基于角控红外传感器的协调功率分配与动态波束指向技术，以实现可靠的室内可见光通信系统

《Physical Communication》：Coordinated Power Allocation and Dynamic Beam Steering with Angle-Controllable IRS for Reliable Indoor VLC Systems

　　摘要
可见光通信（VLC）通过利用现有的发光二极管（LED）基础设施实现同时照明和数据传输，为高速、安全和节能的室内无线连接提供了一个有前景的解决方案。然而，严格的视距（LOS）要求和光电探测器的有限视野（FoV）常常导致在实际室内环境中出现覆盖盲区和高中断概率。本文提出了一种基于微机电系统（MEMS）驱动的镜阵列的智能反射面（IRS）的室内VLC系统的全面覆盖优化框架。该框架开发了一个联合信道模型，该模型整合了LOS传播、来自IRS元件的镜面非视距（NLOS）反射以及来自墙壁的漫反射NLOS反射，并结合了有效反射路径的几何验证。引入了一种二维几何覆盖度量方法，以在考虑水平和垂直维度上的FoV限制的同时，准确评估有效覆盖面积。设计问题通过协调分解法处理：首先使用凸优化（CPLEX）分配LED发射功率以满足照明要求，然后通过基于最小镜片数量的贪婪算法选择活跃的IRS元件，该算法可以最大化接收功率，并使用具有自适应变异和局部优化的混合遗传算法细化所选元件的反射角度。所提出的框架协调了LED功率分配、IRS元件选择和单个反射角度的细化，同时严格遵循照明标准，而无需对所有变量进行单一的整体优化。仿真结果表明，经过角度优化的IRS显著降低了中断概率，并提高了光能效率，优于传统的仅基于LOS的系统和固定角度的IRS配置，突显了动态波束转向在实际室内VLC部署中的有效性。

引言
可见光通信（VLC）作为一种高速、安全和节能的室内无线连接技术应运而生，它利用现有的发光二极管（LED）基础设施同时实现照明和数据传输[1],[2],[3]。VLC在400–800 THz的非授权光学频谱范围内工作。与传统射频（RF）系统相比，它具有抗电磁干扰的能力，通过空间限制实现固有的物理层安全性，并提供了更大的带宽可用性[4],[5],[6]。这些特点使得VLC适用于办公室、教室、医院和智能家居等高密度室内环境。在这种情况下，必须在满足严格照明要求的同时提供高数据速率通信[7],[8]。IEEE 802.15.7标准的持续标准化以及不断扩展的Li-Fi生态系统进一步凸显了这项技术的成熟度和实际可行性[9],[10]。然而，尽管取得了这些进展，但由于遮挡效应、严格的视距依赖性和接收器视野限制，确保可靠的室内VLC覆盖仍然具有挑战性。与最近主要关注相位/频率操控、放大、能量收集或隐蔽速率优化的RF领域IRS研究不同，本研究解决了VLC特定的IRS设计问题。所提出的框架考虑了使用角度可控的MEMS镜阵列进行光束重定向，同时明确考虑了照明限制、接收器视野限制、中断概率和每个元件的反射角度控制。这项工作的主要贡献在于开发了一个协调的交替框架，用于在VLC特定照明和视野要求下进行照明受限的LED功率分配、物理受限的IRS元件选择和每个元件的光束转向。尽管有这些优势，VLC系统仍面临由于需要视距（LOS）传播和光电探测器的受限视野（FoV）而产生的重大实际限制[1],[11],[12]。家具、人员、墙壁和固定装置等障碍物可能会阻挡光信号路径，造成覆盖空白区，尤其是在多用户或移动环境中，这些空白区可能导致突然的中断并降低服务质量（QoS）[11],[13],[14]。LED的朗伯发射特性随着距离和角度偏移的增大而加剧信号衰减，恶化了周边区域的覆盖情况[1],[2]。这些问题还因需要同时满足严格的照明要求而变得更加复杂[15],[16],[17]。因此，在实际室内空间中确保一致且稳健的覆盖仍然是VLC广泛采用的实质性障碍[4],[7]。已经探索了多种策略来解决VLC覆盖不足的问题。多LED配置和优化的发射器放置受到了相当大的关注[17]。被动反射器（如镜子或扩散器）已被用于建立补充的非视距（NLOS）路径[15],[16]。最近，最初为射频应用开发的智能反射面（IRS）[18],[19],[20],[21]已被适配到光频范围，采用超表面驱动的相位调制[22],[23]或带有角度调整的镜阵列机制[13],[22]。虽然静态镜子提供了基本的NLOS增强[16]，而超表面IRS实现了详细的波前整形[14],[23]，但在插入损耗、偏振依赖性或实现复杂性方面仍存在挑战。利用微机电系统（MEMS）的可调角度镜阵列提供了一种可行的平衡，能够在最低功耗下实现自适应波束重定向和高反射率[22]。然而，之前的IRS增强VLC研究通常假设静态反射方向[15]或优化总体参数而不细化每个元素的角度。最近的VLC/IRS研究进一步推动了这一研究方向的发展。Hu等人研究了移动环境中的RIS辅助光学接收模型和反射角度优化[14]。Guzmán等人研究了利用光学反射表面来最小化VLC系统中中断概率的资源分配[15]。Liu等人提出了一种鲁棒的IRS布局优化方案，用于抵抗遮挡的VLC系统，展示了在实际阴影条件下的IRS放置的重要性[24]。Dixit等人优化了IRS辅助VLC系统，以在遮挡和实际室内约束条件下提高信噪比和照度均匀性[25]。尽管有这些最新进展，大多数现有的VLC/IRS研究主要集中在接收器建模、反射面放置、面向中断的资源分配、考虑遮挡的布局优化或基于学习的系统优化上。相比之下，本研究开发了一个协调分解框架，结合了照明受限的LED功率分配、物理一致的IRS元件选择和每个元件的两轴反射角度细化，用于MEMS控制的具有角度可控性的IRS辅助室内VLC系统。协调设计LED功率分配、IRS元件选择和单个反射角度控制，同时遵守实际的照明和视野限制，这方面的探索仍然有限。最近的IRS研究还朝着更先进和多功能表面架构发展。例如，已经研究了多功能IRS结构，它们在同一IRS框架内实现能量收集、信号反射和放大[26]。还探索了时空编码IRS，以利用频率转换能力并提供隐蔽通信场景下的角度-距离区分[27]。这些研究表明IRS架构超越了传统的被动反射。然而，它们主要是为射频领域的隐蔽通信系统开发的，并依赖于相位、频率或放大控制。相比之下，本研究关注室内光无线通信，其中IRS通过MEMS驱动的镜阵列实现，主要设计目标是在满足照明和接收器视野约束的同时，通过光束转向提高VLC覆盖率和可靠性。为了解决这些挑战，本文提出了一种室内VLC系统的覆盖优化框架。该框架使用通过MEMS驱动的镜阵列实现的角可控IRS。与之前依赖于固定方向镜子或聚合IRS参数的工作不同，所提出的方法在实际照明和视野约束下协调了LED发射功率分配、IRS元件选择和单个反射角度的细化。通过结合直接LOS链接、来自可控IRS元件的镜面NLOS反射和墙壁漫反射，开发了一个全面的信道模型。还结合了几何验证，以确保反射路径在物理上是可行的。此外，引入了一种二维几何覆盖度量方法来表征有效覆盖面积。该度量方法明确考虑了光电探测器在水平和垂直平面上的视野限制。设计通过一个协调分解法进行，包括三个主要阶段：(i) 使用凸优化（CPLEX）进行LED功率分配以满足严格的照明要求，(ii) 使用基于最小镜片数量的贪婪算法进行稀疏和有效的IRS元件选择，以及(iii) 使用具有自适应变异和局部优化的混合遗传算法进行每个元件的反射角度细化。广泛的蒙特卡洛仿真表明，与传统的仅基于LOS系统和固定角度的IRS配置相比，所提出的动态波束转向框架显著降低了中断概率并提高了光能效率。本研究的主要贡献如下：
• 一个结合了LOS传播、来自角度可控镜阵列的镜面反射和墙壁漫反射的联合信道模型，以及对有效路径的几何验证。
• 一种考虑水平和垂直视野限制的二维几何覆盖度量方法，比传统的一维方法能更准确地评估覆盖性能。
• 一个协调分解优化框架，依次结合了照明受限的LED功率分配、促进稀疏性的IRS元件选择和单个反射角度调整，同时严格满足照明约束。
• 一种具有自适应变异的混合遗传算法，用于每个元素的角度优化，与穷举搜索相比，实现了接近最优的解决方案，并显著降低了计算复杂性。

本文的其余部分组织如下：第二节介绍了系统模型，包括室内环境、信道特性和二维覆盖定义。第三节详细介绍了所提出的协调分解框架。第四节提供了仿真设置和数值结果。最后，第五节总结了本文并指出了未来研究的方向。

室内环境和LED部署
我们考虑了一个矩形室内房间，代表VLC研究中常见的典型办公室、教室或实验室环境[1],[16]。四个安装在天花板上的LED以对称网格排列，提供基线均匀照明和数据传输的空间多样性[17]。每个LED遵循朗伯辐射模式，这是室内VLC应用中使用的标准商用白光LED的特征[1],[2]。接收器（用户设备）位于...

提出的优化框架
为了在满足实际照明和通信约束的同时，解决LED功率分配、IRS元件选择和每个元件反射角度控制的耦合设计问题，我们提出了一种室内VLC系统的协调分解优化框架。完整的设计问题涉及连续的LED发射功率、二进制的IRS元件选择变量和连续的镜子倾斜角度，这使得单一的整体优化在计算上变得复杂...

仿真设置和参数
进行了广泛的蒙特卡洛仿真，以评估所提出的角度可控IRS辅助框架的性能，并将其与相关基准方案进行比较。所有结果基于N=10,000个用户位置，这些用户位置均匀分布在4米×4米的地板平面上，接收器高度固定为1米，这与典型的手持或可穿戴设备使用情况一致。这样大量的样本确保了覆盖度量的统计可靠性。

结论
本文提出了一种使用MEMS驱动的镜阵列实现的角可控IRS的室内VLC系统系统级覆盖优化框架。通过开发一个联合信道模型，该模型考虑了LOS传播、来自IRS元件的镜面NLOS反射和墙壁漫反射，并结合了反射路径的几何验证，所提出的方法有效解决了传统VLC系统的基本覆盖限制。一种新颖的二维...

声明
资助
本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。

数据可用性
支持本研究发现的数据可在合理请求下从通讯作者处获得。

作者贡献
Mina Momeni：概念化、方法论、撰写——原始草稿、审阅与编辑。
S. Alireza Nezamalhosseini：概念化、方法论、撰写——原始草稿、审阅与编辑。
Mohammad Ali Amirabadi：概念化、方法论、撰写——原始草稿、审阅与编辑。

伦理批准
不适用。

参与同意
不适用。

出版同意
所有作者均已审阅手稿并同意其提交出版。

作者贡献声明
M. Momeni：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法论、概念化。
S.A. Nezamalhosseini：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法论、概念化。
M.A. Amirabadi：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法论、概念化。

利益冲突声明
无。

M. Momeni | S.A. Nezamalhosseini | M.A. Amirabadi