基于可见光通信的室内光电混合网络组网关键技术

中图分类号：TN929.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2014） 06-0002-006

摘要：针对可见光通信在室内的应用，分析了采用可见光与无线射频构成光电混合网络的可行性，提出了一种可行的网络架构;指出了该网络架构组网中的关键技术问题，并针对网络中的光源布局、多址接入、小区切换、异构网络融合等给出了技术路线。

关键词：可见光通信;光电混合网络;媒体接入控制;小区切换;异构网络融合

Abstract：Color shift keying （CSK） is a modulation scheme proposed in IEEE 802.15.7. In view of the indoor application of VLC， the feasibility of constructing a hybrid wireless VLC network and WLAN is analyzed， and a kind of feasible network architecture is proposed. This paper points out the key technical problems of network and gives the technical route， including lighting layout， multiple access， cell handover and heterogeneous network integration.

Keywords： visible light communication; hybrid network of visible light and radio frequency; medium access control; cell handover; heterogeneous network integration

可见光通信（VLC）是一种新兴的无线通信技术，利用发光二极管（LED）响应速度快、稳定性强等特性，将信号调制到LED上，利用可见光进行数据传输。可见光通信技术具有绿色健康、覆盖灵活、兼容性强和灵活性好等突出优点，是目前通信领域研究热点之一。

早在2000年，Keio大学的Masao Nakagawa利用LED照明灯实现了信息无线传输的室内通信系统[1]。2003年10月，可见光通信协会（VLCC）成立，了可见光通信系统规范（VLCC-STD-001）和低速通信可见光身份标识（ID）应用规范（VLCC-STD-003）。韩国三星电子于2011年推出可见光通信标准IEEE 802.15.7[2]。同年，爱丁堡大学教授哈斯提出光无线网络（Li-Fi）的概念，让可见光通信进入全世界的视野。

欧盟的家庭吉比特接入计划集成可见光通信、无线通信和电力线通信技术来构建家庭区域宽带通信网，使得通信速率达到了1 Gb/s。2011年，德国海因里希-赫兹研究所的Jelena等人采用单个RGB型LED，利用波分复用、离散多音频（DMT）调制技术和雪崩光电二极管（APD）接收，实现了803 Mb/s的传输速率[3]。2013年，复旦大学使用单载波频域均衡技术，实现离线最高单向3.75 Gb/s的传输速率[4]。2013年，英国爱丁堡大学使用50 μm的微型LED，已将LED灯的3种初始颜色的传输速率提升到每秒3.5 Gb/s，使总速度达到10 Gb/s以上[5]。

但目前针对可见光网络的组网技术研究还比较少。2008年，Klaus-Dieter Langer、Olivier Bouchet等人描述了采用无线射频与可见光混合结构的下一代本地网络，通过独立的媒体访问控制（MAC）层控制，实现了区域服务和异构网络的连通[6-7]。2011年，美国波士顿大学的Michael B.Rahaim等人提出一种Wi-Fi与VLC相结合的室内混合通信系统，并在此基础上提出一种Wi-Fi和VLC网络的切换机制，实现了资源动态分配与系统吞吐量的优化[8]。2013年，东南大学提出了一种由多个光接入点和一个调制方式为OFDM的无线接入点组成的混合网络，并设计了MAC协议[9]。

本文在深入分析室内可见光通信特点的基础上提出了一种室内光电混合网络可行的网络系统架构，并分析了其中的关键技术问题，给出了初步的解决方案。

1 室内光电混合系统架构

室内是可见光通信重要应用场景。在该场景下，用户主要业务为以Web浏览、文件下载、高清视频点播等为代表的上下行非对称业务，其上下行业务量相差悬殊。以WWW浏览为例，一般上下行的数据量差异为1：5至1：10，在文件传输协议（FTP）类的文件下载中，这个比例可达1：20至1：100。由于可见光通信与照明密切结合，下行采用可见光链路可以有效解决频谱紧缺问题。上行链路可以采用如下的方式：

（1）采用光（可见光、红外）作为上行链路。该方式无需借助其他传输媒质即可实现双向通信，无需申请额外的频谱资源，且可见光和红外均不产生电磁干扰。可应用于医院、飞机、加油站等对电磁辐射敏感的场合。

（2）采用无线射频作为上行链路。该方式可以申请新的频谱资源作为VLC网络上行信道。也可以借助现有无线局域网作为其上行链路，实现异传输媒质协同组网。该方式适用于家庭室内广域接入、大型公共场所广域接入等场所。结合本文考虑的室内环境，上下行链路分别采用无线射频和可见光两种属性不同的媒质构成的异质网络。基本的网络架构为：一般来说，室内单个无线基站的信号覆盖范围很广，依具体环境数十米到百米不等。而一组LED阵列的灯光辐射范围约2～5 m，为使两类信号的室内覆盖区域基本一致，需对1个无线热点配置n个VLC热点，形成1WLAN+nVLC模式的光电混合网络架构，如图1所示。无线局域网（WLAN）基站支持Wi-Fi协议，可以进行双向传输，因此无线射频可以作为与可见光并行的下行链路进行通信。

针对这种室内光电混合网络，在具体实现室内组网时，必须重点研究的关键技术是：

（1）光源布局优化问题

室内光源布局不仅影响照明，还对混合网络的通信能力影响巨大，需根据具体要求进行优化设计。尤其在大型商场超市、机场候机厅等室内复杂应用场景，多光源合理布局与优化将会提高网络资源利用率，均衡流量，减少拥塞。

（2）媒体接入控制技术

在目前的研究中，尚无完善的多址接入技术保证用户高效接入光电混合网络。而用可见光和无线射频同时作为室内通信的下行链路时，必须解决下行光电资源分配问题。

（3）移动终端的切换技术

室内用户低速游牧移动，可见光通信容易因遮挡或终端远离导致断开。为保证通信连续，快速的光电链路切换技术及终端水平切换技术是基本研究内容。

（4）异构网络融合技术

光电混合网络与室内其他异构网络共存，异构网络融合技术可以保证用户充分利用网络资源，实现效用最大化。

2 光电混合网络的光源布局

可见光通信中，照明与通信结合。合理规范的室内LED光源布局可以使照明区域充分覆盖。但LED布设并非越多越好，LED的数目越大，室内的照明度越高，系统接受到的光信号的功率也越大，由不同路径的可见光在同一光敏二极管（PD）上交叠造成的信号间干扰也越严重。因此必须针对室内光源布局进行合理优化设计。

2.1 网络覆盖最大化

室内光电混合系统中，LED光源需要实现照明和通信的双重功能。根据国标GB50034-2004规定，室内环境下理想光照度的范围是100 lx到500 lx之间。满足通信要求的误比特率至少是10-3。依据这个原则可以建立室内环境水平面上光照度和可见光信干噪比（SINR）的数学模型，对室内同一水平面上的接收光的信干噪比进行优化。优化的准则是尽量使室内照明盲区及通信盲区最小化，同时平面上各点的信噪比方差最小，从而获得可见光热点的最佳个数及位置分布。

室内布设n个LED灯时，室内（x，y）处总光照度为：

[ET=i=1nEi] （1）

根据朗伯发射模型，其中第i个LED的光在该处的光照度[Ei=I（0）D2cosm（?）cos（ψ）]，其中[I（0）]是LED灯中心信号强度，D为LED灯与光敏二极管检测器间距，[m=ln 2 / ln（cos ?12）]，[?12]是LED灯的半功率角。

忽略可见光的散射，只考虑其直射光（LOS）信号，从LED到PD检测器的可见光信道直流增益为：

[H（0）=（m+1）A2πD2cosm（?）Ts（ψ）g（ψ）cos（ψ）] （2）

其中为[A]为PD检测器的面积，[Ts（ψ）]是光滤波器增益，[g（ψ）]是聚光器增益。

可见光聚光器的模型为：

[g（ψ）=n2sin2Ψc，0≤ψ≤Ψc0 ，0≥Ψc] （3）

其中n表示折射率，[Ψc]表示接收器的视场角。

可见光接收功率[Pr]根据LED的发射功率[Pt]求得：

[Pr=Pt?H（0）] （4）

可见光信干噪比（SINR）的定义如下：

[SINR=（rPt，xHx（0））2（i≠xrPt，iHi（0））2+n0W] （5）

其中，r是PD的反射系数，x指相关接入点（AP），[Pt，xHx（0）]是相关AP的接收功率，[Pt，iHi（0）]是第i个干扰AP的接收信号强度，W是LED的调制带宽，[n0]则是散射噪声的功率谱密度。

经过理论分析，影响光照度及SINR的参数主要有：可见光信号功率、LED灯的半功率角、LED灯的高度、光接收器的视场角。光源的优化布局如图2所示。通过计算推导及仿真模拟对相关参数进行优化设计，可以获得最优的室内LED阵列的布局设计：最佳光源分布形式为六角形分布、LED灯个数为13时，可以使照明及通信盲区最小化。其中图2（a）是这种布局下光照度分布图，约90%以上是理想照明区域;图2（b）是该布局下SINR分布图，表示理想可见光通信区域高于96%。对于不同的室内环境，应快速地建立光照度及信干噪比分布模型，实现快速地智能布局，这是构建室内光电混合网络的前提。

2.2 网络容量最大化

在室内可见光热点布设时还应考虑网络容量优化问题，包含对于无线路由覆盖范围、人员聚集位置、局域通信能力等指标。

首先，室内无线信道复杂造成网络覆盖不均衡。室内网络中无线路由器覆盖范围受到距离、障碍物等影响会出现不同程度信号强度减弱从而不能满足通信需求，因此在无线信号的通信盲区应适当布设可见光热点，从而完善通信网络，达到室内通信区域的无缝全覆盖。

其次，人员活动造成业务量分布不均衡。如图3所示，在室内不同区域，人员聚集数量差别很大，对于局域网通信能力的需求也不同，例如视频会议室、机场候机厅等出人员密集，下行业务量很大，在这些区域需要尽量多地布设可见光热点，从而满足用户正常的通信需求;而在个人办公室、卧室等处可以少量布设热点，满足基本照明需求和通信即可。

3 光电协同媒体接入控制

技术

可见光和无线射频同时作为室内网络的下行链路时，媒体接入控制技术与单一无线网络不同。一方面，如何应充分利用两种信道资源进行协同传输;另一方面，如何克服可见光链路的脆弱性。

3.1 上行接入问题

室内通信系统上行接入技术主要有基于无线的多址技术、基于位置信息辅助的多址技术。

（1）基于无线的多址技术

VLC-WLAN网络中，可以利用无线电信道作为终端接入网络的控制信道。终端在接入网络时，可以借鉴基于802.11的Wi-Fi的成熟MAC机制[12-13]，在其基础上设计室内混合网络的接入控制。前述室内网络架构中，当n =1时，网络退化为由1条射频（RF）链路和1条VLC链路构成，即所有用户处于一个VLC热点时。将控制信令和数据信令分离，其中控制信令采用无线射频信道发送，支持无线电协议如IEEE 802.11协议，可以使用户以较低的冲突概率高效接入网络。而数据信令经过相关的算法计算并分配后，通过无线射频和可见光两种信道进行并行传输。这种思想能在保证了多用户有效地接入网络的同时，大幅度地提升无线混合的网络容量和利用效率。这种多址接入技术无需重新设计新的协议，可以Wi-Fi协议基础上加以部分改进即可实现。

（2）基于位置信息辅助的多址技术

室内通信系统中，VLC热点不止一个，因此在不同VLC热点下的用户终端可以同时接收下行链路的数据。可以考虑借助不同热点下用户的位置信息进行多址接入技术设计。在不同VLC热点下的用户同时有通信需求时，根据所处位置的热点不同，在发起通信请求时，在控制信令上附加一段位置信息。中心接入点（AP）收到后，根据收到的控制信令，即可识别用户数据的所处位置和优先级，AP同时与不同位置不同VLC热点的用户发起通信。而在同一个VLC热点下的用户，根据其业务优先级的不同，AP优先分配给业务优先级高的用户可见光信道使用权，优先级低的用户可以分配无线信道，或随机退避一段时间。

3.2 光电链路协同分配

下行链路中，可见光和无线射频信道并行传输，根据两类信道带宽、传输速率等适用于不同用户的业务，可以对信道资源分配问题进行研究，光电链路信道资源分配问题可以视为非线性的目标函数优化问题。建立针对用户时延最小化、信道丢包率最小及时延抖动最小化等为目标函数的数学模型。以矩阵论、博弈论、MATLAB仿真软件等工具可以推导出在不同用户服务质量（QoS）要求时，业务传输占用的可见光信道和无线射频信道情况，从而优化信道配置、最大化资源效用[14]。以时延最小化为例，建立目标函数，n个用户接入网络，各自业务长度为[Li]，按照一定比例分配到两种信道上传输，则系统的总时延：

[minT=i=1nmax（αiLi/Rv，（1-αi）Li/Rr）] （6）

其中，[Rv]、[Rr]分别为两信道传输速率，[αi]、[1-αi]分别是用户i在VLC信道、无线射频信道上的业务比例。

约束条件是有效可用带宽B及各用户最小接入时延限制[τi]：

[s.t.i=1nαiL

4 移动终端的切换技术

可见光的链路特殊性使其通信链路相对其他无线传输方式比较脆弱，VLC信道受遮挡及远离效应的影响很大，通信过程很容易被障碍物遮挡，从而造成链路断开，这极大地影响了用户对于网络通信QoS的要求。

4.1 光电链路垂直切换

用户在可见光信道上通信时，因受到障碍物遮挡而导致链路断开，可以切换到无线信道上继续通信，链路恢复畅通后可以切换回VLC信道，即光电链路的垂直切换技术。切换包括3个阶段：切换发起、切换判决和切换执行。在切换发起阶段，需要检测接收信号强度（RSI），判断链路断开类型;在切换判决阶段，需根据链路断开类型（遮挡或远离）、断开时间（长时断开或短时断开）和用户QoS要求等参数建立判决函数，决定是否立即执行切换或等待链路恢复。牛津大学Jindong Hou和Dominic C. O’Brien提出了一种基于模糊逻辑的垂直切换决策机制[10]，但判决参数未考虑用户QoS需求，模糊判决结果不理想。链路切换的关键内容就是切换发起和切换判决两个阶段，其中切换判决是切换机制的关键，也是研究的重点。

4.2 终端的水平切换

室内通信用户往往低速游牧移动，当因受到障碍物遮挡导致通信链路断开时，可以触发链路间的垂直切换机制，若进入新的VLC热点或小区，可以执行水平切换，从而保证用户继续保持高速通信能力。

水平切换包括在同一个小区中不同VLC热点之间的切换，不同小区间的切换两类。在同一个小区内不同热点间切换只需针对用户QoS需求及VLC热点网络参数，通过小区选择算法选择出理想的切换目标。而不同小区之间的水平切换不是单纯的水平切换，包含几个过程：用户离开一个小区进入另一个小区时，首先触发垂直切换到WLAN网络;再进入新小区的WLAN网络后认证连接;识别到VLC热点后再执行垂直切换到VLC网络。可简化为光电垂直切换―WLAN水平切换―电光垂直切换。

小区选择算法是一个典型的多目标决策算法，需要综合考虑不同接入网络的信号强度、剩余带宽、上行链路视距径和用户QoS要求等多个方面的因素，做出最合理的目标网络选择决策[15]。

构建相应的多属性判决效应函数如下所示，其中N是属性集合总数，M是目标方案数：

[U（Ai）=j=1NwjXij，i∈M] （8）

由于无线异构网络参数值无统一标准，为了消除量纲效应和尽可能维持各参数值的变化信息，需要对其进行规范化。

用矩阵选择网络的参数值进行表示，如下式所示：

[X=x11x12...x1nx21x22...x2nx31x32...x3nx41x42...x4n] （9）

其中，n表示候选小区网络，[x1]、[x2]、[x3]、[x4]分别表示信号强度、剩余带宽、上行链路视距径和用户QoS要求。矩阵X的元素[xij]代表第i个网络第j（j=1、2、3、4）个参数值。从4个参数（[x1]、[x2]、[x3]、[x4]）中每次选取2个参数xi和xj，xi和xj对网络选择的影响程度比值用Cij表示，从而得到两两比较判断，并且按照重要程度评定等级，采用数学1～9个数表示其重要性。比较结果构成等级用于判断矩阵[C=cij]，这样判决矩阵可如下式所示：

[C=c11c12...c14c21c22...c24c31c32...c34c41c42...c44] （10）

其中，[cij>0]，[cii=1]且[cij=1/cji]，然后利用方根法计算判断矩阵，得到评价参数的权重。具体操作如下：

（1）计算判决矩阵每一行的积：[Mi=j=14cij（i=1，2，3，4）]

（2）计算Mi的m次方根：[w*i=Mi4]

（3）归一化处理：[wi=w*ii=14w*i]

其中[wi]（i =1、2、3、4）为信号强度、剩余带宽、上行链路视距径和用户QoS要求的标准化属性值。代价函数即为各属性权重和标准化属性值的乘积和，代价函数越大表明选择该小区越好。通过终端的水平切换技术可以用户因远离可见光热点导致通信被打断时还能继续通信，从而保证光电混合系统进行高速、高效的通信。

5 室内异构网络融合

单一的通信接入技术往往针对特定的业务设计其网络架构、信令流程及管理体系，并拥有独立的资源管理模式，长此以往使得各个通信网络成为孤岛般的相对独立自治域。由于异构通信网络间缺乏有效的协调，系统间的干扰、重叠覆盖、单一网络业务提供能力有限等现实问题凸现，其解决方案就是网络间的互通融合。因此，异构融合网络体系和机理的确立，将是实现可见光通信异构网络高效可靠传输的关键。

在可见光通信网络与Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等室内短距离接入技术融合方面，VLC、Wi-Fi等末端网络独立地执行各自的物理层和媒体接入控制层通信协议，通过增加一个通用链路层（GLL）实现异构网络融合。GLL位于二层之上或部分取代二层的功能，其功能是为不同的无线接入机制提供统一的链路层处理。

另外，秉承控制与数据层面分离的演进思路，分别定义控制平面和用户平面：在用户平面，基于不同接入技术的不同格式数据包通过转换处理，按照统一接口向上层提供给数据流;在控制层面，将各网络的下层反馈信息收集传递到协同资源管理单元，以进行动态的移动性管理和联合网络资源管理。

5.1 接入网络选择

在可见光通信异构网络融合环境下，IEEE 802.11系列网络与可见光网络的参数，如接收信号强度、可用带宽、发射功率各有不同，多种网络的融合，使用户不再只由单一网络接入网络提供服务，而是无缝漫游于多种无线接入环境中。多模终端如何在多种无线技术并存的网络环境中始终保持接入最优网络是异构网络要研究的一个关键问题。在融合网络中，在性能、覆盖、数据速率和移动性支持等方面各具特性，不同接入技术相互补充、融合和集成。当多模终端处于多种网络不同网络覆盖区域时，进行网络选择，保证终端接入最优网络的同时，也能有效利用全网的无线资源。

通用接入选择过程分为网络发现、接入判决、接入执行3个部分，网络发现过程中，配置有多种无线接口的移动终端寻找可以使用的网络，并记录每个网络的可用服务类型。接入判决过程中，移动终端确定接入的目标网络，接入算法基于多种参数如带宽、时延、抖动、丢包率等。其具体的判决算法与小区切换算法目标网络的选择方法类似。接入执行阶段，终端连接到接入选择阶段的目标。

5.2 网络资源管理

根据室内用户请求的业务类型特征、网络能力等，研究全新的联合网络资源管理机制，通过资源变化的不同粒度引入时间尺度上的智能方法，支持动态调整接入权限、智能联合会话和异构多连接协同传输，从而能实现多网络间及网络内的资源合理分配和使用，使网络效能最大化。

在可见光异构网络环境中，存在异构网络资源分配问题，针对此，首先从最大化异构网络系统容量角度出发，讨论网络效用最大化模型。利用模型将可见光与其他无线通信网络资源抽象化最优化问题来解决，并用函数变量表示异构网络中的资源要素。为分析网络系统的整体效益，以光电混合网络和3G网络资源为例讨论，引入网络效用函数：

[Ui，l=σlog（ab）]表示网络i为连接l分配带宽b所获得的收益，系统的总收益为：

[Utol（mi，ci）=σ[N1log（am1N1）+N2log（a（m2+c2）N2）+N3log（a（m3+c3+Bi）N3）]]

其中，[mi]、[ci]分别表示光电混合网络和3G网络为各个区域分配的带宽，[Ni=B/bm]表示区域i的平均用户数，[B]是区域i网络业务量的预测值，[bm]为平均每个用户的业务量，基于此，网络级资源分配最优化问题建模为：

目标函数[maxUtol（mi ，ci） ]，约束条件[m1+m2+m3=Bm，c2+c3=Bc ]。

其中，[Bm]、[Bc]分别表示光电混合网络、3G网络的总带宽，最优化模型中的约束条件表示为网络为各个区域的带宽之和等于该网络可用的总带宽。通过求解上述最优化模型可以获得使系统效益最大化的带宽分配方案。

6 结束语

全球绿色照明的推广和LED的发展使可见光通信技术引起广泛关注。目前针对可见光通信高速拓展技术的研究十分广泛，但针对室内可见光组网及其关键技术的研究还没有受到重视。本文在分析了可见光通信应用在室内网络的可行性基础上，介绍了一种可见光和无线射频混合的室内基本网络架构。针对这种光电混合网络架构，对其光源布局技术分别从网络覆盖区域最大化和网络容量最大化为目标的方向进行了研究。在光电混合组网中，媒体接入控制技术研究是重点，本文分析了两种可行的上行多址接入技术和下行光电链路的协同分配算法。针对可见光通信容易受到遮挡和远离造成断开的情况，提出了光电链路垂直切换技术和用户水平移动引发的小区切换技术。另外，室内光电混合网络与其他基本网络的异构网络融合技术是完善室内通信系统，保证通信质量的关键技术。本文针对用户对于异构网络的接入选择方法、异构网络的资源管理方案，提出了一些基本技术方案。

随着LED照明和高速无线网络技术的发展，可见光与无线射频融合在室内组网方面的研究必将成为一个充满前景的研究方向。本文提出的一些组网方面的关键技术只是一些基本的解决方案，还有更多技术细节有待进一步研究。

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