面向异质光源VLC异构网络的动态负载均衡方法研究

Dynamic load balancing approach for visible light communication (VLC) heterogeneous network (HetNet) with heterogeneous light source has become a bottleneck problem for VLC HetNet design, which would crucially limit the performance of the VLC HetNet. This project aims at solving the VLC HetNet load imbalance resulting from the heterogeneous light source, user stochastic distribution and movement, as well as the dynamic change of the VLC datalink quality and the service need. Considering the constrain of the light source’s illumination and guidance purpose on the VLC datalink performance, a periodic feedback and fingerprinting grid based method to obtain the VLC datalink quality and changing trend is firstly proposed. And a multi-user access method based on the user-centric virtual cell is proposed to eliminate the interference and reduce the handover cost from different VLC access points. Inspired by the hypergraph matching theory and with the help of the above work, a new cross-layer optimization method is specially designed to develop the system throughput, user fairness, time delay and power efficiency performance of the VLC HetNet. Finally, this project would be capable to solve the load imbalance problem for VLC HetNet with heterogeneous light source, elevate the VLC HetNet transmission performance, promote its application and popularization in the daily scene, and provide theoretical support for other HetNet with asymmetric datalinks as well.

面向异质光源的动态负载均衡方法的设计是制约可见光通信（VLC）异构网络系统效能的一个瓶颈问题。本项目针对信号光源的异质性、用户分布和移动的随机性，以及VLC链路质量和用户业务需求的动态变化等因素引起的VLC异构网络负载失衡现象，从分析发光器件基本照明指示用途对VLC链路的约束出发，首先研究一种基于“周期回传+指纹网格”的VLC链路质量和变化趋势的获取算法；并根据VLC链路的质量和变化趋势，研究一种基于用户中心虚拟小区的多用户接入算法，用于消除干扰并减少协议开销；最后，在以上的研究基础之上，借鉴超图匹配理论，研究一种新型的面向系统吞吐量、用户公平性、系统时延、功率效率等多个目标的，跨层优化的资源分配算法。最终解决异质光源VLC异构网络的负载失衡问题，提升VLC异构网络的传输效能，促进VLC异构网络在真实场景中的应用与推广，并为其他异质非对称异构网络的设计提供理论支撑。

由于LED信号光源的异质性和用户终端的业务差异，可见光通信（VLC）异构网络极易出现接入点负载失衡的现象，已经成为严重制约VLC异构网络系统效能的一个瓶颈问题，并限制了VLC异构网络在真实场景中的应用与推广。针对上述问题，课题组选取均匀布局和蜂窝形布局两种典型室内LED信号光源布设方案，通过随机差异化设定LED信号光源的通信带宽、半功率角、波束指向角，以及用户接收终端的视场角、指向角、数据传输需求等参数，深入分析了异质LED信号光源和不同需求用户终端对VLC异构网络性能的影响；并通过充分考虑非直视路径可见光信号对VLC链路质量的影响，建立了VLC异构网络的资源分配模型。然后，借鉴用户中心虚拟小区思想，以随机分布的用户终端为中心建立多个虚拟小区，提出了一种基于图像传感器接收机的用户终端位置计算、VLC链路质量获取及其变化趋势预测方法，用于实现多用户终端的无线接入。最后，基于超图匹配理论，将LED信号光源的通信资源模块化，提出了Non-layered资源分配算法和Directly overlapping资源分配算法，可以有效解决VLC异构网络负载失衡问题，并实现面向用户满意度、用户公平性和网络吞吐量等多目标的VLC异构网络最优资源分配。.综合上述研究成果，课题组有效解决了面向异质LED信号光源和不同用户终端的VLC异构网络的负载均衡问题，积极推动了VLC异构网络在现实生活中的应用与普及，并可以为其他异质非对称异构网络的资源分配提供理论支撑。项目执行期间发表多篇科研学术论文，并获批5项技术发明专利。