射频系统和多个VLC的混合通信方法探究

郭晓初

(江苏无线电厂有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

经过创新与改革，研究人员提出了可见光通信技术，转变传统的照明设施，使其成为高速接入点，通过光谱进行无线通信，实现通信功能与照明功能的双重使用。然而，由于在较小区域时，LED光源受到限制，导致光束容易出现阻塞现象，尤其是在室内环境中，需要混合部署RF系统和VLC系统，扩大信号覆盖的范围。

1 可见光通信技术

可见光通信技术是采用波长在380～780 nm的可见光电磁波段进行通信的无线通信技术。我国有关可见光通信技术的研究起步虽滞后于世界发达国家，但技术发展迅速，目前有关高速可见光关键通信技术的研究已经达到世界领先水平[1]。可见光无法穿透不透明介质，其信号传播途径较射频通信技术更为有限，因此目前对该技术的研究重点主要集中在两个方向：(1)将可见光通信技术与射频技术相融合，打造混合通信方案；(2)将可见光通信单独应用于安全会议室、安全移动支付等场景。

2 可见光通信技术组网方案

可见光通信技术与现有通信系统融合需重点解决上行机制的优化选择问题，目前较主流的为可见光上行机制和红外微波上行机制，但两种机制均存在明显的技术缺陷。鉴于以上背景，决定采用射频信道作为上行机制，主要满足办公、休憩、商超等电磁不敏感空间的通信需求，顺利完成VLC网络组网，具体方案介绍如下：

定义VLC网络调度器，用于VLC网络配置及管理，其核心模块为VLC网络协调器，除IEEE802.15.7标准中定义的功能项，协调器还可提供室内外通信双向接口，以便于上行WiFi及下行LED灯接入。协调器内包括数据缓存及交叉转换数列、用户定位及切换控制软件，若有用户进入，定位程序自动检测其所在位置，依照下行数据帧可获取MAC地址，完成用户识别，并将有关数据传输至数字交换矩阵，将数据帧传输至输出端。当用户在不同空间间转移时，切换控制程序可自动向另一输出端口传递用户数据。用户定位及切换控制为协调器的新功能项，目前已有多种以LED为基础的室内定位机制研究问世，但此类机制多专用于照明和定位，无法提供通信功能。WiFi为基础的定位机制定位精度不足，也无法达到混合通信系统的要求。

在VLC组网中，依照用户具体位置可将信息划分为多个组别，某空间的LED阵列以TDM形式出现，只对用户信息组别进行广播。基于该特点，各空间内的光信号可均匀分布，因墙壁及门的隔断，空间的光信号不发生任何干扰。此外，RDM与TDM，OFDM等机制均具备较高的相容性，将其与其他机制结合使用可进一步提高通信网络的吞吐能力。

3 基于可见光通信技术的混合通信方案

3.1 混合通信系统需求分析

运用该种通信系统有助于打破VLC本身的限制，并强化使用者的数据速率中断效果。近几年，人们对于无线数据的需求量逐渐提升，曾有学者指出借助异构网络满足当前社会对无线数据的需要，而可见光通信正是其重要内容之一。此项技术实现将常规照明装置转换成高速接入点，并借助光谱实现无线通信，同时实现照明及通信的功能。此项技术的应用优势在于，其无须频谱许可、抗干扰能力强、通信速度较快、在较为封闭的空间内可以满足定位需要等。但受到LED光源的约束，形成的光束极易遭到阻塞，因而该技术在空间上的吞吐量会有存在不稳定的问题，特别在室内空间中。

RF系统能够在任何条件下达到数据传输的中等效率，在某种程度上降低小区间的限制。借助混合部署形式与此系统相结合，拓展数据信号的覆盖面积，提高数据传输的效率，进而优化用户通信的体验感。此外，VLC系统可以应对数据流量偏大的情况，在保证基本照明及通信的同时，不会影响RF系统的正常运行，满足具有较强辐射空间的通信需要[2]。

3.2 混合通信系统设计方案

首先，为消除VLC系统在通信方面的限制，设计混合式的通信系统方案，其中包括VLC与RF两项技术。整个系统包括VLC与RF多个接入点。系统用户处于信号覆盖的范围内，并利用VLC完成基本的服务任务，用户的分布情况满足泊松分布，并计算出用户的平均数值以及信号覆盖范围的面积。在此混合系统内部，各VLC接入点中都涉及大量的LED等，且用户直接受单个接入点的服务，而各接入点应用的带宽为同等规格。为消除VLC本身受到小区间影响的问题，利用RF进行补充，构建两层甚至多层的通信系统网络。此外，为控制用户范围的距离，尽量避免出现信号中断的问题，需要在VLC系统中加设数量合适的RF接入点。为消除RF接入点相互的影响问题，将此系统设计为具备固定频谱以及功率预算，同时各接入点配有相互无联系的频谱，以达到相对独立的效果。

VLC与RF系统借助中央单元完成操控作业，为保证VLC网络在此系统中的优先地位，可利用该系统检测用户的数据传输情况以及所处环境信号干扰程度。若检测的结果低于既定的阈值，便需将该用户划分至RF系统处理，保证VLC系统的优先性[3]。但由于客观条件的影响，难以确保RF系统接入点分布均匀，应按照用户瞬时流量的需要，将BR以及PR重新划分，保证数据速率和用户的通信体验感。例如，第Y个接入点在某时间段内的用户相较于第B点的用户更多，由此，在进行系统设计时，应适当增加Y点的BR及PB。

其次，HVLRF系统。基于上述的系统设计分析，增加射频系统，形成混合式的HVLRF。CU按照既定的间隔时间对VLC进行检测，对于数据速率偏低的接入点，将其涵盖的用户转移到RF系统中。速率阈值结合系统的具体状况加以优化设计。假设速率阈值在30 Mbps的情况下，进行情景模拟。

(1)系统用户平均值在35，且处于均匀分布的状态。在仅使用VLC系统的情况下，其数据速率可达到50 Mbps，但会出现40%左右的用户数据速率仅在30 Mbps及以下的情况。利用HWLRF系统，在原本的基础上加设RF系统的接入点，综合考量BR及PR，应当考量不同的组合形式。如在BR达到20 MHz且PR为1W时，该系统中的数据传输中断概率仅为1/5左右，而不断提高BR或PR，呈现的中断率会随之下降。直至BR达到30 MHz时，相应的数据速率便可超过30 Mbps。(2)基于上述情境，将用户容量扩大至70位。此种情况下，有限区域内的用户密度提升一倍。在原本VLC系统下，其数据速率明确下降，其中超过60%的用户处于30 Mbps以下。在HVLRF系统中，加设多个接入点，依旧以频谱和功率为变量进行分析。BR达到60 MHz，PR为2W时，中断率小于20%。结合上述假设情境可得，在特定区域内，用户的数量与资源需求存在同向变动的关系。(3)HVLRF既可以提升信号中断的性能，又能够有效消除链路阻塞。若链路的阻塞概率达到0.5，单一的VLC系统便会产引发极为明显的阻塞情况。应用HVLRF系统，该问题得到较好的处理。总体而言，运用该系统形成混合通信，形成的阻塞对通信性能的干扰程度可以不计。

最后，相关参数计算。在VLC系统中，着重探究数据速率的覆盖情况。若用户的PD为面向上，其辐照角以及入射角应为等值关系。计算信号干扰比的公式为：

其中，r0为用户距离最近接入点的间距，rk为用户距离k点的间距，h是指用户与接入点之间的纵向距离[3]。

系统中用户数据速率和系统信号干扰比值有直接联系。为切实消除在VLC系统下中断概率较高的情况，在系统中加设RF系统和HVLRF系统，共同构成混合通信系统。

4 结语

技术人员需要先评估VLC系统的用户覆盖率，当速率中断性能较低时，需要在VLC系统中引入RF系统，将最小资源要求量化。在HVLRF系统中，确定参数设置和设计系统框架，加大对RF系统和VLC系统的研究力度，根据实际情况优化通信资源，设计出HVLRF系统，提高用户的数据速率以及系统的可靠性，从而确保速率、覆盖率。