室内可见光通信异构融合系统研究进展_梁静远.pdf

2023年第1期室内可见光通信异构融合系统研究进展Research progress of heterogeneous integration system forindoor visible light communicationLIANG Jingyuan1,XU Yaxin1,HAN Meimiao1,ZHAO Li2,KE Xizheng1*（1.School of Automation and Information Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,China;2.Electronic Information Engineering,Xian Technological University,Xian 710021,China）Abstract:In order to improve the performance of the visible light communication system,the heterogeneous integration of visi-ble light communication technology and other communication technologies can make various technologies learn from each oth-er,enhance the capacity of the communication system and improve the utilization rate of resources.The methods and develop-ment statusoftheintegrationofvisiblelightcommunicationwithpowerlinecommunication（PLC）,WiFi,ethernet,longtermevolu-tion（LTE）network and fifth generation/sixth generation mobile communication technology（5G/6G）are introduced.The futuredevelopment of visible light communication heterogeneous integration system is prospected.Key words:visible light communication,heterogeneous integration,ethernet梁静远1，徐亚欣1，韩美苗1，赵 黎2，柯熙政1*（1.西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安710048；2.西安工业大学 电子信息工程学院，西安710021）摘要：为了提高可见光通信系统性能，将可见光通信技术与其它通信技术异构融合，能使各类技术取长补短，增强通信系统容量，提高资源利用率。介绍了可见光通信分别与电力线通信（PLC）、WiFi、以太网、长期演进（LTE）网络、第五代/第六代移动通信技术（5G/6G）融合的方法及发展现状，对可见光通信异构融合系统的未来发展做了展望。关键词：可见光通信；异构融合；以太网中图分类号：TN929.1文献标志码：A文章编号：1002-5561（2023）01-0046-05DOI：10.13921/ki.issn1002-5561.2023.01.008开放科学（资源服务）标识码（OSID）：引用本文：梁静远，徐亚欣，韩美苗，等.室内可见光通信异构融合系统研究进展J.光通信技术，2023，47（1）：46-50.0引言可见光通信（VLC）是利用发光二极管（LED）进行高速数据传输的通信方式1，具有抗电磁干扰能力强、传输带宽宽、环保节能、无需频谱认证等优点，被用于室内导航、定位及某些电磁敏感环境，例如医院、候车大厅和机舱等2。但在真实场景中，仅由VLC组成的无线通信网络存在覆盖面较小、上行传输链路不成熟、光路易被遮敝、LED调制带宽受限等弊端3。于是，人们尝试将VLC与其它通信技术结合，搭建多元化的异构融合系统架构，使各类接入技术取长补短。因此，本文 分 别 介 绍VLC与 电 力 线 通 信（PLC）、WiFi、以 太网、长期演进（LTE）网络、第五代/第六代移动通信技术（5G/6G）融合的方法及发展现状。1 VLC与PLC异构融合1.1 VLC与PLC异构融合方案当前，融合PLC和VLC的技术方案主要分为2种：一种是放大转发/解码转发（DF/AF）模式，即对加载在电力线上的信息进行解调放大后载入LED；另一种是深度融合模式，即对PLC信息不解调，通过耦合器直接把原始电力线信号载入LED。PLC信号经LED发射后，VLC接收端完成信号的解调4-5。收稿日期：2022-11-23。基金资助：陕西省重点产业创新项目（2017ZDCXL-GY-06-01）资助；西安市科技创新引导项目（201805030YD8CG14（12）资助；陕西省教育厅科研计划项目（NO.18JK0341）资助。作者简介：梁静远（1989），女，陕西西安人，硕士，助理工程师，主要从事无线光通信系统基础理论及调制解调技术的研究工作。2017年以来，获得省部级科技奖励3项，教学成果奖励7项。*通信作者：柯熙政（1962），男，博士，二级教授，陕西省教学名师，中国电子学会会士，出版专著10部，主要研究方向为无线激光通信理论与技术、先进导航理论与技术。专 题:可 见 光 通 信462023年第1期1.2 VLC与PLC异构融合发展现状VLC技术在近年来显示出了巨大的发展潜力和实用前景。2002年，KOMINE T等人6将VLC和PLC融合，自此异构融合网络技术成为越来越多研究人员关注的焦点。2015年，为了提高VLC系统性能，SONG J等人7在PLC和VLC深度融合的基础上提出一种单频网络（SFN）系统设计方案，并研究了PLC-VLC系统的信道模型。2016年，CHANG J A等人8将PLC与VLC系统相结合，实现了单一空时调制的频率分集，并评估了PLC-VLC融合系统特性。2017年，针对PLC-VLC系统的双通道频谱估计问题，ALAIN R N等人9使用非参数窗口Welch方法对传输信道统计分析，探究了抽头数、视距（LOS）链路和非视距（NLOS）链路增益对PLC-VLC系统频率响应的影响。陈梦迟等人10研究了PLC-VLC融合系统中信道估计技术，并通过建立PLC-VLC融合信道模型来分析梳状和块状导频结构下的最小二乘和奇异值分解。理艳荣11采用放大转发（AF）中继技术，提出了一种新型融合网络结构，并利用这种结构的特点，研究了适用于融合系统的正交频分复用（OFDM）技术。2019年，在PLC与VLC深度融合的系统框架基础上，AYESHA N等人12提出非正交多址接入（NOMA）技术，在系统容量和功率效率方面，NOMA比正交多址（OMA）方案性能更优。2021年，刘焕淋等人13提出了一种新的遗传算法，用于优化用户配对联合子载波分配方法，采用这种方法可以显著提高室内PLC-VLC系统的吞吐量，并且能够更好地满足用户的需求。杨博瑞14基于PLC和VLC级联技术，在2个不同的传输信道上采用OFDM技术，避免了多径效应和阻抗衰落等物理层影响。2022年，为了确保信号在PLC与VLC级联系统中有效传输，杨博瑞等人15提出了一种基于OFDM的中心节点解调调制模型，这种模型有效地实现了PLC与VLC之间的信息交互。2 VLC与WiFi异构融合2.1 VLC与WiFi异构融合方案室内用户位置改变和建筑格局都有可能导致VLC信号质量降低或通信中断，若使用WiFi来辅助VLC，即可实现在VLC信号中断时切换至WiFi继续数据传输16。VLC-WiFi异构融合系统中，VLC接入点以其高发射功率、大带宽等优势为下行链路提供了极高的传输速率。同时，WiFi接入点也利用其覆盖面积大、抗遮挡能力强和上行传输可控等特点，实现了异构网络的上行传输17。VLC与WiFi异构融合方案有以下几种：可见光与WiFi同时进行上下行数据传输；可见光进行上下行数据传输，WiFi执行上行数据传输；可见光进行下行数据传输，WiFi进行上行数据传输；可见光进行下行数据传输，WiFi执行上下行数据传输。室内VLC-WiFi异构融合系统设计方案通常取决于VLC的部署，除了考虑室内用户对光照的实际需求外（室内光照强度必须达到国际照明标准3001500 lx），还需要考虑VLC中的接入点布局。室内VLC中接入点布局分为规则接入点布局与不规则接入点布局2种18。图1（a）为VLC-WiFi异构融合系统规则接入点布局图，在10 m10 m3 m的房间内，VLC-WiFi异构融合系统由16个LED和1个位于天花板中心的WiFi接入点组成，每个LED相距2.5 m，视场角为45。这种布局不存在通信盲区。吴兰18在同样大小的房间引入不规则的接入点部署方案来解决VLC-WiFi异构融合系统接入选择问题，如图1（b）所示，WiFi接入点位于天花板中心，12个LED分布在天花板的中心区域，形成一个半径为3 m的圆，在距离墙1 m处的角落分别安装一个LED光源补充光照。此方案中，当LED发射半功率角和用户视场角均为60时，梁静远，徐亚欣，韩美苗，等.室内可见光通信异构融合系统研究进展（a）规则接入点布局图1室内VLC-WiFi异构融合系统中接入点布局（b）不规则接入点布局专 题:可 见 光 通 信472023年第1期梁静远，徐亚欣，韩美苗，等.室内可见光通信异构融合系统研究进展室内中心位置和边缘都存在通信盲区，用户处在这些位置时则会发生通信中断。2.2 VLC与WiFi异构融合发展现状2016年，为确保用户能够接入到最高传输速率的网络，郑浩天等人19在等效信噪比（SINR）的基础上提出了一种新的VLC和WiFi垂直切换算法，仿真结果验证了该算法更加适用于室内融合VLC异构网络。2017年，吴燕等人20根据室内VLC-WiFi异构融合系统的特点，提出上行链路使用WiFi，下行链路使用VLC和WiFi的传输方案。2019年，刘焕淋等人21提出了一种新的遗传算法，用于解决VLC-WiFi异构融合系统中多接入点布局带来的信道干扰问题。仿真结果表明，此算法显著提升了VLC-WiFi异构融合系统的吞吐量与用户满意度。2022年，为了解决车载VLC中由 于 移 动 性、阴 影 和 障 碍 物 引 起 的 切 换 问 题，JARCHLO E A等人22提出了一种上层混合VLC-WiFi异构融合系统切换方案，利用VLC和WiFi的高数据速率和链路可用性的优势，以较低的切换中断持续时间和较高的网络吞吐量提供良好的连通性。同年，BABALOLA O等人23提出了一种基于隐马尔可夫模型（HMM）的VLC-WiFi系统自动垂直切换（VHO）算法。与基于阈值、模糊控制器和神经网络的VHO预测方案相比，该算法提高了网络上的停留时间，减少了切换事件的数量。因此，它有效降低了VLC-WiFi异构融合系统中与VHO相关的乒乓效应。3 VLC与以太网异构融合3.1 VLC与以太网异构融合方案介质转换模块是将VLC技术和以太网技术融合的核心模块，用于实现互融网络系统中2种传输介质之间的电平极性转换及2种通信方式之间的协议转换。在转换过程中，以太网帧数据包依次通过链路层、IP层、传输层，把帧头、帧尾、IP头、用户数据报协议（UDP）头去掉，再将剩余的Multi-Level Transmit-3（MLT-3）数据信息存贮到以太网数据缓存区域中，通过介质转换模块将它们全部转换成单极性数据信息后由STM32 I/O口输出24。在融合通信系统中（如文献24中的图2-1所示），下行通信链路采用LED光源，上行通信链路采用半导体激光器，并且上行通信链路和下行通信链路上分别设置发射器与接收器，以便顺利完成双向通信25。3.2 VLC