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支持终端晃动的多光源可见光通信系统有效容量研究.docx
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支持终端晃动的多光源可见光通信系统有效容量研究.docx
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1. 引言
新一代网络中大量新型业务涌现,对网络的时延服务质量(Quality of Service, QoS)保
障提出了较高的要求
[1]
。无线时延 QoS 保障需要以牺牲带宽为代价,在无线频谱资源短缺
的现状下,时延 QoS 保障越来越困难。为缓解无线频谱资源短缺与通信业务量增长及时延
QoS 保障之间的矛盾,下一代网络亟需拓展新型频谱资源。近年来,占用 400~800 THz
免授权频段的可见光通信(Visible Light Communication, VLC)以其超高的传输速率有望为下
一代网络提供更严格的时延 QoS 保障,成为国内外学术界、工业界关注的热点
[2]
。
相较于电磁波,可见光的直射性较强,且相比于射频信道,VLC 信道并非各向同性
[3]
。因此,VLC 易受终端晃动的影响。在实际 VLC 系统中,智能终端在接收 VLC 信号的
过程中,并非始终保持垂直向上,智能终端的方向常因用户姿势的变化而发生改变,即发
生终端晃动。在现有 VLC 的研究中,大多未考虑终端晃动对 VLC 传输的影响。然而,事
实上,终端晃动将导致 VLC 接收平面方向的变化,进而对接收端入射角、VLC 信道增益
与传输速率产生较大的影响。
2016 年,文献[4]提出可以基于航向角、俯仰角和横滚角描述终端在 3 自由度的随机
晃动,并首次分析了终端随机晃动对吞吐量和网络负载均衡的影响。文献[5]研究了终端晃
动对 VLC 视距链路(Line of Sight, LoS)信道增益的影响,并提出了信道增益的统计分布模
型。文献[6]探索了终端晃动角度对 VLC 信道容量的影响,从信息论的角度推导了 VLC 容
量上、下界,并以 VLC 容量下界最大化为目标求解了终端的最佳晃动角度。同年,文献
[7]以开关键控调制下独立噪声 VLC 系统的误码率(Bit Error Ratio, BER)最小化为目标求解
了终端的最佳晃动角度。尽管文献[2-7]从不同角度分析、优化了终端晃动对 VLC 系统性
能的影响,但上述研究中对终端晃动的随机性均存在假设,并未从实际出发建模终端的随
机晃动过程。2019 年,文献[8]采用智能终端配备的陀螺仪、加速器和指南针,对 40 个测
试者在静止场景和匀速固定路径移动场景中使用 VLC 终端的晃动过程进行采样,并通过对
实测数据的拟合分析,提出了 VLC 系统统计晃动模型。研究结果表明,静止用户和移动用
户的晃动方位角均服从均匀分布,且其晃动极化角分别服从截断式拉普拉斯分布与截断式
高斯分布。在该结论的基础上,文献[9]分析了终端随机晃动对 VLC 系统 BER 和 SNR 的
影响。文献[10]分析了终端随机晃动对 VLC 系统物理层安全容量和安全中断概率的影响。
进一步地,2021 年,文献[11]综合用户的随机空间分布与随机晃动,提出 VLC 信道增益
的统计模型,并分析了 VLC 系统的 BER 性能。目前为止,现有研究均未考虑终端晃动对
VLC 系统时延 QoS 的影响。
近年来,考虑到无线信道的随机性使得传统确定性时延 QoS 分析方法难以适用,以
大偏差理论为基础的有效容量理论逐渐成为建模分析无线通信统计时延 QoS 的主要方法
[12]
。有效容量的物理含义是指对于某一给定的服务过程,在满足排队时延要求的前提下,
系统可支持的最大到达速率
[13]
。在 VLC 系统中,信道遮挡、用户移动、终端晃动等因素也
使得 VLC 信道具有较强的随机性,因此,部分学者考虑基于有效容量分析 VLC 系统的时
延 QoS,研究 VLC 系统中统计时延 QoS 约束下可达传输速率。文献[14]和文献[15]将有效
容量理论应用于 VLC 和射频异构网络,分析因 VLC 信道遮挡导致的服务过程随机性对统
计时延 QoS 的影响,并分别提出异构网络终端资源分配与链路选择算法。在此基础上,文
献[16]针对统计时延 QoS 约束下以用户为中心的 VLC 组网问题展开研究。此外,针对上
行多用户 VLC 网络,文献[17]综合随机接入与信道遮挡建模 VLC 系统的随机服务过程,
提出支持终端统计时延 QoS 保障的接入算法。文献[18]研究了私密 VLC 场景下,终端的
差异化统计时延 QoS 保障问题。现有 VLC 系统时延 QoS 方面研究均假设终端方向始终为
垂直向上,未考虑终端晃动对 VLC 系统时延 QoS 分析与保障的影响。
在实际 VLC 系统中,终端的随机晃动将对 VLC 信道增益与传输速率产生影响,从而
使 VLC 系统的服务过程具有时间相关性。现有研究均未从时间相关性的角度出发对 VLC
终端随机晃动进行建模,也未分析随机晃动对终端统计时延 QoS 的影响。鉴于此,本文在
考虑终端随机晃动的影响因素下,基于有效容量理论,研究具有统计时延 QoS 约束的 VLC
终端的传输速率。具体贡献如下:
(1) 本文基于 3 维离散时间马尔可夫链为 VLC 终端构建了 3 自由度随机晃动模型,利
用晃动过程中航向角、俯仰角、横滚角的变化,从时间相关性的角度刻画了 VLC 终端的随
机晃动过程。
(2) 基于有效容量理论,本文提出了支持终端晃动的多光源 VLC 系统有效容量,用于
表征终端随机晃动的影响因素下,具有统计时延 QoS 约束的 VLC 终端的传输速率。
(3) 仿真结果说明了终端晃动对多光源 VLC 系统容量的影响,验证了本文所推导有效
容量的准确性,并分析了不同晃动模型参数、不同系统参数对晃动终端有效容量的影响。
2. 系统描述
2.1 VLC 信道
在如图 1 所示的室内下行多光源 VLC 系统中,共有 N
U
个终端(User Equipment, UE),
N
A
个接入点(Access Point, AP)。AP 与 UE 间采用矢量传输方式
[16]
。UE 接收到的信号包含
来自 LoS 链路的直射光信号与来自非视距链路(None Line of Sight, NLoS)的反射光信号。由
于 LoS 链路是 VLC 的主要组成部分,LoS 链路比 NLoS 链路中最强的部分还高出 7
dB
[19]
。因此,本文只考虑 LoS 链路。
图 1 室内下行 VLC 系统
下载: 全尺寸图片 幻灯片
根据文献[19],第 i 个 AP 与第 j 个终端之间的 LoS 链路增益可表示为
h(i,j)=η(La+1)AϖT2πd2(i,j)g(ψin(i,j))cosLa(ψir(i,j))⋅cos(ψin(i,j))h(i,j)=η(La+1)AϖT2πd2(i,j)g(ψin(i,j))cosLa(ψir(i,j))⋅cos(ψin(i,j))
(1)
其中,d(i,j)表示从 AP
i
到 UE
j
的直线距离,A 表示光电检测器(PhotoDiodes, PD)的物理
面积,ηη, ϖϖ, T 分别表示发送端发光二极管(Light Emitting Diode, LED)的电光转换效率、
接收端 PD 的响应、互阻抗放大器增益。L
a
为朗伯系数且
La=−ln2/ln(cosϕ1/2)La=−ln2/ln(cosϕ1/2),其中 ϕ1/2ϕ1/2 为 LED 的半功率角。
ψin(i,j)ψin(i,j)和 ψir(i,j)ψir(i,j)分别表示从 AP
i
到 UE
j
的 LoS 链路的入射角与反射角,如图
1 所示。函数 g(·)表示光集中器增益函数,其表达式为
g(ψin(i,j))=⎧⎩⎨⎪⎪a2sin2ψc,ψin(i,j)≤ψc0,ψin(i,j)>ψcg(ψin(i,j))={a2sin2ψc,ψin(i,j)≤ψc0,ψin(i,j)>ψc
(2)
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