可见光通信系统微小区预切换算法的研究

洪文昕，李天屿，陈建飞

(南京邮电大学 a.电子与光学工程,微电子学院； b.通信与信息工程学院，南京 210023)

0 引 言

可见光通信(Visible Light Communication, VLC)技术为室内无线通信系统提供了一种全新的接入方式，但由于室内环境受限，引起通信覆盖范围重叠，终端切换频繁的问题得到广泛研究，而切换技术也是移动通信系统中不可或缺的重要技术之一，它保证了终端在随意移动的过程中语音和数据通信不中断[1-2]。

为解决室内VLC高效切换的问题，首先需建模室内的通信覆盖情况，针对这一问题，成顺利等人提出了一种白光发光二极管(Light Emitting Diode，LED)朗伯模型参数估计法，此方法可高效估计LED的朗伯模型参数和发射光功率[3]。基于此，乔琪等人根据室内VLC的光照布局模型，在照明、接收功率和信噪比的约束条件下实现了移动终端在同构组网下的链路切换[4]。此外，还可通过异构组网实现切换，Sewaiwar A等人提出双向VLC的颜色单元概念，结合室内超大型集成电路的综合解决方案，实现了较大室内环境下用户移动的通信链路切换[5]；Chen J等人为保证用户可以灵活地连接到网络接入点(Access Point, AP)，研究了AP分组、用户关联和功率分配的联合优化，提出了一种基于图的干扰管理(Interference Management，IM)算法，以提高切换的有效性[6]。

除了在发射端计算光功率来实现切换的方法外，也有学者研究了接收端在小区切换。Ryoo H等人提出一种差分检测接收系统，可有效消除VLC小区间的干扰[7]；Chen C等人也提出并评估了一种广义的角分集接收器(Angle Diversity Receiver, ADR)结构，该 ADR可提高链路切换的可靠性[8]。

根据以上研究成果，本文提出一种基于室内VLC系统的微小区预切换算法，采用基于时隙计算的预测切换算法，该算法可以提前预测终端即将切换的微小区。

1 室内VLC系统模型

在室内VLC系统中，常采用多个LED且呈一定规律的布局方案[9]。本文采用7个LEDs阵列的对称布局方案，设定LED满足朗伯辐射模型，并且房间的长宽高为10 m×10 m×3 m，其他参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

图1所示为7个LEDs阵列的布局位置以及在高度为0.85 m水平面的光照度分布，根据光功率分布，将作为切换功率计算的参考。

图1 LEDs阵列布局及光照度分布

在本文室内VLC系统中，每个LEDs阵列视作一个AP，每个AP覆盖一个通信微小区。终端正在接受某个AP提供的通信服务，因为服务质量不达标需要转换接入到另一个AP，以接受更好的通信服务，并且在转换过程中尽力保证通信服务不间断。由于单个AP的覆盖范围较小，接收终端在房间内随意移动时可能发生频繁的链路切换，系统将产生较大的切换开销，因此研究室内VLC系统的链路切换算法显得十分必要。

2 基于时隙计算的预测切换算法

即可获得移动终端的位置坐标(x,y,ht)。

2.1 探测时隙

在移动终端向LEDs阵列发送的每一帧数据中设定两个探测时隙，并结合式(1)所示的到达时间差 (Time Difference of Arrival，TDOA) 定位法确定探测时隙处移动终端的坐标位置，进而确定移动终端在两个时隙时间内的移动距离和移动方向，最终可以获得移动终端的移动速度。具体而言，设移动终端向LEDs阵列发送的一帧数据中包含N个时隙，且第1和第3个时隙为探测时隙，图2所示为帧数据结构。

图2 帧数据结构

在传输一帧数据的过程中，利用TDOA定位法获得探测时隙1和3处的终端位置坐标pos1和pos3，并计算终端的速度矢量为v=(pos3-pos1)/2，其单位为米每时隙。其中，若|v|≠0，则终端为移动状态，可能发生链路切换；若v=0，则终端为静止状态，无链路切换趋势，因此继续进行数据传输。

2.2 基于时隙计算的预测切换算法

从以上分析可知，若终端为移动状态，则可能发生链路切换，链路切换的成功与否将极大地影响通信服务质量的好坏，因此本文提出一种基于时隙计算的预测切换算法，该算法能够根据移动终端的速度矢量v，对终端在当前数据帧结束时是否发生链路切换进行预测，进而辅助LEDs阵列完成通信链路的提前切换工作。

具体而言，将相邻LEDs阵列网络覆盖范围重叠区域设定为预切换保护区域，预切换保护区域是预切换启动和执行切换之间的区域，图3中网络覆盖范围重叠的锥形区域即为预切换保护区域。同时，在图3中模拟了终端从位置1移动至位置2，再移动至位置3的运动过程，显然，终端在运动过程中需要从LEDs阵列1切换至LEDs阵列2。因此，下面以图3的终端模拟运动过程说明本节提出的基于时隙计算的预测切换算法。

图3 预切换保护区域

终端从位置1移动至位置2的过程中，终端进入了预切换保护区域，可能即将发生链路切换，因此网关启动该基于时隙计算的预测切换算法。网关对通信过程中的每一帧数据进行分析，以某一帧数据为例，通过2.1节的内容可知该帧数据探测时隙3处的终端位置坐标pos3和移动终端的速度矢量v，因此可以预测该帧数据第N时隙处的终端位置posN，即该帧数据结束时的终端位置，计算公式如下：

之后，网关判断终端位置posN是否超出预切换保护区域，若未超出保护区域或超出了保护区域，但终端位置posN仍处于LEDs阵列1的网络覆盖范围，则不作处理；若终端位置posN超出保护区域，并且处于LEDs阵列2的网络覆盖范围，则说明终端即将在某个时隙发生切换。当终端移动到与LEDs阵列1和阵列2等距的位置时，即为发生切换的位置，设发生切换的时隙为n，其计算公式为

式中：x1和y1为探测时隙1处获得的坐标位置；vx和vy分别为速度矢量v的横向分量和纵向分量；xLED1和yLED1为LEDs阵列1的坐标位置；xLED2和yLED2为LEDs阵列2的坐标位置；N*为一帧数据中包含的时隙数。此后，网关在第n-2个时隙发起链路切换请求，进行预切换处理。图4所示为该算法的流程示意图。

图4 算法流程示意图

3 仿真校验

本节针对基于时隙计算的预测切换算法提升室内VLC系统切换性能的能力进行仿真分析。

图5所示为一帧数据包含不同数量的时隙时使用该算法的预测切换成功率。由图可知，该算法在每帧数据包含20个时隙时，预切换成功率超过80%，并达到最高，验证了该算法的可行性。图6所示为不同切换时延时，采用该算法能够节约的切换时间。由图可知，该算法在每帧数据包含20个时隙时，可为室内VLC系统节约的切换时间最多。

图5 预测切换成功率

图6 切换节约时间

图7所示为不同切换时延时，采用该算法为系统节约的切换时间占数据总传输时间的比例。由图可知，该算法在每帧数据包含20个时隙时，切换节约时间占比最高，可以有效地降低室内VLC系统的切换开销，进而验证了该算法的合理性和有效性。

图7 切换节约时间占比

4 结束语

本文首先分析了室内VLC系统的研究现状，并提出了一种预切换计算方法，利用LED朗伯辐射模型和TDOA定位法计算得到终端的具体位置和移动速度矢量，并结合速度矢量对终端移动位置做出预判断，从而提前预测终端即将要切换到哪个微小区。仿真结果表明，该算法有较高的预测切换成功率，可以有效降低室内VLC系统的切换开销。