可见光通信资源调度策略关键技术研究

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可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是一项新兴的拥有高传输速率的通信技术,而组网技术是可见光通信系统商业化的第一步。超密集的室内可见光通信网络提供较高的单位面积通信速率,并且VLC链路为室外车载网络提供高传输速率链路。本文的主要研究内容包括室内VLC网络的干扰协调、室内VLC多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)通信系统的信道压缩和混合VLC、无线射频(Radio Frequency,RF)车载自组织网络的分布式资源分配。本文研究室内多色VLC微小区网络的静态和动态干扰协调。VLC系统干扰协调采用无线通信中的软频率复用,它能调整微小区中心颜色和边缘颜色之间的光功率比值。在中心用户信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)需求和照明约束下下,本文提出静态干扰协调算法来提高边缘用户的SINR。为了自适应于密集网络的小区间干扰强度,本文提出动态干扰协调算法,它包括两部分:分布式光功率调整和中心式色谱分配。对于色谱分配混合整数线性规划问题,本文提出两种解决算法:基于线性规划松弛和基于启发式贪婪算法。仿真结果表明动态干扰协调以很小的系统吞吐量损失代价带来边缘用户性能的显著提升。本文研究室内多色VLC MIMO通信系统的信道降维和分析降维引起的速率损失。接收端应用主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)压缩准确估计的MIMO信道,从而有效降低上行回馈负载。然而,由于PCA降维引起的信道信息损失,发射端恢复的压缩MIMO信道对应的压缩可达速率与真实可达速率存在偏差,这可能引起下行不可靠传输。因此本文分析PCA降维引起的速率损失,确保实际传输速率小于真实可达速率,实际传输速率为压缩速率减去速率损失。仿真结果表明基于PCA的信道压缩方法显著减少大规模VLC MIMO通信系统的上行负载。实际传输速率始终小于真实速率,这保证下行无误码传输。本文研究混合VLC/RF车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Networks,VANET)的信道分配和速率控制问题,最大化VANET的网络吞吐量。考虑无线信道资源约束和数据传输任务服务质量需求,资源分配问题被构建为混合整数线性规划(Mixed-Integer Linear Programming,MILP)问题。然而,在车载自组织网络中选取中心节点来全局优化资源分配问题是不适合的、也不是有效的。因此,我们提出分布式信道分配和速率控制方法。基于载波侦听多址接入干扰避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)协议,分布式信道分配算法根据链路信道需求分配信道资源,这将MILP问题转化为相应的线性规划(Linear Programming,LP)问题。我们采用交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)来分布式迭代求解链路速率,并提出速率调整算法来确保ADMM迭代过程中问题约束得到满足。仿真结果表明分布式算法拥有很快的收敛速度,基于速率调整的ADMM算法性能优于ADMM的。VLC链路的中断概率对系统性能有很大影响,而提高VLC链路速率对MILP获得可行解没有很大的帮助。此外,较小的RF链路通信距离有利于大规模车载网络,这是因为它有限的信道间干扰。
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