基于扇区化光波束切换的站址受限可见光通信覆盖方法_丁举鹏.pdf

2023年第1期0引言可见光通信以其低成本、免于频谱注册和抗常规电磁干扰等优点，被视为传统基于射频移动无线网络重要的补充技术之一1-4。但是，受限于全向朗伯光波束的可见光通信研究范式，传统的朗伯光波束研究方案必须依赖多个可见光发射器来增强移动性。这些发射器布局在天花板上，呈方形网格型、蜂窝型、泊松点型或硬核泊松点型，数量充足。但是，对于可用发射器数量受限甚至仅包含单个发射器的室内场景，这种全向朗伯光波束的可见光通信范式则无法完成通信5-8。文献9-13表明，非朗伯光波束在信道增益、接收功率分布等方面表现出优越于朗伯光波束的特性。同时，静态非朗伯光波束配置时系统的累积分布函数值占比较高。因此，本文以非朗伯光波束配置为基础，提出一种收稿日期：2022-02-28。基金项目：国家自然科学基金项目（62061043）资助；新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目（2019D01C020）资助；新疆维吾尔自治区全职引进高层次创新人才项目（042419004）资助；新疆维吾尔自治区天山雪松计划项目（2020XS27）资助。作者简介：丁举鹏（1985），男，博士，现任教于新疆大学，研究方向为无线光通信及组网、可见光通信及定位、光与无线的融合、物理层安全、空天地海无线光通信、5G及B5G移动通信等，主持国家自然科学基金（地区基金、青年基金）、新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目、新疆维吾尔自治区全职引进高层次创新人才项目和自治区天池博士计划项目等科研项目。基于扇区化光波束切换的站址受限可见光通信覆盖方法Site-restricted visible light communication coverage methodbased on sectorized beam switchingDING Jupeng1,2,I Chih-Lin2,MIJIT Ablimit1（1.School of Information Science and Engineering,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830046,China;2.China Mobile Research Institute,Beijing 100053,China）Abstract:The traditional static Lambert and non Lambert beam configuration is difficult to solve the problem of limitedtransmitter site.Aiming at the application scenario of a single transmitter,a coverage method of restricted visible lightcommunication based on sectionalized optical beam switching is proposed.This method uses commercially available slantednon-Lambert optical beams to dynamically determine the candidate optical beams that can provide the best coverage signal-to-noise ratio according to the state information feedback from the receiver at different locations,and then builds a directionaltransmission link.Simulation results show that,compared with the traditional static Lambert beam configuration,the proposedmethod can achieve an average SNR gain of 4.48 dB and 5.94 dB respectively,by adding two or three candidate sector beamswitching options in a typical indoor environment.Key words:sectorized optical beams,beams switching,limited site resource,wireless optical communication丁举鹏1，2，易芝玲2，米吉提 阿不里米提1（1.新疆大学 信息科学与工程学院，乌鲁木齐830046；2.中国移动通信有限公司研究院，北京100053）摘要：传统的静态朗伯和非朗伯光波束配置难以较好地解决发射器站址受限问题。针对单一发射器的应用场景，提出了一种基于扇区化光波束切换的信道站址受限可见光通信覆盖方法。该方法采用商业可用的倾斜非朗伯光波束，根据接收器在不同位置反馈的状态信息，动态地确定能提供最佳覆盖信噪比的候选光波束，构建定向传输链路。仿真结果表明：在典型室内环境下，与传统静态朗伯光波束配置相比，该方法通过增加 2 个或 3 个候选扇区波束切换选项，接收器可分别获得4.48 dB、5.94 dB 的平均信噪比增益。关键词：扇区化光波束；波束切换；站址资源受限；无线光通信中图分类号：TN919文献标志码：A文章编号：1002-5561（2023）01-0063-05DOI：10.13921/ki.issn1002-5561.2023.01.011开放科学（资源服务）标识码（OSID）：引用本文：丁举鹏，易芝玲，米吉提阿不理米提.基于扇区化光波束切换的站址受限可见光通信覆盖方法J.光通信技术，2023，47（1）：63-67.专 题:可 见 光 通 信632023年第1期丁举鹏，易芝玲，米吉提阿不理米提.基于扇区化光波束切换的站址受限可见光通信覆盖方法基于扇区化光波束切换的站址受限可见光通信覆盖方法。1非朗伯光波束三维空间辐射特性本文借助多个倾斜的发光二极管（LED）平面型子阵列来构造发射器，辐射出多束非朗伯倾斜候选光波束。但是，由于每个LED子阵列有差异化的空间方位指向，因而本文对发射器点亮的室内区域进行了区域化的划分：以发射器所在的空间位置为中心，当发射器由2个LED子阵列构成时，可见光覆盖小区被等尺寸地划分为2个扇区区域（双扇区），每个扇区区域由一个高度关联的LED子阵列和其非朗伯倾斜光波束来提供区域性覆盖；当发射器由3个LED子阵列（假设三者的方位角朝向相差120）构成时，则可见光覆盖区域被近似划分为3个扇区（三扇区）。为了便于研究，本文将2个候选非朗伯光波束的动态配置中的对应初始方位偏置值分别设置为0和180，其三维空间辐射特性如图1所示。其中，红色实线箭头表示波束长轴的空间指向，红色虚线箭头表示该空间指向在光源所在XY平面内的投影方向，该投影方向与X轴正向的夹角即为初始方位偏置角度。将3个候选非朗伯光波束的扩展动态配置中的对应初始方位角偏置值分别设置为90、210和330，其三维空间辐射特性如图2所示。对于第j束倾斜候选光波束，相应的辐射强度表达式为INSPW+，+j()=3i=1gliexp-In()2+-g2i()2cos2+j()g3i()2+sin2+j()g4i()2（1）其中，j是第j束倾斜候选光波束的初始方位角偏置值，为出射角，为出射角变化量，为光线投影在光源所在平面内的方位角，高斯系数为gl1=0.13、g21=45、g31=g4i=18、gl2=1、g22=0、g32=38、g42=2210，13。所选的第j束工作光波束和接收器之间的信道增益表达式为H SNSPWBeam，R，j()=ARINSPW+，+j()d20cosGofGoc，0FOV0，FOV（2）其中，INSPW（0，0）14为NSPW345CS系列光源产品的光波束辐射强度，AR为接收器光电二极管（PD）探测面积，d0为光源与接收器之间视距（LOS），Gof和Goc分别为接收器滤光片增益和聚光器增益，FOV为接收器的视场角（FOV）。SNSPWBeam代表NSPW型LED光源，该光源发出典型的非朗伯光波束，R代表接收器。2基于扇区化光波束切换方法假设在单个发射器场景中接收器的信道状态信息（CSI）对发射器而言是完全已知的，则可以根据接收器在不同接收位置反馈的CSI，动态地确定能提供最佳覆盖信噪比的候选光波束，进而将全部数据流加载到选定的扇区光波束来构建定向传输链路。对于可见光通信发射器，被选定的最优候选扇区光波束的标识号可根据CSI来确定，其表达式为j?arg max=jJPTH SNSPWBeam，R，j()r2FOE2（3）其中，J是候选光波束的数量，r为PD的响应度，FOE是光/电转换传因子，2是接收器处的加性噪声方差，PT为发射光功率。基于扇区化光波束切换方法中接收器的信噪比表达式为SNRdyna=PTH SNSPWBeam，R，j?()r2FOE2（4）图3为基于扇区化波束切换的站址受限无线光通（a）侧视图（b）俯视图图1双扇区动态配置的三维空间辐射特性（a）侧视图（b）俯视图图2三扇区动态配置的三维空间辐射特性专 题:可 见 光 通 信642023年第1期丁举鹏，易芝玲，米吉提阿不理米提.基于扇区化光波束切换的站址受限可见光通信覆盖方法信系统框图。基于扇区化光波束切换方法的具体流程如下：在波束测量阶段的第一个测量时隙内，发射器首先将CSI测量信号仅加载到第一个倾斜非朗伯LED子阵列，进而接收器对检测到的CSI测量信号的信噪比进行检测并在缓存中暂时保存上述记录；在第二个测量时隙内，发射器将CSI测量信号仅加载到第二个倾斜非朗伯LED子阵列，进而接收器第二次检测CSI测量信号信噪比，并缓存记录。重复上述过程，直至每个非朗伯LED子阵列及其空间波束的测量信号信噪比被接收器所测量并记录。在判定反馈阶段，通过强壮的低速率射频链路或者红外上行链路，接收器将各条测量信噪比记录反馈至发射器。在波束判定阶段，将得到的各项测量信噪比记录进行比较，并将其中更高一项的关联波束选定为用于加载数据信息的工作波束。在选择执行阶段，依据所选定的工作波束标识信息，通过波束选择开关，发射器将数据流切换到选定的LED子阵列。由于上述扇区化光波束切换方法仅改变数据信号（交流信号）在不同LED子阵列之间的加载与否，并不改变直流偏置电源对各个LED子阵列的偏置点亮，因而不会影响其稳定点亮状态。3数值仿真及分析本文将量化评估静态非朗伯光波束配置和动态扇区化非朗伯光波束配置下可见光通信的覆盖特性。为了便于比较，仿真仅包含单一发射器的资源受限场景，涉及的主要参数如表1所示。3.1静态非朗伯光波束配置传统的静态朗伯和非朗伯光波束配置中，发射器位于天花板的中心，可见光覆盖范围主要集中在发射器空间位置下方的有限圆形区域。同时，峰值信噪比出现在接收机工作平面的中心，该工作平面被朗伯光波束直接照亮。静态朗伯和非朗伯光波束配置的信噪比空间分布图如图4所示。一旦朗伯光波束被非朗伯光波束取代，系统平均信噪比将从39.22 dB增加到42.99 dB，信噪比波动范围则从24.0146.85 dB调整 到18.3253.52 dB之间，对应的信噪比波动幅度从22.74 dB提升至35.20 dB。因此，与静态朗伯光波束配置相比，静态非朗伯光波束配置的平均信噪比增益高达3.77 dB。然而，这种简单的波束替换会使系统信噪比波动幅度增强12.46 dB，从而导致可见光的覆盖均匀性恶化。从图4（b）可以看出，由于所引入的非朗伯光波束空间的不对称性，虽然峰值信噪比仍然出现在接收器工作平参数取值场景房间长/m、宽/m、高/m5.0，5.0，3.0LED光源朗伯指数1发射器的平均光发射功率/W40.83接收器视场角/（）70接收平面高度/m0.85PD探测器面积/cm2