洪文昕，李天嶼，陳建飛

(南京郵電大學(xué) a.電子與光學(xué)工程,微電子學(xué)院； b.通信與信息工程學(xué)院，南京 210023)

0 引 言

近年來，可見光通信(Visible Light Communication, VLC) 已成為無線通信研究的焦點(diǎn)之一。VLC系統(tǒng)使用發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode, LED)進(jìn)行通信，采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)，要求輸入信號是單極性信號并且是實(shí)值傳輸。直流偏置光正交頻分復(fù)用(Direct Current-biased Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DCO-OFDM)通信協(xié)議是VLC采用的方案之一[1-2]。

無線通信系統(tǒng)的目標(biāo)之一是保證服務(wù)質(zhì)量下的高效傳輸，合理進(jìn)行資源分配，使系統(tǒng)的有效性和可靠性得以提高。針對資源分配等問題，2018年，李偉提出了一種基于分解分層圖和擁塞博弈的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量的資源分配機(jī)制,該機(jī)制可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和搜索復(fù)雜度的均衡[3]；2019年，白向偉等人提出了一種低復(fù)雜度室內(nèi)超密集VLC網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配算法，該算法將吞吐量性能提升了57%,服務(wù)質(zhì)量滿意度性能提升了67%[4]；次年，徐文艷等人提出了一種新的導(dǎo)頻資源分配算法，該算法可以有效改善導(dǎo)頻污染問題,提高訓(xùn)練資源利用率[5]；2020年，徐文艷等人又提出了一種VLC聯(lián)合小區(qū)形成和功率分配的優(yōu)化算法，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)能源效率最大化[6]。

VLC系統(tǒng)資源分配問題雖已得到許多關(guān)注，但在系統(tǒng)信道利用率性能上還未做出相關(guān)研究。因此，針對室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)，本文提出了一種自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配算法，以提升該系統(tǒng)的信道利用率。仿真結(jié)果表明，該算法可有效提高室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)信道利用率。

1 系統(tǒng)模型

1.1 室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)

圖1所示為VLC DCO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端模型。發(fā)送數(shù)據(jù)首先通過信道分配獲得相應(yīng)的信道，然后經(jīng)正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)、串/并變換、埃爾米特對稱和N點(diǎn)反向快速傅里葉變換后得到DCO-OFDM信號[7]，此后完成添加循環(huán)前綴、并/串轉(zhuǎn)換、通過濾波器和直流偏置及零值限幅等過程，最終由LED將調(diào)制信號發(fā)送至信道中[8]。

圖1 DCO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端模型

本文室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)的LED光源采用朗伯發(fā)光模型，目前已有大量文獻(xiàn)論證，因此不再贅述。

1.2 系統(tǒng)信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)

文獻(xiàn)[9]指出，VLC DCO-OFDM系統(tǒng)第i個(gè)子信道的SNR為

室內(nèi)VLC系統(tǒng)背景噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲和碼間干擾噪聲[10]。DCO-OFDM系統(tǒng)可以克服碼間干擾，因此本文僅考慮散粒噪聲和熱噪聲，且噪聲的大小由探測器性能和絕對溫度等參數(shù)決定。

1.3 DCO-OFDM系統(tǒng)信道利用率

在信道數(shù)為N的DCO-OFDM系統(tǒng)中，若碼元周期為Ts，第i個(gè)子信道的SNR為SNRi，則系統(tǒng)的通信容量Ct為

式中，Ncp為循環(huán)前綴的長度。

同時(shí)，若第i個(gè)子信道采用Mi階QAM，則系統(tǒng)的比特率Rb為

綜上，該系統(tǒng)的信道利用率α為

2 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配算法

資源分配算法通常可分為聯(lián)合分配算法和兩步算法。聯(lián)合分配算法是指同時(shí)分配信道、比特和功率等資源，這類算法往往具有較高的復(fù)雜度；而兩步算法首先完成信道資源的分配，然后再分配其他資源，因此可以降低一定的復(fù)雜度，但同時(shí)算法的有效性將受到影響[11]。本節(jié)針對室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)提出的自適應(yīng)資源分配算法按照兩步算法的思路，首先進(jìn)行信道動(dòng)態(tài)分配，然后為每個(gè)信道自適應(yīng)選擇合適的和高系統(tǒng)信道利用率的QAM調(diào)制方式。

2.1 動(dòng)態(tài)分配信道

在動(dòng)態(tài)分配信道時(shí)，我們按照能者多勞的原則分配信道資源。具體來說，對于靠近LED通信范圍中心的終端，認(rèn)為其短時(shí)間內(nèi)發(fā)生切換的可能性較低，因此將信道幅度頻率響應(yīng)高的子信道以及數(shù)量較多的子信道分配給這些終端，以使得這些終端可以持續(xù)進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)傳輸；對于遠(yuǎn)離LED通信范圍中心的終端，認(rèn)為其短時(shí)間內(nèi)發(fā)生切換的可能性較高，因此將信道幅度頻率響應(yīng)低的子信道以及數(shù)量較少的子信道分配給這些終端，其中通信區(qū)域的界定依據(jù)LED在室內(nèi)空間的光照度分布。更具體而言，對于可用子信道數(shù)為Nall的室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)，在室內(nèi)有n個(gè)通信終端，其中第i個(gè)終端所處位置的光照度大小為lxi流明，則該終端獲得的子信道數(shù)Ni為

然后，對于獲得子信道數(shù)量最多的終端，意味著該終端處于最靠近LED通信范圍中心的位置，因此按照能者多勞原則，將優(yōu)先獲得最多數(shù)量和信道幅度頻率響應(yīng)最高的子信道；對于獲得信道數(shù)量次多的終端，獲得次多數(shù)量和信道幅度頻率響應(yīng)次高的子信道，進(jìn)而逐步完成所有終端的信道分配。在室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)中，結(jié)合終端的移動(dòng)和信道矩陣的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)更新信道分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分配信道。

2.2 自適應(yīng)選擇QAM調(diào)制方式

對于采用M階QAM的信道，接收端的誤比特率(Bit Error Ratio，BER)可以近似為[4]

式中：SNR為信道的SNR；

i為任意正整數(shù)。設(shè)Pb目標(biāo)值為BER0,由式(6)可計(jì)算得到信道使用M階QAM對應(yīng)的SNR門限值SNR0。若取BER0=1×10-4，計(jì)算出不同M階QAM下的SNR門限值SNRth，結(jié)果如表1所示。

表1 不同M階QAM下的SNR門限值

在室內(nèi)VLC系統(tǒng)下，室內(nèi)空間的環(huán)境變化較慢，因此可認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)SNR變化較小，故由式(1)在信號發(fā)射端估計(jì)接收端的SNR大小，并根據(jù)表1為各信道自適應(yīng)選擇滿足BER目標(biāo)值的最高階QAM調(diào)制方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)為各信道自適應(yīng)選擇QAM調(diào)制方式?；谝陨蟽?nèi)容，我們提出自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配算法，圖2所示為該算法的流程示意圖。

圖2 算法流程示意圖

3 仿真校驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

本節(jié)對自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配算法提高室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)信道利用率的能力進(jìn)行仿真校驗(yàn)。仿真模擬了多LEDs陣列、多通信終端的室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)模型，每個(gè)LEDs 陣列視作一個(gè)通信接入點(diǎn)，每個(gè)接入點(diǎn)覆蓋一個(gè)通信微小區(qū)，每個(gè)LEDs陣列由60×60的LED芯片組成，每個(gè)芯片的參數(shù)如下：發(fā)射光功率為20 mW，半功率角為70 °，中心光強(qiáng)0.73 cd；每個(gè)芯片間隔0.01 m，其他參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

圖3所示為終端移動(dòng)軌跡。圖4所示為終端移動(dòng)過程中信道動(dòng)態(tài)分配的數(shù)量變化。

圖3 終端移動(dòng)軌跡

圖4 動(dòng)態(tài)信道分配

由圖3和4可知，起初終端2和4位于不同的通信微小區(qū)，各終端獨(dú)享微小區(qū)內(nèi)的信道資源，但由于終端2在移動(dòng)過程中切換至終端4所在微小區(qū)，因此終端2和4將共享該微小區(qū)的信道資源，并且因?yàn)榻K端2移動(dòng)過程中逐漸靠近通信中心，所以微小區(qū)為終端2分配越來越多的信道資源；相反，終端1和3起初位于同一微小區(qū)，但由于終端3移動(dòng)過程中切換至另一微小區(qū)，使得終端1和3由共享微小區(qū)信道資源變?yōu)楠?dú)享信道資源，因此最終終端1和3獲得了相應(yīng)微小區(qū)的所有信道資源。該過程反映了本算法為微小區(qū)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信道資源分配的可能性，同時(shí)也驗(yàn)證了2.1節(jié)動(dòng)態(tài)分配信道方案的可行性，為今后研究微小區(qū)內(nèi)多用戶信道競爭接入問題埋下可能。

圖5所示為終端與LEDs陣列通信過程中某一幀DCO-OFDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號的各信道QAM分布。如圖所示，該算法可以實(shí)現(xiàn)為信號的各個(gè)子信道選擇合適的QAM調(diào)制方式，從而驗(yàn)證了2.2節(jié)自適應(yīng)選擇QAM調(diào)制方式的可行性。通過以上分析，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配算法的可行性得以驗(yàn)證，此后將討論該算法的有效性和合理性。

圖5 各信道QAM分布

圖6所示為在終端與LEDs陣列的通信過程中，LEDs陣列采用不同發(fā)送信號功率時(shí)，不同算法的系統(tǒng)信道利用率對比情況。其中，實(shí)線的縱坐標(biāo)為左側(cè)的信道利用率，虛線的縱坐標(biāo)為右側(cè)的SNR，該SNR是指當(dāng)前信號功率下，在頻率選擇性衰落信道中所有子信道SNR的最低值，圖中的固定分配指在微小區(qū)中信道分配采用平均分配方案，且各信道采用相同QAM調(diào)制方式的固定分配算法。

圖6 不同算法的信道利用率對比

圖中，虛線反映了不同發(fā)送信號功率下微小區(qū)內(nèi)所有可用子信道當(dāng)前的最低SNR，結(jié)合該SNR和表1數(shù)據(jù)可以確定固定分配算法的最大QAM調(diào)制階數(shù)。如在信號功率19 dBm處的各信道中，最低SNR約為20 dB，查詢表1可知，在BER目標(biāo)值BER0=1×10-4的要求下，固定分配算法的QAM調(diào)制方式不得超過16QAM，因此在信號功率19 dBm處采用超過16QAM調(diào)制方式時(shí)，固定分配算法的系統(tǒng)信道利用率視為0。作為對比，自適應(yīng)算法可以為各信道選擇合適的調(diào)制方式，而不同于固定分配方案中各信道采用相同的調(diào)制方式，因此可以提高該系統(tǒng)的信道利用率。如圖6所示，在BER0=1×10-4時(shí)，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配算法最低可提升信道利用率8.6%(相比于固定分配128QAM方案)，最高可達(dá)61.0%(相比于固定分配2QAM方案)。由此可見，該算法可顯著提升室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)的信道利用率，進(jìn)而驗(yàn)證了該算法的有效性和合理性。

4 結(jié)束語

本文針對室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)中的資源分配問題進(jìn)行優(yōu)化研究，通過對信道和比特分配問題的分析，提出自適應(yīng)動(dòng)態(tài)資源分配算法。仿真結(jié)果表明，該算法可以顯著提高室內(nèi)VLC DCO-OFDM系統(tǒng)的信道利用率。