用户中继支持的混合式VLC-RF网络：一种用于高效接入和资源分配的两阶段策略

《Optical Switching and Networking》：User relay-empowered hybrid VLC-RF network: A two-stage strategy for efficient access and resource allocation

　　

摘要

可见光通信（VLC）作为一种有前景的技术，为物联网（IoT）网络提供了高带宽和精确的感知性能。然而，其实际应用受到视线（LoS）遮挡和不均匀光照覆盖的严重限制，这进一步降低了系统的整体检测可靠性。为了克服单独优化的局限性以及视线遮挡和覆盖不均匀带来的挑战，我们提出了一种用于混合VLC-RF网络的联合用户关联、中继选择和功率分配（JUARSPA）算法。VLC接入点（APs）首先进行基于地理位置的用户选择，然后用户根据可实现的速率选择AP，同时充分考虑AP负载和中继信道质量。中继被部署来支持完全受视线遮挡的用户和信道条件较差的边缘用户。边缘用户可以通过直接链接或中继访问VLC-RF网络，而盲点用户则完全依赖于中继。对于中继选择，我们提出了一种基于用户请求速率与信道质量归一化比的优先级决策方法，这种方法在用户公平性和网络总速率性能之间取得了平衡。仿真结果表明，通过提高用户接入VLC-RF网络的成功率，所提出的JUARSPA在网络总速率和用户公平性方面优于所有基准方案。

引言

随着物联网（IoT）和智能传感系统的迅速发展，对高度可靠、高带宽和低延迟的检测与通信技术的需求不断增加[1]。传统的射频（RF）驱动的传感系统面临着频谱资源短缺和电磁干扰等关键瓶颈问题，这些问题削弱了传输可靠性，并在高密度IoT部署场景中的可扩展性[2]。可见光通信（VLC）是一种利用可见光谱同时支持照明和高速数据传输的技术，它具有超宽的无需许可的带宽、免许可操作以及与高精度室内传感和定位任务的自然兼容性等优势[3,4]。

然而，VLC网络受到固有技术限制的制约，包括传输范围有限、单个接入点（AP）的覆盖范围受限以及对视线（LoS）遮挡的脆弱性。这些缺点不可避免地导致不同用户之间的服务质量（QoS）存在显著差异：靠近AP且具有无遮挡视线的用户可以持续享受高QoS性能，而边缘用户和受到视线遮挡的用户则会面临严重的性能下降。

中继辅助通信提供了一种有效手段，可以扩展覆盖范围、弥补通信盲点并优化整体系统性能[5]。值得注意的是，支持VLC和RF传输的混合中继可以显著扩大有效通信范围，大幅提升边缘用户的服务质量，并最终增强系统的整体公平性和可靠性[[6], [7], [8]]。

因此，所提出的联合用户关联、中继选择和功率分配（JUARSPA）算法对于大规模室内IoT部署场景具有重要的实际意义。在密集的智能家居IoT部署中，用户的移动性和随机遮挡经常中断VLC的视线链接。所提出的中继辅助协作机制动态建立了可靠的连接，确保边缘用户和被遮挡设备能够获得公平的服务。

本文的其余部分安排如下：第2节回顾相关工作；第3节介绍和讨论系统和传输模型；第4节提出了最大化网络总速率的优化问题，并介绍了所提出的联合用户关联、中继选择和功率分配（JUARSPA）算法；第5节展示了仿真结果；最后，第6节总结了工作内容。

章节片段

相关工作

混合VLC-RF网络有效利用了VLC和RF技术的互补特性，具有重大的应用潜力，并为未来发展充满希望[9]。借助中继节点，这种协作架构可以有效扩展传输路径并扩大VLC的覆盖范围。此外，使用RF频段作为VLC的辅助链路可以减少干扰并进一步提升整体系统性能[10]。

在[11]中，一种无人驾驶飞行器...

系统模型

室内混合VLC-RF网络如图1所示，包括M个VLC AP和一个RF AP。在本研究中，我们主要关注下行链路的VLC/RF协作传输，因此重点讨论下行传输过程的建模和描述。由于RF链路提供了更稳定的全向覆盖，并且对设备方向和遮挡的敏感性较低，它们更适合传输低速率控制信号和用户的访问请求。因此，上行链路...

问题表述

在中继辅助的混合VLC-RF网络中，用户关联、中继选择和功率分配之间紧密相关。具体来说，用户关联决定了AP的负载分布和同频干扰模式，中继选择影响协作传输的可靠性以及中继资源的利用率，而功率分配进一步影响用户的可实现速率和公平性。因此，单独优化这些子问题可能会导致系统性能不佳

仿真参数

本节从网络总速率和系统公平性的角度评估了所提出的JUARSPA算法的性能。

模型布局如图1（a）所示。VLC AP以2×2阵列的形式安装在天花板高度为2.85米的位置，而RF AP位于房间中央，距离地面0.85米。房间尺寸为：5×5×3米3。其他仿真参数列在表2中。我们使用Jain的公平性指数（JFI）来衡量网络中的用户公平性

结论

在本文中，我们研究了在VLC覆盖有限和视线连接被遮挡的场景中使用中继辅助的混合VLC-RF网络，通过联合优化用户访问、中继选择和功率分配来最大化网络总速率。为了解决这一复杂问题，我们将其分解为三个专门的子问题。首先，设计了一种双边偏好匹配方案来确定用户访问，综合考虑VLC AP和用户的利益以及AP和中继的负载

未来工作

值得注意的是，假设中继用户是完全合作的，并且能够进行理想的能量收集，但没有明确考虑中继激励机制。然而，在实际的室内IoT系统中，由于电池消耗、计算开销或缺乏直接利益，用户设备可能会表现出自私行为，这可能会减少可用的中继候选集，并降低网络稳定性、覆盖连续性和公平性性能。

CRediT作者贡献声明

刘焕林：概念构思、资金获取、方法论、项目管理、监督、验证、初稿撰写、审稿与编辑。侯洋洋：概念构思、数据整理、调查、方法论、资源准备、软件开发、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。 Song文杰：概念构思、数据整理、形式分析、调查、方法论、资源准备、软件开发、验证、可视化、撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了重庆市教育委员会的科学技术研究计划（项目编号：KJZD-K202601902）、中国国家
自然科学基金（NSFC，项目编号：51977021）以及
重庆工程技术研究院的2025年高层次人才科学研究基金（项目编号：2025gcky01）的支持。我们感谢匿名审稿人对本文提出的宝贵意见和建议。

Huanlin Liu|Yangyang Hou|Wenjie Song|Yong Chen|Haonan Chen|Wencai Wang