室内物联网网络中考虑阻塞的VLPC高效资源分配方法

《Physical Communication》：Robust Resource Allocation for Blockage-Aware VLPC in Indoor IoT Networks

　　•针对动态室内遮挡问题，设计了一种考虑遮挡的可见光定位通信框架。•引入CVaR约束来控制由遮挡引发的通信中断风险。•在速率、CRLB和可靠性约束下优化联合功率分配。引言在人工智能和数字孪生的推动下，物联网正呈指数级发展，这对应对高容量室内接入和高精度定位提出了更高要求[1]、[2]。可见光定位通信技术通过利用现有的照明基础设施，提供了丰富的非授权频谱以及厘米级的定位精度，成为一种极具前景的解决方案[3]。然而，实际可见光定位通信系统的性能受到环境变化和硬件限制所带来的信道损伤的严重制约。尤其是动态遮挡常常会干扰视距信道，而商用发光二极管的有限调制带宽则会导致严重的高频衰减[4]、[5]。这些因素共同导致接收功率出现显著波动，从而增加通信中断和定位失败的风险[6]。因此，要在这类复合型损伤条件下确保可靠的通信和定位性能，就需要为实际室内物联网应用设计能够考虑遮挡情况的资源分配方案。在实现数据速率与定位精度的联合优化方面，近期针对室内物联网应用的可见光定位通信研究已从波形设计转向资源分配框架。早期的研究主要聚焦于多载波传输方案，旨在在同一光谱范围内同时实现数据通信和定位功能[7]、[8]、[9]。最近的研究则开始将速率和定位误差指标整合到统一的资源分配问题中，以实现通信与定位性能的联合优化[10]。特别是，通过联合优化功率分配、子载波分组和接入点选择，可以在保持定位精度的同时提升系统吞吐量[11]、[12]。类似的联合优化思路也在集成感知与通信系统中得到广泛应用，在这些系统中，通信性能、感知能力、安全性以及轨迹规划或可重构智能表面配置等需要在共享资源约束下进行联合优化[13]、[14]。这些研究成果凸显了资源分配在平衡可见光定位通信系统中通信与定位性能方面的关键作用。不过，大多数现有设计都基于理想的信道假设，没有充分考虑动态环境因素，如遮挡现象以及非理想发光二极管特性，而这些因素都会对系统可靠性产生重大影响。由于可见光定位通信高度依赖视距传输，它对由人体、室内物体以及用户移动带来的遮挡极为敏感。静态或几何遮挡模型通过判断发光二极管、接收器与遮挡物之间的相对几何关系来确定链路是否被遮挡，从而对视距遮挡进行基本描述[15]、[16]。这类模型在分析遮挡区域、信道衰减以及接收功率下降方面直观且有效，但主要描述的是静态或固定的遮挡情况。为进一步引入空间随机性，基于点过程的随机遮挡模型将人体或障碍物视为随机分布的物体，用于评估在不同人口密度和发光二极管布置情况下的遮挡概率、信噪比覆盖情况或通信中断行为[17]、[18]。不过，这类模型主要描述的是随机的空间分布，并未明确模拟行人随时间变化的移动模式。基于移动性的动态遮挡模型则进一步体现了人类移动的时间特性。特别是随机路径点移动模型被用于描述带有暂停时间的动态人体遮挡现象，进而分析室内可见光定位通信系统中的遮挡概率、接收功率波动、穿层频率以及平均衰落持续时间[19]。在系统层面，人们提出了多种遮挡缓解策略，包括配备多个光电探测器的智能接收器、协作式微蜂窝传输、考虑移动性的接入点部署、主动切换以及可重构光学表面等[20]、[21]、[22]。近年来，人们还研究了光学智能反射表面和基于可重构智能表面的机制，以在动态人体遮挡或视距通道被阻塞的情况下提升可见光定位通信的覆盖范围和可靠性[23]、[24]、[25]。总体而言，上述研究为描述视距遮挡或减轻其对可见光定位通信性能的影响提供了有益工具。然而，动态遮挡对集成型可见光定位通信系统的影响尚未得到充分研究。尽管在集成型可见光定位通信设计方面已取得显著进展，但在实际信道条件下确保服务可靠性仍是一项重大挑战[26]。先前的研究探讨了稳健的功率分配方法，其中采用条件价值风险函数为基础的公式来应对由定位误差导致的信道状态信息不确定性所引发的速率中断问题[27]。相比之下，动态遮挡带来的则是另一种形式的不确定性。与连续的信号扰动不同，遮挡会导致信道可用性出现突然且规律的变化，视距信道可能会根据遮挡类型出现严重衰减甚至完全中断[19]。然而，在遮挡引发通信中断风险的背景下，通信可靠性与基于CRLB的定位精度通过共享的发光二极管功率预算相互关联的集成型可见光定位通信场景，至今仍未得到充分研究。这在注重可靠性的可见光定位通信设计领域存在不足，尤其是在将多模式遮挡不确定性纳入统一功率分配框架方面。为解决上述问题，本文研究了一种适用于动态遮挡环境下室内物联网网络的考虑遮挡的可见光定位通信系统。我们构建了一个联合资源分配问题，该问题明确考虑了在遮挡导致的信道不确定性条件下的定位精度和中断风险。这个非凸问题通过逐次凸逼近框架得到了高效求解。主要贡献如下：•我们为室内物联网网络设计了一种考虑遮挡的可见光定位通信框架，该框架整合了固定光学接收器、基于随机路径点模型描述的随机人体移动以及发光二极管的高频衰减效应。通过利用发光二极管之间的空间间距，将动态遮挡抽象为有限种互斥的离散遮挡模式，并通过不同遮挡模式的出现概率来表征中断风险。•我们发现动态遮挡对接收功率的贡献存在不对称影响。被遮挡的、在空间上占据优势位置的发光二极管会导致性能大幅下降，而其余发光二极管由于信道增益较弱且存在高频衰减，只能提供有限的补偿作用。基于这一认识，我们引入了基于CVaR的可靠性约束，用以明确控制由遮挡引发的通信中断的尾部风险，并推导出了便于优化的可行表述形式。•我们构建了一个联合功率分配问题，在满足定位精度的克拉美尔-罗伯逊下界约束以及所提出的基于CVaR的可靠性约束的前提下，最大化可实现的数据速率。为处理由此产生的非凸性问题，我们构建了凸近似模型，并开发了一种基于逐次凸逼近的算法，该算法通过迭代求解凸子问题逐步收敛到稳定解。章节节选B-VLPC系统模型如图1所示，所研究的考虑遮挡的可见光定位通信系统由L个安装在天花板上的发光二极管组成，这些发光二极管构成了服务于室内物联网应用的用户中心型服务集群。放置在桌子上的、配备光电探测器的固定物联网设备充当光学接收器。与此同时，移动用户设备可能携带物联网终端或具备收发功能的设备，其移动遵循随机路径点模型，可能会遮挡发光二极管与光电探测器之间的视距链路。由于发光二极管的半角范围有限且存在严重的路径损耗，只有附近的发光二极管才能发挥作用。无中断约束的基准模型设计本小节阐述了考虑遮挡的基准设计模型。该模型可作为评估引入风险意识控制措施必要性的基准。相应的优化问题可表示为maxpco,ppoB2∑g∈GPDlog2(1+e2πR2αgc(hPD)Tpgcoσ2)s.t.σ2Z2Tr[(MTP^poM)?1]≤ΔDthB2∑g∈GUElog2(1+e2πR2αgc(hUE)Tpgcoσ2)≥Rthplpo+∑g∈Grpg,lco+NIDC2≤PT,?l其中式(18a)为最大化光电探测器可实现数据速率的目标函数。约束条件(18b)则确保定位误差满足一定要求。仿真结果与讨论本节通过数值结果来评估所提出的考虑遮挡的可见光定位通信系统在室内物联网网络中的通信性能、定位性能以及服务可靠性。为进一步验证所提出的基于逐次凸逼近的优化框架的有效性，我们采用了粒子群优化算法和遗传算法这两种具有代表性的启发式优化算法作为对比方案。比较重点在于分析两种算法的收敛行为以及所能实现的性能水平。结论本文研究了在动态遮挡和频率选择性衰减条件下的室内物联网网络用考虑遮挡的可见光定位通信系统。我们发现，空间域和频域效应的共同作用导致了不同发光二极管与子载波组合之间的性能贡献存在显著不对称性，这使得不同遮挡场景下的系统脆弱性也各不相同。为应对这种结构上的不对称性，我们设计了一种基于CVaR的风险意识驱动的联合功率分配框架，该框架能够在满足相关约束条件的同时，最大化系统的可实现数据速率。CRediT作者贡献声明石汉阳：撰写——审阅与编辑、资源获取、项目管理、研究工作、资金申请、概念构思。朱德斌：撰写——审阅与编辑、原始稿撰写、可视化处理、结果验证、软件开发、方法设计、研究工作、资金申请、形式化分析、数据整理。徐晨：方法设计、研究工作、形式化分析。陈霞：可视化处理、方法设计、研究工作。赵岩：资源获取、项目管理、资金申请。利益冲突声明作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：赵岩表示获得了中国国家自然科学基金的资助（项目编号：62201180）。石汉阳表示获得了海南省自然科学基金的资助（项目编号：625RC711）。朱德斌表示获得了海南省研究生创新研究项目的资助（项目编号：）。石汉阳|朱德斌|徐晨|陈霞|赵岩