陸 楊 熊 軻 高 博* 范 典 潘高峰 艾 渤

①(北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 北京 100044)

②(中國(guó)信息通信研究院 北京 100191)

③(北京理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 北京 100081)

④(北京交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 北京 100044)

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things， IoT)的發(fā)展催生了越來(lái)越多的“智慧”應(yīng)用，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛等。這些應(yīng)用需部署大規(guī)模的無(wú)源IoT設(shè)備，用于感知、計(jì)算和通信[1]。據(jù)愛(ài)立信移動(dòng)報(bào)告預(yù)測(cè)，至2025年全球?qū)⒂?50億IoT設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。為解決無(wú)源IoT設(shè)備的通信和供電問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]提出無(wú)線信能同傳，IoT設(shè)備可根據(jù)需求將收集到的射頻(Radio Frequency， RF)信號(hào)轉(zhuǎn)化為能量和信息。然而，由于網(wǎng)絡(luò)的密集化和RF頻譜資源的稀缺，為數(shù)以百億計(jì)的IoT設(shè)備提供高質(zhì)量無(wú)線覆蓋服務(wù)面臨挑戰(zhàn)[3]。IoT是6G核心應(yīng)用場(chǎng)景，因此發(fā)掘新的頻譜資源成為6G重要研究方向[4]。

可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication，VLC)具有豐富的高頻頻譜資源且易于復(fù)用[5]。與其他頻段相比，VLC還具備基礎(chǔ)設(shè)施部署廣泛、調(diào)制解調(diào)機(jī)制簡(jiǎn)便易行以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[6]。但受光污染和障礙物的影響，目前VLC作為RF通信的補(bǔ)充，主要應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景[7]。由于VLC信號(hào)既可攜帶信息又可攜帶能量，文獻(xiàn)[8]提出VLC無(wú)線信能同傳(Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer， SLIPT)。通過(guò)配備光學(xué)接收機(jī)，IoT設(shè)備可分別從接收到的VLC信號(hào)的直流部分和交流部分獲取信息與能量。為了增強(qiáng)VLC信號(hào)傳播效果，基于多LED的多進(jìn)單出(Multiple Input Single Output， MISO)波束賦形設(shè)計(jì)受到廣泛關(guān)注[9]。

與此同時(shí)，隨著無(wú)線服務(wù)井噴式發(fā)展，信息通信行業(yè)的能量消耗也在逐年遞增，使全球能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題承壓。因此，綠色通信成為后5G時(shí)代的重要發(fā)展方向[10]。由于VLC屬于太赫茲頻段，路損較高，提升VLC網(wǎng)絡(luò)的能量效率(Energy Efficiency， EE)非常必要。

迄今為止，面向VLC網(wǎng)絡(luò)的傳輸方案設(shè)計(jì)受到了廣泛關(guān)注[11–19]。文獻(xiàn)[11]提出了VLC網(wǎng)絡(luò)的能量有效的機(jī)器學(xué)習(xí)算法；文獻(xiàn)[12]研究了干擾信道下多小區(qū)SLIPT網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率；文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]分別分析了SLIPT使能的RF/VLC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的中斷概率和中繼選擇問(wèn)題；文獻(xiàn)[15]研究了非正交多址接入使能的VLC網(wǎng)絡(luò)的魯棒傳輸方案。但上述文獻(xiàn)只考慮了單進(jìn)單出(Single Input Single Output， SISO)場(chǎng)景，無(wú)法應(yīng)用到MISO場(chǎng)景?？紤]到MISO匯聚能量和提升頻譜效率的優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[16]研究了面向MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)的安全信息傳輸波束賦形方案，但只考慮了單用戶場(chǎng)景，未充分發(fā)揮MISO的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[17]研究了面向多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)的功率消耗最小化和最大最小信息速率傳輸方案；文獻(xiàn)[18]研究了竊聽(tīng)信道下多用戶MISO VLC網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。除了頻譜效率外，EE也是網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)。盡管文獻(xiàn)[19]研究了RF/VLC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的EE，但未考慮SLIPT。目前，多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)EE性能界尚未得到有效刻畫。

為此，本文考慮典型多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建能量有效的波束賦形設(shè)計(jì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)算法求解并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先，建模多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)和VLC信號(hào)傳播過(guò)程，VLC發(fā)射機(jī)包括多個(gè)LED，用戶配備光電探測(cè)器(Photodetector，PD)將接收到的VLC信號(hào)的直流部分和交流部分分別用于能量收集和信息解碼。接著，針對(duì)所研究的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建EE最大化波束賦形設(shè)計(jì)問(wèn)題，在用戶信息和能量需求、避免LED諧波失真以及VLC發(fā)射機(jī)總功率約束下，最大化消耗每焦耳能量傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。然后，為解決所考慮的問(wèn)題，基于2階錐規(guī)劃、1階高斯近似等方法將原問(wèn)題所有的非凸約束轉(zhuǎn)化為凸約束；再以Dinkelbach方法為內(nèi)循環(huán)、以連續(xù)凸近似(Successive Convex Approximation，SCA)方法為外循環(huán)構(gòu)建迭代算法優(yōu)化波束賦形向量和直流偏置。從理論上證明了所提出算法的收斂性，并討論了避免LED諧波失真的工作條件對(duì)MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)EE的影響。最后，仿真驗(yàn)證所提出算法和分析的有效性與正確性，給出了算法的收斂過(guò)程，分析了信息需求、能量需求和VLC發(fā)射機(jī)總功率對(duì)MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)EE的影響規(guī)律，討論了LED的視野(Filed of View， FoV)對(duì)EE和VLC信號(hào)傳播的影響。

本文內(nèi)容安排如下：第2節(jié)給出多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)模型和EE最大化波束賦形方案設(shè)計(jì)問(wèn)題；第3節(jié)給出波束賦形優(yōu)化算法和分析；第4節(jié)對(duì)所提方案進(jìn)行了仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較和分析；第5節(jié)對(duì)本文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)模型

如圖1所示，考慮一個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景的多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)，包括1個(gè)VLC發(fā)射機(jī)和N個(gè)用戶。其中，VLC發(fā)射機(jī)位于屋頂，含有Λ個(gè)LED；用戶位于地面，配備PD，可將收集到的VLC信號(hào)用于能量收集和信息解碼。下文分別使用i∈[1，2，...，Λ]和n ∈[1，2，...，Λ]指代LED和用戶的索引。

圖1 多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)模型

信息源產(chǎn)生信息后，依次經(jīng)過(guò)調(diào)制器、直流偏置器，由VLC發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)化為VLC信號(hào)并發(fā)出。VLC發(fā)射機(jī)發(fā)出的VLC信號(hào)表示為

3 能量有效的波束賦形優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

表1 所提出算法

4 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)給出仿真結(jié)果驗(yàn)證所提出算法和分析的有效性與正確性，并討論MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)EE性能規(guī)律。仿真場(chǎng)景如圖1所示，即N=3和Λ=9，其他主要仿真參數(shù)參照文獻(xiàn)[16]，由表2給出。能量需求，即問(wèn)題P1無(wú)解。此外，從圖5還可以看出，在信息需求相對(duì)較大時(shí)，隨著信息需求和能量需求的增加，EE均有下降。

表2 仿真參數(shù)

圖2 算法1的收斂性

圖4 EE與VLC發(fā)射機(jī)總功率

圖5 EE與FoV

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了多用戶MISO SLIPT網(wǎng)絡(luò)的EE，提出了EE最大化波束賦形方案，即在用戶信息和能量需求、避免LED諧波失真以及VLC發(fā)射機(jī)總功率約束下最大化網(wǎng)絡(luò)EE。結(jié)合Dinkelbach方法和SCA方法構(gòu)建迭代算法優(yōu)化波束賦形向量和直流偏置。從理論上證明了所提出算法的收斂性，并討論了避免LED諧波失真的工作條件對(duì)EE的影響。仿真結(jié)果證實(shí)了所提出方案的有效性，分析了信息需求、能量需求和發(fā)射機(jī)總功率對(duì)EE的影響規(guī)律，并討論了LED的FoV對(duì)EE和VLC信號(hào)傳播的影響。