同時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式并進行了漸近分析，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)點的作用主要是協(xié)助信源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息；有時不僅轉(zhuǎn)發(fā)信源節(jié)點的信息，而且還傳輸中繼自身信息。文獻[13]提出了一種戶外可見光疊加中繼策略，該策略中繼節(jié)點不僅可以轉(zhuǎn)發(fā)信源信息，而且可以同時傳輸自身車輛信息，文獻中同時還比較了疊加中繼策略、時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，比時分多址有著5 dB的增益，如圖2所示[13]。

圖2 信道對數(shù)標準系數(shù)為σh=0.1的疊加中繼、時分多址和NOMA 3種方式下信號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，從而減少對人眼的傷害。為降低VLC上行鏈路中信源的光功率，文獻[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算量并且耗時，文獻[11]提出使用AF和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward, DF)的次優(yōu)設(shè)計方案來最小化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)。

為擴大VLC覆蓋范圍，使信源節(jié)點和VLC覆蓋范圍之外的遠端用戶通信，同時支持多個用戶通信，文獻[17]提出采用VLC-RF混合中繼網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定在每組用戶對中，近端用戶能夠通過VLC直連鏈路接收光源發(fā)來的信號，然后作為中繼通過RF鏈路將信號轉(zhuǎn)發(fā)給VLC覆蓋范圍之外的遠端用戶。即使遠端用戶在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[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)點和目的節(jié)點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)點對從信源節(jié)點接收到的信號進行功率放大，再將放大后的信號傳輸給下一節(jié)點[15]。由于AF協(xié)議在放大信號的同時也放大了噪聲，因此AF協(xié)議更適應(yīng)于高信噪比系統(tǒng)。

DF指中繼節(jié)點先對接收到的信號進行解調(diào)、解碼和判決，然后將判決后的數(shù)據(jù)進行編碼調(diào)制，再轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點[22-24]。由于DF對接收的信號進行了重新編碼，能夠有效消除噪聲的影響，但是中繼在譯碼時可能會產(chǎn)生錯誤，容易造成“譯碼錯誤傳播”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[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)，對比了采用DF比AF更容易實現(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)點到中繼節(jié)點的信道質(zhì)量情況，當信道質(zhì)量高于門限值時，中繼節(jié)點將采取AF或DF把接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點；當信道質(zhì)量低于門限值時，中繼節(jié)點對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“譯碼錯誤傳播”等問題。

增量中繼協(xié)議[24]是在目的節(jié)點增加一個對中繼節(jié)點的反饋信息，中繼節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點的反饋信息，決定是否對接收到的信源信息進行轉(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)點具有信息存儲能力。

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

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)議的文獻鮮有。文獻[24]比較研究了DF、增量中繼和選擇中繼3種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議及其對系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明，當LED的最大信源半徑<3 m時，單跳系統(tǒng)和采用DF協(xié)議系統(tǒng)的中斷概率幾乎相同，當最大信源半徑在3 m及以上時，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。同時文獻[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)場景和應(yīng)用需求，實現(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信號是雙極性的，而在使用強度調(diào)制的VLC系統(tǒng)中，其信號是非負性的，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]、非對稱限幅O-OFDM[25-26]和非對稱限幅直流偏置O-OFDM[27]等。

在中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)中，文獻[27]提出使用非對稱限幅直流偏置O-OFDM多載波調(diào)制方式，信源端信號被分配給偶數(shù)子載波，中繼端信號被分配給奇數(shù)子載波，然后這兩部分信號組合成非對稱限幅直流偏置O-OFDM信號。在該系統(tǒng)中，奇數(shù)子載波上的信號不干擾偶數(shù)子載波上的信號，而偶數(shù)子載波上的信號對奇數(shù)子載波上的信號的干擾可以通過噪聲估計來消除。最后，兩個信號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[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來消除其他用戶干擾。基于NOMA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[7]研究表明，在盡力而為機制下，相對于正交多址(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)量較大的情況下實現(xiàn)較高的總速率。文獻[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)有機結(jié)合，可以提高多用戶系統(tǒng)總速率[30]。文獻[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個用戶的MIMO-VLC系統(tǒng)中，當r/R=1(r為用戶K離中心點的距離；R為LED光源的最大輻射半徑)，用戶數(shù)K=2和3時，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[31]研究結(jié)果表明，專門能量效率頻分復(fù)用的NOMA比非對稱限幅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)射端采用正交時域、頻域和碼域通信，導(dǎo)致頻譜資源浪費。文獻[32]利用多個半雙工LED光源作中繼，對于每種中繼方案，在中繼節(jié)點上都精心設(shè)計了安全波束形成向量，以防止竊聽者竊聽信息，從而有利于保護合法者接收信息，實現(xiàn)信息的安全傳輸。

全雙工模式：接收端和發(fā)射端可以同時同頻進行信號傳輸，理論上可以實現(xiàn)信道容量加倍，避免頻譜資源浪費，但與此同時帶來收發(fā)端環(huán)路干擾問題，然而相對于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)路干擾水平會較低[32]，因此全雙工模式的中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)更容易實現(xiàn)。文獻[33]研究了中繼節(jié)點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，當調(diào)制階數(shù)增大時，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，全雙工中繼可獲得3.9 dB的性能改進，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)鍵性指標之一。衡量中繼協(xié)作VLC系統(tǒng)可靠性的指標主要有中斷概率、BER以及吞吐量。文獻[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，當用戶數(shù)量較少時，系統(tǒng)的可靠性能更好。文獻[15]的研究表明，中繼節(jié)點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[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[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[35]考慮一個位于VLC覆蓋范圍之外的合法接收者和一個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式，同時探討了VLC光源的高度、覆蓋范圍以及光源和中繼的發(fā)射功率對系統(tǒng)性能的影響；文獻[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，同時采用波束形成策略最大化中繼和目的節(jié)點的最大保密容量，在滿足最大保密容量前提下最小化系統(tǒng)功率。實驗結(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[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)點分享剩余的能量來提高傳輸可靠性；同時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)鍵性能指標之一。VLC中繼系統(tǒng)中，對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)點從信源節(jié)點獲取能量來進行信息傳輸。文獻[20]提出在VLC-RF異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，在VLC鏈路中，中繼節(jié)點使用直接偵測策略來獲取信息，同時收集能量，再利用收集的能量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給移動用戶；同時研究了采用RF信道瞬時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[21] 考慮VLC-RF混合中繼網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點能夠從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式；文獻[37]提出了一個具有兩個LED光源、兩個沒有安裝光探測器目的節(jié)點以及1個具有能量收集能力(如太陽面板)的中繼節(jié)點的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)，能量獲取時長內(nèi)的最優(yōu)時間交換協(xié)議；文獻[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，另一部分能量用于譯碼及轉(zhuǎn)發(fā)信息給遠端用戶。該研究在分析兩個用戶中斷概率的基礎(chǔ)上，探討了在最小化中斷概率時的最優(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，但是面向5G甚至6G未來通信網(wǎng)絡(luò)的增強移動帶寬、超低時延、超可靠和海量設(shè)備接入等應(yīng)用場景，中繼協(xié)作的VLC系統(tǒng)還有待進一步研究。

(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VLC系統(tǒng)模型，而面對未來網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景，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)雜場景。

(2) 從組網(wǎng)方式分析，VLC作為RF通信的有益補充技術(shù)，必然要與RF通信實現(xiàn)無縫對接，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。

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的主要挑戰(zhàn)。