可見光通信系統微小區預切換算法的研究

洪文昕，李天嶼，陳建飛

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

0 引 言

可見光通信(Visible Light Communication, VLC)技術為室內無線通信系統提供了一種全新的接入方式，但由于室內環境受限，引起通信覆蓋范圍重疊，終端切換頻繁的問題得到廣泛研究，而切換技術也是移動通信系統中不可或缺的重要技術之一，它保證了終端在隨意移動的過程中語音和數據通信不中斷[1-2]。

為解決室內VLC高效切換的問題，首先需建模室內的通信覆蓋情況，針對這一問題，成順利等人提出了一種白光發光二極管(Light Emitting Diode，LED)朗伯模型參數估計法，此方法可高效估計LED的朗伯模型參數和發射光功率[3]。基于此，喬琪等人根據室內VLC的光照布局模型，在照明、接收功率和信噪比的約束條件下實現了移動終端在同構組網下的鏈路切換[4]。此外，還可通過異構組網實現切換，Sewaiwar A等人提出雙向VLC的顏色單元概念，結合室內超大型集成電路的綜合解決方案，實現了較大室內環境下用戶移動的通信鏈路切換[5]；Chen J等人為保證用戶可以靈活地連接到網絡接入點(Access Point, AP)，研究了AP分組、用戶關聯和功率分配的聯合優化，提出了一種基于圖的干擾管理(Interference Management，IM)算法，以提高切換的有效性[6]。

除了在發射端計算光功率來實現切換的方法外，也有學者研究了接收端在小區切換。Ryoo H等人提出一種差分檢測接收系統，可有效消除VLC小區間的干擾[7]；Chen C等人也提出并評估了一種廣義的角分集接收器(Angle Diversity Receiver, ADR)結構，該 ADR可提高鏈路切換的可靠性[8]。

根據以上研究成果，本文提出一種基于室內VLC系統的微小區預切換算法，采用基于時隙計算的預測切換算法，該算法可以提前預測終端即將切換的微小區。

1 室內VLC系統模型

在室內VLC系統中，常采用多個LED且呈一定規律的布局方案[9]。本文采用7個LEDs陣列的對稱布局方案，設定LED滿足朗伯輻射模型，并且房間的長寬高為10 m×10 m×3 m，其他參數設置如表1所示。

表1 仿真參數設置

圖1所示為7個LEDs陣列的布局位置以及在高度為0.85 m水平面的光照度分布，根據光功率分布，將作為切換功率計算的參考。

圖1 LEDs陣列布局及光照度分布

在本文室內VLC系統中，每個LEDs陣列視作一個AP，每個AP覆蓋一個通信微小區。終端正在接受某個AP提供的通信服務，因為服務質量不達標需要轉換接入到另一個AP，以接受更好的通信服務，并且在轉換過程中盡力保證通信服務不間斷。由于單個AP的覆蓋范圍較小，接收終端在房間內隨意移動時可能發生頻繁的鏈路切換，系統將產生較大的切換開銷，因此研究室內VLC系統的鏈路切換算法顯得十分必要。

2 基于時隙計算的預測切換算法

即可獲得移動終端的位置坐標(x,y,ht)。

2.1 探測時隙

在移動終端向LEDs陣列發送的每一幀數據中設定兩個探測時隙，并結合式(1)所示的到達時間差 (Time Difference of Arrival，TDOA) 定位法確定探測時隙處移動終端的坐標位置，進而確定移動終端在兩個時隙時間內的移動距離和移動方向，最終可以獲得移動終端的移動速度。具體而言，設移動終端向LEDs陣列發送的一幀數據中包含N個時隙，且第1和第3個時隙為探測時隙，圖2所示為幀數據結構。

圖2 幀數據結構

在傳輸一幀數據的過程中，利用TDOA定位法獲得探測時隙1和3處的終端位置坐標pos1和pos3，并計算終端的速度矢量為v=(pos3-pos1)/2，其單位為米每時隙。其中，若|v|≠0，則終端為移動狀態，可能發生鏈路切換；若v=0，則終端為靜止狀態，無鏈路切換趨勢，因此繼續進行數據傳輸。

2.2 基于時隙計算的預測切換算法

從以上分析可知，若終端為移動狀態，則可能發生鏈路切換，鏈路切換的成功與否將極大地影響通信服務質量的好壞，因此本文提出一種基于時隙計算的預測切換算法，該算法能夠根據移動終端的速度矢量v，對終端在當前數據幀結束時是否發生鏈路切換進行預測，進而輔助LEDs陣列完成通信鏈路的提前切換工作。

具體而言，將相鄰LEDs陣列網絡覆蓋范圍重疊區域設定為預切換保護區域，預切換保護區域是預切換啟動和執行切換之間的區域，圖3中網絡覆蓋范圍重疊的錐形區域即為預切換保護區域。同時，在圖3中模擬了終端從位置1移動至位置2，再移動至位置3的運動過程，顯然，終端在運動過程中需要從LEDs陣列1切換至LEDs陣列2。因此，下面以圖3的終端模擬運動過程說明本節提出的基于時隙計算的預測切換算法。

圖3 預切換保護區域

終端從位置1移動至位置2的過程中，終端進入了預切換保護區域，可能即將發生鏈路切換，因此網關啟動該基于時隙計算的預測切換算法。網關對通信過程中的每一幀數據進行分析，以某一幀數據為例，通過2.1節的內容可知該幀數據探測時隙3處的終端位置坐標pos3和移動終端的速度矢量v，因此可以預測該幀數據第N時隙處的終端位置posN，即該幀數據結束時的終端位置，計算公式如下：

之后，網關判斷終端位置posN是否超出預切換保護區域，若未超出保護區域或超出了保護區域，但終端位置posN仍處于LEDs陣列1的網絡覆蓋范圍，則不作處理；若終端位置posN超出保護區域，并且處于LEDs陣列2的網絡覆蓋范圍，則說明終端即將在某個時隙發生切換。當終端移動到與LEDs陣列1和陣列2等距的位置時，即為發生切換的位置，設發生切換的時隙為n，其計算公式為

式中：x1和y1為探測時隙1處獲得的坐標位置；vx和vy分別為速度矢量v的橫向分量和縱向分量；xLED1和yLED1為LEDs陣列1的坐標位置；xLED2和yLED2為LEDs陣列2的坐標位置；N*為一幀數據中包含的時隙數。此后，網關在第n-2個時隙發起鏈路切換請求，進行預切換處理。圖4所示為該算法的流程示意圖。

圖4 算法流程示意圖

3 仿真校驗

本節針對基于時隙計算的預測切換算法提升室內VLC系統切換性能的能力進行仿真分析。

圖5所示為一幀數據包含不同數量的時隙時使用該算法的預測切換成功率。由圖可知，該算法在每幀數據包含20個時隙時，預切換成功率超過80%，并達到最高，驗證了該算法的可行性。圖6所示為不同切換時延時，采用該算法能夠節約的切換時間。由圖可知，該算法在每幀數據包含20個時隙時，可為室內VLC系統節約的切換時間最多。

圖5 預測切換成功率

圖6 切換節約時間

圖7所示為不同切換時延時，采用該算法為系統節約的切換時間占數據總傳輸時間的比例。由圖可知，該算法在每幀數據包含20個時隙時，切換節約時間占比最高，可以有效地降低室內VLC系統的切換開銷，進而驗證了該算法的合理性和有效性。

圖7 切換節約時間占比

4 結束語

本文首先分析了室內VLC系統的研究現狀，并提出了一種預切換計算方法，利用LED朗伯輻射模型和TDOA定位法計算得到終端的具體位置和移動速度矢量，并結合速度矢量對終端移動位置做出預判斷，從而提前預測終端即將要切換到哪個微小區。仿真結果表明，該算法有較高的預測切換成功率，可以有效降低室內VLC系統的切換開銷。