可见光通信中继技术研究

朱蔓菁，王玉皞，刘晓东

(1．江西开放大学 现代教育技术中心，南昌 330046；2.南昌大学 信息工程学院，南昌 330031； 3.武汉大学 电子信息学院，武汉 430072)

0 引 言

随着无线通信技术的发展，智能设备接入对无线通信的高速率传输、高容量和超低时延提出了更高要求和挑战。据报道，从第四代移动通信系统(4th Generation Mobile Networks,4G)到5G，移动用户数量将增加100倍，数据流量将增加1 000倍[1-2]，传统射频(Radio Frequency, RF)通信的频谱资源难以满足无线通信的发展需求，可见光通信(Visible Light Communications, VLC)的频谱从430 ～790 THz，具有丰富的未使用频谱资源，能弥补无线通信稀缺的频谱资源[3]。VLC是指通过人眼可见光频段实现的通信技术[4]，利用具备响应灵敏度且支持信号调制特性的发光二极管(Light Emitting Diode, LED)在照明的同时提供无线通信服务[5-6]。VLC具有低成本、绿色环保、高安全性和抗电磁干扰等优势，可应用于室内智能家居、水下高速光通信和电磁严控场景等领域[5]。然而，VLC受到LED视场角覆盖范围的限制以及障碍物遮挡，信号传输范围受限[7]。

为扩大VLC覆盖范围，增强系统可靠性和安全性，提出在VLC中采用中继技术。中继技术是一种借助中继设备[8-9]将信息进行有效传输的协作通信技术。在VLC系统中，采用中继技术可以提高频谱利用率、扩大覆盖范围且降低链路中断概率，对提高通信系统的可靠性、安全性和能效性具有非常重要的意义。本文根据中继技术和VLC系统特性，研究了中继协作的VLC系统的关键技术及性能。

1 VLC中继系统模型及应用场景

1.1 系统模型

中继协作的VLC系统模型如图1所示，LED信源不能和远端用户直接通信，需借助中继(任务灯或近端用户)协作通信。与RF中继相比，VLC系统中继主要有两点不同：一是传输的信号不同，RF系统传输的信号是复信号，而VLC系统传输的信号是非负实信号；二是信道不同，RF中继信道是RF信道；而VLC中继系统是VLC信道或VLC-RF混合信道。

图1 中继协作的VLC通信系统模型

在中继协作的VLC系统中，根据引入的中继节点数量，可分为单中继VLC系统和多中继VLC系统[10]。

单中继VLC系统：只有一个中继节点进行信息转发。特点是：系统结构简单，信息传输效率有限。在单中继VLC系统中，通常考虑无直连链路和直连链路。在无直连链路系统中，信宿节点只能接收来自中继节点转发的信息。在直连链路中继系统中，信宿节点能够接收到信源节点和中继节点各自发送的信息。图1所示为中继协作的VLC通信系统模型，远端用户和信源之间属于无直连链路，近端用户和信源之间属于直连链路。

多中继VLC系统：信源节点和信宿节点之间有多个中继节点进行信息转发。特点是：网络传输场景复杂，中继选择、信道分配和功率分配等[10]方面灵活多变。目前研究的大部分是单中继或双跳多中继VLC系统。中继VLC系统中，充当中继的可能是任务灯[8]、台灯[9]和地面灯[11]等光源或近端用户[12]。图1中当近端用户具有收发功能时，该系统具有任务灯和近端用户两个中继，可称为多中继系统。

1.2 应用场景

根据应用环境，VLC中继系统可分为室内通信和户外通信。目前主要聚焦于室内VLC[7-9]，户外VLC通信系统主要应用于智能交通与车联网[13-14]。文献[14]考虑一个下行户外车联网络，在RF通信受阻的情况下，将一辆电动汽车指定为中继，同时要求中继满足主干网络干扰约束条件，通过VLC信道使信源能够与受阻车辆通信，得到了完全和不完全信道状态信息两种情况下的中断概率闭合表达式并进行了渐近分析，结果表明，RF-VLC混合网络的中断性能超过RF完全信道状态信息场景的中断性能。

在VLC中继系统的上下行链路中，中继的作用不一样。在下行链路中，中继节点的作用主要是协助信源节点转发信息；有时不仅转发信源节点的信息，而且还传输中继自身信息。文献[13]提出了一种户外可见光叠加中继策略，该策略中继节点不仅可以转发信源信息，而且可以同时传输自身车辆信息，文献中同时还比较了叠加中继策略、时分多址和非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)的平均误码率(Bit Error Rate，BER)，结果表明，平均BER为10-7，叠加中继策略的平均BER比NOMA有着大约7 dB的增益，比时分多址有着5 dB的增益，如图2所示[13]。

图2 信道对数标准系数为σh=0.1的叠加中继、时分多址和NOMA 3种方式下信号x1和x2的BER及其平均BER比较

由于LED的高光功率特性可能会给人眼造成一定的辐射伤害，因此，在上行链路中，中继的作用主要是降低光源的发射功率，从而减少对人眼的伤害。为降低VLC上行链路中信源的光功率，文献[15]基于放大转发(Amplify and Forward, AF)中继上行传输系统，提出使用穷举搜索法来降低信源光功率；考虑到穷举搜索法具有较大计算量并且耗时，文献[11]提出使用AF和译码转发(Decode and Forward, DF)的次优设计方案来最小化VLC系统上行链路中的信源光功率。

2 VLC中继系统关键技术

2.1 组网方式

迟楠等人[16]提出研究如何将VLC接入到现有网络以及VLC网自身组网是组网的关键问题。根据组网方式，中继协作的VLC可分为VLC同构和异构中继网络。VLC同构中继网络[7-8]指在VLC中继通信网络中，所有通信信道均是VLC信道；VLC异构中继网络[17-21]指VLC网络和其他通信网络异构的组网方式，比如，VLC-RF异构网络。

为扩大VLC覆盖范围，使信源节点和VLC覆盖范围之外的远端用户通信，同时支持多个用户通信，文献[17]提出采用VLC-RF混合中继网络，设定在每组用户对中，近端用户能够通过VLC直连链路接收光源发来的信号，然后作为中继通过RF链路将信号转发给VLC覆盖范围之外的远端用户。即使远端用户在VLC覆盖范围之内，也可以采用VLC-RF中继混合网络提高系统性能。文献[12]提出采用VLC-RF中继混合网络和可见光直连并行协作策略，远端用户能够根据获得的速率和服务质量自适应地选择VLC-RF中继链路或VLC直连链路。

2.2 转发协议

根据中继节点和目的节点的信息处理方式不同，中继协议可以分为固定和非固定中继协议。

(1) 固定中继协议

在VLC中，最常用的是固定中继协议，它指中继是固定的，转发协议包括AF和DF。

AF指中继节点对从信源节点接收到的信号进行功率放大，再将放大后的信号传输给下一节点[15]。由于AF协议在放大信号的同时也放大了噪声，因此AF协议更适应于高信噪比系统。

DF指中继节点先对接收到的信号进行解调、解码和判决，然后将判决后的数据进行编码调制，再转发给下一节点[22-24]。由于DF对接收的信号进行了重新编码，能够有效消除噪声的影响，但是中继在译码时可能会产生错误，容易造成“译码错误传播”问题。

目前研究中继协作的VLC系统大多数是基于AF和DF协议。文献[22]研究了室内多径信道中继协作的VLC系统性能，基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)，对比了采用DF比AF更容易实现。

(2) 非固定中继协议

目前研究的非固定中继协议主要有选择中继、增量中继以及编码协作协议。

选择中继协议[24]是利用信道状态信息确定信源节点到中继节点的信道质量情况，当信道质量高于门限值时，中继节点将采取AF或DF把接收到的信息转发给目的节点；当信道质量低于门限值时，中继节点对接收的信息不做任何处理。选择中继协议能够避免固定中继协议中存在的噪声放大或“译码错误传播”等问题。

增量中继协议[24]是在目的节点增加一个对中继节点的反馈信息，中继节点根据目的节点的反馈信息，决定是否对接收到的信源信息进行转发。增量中继通过反馈信息减少了不必要的重传，提高了信道的利用率和频谱效率，但是要求中继节点具有信息存储能力。

编码协作协议[10]无需对信道的状态进行估计，也无需节点反馈，它是通过信道编码技术来实现的。编码协作协议在性能上进行了优化，然而中继需要先解码再编码，增加了中继的复杂度，同时导致中继处理时延较大。

VLC中继系统中各种转发协议比较如表1所示。

VLC中继系统中研究非固定中继协议的文献鲜有。文献[24]比较研究了DF、增量中继和选择中继3种转发协议及其对系统性能的影响。研究结果表明，当LED的最大信源半径<3 m时，单跳系统和采用DF协议系统的中断概率几乎相同，当最大信源半径在3 m及以上时，采用DF协议的系统性能优于单跳系统；增量中继和选择中继转发策略具有更低的中断概率。同时文献[24]将这3种转发协议支持的系统能效性与单跳系统进行了比较，结果表明，其能效性均随着垂直距离或最大信源半径的增加而下降，而且单跳系统的能效性最差，由增量中继协议支持的系统能效性最好，如图3所示[24]。

图3 DF、增量中继和选择中继3种转发协议对系统性能的影响

2.3 多载波调制技术

近年来，为有效解决5G网络场景和应用需求，实现VLC的高频谱效率和低复杂度均衡，有学者提出在VLC中采用光学正交频分复用(Optical OFDM, O-OFDM)多载波调制技术方案[25-26]。由于OFDM信号是双极性的，而在使用强度调制的VLC系统中，其信号是非负性的，因此，目前探索OFDM的变体应用于VLC系统。在VLC中继系统中使用的多载波调制O-OFDM方案主要有：直流偏置O-OFDM[15]、非对称限幅O-OFDM[25-26]和非对称限幅直流偏置O-OFDM[27]等。

在中继协作的VLC系统中，文献[27]提出使用非对称限幅直流偏置O-OFDM多载波调制方式，信源端信号被分配给偶数子载波，中继端信号被分配给奇数子载波，然后这两部分信号组合成非对称限幅直流偏置O-OFDM信号。在该系统中，奇数子载波上的信号不干扰偶数子载波上的信号，而偶数子载波上的信号对奇数子载波上的信号的干扰可以通过噪声估计来消除。最后，两个信号都可以在接收端恢复。研究结果表明，该系统具有比非对称限幅O-OFDM单载波调制系统更高的带宽利用率，比直流偏置O-OFDM系统更低的BER。文献[28]结合预编码与迭代限幅滤波技术应用于Hartley变换OFDM调制的VLC系统中，提高了频谱利用率，降低了系统BER。

2.4 NOMA技术

为提高VLC系统频谱效率，有学者提出在VLC系统中使用NOMA技术[29]。NOMA基本思想是：发射端通过功率域区分不同用户，接收端则利用串行干扰消除接收机来消除其他用户干扰。基于NOMA的中继协作VLC系统如图4所示。

图4 基于NOMA的中继协作VLC系统

NOMA能有效提高频谱效率，文献[7]研究表明，在尽力而为机制下，相对于正交多址(Orthogonal Multiple Access，OMA)，NOMA可以为更多用户提供更高的系统容量；与OMA相比，NOMA能够提供更大的覆盖率，而且使用固定功率分配策略的NOMA可以在用户数量较大的情况下实现较高的总速率。文献[12]提出在VLC-RF混合系统中采用NOMA支持多用户协作传输，能有效提高系统的频谱效率和吞吐量。

在中继协作的VLC系统中，NOMA技术和多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)有机结合，可以提高多用户系统总速率[30]。文献[30]提出采用NOMA技术来提高基于MIMO的多用户VLC系统的总速率，结果表明，在3个用户的MIMO-VLC系统中，当r/R=1(r为用户K离中心点的距离；R为LED光源的最大辐射半径)，用户数K=2和3时，采用基于用户信道归一化增益差功率分配方法的NOMA比采用增益比功率分配方法的NOMA的总速率分别提高了16.7%和29.1%，如图5所示[30]。NOMA技术还可与OFDM的变体相结合来改善系统性能。文献[31]研究结果表明，专门能量效率频分复用的NOMA比非对称限幅O-OFDM NOMA的性能提高了25 dB，而专门能量效率频分复用技术的OMA和NOMA结果相差约4 dB。

图5 基于NOMA的归一化增益差功率分配方法和增益比功率分配方法的比较

2.5 工作模式

在中继协作的VLC中，中继可以采用半双工模式或全双工模式。

半双工模式：接收端和发射端采用正交时域、频域和码域通信，导致频谱资源浪费。文献[32]利用多个半双工LED光源作中继，对于每种中继方案，在中继节点上都精心设计了安全波束形成向量，以防止窃听者窃听信息，从而有利于保护合法者接收信息，实现信息的安全传输。

全双工模式：接收端和发射端可以同时同频进行信号传输，理论上可以实现信道容量加倍，避免频谱资源浪费，但与此同时带来收发端环路干扰问题，然而相对于RF通信，由于光源具有光照多方向性，VLC系统中全双工中继的环路干扰水平会较低[32]，因此全双工模式的中继协作VLC系统更容易实现。文献[33]研究了中继节点工作在全双工模式下且建立了环路干扰信道的VLC中继系统模型，同时比较了半双工中继和全双工中继下的中断概率。结果表明，当调制阶数增大时，全双工中继的性能优于半双工中继系统。具体来说，在BER为10-3、吞吐率分别为1和2 bit/s/Hz时，全双工中继可获得3.9 dB的性能改进，如图6所示[33]。

图6 中继协助和直接传输的BER性能比较

3 中继协作VLC系统性能分析

3.1 可靠性

可靠性是研究中继协作VLC系统性能的关键性指标之一。衡量中继协作VLC系统可靠性的指标主要有中断概率、BER以及吞吐量。文献[17]的研究表明，多中继系统的中断概率随着信噪比的增大而减小，当用户数量较少时，系统的可靠性能更好。文献[15]的研究表明，中继节点可以显著提高上行传输系统的BER性能，最优中继系统可以在更低信源光功率下获得更高光谱效率；文献[34]分析了室内中继辅助VLC-RF系统的中断性能，利用差分进化算法优化中断概率，利用脉冲位置调制方法分析了VLC-RF混合系统的平均BER性能；文献[12]比较了VLC网络、VLC-RF混合网络和交叉频带选择组合机制3种策略下的中断概率和吞吐量。研究表明，交叉频带选择组合机制的中断概率和吞吐量性能最优。

3.2 安全性

保障信息安全传输是VLC研究的关键问题之一。很多文献利用VLC信道和中继特性研究了VLC系统物理层安全性。文献[35]考虑一个位于VLC覆盖范围之外的合法接收者和一个尽力窃听的窃听者存在的VLC中继系统，窃听者采用最大似然比接收方案，推导了窃听者在两种不同位置情况下，VLC-RF混合系统保密中断概率的近似表达式，同时探讨了VLC光源的高度、覆盖范围以及光源和中继的发射功率对系统性能的影响；文献[36]不仅考虑了窃听者的存在，而且还引入干扰阻塞来防止窃听者窃听信息，同时采用波束形成策略最大化中继和目的节点的最大保密容量，在满足最大保密容量前提下最小化系统功率。实验结果表明，通过采用波束形成策略、干扰阻塞策略以及功率最小化策略，该系统可以达到所需的保密容量。还可以利用节能策略来提高保密容量，文献[18]提出非协同节能和协同节能两种节能策略，协同节能策略允许中继节点分享剩余的能量来提高传输可靠性；同时研究了窃听者存在的情况下两种节能策略的保密容量和中断概率，研究结果表明，协同节能比非协同节能具有更高的安全容量和更低的中断概率。

3.3 能效性

能源效率已经发展成为衡量能量受限网络的关键性能指标之一。VLC中继系统中，对于能效性能的研究主要包括能量收集和能量效率两方面。

能量收集可以让中继节点从信源节点获取能量来进行信息传输。文献[20]提出在VLC-RF异构网络中，在VLC链路中，中继节点使用直接侦测策略来获取信息，同时收集能量，再利用收集的能量转发数据给移动用户；同时研究了采用RF信道瞬时功率增益比平均功率增益方法，系统获得的平均数据速率更高；文献[21] 考虑VLC-RF混合中继网络中继节点能够从LED光源中获取能量用于信息安全传输，提出了VLC系统能量收集模型，利用随机几何方法推导了系统保密中断概率的精确和渐近解析表达式；文献[37]提出了一个具有两个LED光源、两个没有安装光探测器目的节点以及1个具有能量收集能力(如太阳面板)的中继节点的VLC-RF混合中继网络，中继可以从光源获取能量来转发信息，从而使目的节点能够获得相应的传输速率，并且探讨了在最大化可获得速率区域内，能量获取时长内的最优时间交换协议；文献[29]提出了具有同步信息传输和能量转换的基于NOMA的VLC-RF室内系统，系统中的近端用户可作为中继，能够从光源中获取能量，一部分能量用于能量转换及存储，另一部分能量用于译码及转发信息给远端用户。该研究在分析两个用户中断概率的基础上，探讨了在最小化中断概率时的最优能量分配比率。

在VLC系统中可通过采用不同的中继策略来优化VLC中继系统性能，如表2所示。

本文从VLC系统覆盖范围受限切入点出发，研究了中继协作的VLC系统模型、关键技术及其系统性能，其概要如图7所示。

表2 VLC中继系统性能分析

图7 中继协作的VLC系统关键技术概要图

4 结束语

虽然许多学者在中继协作VLC系统的关键技术和性能优化方面做了很多贡献，但是面向5G甚至6G未来通信网络的增强移动带宽、超低时延、超可靠和海量设备接入等应用场景，中继协作的VLC系统还有待进一步研究。

(1) 从系统建模分析，目前研究的系统建模大多数是基于单中继的3节点VLC系统模型，而面对未来网络的应用场景，不管是室内VLC还是户外VLC系统，其发展方向均为信道选择的多中继大规模MIMO复杂场景。

(2) 从组网方式分析，VLC作为RF通信的有益补充技术，必然要与RF通信实现无缝对接，所以由VLC和其他通信方式组成的异构网络必将是未来网络的架构基础。

(3) 从频谱效率角度分析，NOMA可以有效提高频谱效率，基于NOMA中继协作的VLC系统也将是下一代通信网络研究的重点之一。

(4) 从能量效率角度分析，未来网络更加注重能量消耗的减少和能量的有效利用问题。因此，基于能量收集与能量效率的中继协作VLC系统必然是发展趋势。

综上所述，面向未来网络，中继协作VLC系统的研究方向是基于NOMA的多中继协作的MIMO的VLC异构通信网络，平衡系统的复杂度与性能成为研究者需要面对的主要挑战。