混合VLC-RF通信系统、及到达信息速率分析方法与流程

混合vlc
‑
rf通信系统、及到达信息速率分析方法
技术领域
1.本发明涉及计算机技术领域，尤其是涉及一种中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统、及到达信息速率分析方法。


背景技术：

2.5g网络和物联网(internet of things，简称为iot)的发展催生了大规模的新兴应用，例如虚拟现实、超高清视频、智能产业、智能家居和交互式游戏。这些应用需要无线网络提供高容量。同时，随着物联网的发展，已部署设备的数量急剧增加，导致数据流量呈指数增长，这也给现有的通信网络带来巨大压力，促使人们探索高频通信。
3.据报道，大多数数据消耗/生成发生在室内环境中。为了向室内设备提供高数据速率的通信服务、缓解可用射频(radio
‑
frequency，简称为rf)频谱的稀缺性、同时提供照明，光学无线通信(optical wireless communication，简称为owc)，特别是基于led的可见光通信(visible light communication，简称为vlc)已被公认为是5g和未来6g系统的重要技术。vlc使用免许可的高频可见光谱(大约400thz
‑
790thz)作为基带，带宽高达约400thz。与传统的rf系统相比，构建基于led的vlc的费用要便宜得多。此外，由于可利用现有照明基础设施，可以进一步提高成本效益。
4.另一方面，vlc也能够通过光信号传输能量。由于物联网系统中的许多小型设备由能量容量有限的电池供电，因此vlc系统中发出的可见光信号可用于能量收集(energy harvesting，简称为eh)，从而延长物联网设备使用寿命。通过在物联网设备接收器处使用小尺寸的太阳能电池板，eh接收器能够将接收到的可见光信号直接转换为电能以供进一步使用。因此，可以大大减少因频繁更换物联网设备的电池而引起的操作费用。vlc可以增强信息和能量的短距离传输，而不会对传统的基于rf的无线网络造成任何干扰。因此，混合vlc
‑
rf网络引起了研究者极大的关注。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统、及到达信息速率分析方法，旨在解决现有技术中的上述问题。
6.本发明提供一种中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统，包括：
7.led ap，用于进行照明和进行信息传输；
8.全双工中继节点，用于从led ap接收信息，同时将信息重新传输到iu，构建双跳vlc
‑
rf链路；
9.iu，用于通过双跳vlc
‑
rf链接或直接vlc链接访问网络；
10.多个ehu，用于从led ap收集能量，通过可见光eh为电池充电。
11.本发明提供一种混合vlc
‑
rf系统中到达信息速率分析方法，用于上述中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统，该方法包括：
12.确定并满足每个ehu的eh要求的约束；
13.在所述约束下，通过联合优化接入模式选择因子、直流偏移、峰值幅度和功率分配比，最大化iu上可获得的信息速率。
14.采用本发明实施例，信息用户iu被允许通过vlc
‑
only模式或vlc
‑
rf模式访问网络，而能量收集用户ehu能够从led接入点ap发出的光信号中收集能量；此外能够在上述系统中，满足ehu的eh要求的同时最大化iu处可获得的信息速率。
15.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例的中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统的示意图；
18.图2是本发明实施例的混合vlc
‑
rf系统中到达信息速率分析方法的流程图。
具体实施方式
19.为了解决现有技术中的技术问题，本发明实施例提出一种中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统，满足能量收集用户(ehu，energy
‑
harvesting user)的能量收集要求的同时最大化信息用户(iu，information user)可获得的信息速率。其中，信息用户iu被允许通过vlc
‑
only模式或vlc
‑
rf模式访问网络，而能量收集用户ehu能够从led接入点ap发出的光信号中收集能量。本发明实施例还提出一种设计方法，在上述系统中，满足ehu的eh要求的同时最大化iu处可获得的信息速率。
20.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普
通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.系统实施例
24.根据本发明实施例，提供了一种中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统，图1是本发明实施例的中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统具体包括：
25.led ap，用于进行照明和进行信息传输；其中，led ap具体用于：用于通过全双工中继节点进行信号传输，和/或直接通过vlc链接将信息传输到iu；
26.全双工中继节点，用于从led ap接收信息，同时将信息重新传输到iu，构建双跳vlc
‑
rf链路；
27.iu，用于通过双跳vlc
‑
rf链接或直接vlc链接访问网络；
28.多个ehu，用于从led ap收集能量，通过可见光eh为电池充电。
29.具体地，如图1所示，考虑如图1所示的室内下行vlc
‑
rf混合通信系统，该系统由一个led ap，一个iu，n个ehu和一个全双工中继节点组成。led ap具有照明和信号传输的双重功能。用户(即iu和ehu)和中继都在led ap的覆盖范围内。ehu能够从led收集能量，通过可见光eh为电池充电。iu可以通过双跳vlc
‑
rf链接或直接vlc链接访问网络。对于双跳vlc
‑
rf链路，全双工中继从led ap接收信息，同时将信息重新传输到iu。对于直接vlc链接，led ap直接将信息传输到iu。
30.方法实施例
31.根据本发明实施例，提供了一种混合vlc
‑
rf系统中到达信息速率分析方法，用于上述中继辅助的混合vlc
‑
rf通信系统，图2是本发明实施例的混合vlc
‑
rf系统中到达信息速率分析方法的流程图，如图2所示，根据本发明实施例的混合vlc
‑
rf系统中到达信息速率分析方法具体包括：
32.步骤201，确定并满足每个ehu的eh要求的约束；步骤201具体包括：
33.进行led ap的网络建模和vlc信道和rf信道的信道建模；
34.基于所述网络建模和所述信道建模，计算vlc信道和rf信道的接收信噪比；
35.对ehu通过太阳能电池板从接收到的vlc信号的直流分量中收集的能量进行能量建模；
36.进行vlc
‑
rf访问方式和vlc
‑
only访问方式的访问方式建模；
37.确定满足每个ehu的eh要求的约束的优化问题构建。
38.步骤202，在所述约束下，通过联合优化接入模式选择因子、直流偏移、峰值幅度和功率分配比，最大化iu上可获得的信息速率。步骤202具体包括：
39.通过联合优化接入模式选择因子、直流偏移、峰值幅度和功率分配比，对构建的所述优化问题进行求解；
40.根据求解结果获得最佳参数，最大化iu上可获得的信息速率。
41.以下对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。
42.在满足每个ehu的eh要求的约束下，通过联合优化接入模式选择因子、直流偏移、峰值幅度和功率分配比，最大化iu上可获得的信息速率。
43.第一步：网络建模。
44.y
t
表示从led ap传输的光信号，y
t
＝p
led
(x b)；p
led
表示在led ap上每单位的led功
率(w/a)；
45.x表示电信息信号；
46.b表示添加到x的直流偏移，避免y
t
产生非正数；
47.a表示输入电信号的峰值幅度，a≤min(b
‑
i
l
,i
h
‑
b)，i
h
和i
l
分别表示直流偏置的最大和最小输入电流，b∈[i
l
,i
h
]。
[0048]
第二步：信道建模。
[0049]
①
vlc信道建模
[0050]
vlc信道增益hvlc表示为：
[0051][0052][0053]
a
p
表示光电探测器(pd，photo
‑
detector)的物理区域；
[0054]
d是led ap与pd的被照表面之间的传输距离；
[0055]
φ是从led到光电探测器的辐照角度；
[0056]
ψ表示相对于太阳能电池板轴的入射角；
[0057]
g
of
表示光学滤波器的增益；
[0058]
t(ψ)代表安装在pd处的光学集中器的增益；
[0059]
ρ和ψ
fov
分别表示pd的折射率和视场(fov，filed
‑
of
‑
view)；
[0060]
ξ表示朗伯发射(lambertian emission)的阶数，
[0061]
φ
1/2
为led半照半角。
[0062]
②
rf信道建模
[0063]
rf信道增益hrf表示为：
[0064]
h
rf
＝10
‑
pl[db]/10
，
[0065]
pl[db]代表中继与iu之间的路径损耗；
[0066]
f
c
代表载波频率；
[0067]
d
rf
代表中继与iu之间的传输距离；
[0068]
a，b和c是常数，取决于传播场景；
[0069]
k表示特定于环境的项；
[0070]
对于rf视线(los)传输场景，a＝18.7，b＝46.8，c＝20，k＝0。
[0071]
第三步：计算接收信噪比。
[0072]
①
通过vlc信道的接收信噪比：
[0073]
中继或iu接收的信号表示为：y
r
＝ηh
vlc
y
t
n
r
＝i
ac
i
dc
n
r
。
[0074]
η是光电转换因子(以a/w衡量)；
[0075]
i
ac
和i
dc
分别是接收到的ac分量和dc分量，i
ac
＝ηh
vlc
p
led
x；
[0076]
n
r
表示方差为的加性高斯白噪声(awgn，additive white gaussian noise)；
[0077]
w
vlc
为vlc信道的调制带宽；
[0078]
为vlc信道的噪声功率谱密度。
[0079]
中继通过vlc信道的接收信噪比为
[0080]
η
r
是中继处的光电转换因子(以a/w衡量)；
[0081]
为led ap到中继的vlc信道增益。
[0082]
iu通过vlc信道的接收信噪比为
[0083]
η
iu
是iu处的光电转换因子(以a/w衡量)；
[0084]
为led ap到iu的vlc信道增益。
[0085]
②
通过rf信道的接收信噪比
[0086]
iu通过中继
‑
iu的rf信道的接收信噪比为
[0087]
p
r
是中继的传输功率；
[0088]
w
rf
为rf信道的调制带宽；
[0089]
为rf信道的噪声功率谱密度。
[0090]
第四步：能量收集建模。
[0091]
ehu通过太阳能电池板从接收到的vlc信号的直流分量中收集能量。每秒第i个ehu的收获能量可以表示为
[0092]
f是填充因子，它是一个常数；
[0093]
i
dc,i
表示第i个ehu处的dc分量，
[0094]
η
ehu
是ehu处的光电转换因子(以a/w衡量)；
[0095]
为led ap到第i个ehu的vlc信道增益；
[0096]
v
oc,i
是第i个ehu处的开路电压，
[0097]
v
t
是热电压(通常约为25mvolt)；
[0098]
i0是pd的暗饱和电流，大约安培。
[0099]
第五步：两种访问模式建模。
[0100]
θ∈{0,1}作为模式选择因子，所考虑系统中iu可获得的信息速率为r＝θr
vlc
‑
rf
(1
‑
θ)r
vlc
‑
only
，θ＝1表示选择vlc
‑
rf模式，θ＝0表示选择vlc
‑
only模式。
[0101]
①
vlc
‑
rf模式
[0102]
iu可达速率为
[0103]
led ap到中继通过vlc信道可达到的信息传输速率下界为：
[0104]
e为常数指数(欧拉常数)。
[0105]
中继到iu通过rf信道的信息传输速率为：
[0106]
②
vlc
‑
only模式
[0107]
iu可达速率为
[0108]
第六步：构建优化问题。
[0109][0110]
s.t.e
i
≥e
th
,i＝1,...,n
[0111]
i
l
≤b≤i
h
,
[0112]
min(b
‑
i
l
,i
h
‑
b)≥a,
[0113]
0<α≤1,
[0114]
a≥0,
[0115]
θ∈{0,1},
[0116]
p
led
＝αp
total
,
[0117]
p
r
＝(1
‑
α)p
total
,
[0118]
p
total
表示系统可用的总功率，为一固定常数；
[0119]
α表示功率分配因子，αp
total
分配给led ap作为它的传输功率，剩下(1
‑
α)p
total
分配给中继用于接收和转发信息；
[0120]
e
th
是每个ehu所需的最低功率。
[0121]
第七步：求解优化问题。
[0122]
根据θ的取值，可以将问题p转化为以下两种情况分别求解。
[0123]
①
θ＝1表示选择vlc
‑
rf模式，p转化为p1
[0124][0125]
s.t.e
i
≥e
th
,i＝1,...,n,
[0126]
0<α≤1,
[0127]
p
led
＝αp
total
,
[0128]
p
r
＝(1
‑
α)p
total
,
[0129]
[0130]
a≤i
h
‑
b.
[0131]
b
＊
为问题p的最优直流偏移；
[0132]
通过一系列数学变换，求解p1可转换为如下求解过程
[0133]
step 1.初始化
[0134]
step 2.设置n＝1；
[0135]
step 3.使用标准凸优化求解器，例如sedumi或cvx求解问题p1
‑
f得到{α
＊
,t
＊
,x
＊
,y
＊
}。
[0136][0137][0138]
0<α≤1,
[0139]
t≥0,
[0140][0141][0142]
0≤x≤αi
h
‑
y,
[0143][0144]
step 4.更新n＝n 1；
[0145]
step 5.若不满足迭代停止条件，返回step 3；若满足迭代停止条件，求解结束，返回最优解{α
＊
,t
＊
,x
＊
,y
＊
}。
[0146]
p1的最优解为{α
opt
‑
p1
,a
opt
‑
p1
,b
opt
‑
p1
}，α
opt
‑
p1
＝α
＊
,
[0147]
从而可求得vlc
‑
rf模式下最大可达速率r
vlc
‑
rf(＊)
。
[0148]
②
θ＝0表示选择vlc
‑
only模式，p转化为p2；
[0149][0150]
s.t.p
led
＝p
total
,
[0151]
e
i
≥e
th
,i＝1,...,n,
[0152][0153]
a≤i
h
‑
b.
[0154]
b
＊
为问题p的最优直流偏移；
[0155]
通过一系列数学变换，可求得：
[0156][0157]
a
＊
＝i
h
‑
b
＊
[0158]
从而可求得vlc
‑
only模式下最大可达速率：
[0159][0160]
第八步：获得最佳参数。
[0161]
若r
vlc
‑
only(＊)
≤r
vlc
‑
rf(＊)
，p的最优解为{θ
opt
,α
opt
,a
opt
,b
opt
}，θ
opt
＝1,α
opt
＝α
＊
,
[0162]
若r
vlc
‑
only(＊)
>r
vlc
‑
rf(＊)
，p的最优解为{θ
opt
,α
opt
,a
opt
,b
opt
}，θ
opt
＝0,α
opt
＝1,a
opt
＝a
＊
,b
opt
＝b
＊
。
[0163]
综上所述，借助于本发明实施例的技术方案，信息用户iu被允许通过vlc
‑
only模式或vlc
‑
rf模式访问网络，而能量收集用户ehu能够从led接入点ap发出的光信号中收集能量；此外能够在上述系统中，满足ehu的eh要求的同时最大化iu处可获得的信息速率。
[0164]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0165]
本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书的一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
[0166]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0167]
以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。