張歡歡

1 引言

急劇增加的智能終端數(shù)量和飛速增長的數(shù)據(jù)業(yè)務需求促使移動業(yè)務的種類和應用場景都發(fā)生了深刻變化。一方面，室內熱點場景的數(shù)據(jù)需求越來越大，大約占整個數(shù)據(jù)業(yè)務的80%以上；另一方面，多媒體等業(yè)務的普及，極大提升用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務的需求。由于頻譜資源不可再生，如何應對室內熱點場景網(wǎng)絡快速增長的流量壓力和移動業(yè)務的體驗需求，已經成為研究者普遍關注的焦點問題。依托室內配置的發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）照明設備的室內可見光通信（visible light communication，VLC）系統(tǒng)除了具備實現(xiàn)成本低、與原有的無線電磁（Radio Frequency，RF）通信系統(tǒng)互不干擾等優(yōu)點外，還具備保密性高、帶寬不受限等特點，具有非常廣闊的應用前景，被認為是現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡的有益補充[1，2]。

可見光通信的想法由來已久，貝爾早在1880年便提出通過調節(jié)光束變化傳遞語音信號來進行無線通話[3]。然而，受限于當時的技術，可見光通信僅停留在概念上，并未走向實用化。隨著LED燈的普及，以及無線通信技術的進步，可見光通信近幾十年再度興起，并且不斷取得了新的突破。在2000年，日本研究人員提出了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸?shù)氖覂韧ㄐ畔到y(tǒng)[4]，并對LED可見光無線通信系統(tǒng)展開了具體分析[5]。此后短短十幾年，VLC相關的通信技術迅速發(fā)展，并且在信道測量與建模、調制技術、編碼技術、信道容量分析、數(shù)字均衡技術、收發(fā)機設計等鏈路級通信方面取得了大量的研究成果[6，7]。2010年，德國的研究團隊創(chuàng)造世界紀錄將可見光通信速率提高至513Mbps；2013年，中國復旦大學又刷新了世界紀錄，研發(fā)出3.75Gbps離線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?；同年，英國高校的科研人員又把這個記錄刷新到10Gbps。

在VLC系統(tǒng)，數(shù)據(jù)信號承載在光信號上進行傳輸，由于可見光無法穿透墻壁等障礙物傳播，因此VLC系統(tǒng)也會存在受到鏈路阻塞的可能[8]?？紤]到通常光源覆蓋區(qū)域僅為幾到十幾平方米，信號的傳輸范圍受限于光源覆蓋區(qū)域，從而限制了用戶的移動性[9]。同時，考慮到VLC鏈路收發(fā)天線的原理結構不同，以及系統(tǒng)用戶終端的能耗限制，用戶終端通常不具備光信號發(fā)射功能，VLC鏈路通常只承擔下行數(shù)據(jù)的傳輸。這些缺陷使得僅采用可見光鏈路來完成室內熱點場景的組網(wǎng)是不太現(xiàn)實的。考慮到RF和VLC系統(tǒng)可以共存，且不會相互干擾，RF網(wǎng)絡與VLC網(wǎng)絡相補充，實現(xiàn)混合組網(wǎng)，被認為是改善室內熱點場景通信性能的理想選擇[10，11]。

2 RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

VLC鏈路特性的研究證明了通過可見光實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院陀行?。但是有關上行鏈路傳輸方式的研究比較少，這也是限制可見光產業(yè)化的一個瓶頸問題。RF/ VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)上行采用RF鏈路，VLC僅承擔下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸任務，就可以有效解決VLC技術產業(yè)化的難題。因此，針對RF/VLC混合組網(wǎng)技術的研究有很重要的理論價值和現(xiàn)實意義。隨著VLC技術研究的興起，RF/VLC混合組網(wǎng)被認為是室內熱點場景的一種有效解決方案，得到了廣泛關注。

在室內VLC系統(tǒng)中，作為發(fā)射天線陣元的LED數(shù)目眾多且分布位置不同，而陣元分布、陣元光軸極角、陣元層間距、陣元數(shù)目等參數(shù)都會影響室內光功率分布。VLC鏈路的建模分析和特性研究是特定環(huán)境傳輸和特性通信應用的研究基礎。因此，在LED自身特性、光接收器特性、LED室內分布以及照明需求等因素的約束下，針對VLC鏈路特性和系統(tǒng)特性的研究是RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)關鍵技術的研究基礎與前提。西安理工大學研究團隊通過分析室內光源布局設計與接收光功率分布的關系，優(yōu)化了四個通信光源的布局設計[12]；長春理工大學研究團隊研究了室內可見光通信系統(tǒng)的白光LED光源特性和信道特性，給出接收光功率分布與照明光源布局設計的關系[13]；北京理工大學研究團隊同時考慮包含/不包含墻壁反射2種情況下光源布局對室內照度分布的影響，利用照度均方差最小化準則優(yōu)化室內光源布局，分別給出兩種情況下白光LED的最優(yōu)布局，并針對具體場景給出了最優(yōu)化光源分布方案[14]。

2011年，Rahaim等研究者提出了射頻與VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)，并分析了切換時延和系統(tǒng)吞吐量[15]。2013年，Bao X等研究者提出一種VLC與RF融合的混合組網(wǎng)系統(tǒng)，并基于切換問題設計了混合網(wǎng)絡通信協(xié)議[16]。Duvnjak等研究者對設計了VLC與RF混合組網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構[17]。

與傳統(tǒng)的僅支持RF或僅支持VLC的網(wǎng)絡相比，RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢：不僅可以提供高速數(shù)據(jù)連接，還可以實現(xiàn)無縫可靠覆蓋。Kashef M等研究者基于用戶的數(shù)據(jù)速率約束和基站最大允許傳輸功率的約束，對比了RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)和單一RF系統(tǒng)的能量效率[18]。對比結果表明，RF/VLC混合組網(wǎng)相比單一RF系統(tǒng)具有更高的能量效率。

RF/VLC混合組網(wǎng)類型可以分為3種：VLC和RF分別用于下行鏈路和上行鏈路傳輸、RF用于上行鏈路，下行鏈路在RF和VLC中選一個、RF用于上行鏈路，下行鏈路可以同時選用RF和VLC。基于這3種組網(wǎng)類型，研究者們開展了很多研究工作。Bao X等研究者基于上述第一種混合組網(wǎng)類型研究了新的多用戶接入機制、水平切換協(xié)議和垂直切換協(xié)議[19]。Wang Y等研究者進一步分別研究了切換機制和負載平衡機制[20，21]。基于上述第二種混合組網(wǎng)類型，Stefan I等研究者以鏈路信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）性能作為RF和VLC鏈路切換的參考指標，分析了混合組網(wǎng)系統(tǒng)的性能[22]?；谏鲜龅?種混合組網(wǎng)類型，Kazemi H等研究者假設RF和VLC鏈路具有相同的傳輸速率，發(fā)射機同時使用2個鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，提出了一種基于分集的傳輸方案[23]。

綜合上述分析，從網(wǎng)絡建設的復雜度、網(wǎng)絡維護成為以及網(wǎng)絡性能3個評價指標來看，3種混合組網(wǎng)模式各有利弊，表1給出了不同組網(wǎng)類型的優(yōu)勢和不足。

除了組網(wǎng)模式的對比分析，對多用戶接入和資源分配方法的關注也逐漸增多[24-26]。Hammouda M等研究者以用戶感知和切換時延作為性能指標，設計了高效的鏈路選擇算法[26]。Zhang H等研究者在射頻小信元網(wǎng)絡的背景下，將資源分配問題描述為一個非凸優(yōu)化問題，然后用非凸優(yōu)化方法將其轉化為凸問題，提出了基于強替代方向法的分布式和功率分配算法[27]。

3 RF/VLC混合組網(wǎng)研究方向預測

混合組網(wǎng)模式的對比分析是RF/ VLC混合組網(wǎng)技術研究的基礎，多用戶接入方式和資源分配算法的研究進一步推動了RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的應用。目前，RF/VLC混合組網(wǎng)技術離實際應用還有一段距離，相關研究仍然是一個開放性的課題。本文嘗試分析內熱點場景的特點，在此基礎上預測RF/VLC混合組網(wǎng)下一步研究方向。

超多信號接入點（Access Points，AP）部署是室內熱點場景的一個顯著特點。如何高效節(jié)能的規(guī)劃部署信號接入點，是室內熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的一個關鍵問題。針對室內熱點場景，現(xiàn)有的5G解決策略是采用超密集AP部署。在超密集部署場景下，由于AP間距離較小，網(wǎng)絡間的干擾將不可避免[28]。在RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)，VLC可以分擔下行數(shù)據(jù)傳輸壓力，減少RF系統(tǒng)需要部署的AP數(shù)目。因此，已有的RF系統(tǒng)網(wǎng)絡部署方案無法直接應用到RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)?？紤]到為了滿足照明的需求，室內會布放密集的LED，理論上，所有的LED都可以作為AP承擔通信功能，參與信號傳輸。然而，考慮到節(jié)點之間的干擾以及控制眾多節(jié)點的復雜度和開銷等因素，需要根據(jù)業(yè)務需求來選擇需要的LED作為AP進行信號傳輸。VLC系統(tǒng)AP部署無法獨立于RF系統(tǒng)AP部署，兩者互相影響。需要根據(jù)RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的自身特性，進行網(wǎng)絡部署研究。

超大用戶量是室內熱點場景的另一個顯著特點。如何選擇合適的多用戶接入方案，也是室內熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的一個關鍵問題。在RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)中，VLC鏈路通常只承擔下行數(shù)據(jù)的傳輸，上行數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過RF鏈路傳輸。這一區(qū)別于其他類型異構網(wǎng)的特性使得現(xiàn)有的多用戶接入方案無法直接應用到RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)；同時，網(wǎng)絡部署策略對多用戶接入方式選擇也有直接的影響。因此，需要基于RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的自身特性，以及網(wǎng)絡部署策略，進行多用戶接入技術研究。

資源緊張也是室內熱點場景的一個顯著特點。從節(jié)能角度看，這里的資源不僅包括頻譜資源，還包含功率資源。面對僧多粥有限的矛盾，如何設計高效的資源分配方案，實現(xiàn)資源的高效合理分配，是室內熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的另一個關鍵問題。

基于上述分析，RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)未來將在如下3個方向上發(fā)力。

3.1 網(wǎng)絡部署方案設計

在室內場景下，RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)通常包括RF信號發(fā)射點和VLC的信號發(fā)射點。在VLC系統(tǒng)中，同時充當光源和發(fā)射天線的多個AP通常分散分布在房間天花板上，其分布面積比較大。受限于視場角（Field of View，F(xiàn)OV），用戶用來接收光信號的光電二極管（Photo-Diode，PD）只能接收到一定區(qū)域范圍內的AP發(fā)射的信號，當房間面積比較大或者PD的FOV比較小時，AP的覆蓋區(qū)域會很小。因此，一個RF信號點的覆蓋區(qū)域內需要布放多個VLC信號接入點（如圖1所示）。如何基于覆蓋率，充分考慮RF網(wǎng)絡特性、VLC網(wǎng)絡特性以及兩種網(wǎng)絡的特殊關系等約束條件，設計合理的網(wǎng)絡節(jié)點部署方案，是RF/VLC混合組網(wǎng)研究的一個重要內容。

3.2 多用戶接入算法和資源分配方法研究

在RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)，用戶網(wǎng)絡的選擇主要指選擇通過RF鏈路還是通過VLC鏈路，抑或2種鏈路聯(lián)合使用。由于用戶移動或者網(wǎng)絡負載容量變化，在選擇網(wǎng)絡時，會進行網(wǎng)絡內的水平切換和網(wǎng)絡間的垂直切換。其中水平切換指采用同種網(wǎng)絡技術內部不同熱點的切換，垂直切換發(fā)生在不同網(wǎng)絡之間。然而，頻繁的網(wǎng)絡切換不僅增加開銷，而且嚴重影響數(shù)據(jù)傳輸。為了避免這種問題，需要合理的多用戶接入算法和相應的高效資源分配方法支撐。因此，多用戶接入算法和資源分配方法研究也是RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的一個重要研究方向。

3.3 基于真實場景的組網(wǎng)方案優(yōu)化

大規(guī)模推廣商用是RF/VLC混合組網(wǎng)研究的最終目標。因此，結合室內熱點場景的業(yè)務特性，將理論成果與應用需求密切結合，兼顧網(wǎng)絡容量和網(wǎng)絡建設以及維護成本等約束因素，不斷優(yōu)化RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)方案，促進RF/VLC混合組網(wǎng)在真實場景中的應用與推廣，是RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的另一個重要研究方向。

4 結語

RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)可以將VLC和RF技術進行融合，充分利用兩者的互補特性，實現(xiàn)室內高速通信與無縫覆蓋，因此成為下一代網(wǎng)絡的候選技術之一。如何根據(jù)室內熱點場景高數(shù)據(jù)業(yè)務動態(tài)需求，在RF系統(tǒng)特性、VLC系統(tǒng)特性、以及網(wǎng)絡建設成本約束下設計面向網(wǎng)絡容量、用戶感知、以及功率效率的智能組網(wǎng)方案，促進RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的產業(yè)化進程，是下一代移動通信技術需要解決的難點問題。針對這個難點問題，從分析RF通信網(wǎng)絡和VLC通信網(wǎng)絡的特性出發(fā)，揚長避短，充分發(fā)掘2種通信網(wǎng)絡的互補優(yōu)勢，同時兼顧網(wǎng)絡容量和網(wǎng)絡建設以及維護成本等約束因素，結合室內熱點場景的業(yè)務特性，將理論成果與應用需求密切結合，開展適用于真實室內熱點場景RF/VLC混合組網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案研究是主要策略。同時，立足RF/VLC混合組網(wǎng)在真實場景中的應用與推廣，并為RF/VLC混合組網(wǎng)在其他更普適場景中的應用設計提供理論支撐，是RF/VLC混合組網(wǎng)研究的一個關鍵目標。

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

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