室内热点场景RF/VLC混合组网研究分析

张欢欢

1 引言

急剧增加的智能终端数量和飞速增长的数据业务需求促使移动业务的种类和应用场景都发生了深刻变化。一方面，室内热点场景的数据需求越来越大，大约占整个数据业务的80%以上；另一方面，多媒体等业务的普及，极大提升用户对高速数据业务的需求。由于频谱资源不可再生，如何应对室内热点场景网络快速增长的流量压力和移动业务的体验需求，已经成为研究者普遍关注的焦点问题。依托室内配置的发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）照明设备的室内可见光通信（visible light communication，VLC）系统除了具备实现成本低、与原有的无线电磁（Radio Frequency，RF）通信系统互不干扰等优点外，还具备保密性高、带宽不受限等特点，具有非常广阔的应用前景，被认为是现有无线通信网络的有益补充[1，2]。

可见光通信的想法由来已久，贝尔早在1880年便提出通过调节光束变化传递语音信号来进行无线通话[3]。然而，受限于当时的技术，可见光通信仅停留在概念上，并未走向实用化。随着LED灯的普及，以及无线通信技术的进步，可见光通信近几十年再度兴起，并且不断取得了新的突破。在2000年，日本研究人员提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统[4]，并对LED可见光无线通信系统展开了具体分析[5]。此后短短十几年，VLC相关的通信技术迅速发展，并且在信道测量与建模、调制技术、编码技术、信道容量分析、数字均衡技术、收发机设计等链路级通信方面取得了大量的研究成果[6，7]。2010年，德国的研究团队创造世界纪录将可见光通信速率提高至513Mbps；2013年，中国复旦大学又刷新了世界纪录，研发出3.75Gbps离线数据传输的速率；同年，英国高校的科研人员又把这个记录刷新到10Gbps。

在VLC系统，数据信号承载在光信号上进行传输，由于可见光无法穿透墙壁等障碍物传播，因此VLC系统也会存在受到链路阻塞的可能[8]。考虑到通常光源覆盖区域仅為几到十几平方米，信号的传输范围受限于光源覆盖区域，从而限制了用户的移动性[9]。同时，考虑到VLC链路收发天线的原理结构不同，以及系统用户终端的能耗限制，用户终端通常不具备光信号发射功能，VLC链路通常只承担下行数据的传输。这些缺陷使得仅采用可见光链路来完成室内热点场景的组网是不太现实的。考虑到RF和VLC系统可以共存，且不会相互干扰，RF网络与VLC网络相补充，实现混合组网，被认为是改善室内热点场景通信性能的理想选择[10，11]。

2 RF/VLC混合组网系统研究现状分析

VLC链路特性的研究证明了通过可见光实现下行数据传输的可行性和有效性。但是有关上行链路传输方式的研究比较少，这也是限制可见光产业化的一个瓶颈问题。RF/ VLC混合组网系统上行采用RF链路，VLC仅承担下行链路数据传输任务，就可以有效解决VLC技术产业化的难题。因此，针对RF/VLC混合组网技术的研究有很重要的理论价值和现实意义。随着VLC技术研究的兴起，RF/VLC混合组网被认为是室内热点场景的一种有效解决方案，得到了广泛关注。

在室内VLC系统中，作为发射天线阵元的LED数目众多且分布位置不同，而阵元分布、阵元光轴极角、阵元层间距、阵元数目等参数都会影响室内光功率分布。VLC链路的建模分析和特性研究是特定环境传输和特性通信应用的研究基础。因此，在LED自身特性、光接收器特性、LED室内分布以及照明需求等因素的约束下，针对VLC链路特性和系统特性的研究是RF/VLC混合组网系统关键技术的研究基础与前提。西安理工大学研究团队通过分析室内光源布局设计与接收光功率分布的关系，优化了四个通信光源的布局设计[12]；长春理工大学研究团队研究了室内可见光通信系统的白光LED光源特性和信道特性，给出接收光功率分布与照明光源布局设计的关系[13]；北京理工大学研究团队同时考虑包含/不包含墙壁反射2种情况下光源布局对室内照度分布的影响，利用照度均方差最小化准则优化室内光源布局，分别给出两种情况下白光LED的最优布局，并针对具体场景给出了最优化光源分布方案[14]。

2011年，Rahaim等研究者提出了射频与VLC混合组网系统，并分析了切换时延和系统吞吐量[15]。2013年，Bao X等研究者提出一种VLC与RF融合的混合组网系统，并基于切换问题设计了混合网络通信协议[16]。Duvnjak等研究者对设计了VLC与RF混合组网系统的系统架构[17]。

与传统的仅支持RF或仅支持VLC的网络相比，RF/VLC混合组网系统有明显的优势：不仅可以提供高速数据连接，还可以实现无缝可靠覆盖。Kashef M等研究者基于用户的数据速率约束和基站最大允许传输功率的约束，对比了RF/VLC混合组网系统和单一RF系统的能量效率[18]。对比结果表明，RF/VLC混合组网相比单一RF系统具有更高的能量效率。

RF/VLC混合组网类型可以分为3种：VLC和RF分别用于下行链路和上行链路传输、RF用于上行链路，下行链路在RF和VLC中选一个、RF用于上行链路，下行链路可以同时选用RF和VLC。基于这3种组网类型，研究者们开展了很多研究工作。Bao X等研究者基于上述第一种混合组网类型研究了新的多用户接入机制、水平切换协议和垂直切换协议[19]。Wang Y等研究者进一步分别研究了切换机制和负载平衡机制[20，21]。基于上述第二种混合组网类型，Stefan I等研究者以链路信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）性能作为RF和VLC链路切换的参考指标，分析了混合组网系统的性能[22]。基于上述第3种混合组网类型，Kazemi H等研究者假设RF和VLC链路具有相同的传输速率，发射机同时使用2个链路发送数据，提出了一种基于分集的传输方案[23]。

综合上述分析，从网络建设的复杂度、网络维护成为以及网络性能3个评价指标来看，3种混合组网模式各有利弊，表1给出了不同组网类型的优势和不足。

除了组网模式的对比分析，对多用户接入和资源分配方法的关注也逐渐增多[24-26]。Hammouda M等研究者以用户感知和切换时延作为性能指标，设计了高效的链路选择算法[26]。Zhang H等研究者在射频小信元网络的背景下，将资源分配问题描述为一个非凸优化问题，然后用非凸优化方法将其转化为凸问题，提出了基于强替代方向法的分布式和功率分配算法[27]。

3 RF/VLC混合组网研究方向预测

混合组网模式的对比分析是RF/ VLC混合组网技术研究的基础，多用户接入方式和资源分配算法的研究进一步推动了RF/VLC混合组网系统的应用。目前，RF/VLC混合组网技术离实际应用还有一段距离，相关研究仍然是一个开放性的课题。本文尝试分析内热点场景的特点，在此基础上预测RF/VLC混合组网下一步研究方向。

超多信号接入点（Access Points，AP）部署是室内热点场景的一个显著特点。如何高效节能的规划部署信号接入点，是室内热点场景RF/VLC混合组网系统的一个关键问题。针对室内热点场景，现有的5G解决策略是采用超密集AP部署。在超密集部署场景下，由于AP间距离较小，网络间的干扰将不可避免[28]。在RF/VLC混合组网系统，VLC可以分担下行数据传输压力，减少RF系统需要部署的AP数目。因此，已有的RF系统网络部署方案无法直接应用到RF/VLC混合组网系统。考虑到为了满足照明的需求，室内会布放密集的LED，理论上，所有的LED都可以作为AP承担通信功能，参与信号传输。然而，考虑到节点之间的干扰以及控制众多节点的复杂度和开销等因素，需要根据业务需求来选择需要的LED作为AP进行信号传输。VLC系统AP部署无法独立于RF系统AP部署，两者互相影响。需要根据RF/VLC混合组网系统的自身特性，进行网络部署研究。

超大用户量是室内热点场景的另一个显著特点。如何选择合适的多用户接入方案，也是室内热点场景RF/VLC混合组网系统的一个关键问题。在RF/VLC混合组网系统中，VLC链路通常只承担下行数据的传输，上行数据统一通过RF链路传输。这一区别于其他类型异构网的特性使得现有的多用户接入方案无法直接应用到RF/VLC混合组网系统；同时，网络部署策略对多用户接入方式选择也有直接的影响。因此，需要基于RF/VLC混合组网系统的自身特性，以及网络部署策略，进行多用户接入技术研究。

资源紧张也是室内热点场景的一个显著特点。从节能角度看，这里的资源不仅包括频谱资源，还包含功率资源。面对僧多粥有限的矛盾，如何设计高效的资源分配方案，实现资源的高效合理分配，是室内热点场景RF/VLC混合组网系统的另一个关键问题。

基于上述分析，RF/VLC混合组网系统未来将在如下3个方向上发力。

3.1 网络部署方案設计

在室内场景下，RF/VLC混合组网系统通常包括RF信号发射点和VLC的信号发射点。在VLC系统中，同时充当光源和发射天线的多个AP通常分散分布在房间天花板上，其分布面积比较大。受限于视场角（Field of View，FOV），用户用来接收光信号的光电二极管（Photo-Diode，PD）只能接收到一定区域范围内的AP发射的信号，当房间面积比较大或者PD的FOV比较小时，AP的覆盖区域会很小。因此，一个RF信号点的覆盖区域内需要布放多个VLC信号接入点（如图1所示）。如何基于覆盖率，充分考虑RF网络特性、VLC网络特性以及两种网络的特殊关系等约束条件，设计合理的网络节点部署方案，是RF/VLC混合组网研究的一个重要内容。

3.2 多用户接入算法和资源分配方法研究

在RF/VLC混合组网系统，用户网络的选择主要指选择通过RF链路还是通过VLC链路，抑或2种链路联合使用。由于用户移动或者网络负载容量变化，在选择网络时，会进行网络内的水平切换和网络间的垂直切换。其中水平切换指采用同种网络技术内部不同热点的切换，垂直切换发生在不同网络之间。然而，频繁的网络切换不仅增加开销，而且严重影响数据传输。为了避免这种问题，需要合理的多用户接入算法和相应的高效资源分配方法支撑。因此，多用户接入算法和资源分配方法研究也是RF/VLC混合组网系统的一个重要研究方向。

3.3 基于真实场景的组网方案优化

大规模推广商用是RF/VLC混合组网研究的最终目标。因此，结合室内热点场景的业务特性，将理论成果与应用需求密切结合，兼顾网络容量和网络建设以及维护成本等约束因素，不断优化RF/VLC混合组网系统方案，促进RF/VLC混合组网在真实场景中的应用与推广，是RF/VLC混合组网系统的另一个重要研究方向。

4 结语

RF/VLC混合组网系统可以将VLC和RF技术进行融合，充分利用两者的互补特性，实现室内高速通信与无缝覆盖，因此成为下一代网络的候选技术之一。如何根据室内热点场景高数据业务动态需求，在RF系统特性、VLC系统特性、以及网络建设成本约束下设计面向网络容量、用户感知、以及功率效率的智能组网方案，促进RF/VLC混合组网系统的产业化进程，是下一代移动通信技术需要解决的难点问题。针对这个难点问题，从分析RF通信网络和VLC通信网络的特性出发，扬长避短，充分发掘2种通信网络的互补优势，同时兼顾网络容量和网络建设以及维护成本等约束因素，结合室内热点场景的业务特性，将理论成果与应用需求密切结合，开展适用于真实室内热点场景RF/VLC混合组网系统的组网方案研究是主要策略。同时，立足RF/VLC混合组网在真实场景中的应用与推广，并为RF/VLC混合组网在其他更普适场景中的应用设计提供理论支撑，是RF/VLC混合组网研究的一个关键目标。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.06.016

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