具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了便于理解通信方法，先介绍该通信方案使用的通信系统。如图1示，混合可见光/射频的多中继通信系统包括信源S，N个中继节点R_i和信宿D，其中，

信源S向N个中继节点R_i广播可见光信号x_s(t)，考虑到光源辐射的特性，光源S的覆盖区域呈圆锥形。例如，信源S可为LED光源，位于室内的天花板上，光源距离地面的高度为l＝2m，光源S的半功率角Φ_1/2＝60°，圆锥形地面是以O为圆心，半径r₀＝3m的圆。信源S向N个中继节点R_i广播可见光信号x_s(t)，每个中继节点的辐射角为其中

N个中继节点R_i是室内的可移动设备，如超市中的手推车、停车场中的车辆等，部署在LED信源辐射区域的底面上，距离圆心O的距离为r_i，距离信源S的距离为d_i；每个中继节点上都装有光电检测器，其中Ψ_fov和ψ_i分别为光电探测器的视场角和入射角。

信宿D位于信源S的通信覆盖范围之外,接收并解码来自中继节点的射频信号。

基于上述通信系统，如图2所示为本发明一实施例中的混合可见光/射频的多中继通信方法的步骤流程图，该通信方法包括：

步骤S100：在多个中继中选择一个中继接收信源发射的光信号。

在一实施例中，信源S向N个中继节点R_i广播可见光信号x_s(t)，其中，只需在N个中继节点R_i中选择一个中继接收光信号，定义被选择的中继为中继R_b，信宿和中继节点R_b的距离为d_D,接收并解码来自中继节点R_b的射频信号。

考虑到可见光传输的安全性，信源S的发射的可见光信号x_s(t)需满足如下两个约束条件，如图4所示：

其中P_led、P_a和P_max分别表示信源的发射功率、平均功率和峰值功率，A和B分别表示信号x_s(t)上的峰值振幅和直流偏置。

在一实施例中，多个中继节点R_i的位置服从泊松分布，其概率密度函数为N＝0,1,…其中集合表示出现在圆锥形底面上的中继；利用基于信标定位技术的中继选择方法从其中选出一个中继节点R_b向信宿D传输射频信号。

在一实施例中，当已知各中继距离圆心O的距离时，可以按照如下方式选择接入的中继R_b：

(1)从N个中继节点中选出距离信源S最近的中继，即r_i最小的中继节点作为中继节点R_b。

在一实施例中，当各中继距离圆心O的距离未知时，可以在多个中继中选择位于光信号辐射区域(r_i≤r₀)且位于距离阈值区域内(r_i≤r_th)的任意一个中继接收信源发射的光信号，其中，中继节点解码距离阈值r_th定义如下，当中继节点R_i距离圆心O的距离r_i≤r_th时，中继节点R_i可以成功解码信源信号；当r_i＞r_th时，中继节点R_i解码失败。具体的，

当r_th＜r₀时，可以按照如下方式选择接入的中继R_b：

(2)从满足r_i≤r_th的所有中继节点中随机选择一个中继节点作为中继节点R_b。

当r_th＝r₀时，可以按照如下方式选择接入的中继R_b：

(3)从N个中继节点中随机选择一个中继节点，即从满足r_i≤r₀的所有中继节点中随机选择一个中继节点作为中继节点R_b。

步骤S200：在当前时隙内的第一阶段内，控制所选择的中继对光信号进行解码并获取解码结果。

此为从信源至中继之间的第一链路通信。

信源S发射的可见光信号为x_s(t)＝P_led(x(t)+B),其中P_led表示信源S的单位电流发射功率，x(t)为峰值幅度为A，期望为0的已调电信号，B为加在x(t)上的直流偏置，以确保x_s(t)的非负性。在当前时隙内的第一阶段内，控制所选择的中继对光信号进行解码，具体为，中继R_b上的光电探测器将接收到的光信号转化为电信号y_b(t)，且同时利用信号成分分离策略将y_b(t)分成直流成分y_dc和交流成分y_ac(t)，分别用于能量收集和信息解码，其中收集的能量记为E_b。

第一跳信源-中继节点R_i链路的信道增益为：

其中n＝1是朗伯辐射系数，L_r表示光电探测器的表面积，表示光集中器增益，ε是折射率，T_s(ψ_i)表示光滤波器增益。

第一跳信源-中继节点R_i链路信道容量为：

其中

其中ρ为中继节点上光电探测器的响应度，γ₁为第一跳链路功率增益，e为自然对数的底数，为中继节点处的加性高斯白噪声的噪声功率。

当中继节点R_i距离圆心O的距离r_i≤r_th时，中继节点R_i可以成功解码信源信号，即C₁≥R₀；当r_i＞r_th时，中继节点R_i解码失败，即C₁＜R₀。通过令C₁＝R₀，求得中继与圆心之间的距离即为中继节点解码距离阈值r_th。其中R₀为预定义的目标速率，R₀的取值可以根据仿真结果选择，如图6，为选最近中继节点为R_b时，不同信源发射功率P_led下的系统能效η_E-预定义目标速率R₀仿真图。从图6看出，系统能效η_E随着预定义目标速率R₀的增加，先增加再减小，从而可以获取使能效达到最大的目标速率R₀。

步骤S300：判断中继解码是否成功。

判断中继R_b是否解码成功，当中继解码失败时，执行步骤S400。当中继解码成功，则执行步骤S500。

此时，将第一跳信源-中继节点R_b的第一链路通信中断的平均中断概率记为

当第一跳信源-中继节点R_b信道链路容量C₁＜R₀时，也即r_b＞r_th时，第一跳解码失败，则第一跳通信中断概率为

其中r_b为中继节点R_b距离圆心O的距离。

步骤S400:等待下一时隙以增大下一时隙信源电信号的峰值振幅并跳转至步骤S100。

在一实施例中，如图3所示，在跳转至步骤S100之前，还包括：

判断当前通信时长是否超过预设通信时长，若未超过预设通信时长，则跳转至步骤S100；若超过预设通信时长，则结束通信。

在一实施例中，设定峰值振幅和直流偏置的最小变化量Δ，在步骤S400中，下一时隙信源电信号的调整具体为增大x(t)的峰值振幅,即A＝A+Δ,并减小直流偏置，即B＝B-Δ，以改进中继的解码成功率。

步骤S500:在当前时隙内的第二阶段控制中继将解码后的信息通过射频信号转发给信宿。

在时隙的第二个阶段，中继节点R_b利用收集的能量将解码后的信息通过射频信号转发给信宿D。

中继节点R_b上的光电探测器上的输出电信号经过分离策略后表示为

y_b(t)＝y_ac(t)+y_dc+n₁(t)，

其中y_ac(t)＝ρh_1bP_ledx(t)是交流成分，y_dc＝ρh_1bP_ledB是直流成分，是第一跳链路的加性高斯白噪声。

其中，中继节点R_b收集的能量表示为E_b＝fy_dcV_oc＝fρh_1bP_ledBV_oc，其中f为填充因子，介于0.7到0.8之间，V_oc为光电探测器上的开路电压。在一实施例中，中继节点R_b利用所有收集的能量将射频信号发送出去，即P_b＝E_b＝fρh_1bP_ledBV_oc，其中P_b为中继节点R_b的发射功率。

信宿D尝试对接收到的射频信号进行解码并反馈解码结果。

步骤S600：判断信宿解码是否成功。

当中继解码失败时，执行步骤S700。当中继解码成功时，执行步骤S800。

将从中继至信宿之间的通信定义为第二链路通信。

若第二跳中继节点R_b-信宿链路通信中断，将第二跳的平均中断概率记为

信宿D接收到的信号为其中为第二跳中继节点R_b-信宿链路的信道增益，υ为路径损耗系数，为第二跳链路信道的加性高斯白噪声。

进一步的，第二跳链路信道的可达速率为其中为第二跳链路信道的噪声功率。

进一步的，若R₂＜R₀时，第二跳解码失败，则第二跳通信中断概率为从信源到中继的第一链路通信成功且从中继到信宿的第二链路通信中断的概率，可表示为

由于两跳传输的中断事件彼此互斥，因此O_P可以表示为第一跳通信中断概率和第二跳通信中断概率之和。

步骤S700：等待下一时隙以增大下一时隙信源电信号的直流偏置并跳转至步骤S100。

在一实施例中，如图3所示，在跳转至步骤S100之前，还包括：

判断当前通信时长是否超过预设通信时长，若未超过预设通信时长，则跳转至步骤S100；若超过预设通信时长，则结束通信。

在一实施例中，设定峰值振幅和直流偏置的最小变化量Δ，在步骤S700中，下一时隙信源电信号的调整具体为减小x(t)的峰值振幅,即A＝A-Δ,并增大直流偏置，即B＝B+Δ，以改进中继的解码成功率。

步骤S800：在下一时隙维持信源当前电信号并跳转至步骤S100。

若解码成功，则无需调整信源电信号，在下一时隙继续按当前电信号通信即可。

在本方案中，每一个时隙都可以重新选择中继，其中，每个时隙是否需要变换中继，可以根据实际情况清货选择。在一实施例中，在当上一时隙所选择的中继可用且位置未变时，在当前时隙继续选择上一时隙的中继接收信源发射的光信号；当上一时隙所选择的中继不可用或位置发生变化时，在当前时隙重新选择其他中继接收信源发射的光信号。

在当前时隙重新选择其他中继接收信源发射的光信号时，可以按照上文介绍的3种方式进行选择。如图5示为3种不同的中继节点R_b选择方法下的系统端到端中断概率O_P与信源发射功率P_led的仿真图。从图中可以看出，随着信源发射功率P_led的增加，3种中继选择方法下的系统中断概率都会随之下降，且都趋近于圆内无中继的概率，这是因为P_led的增加会导致第一跳的中继节点解码距离阈值r_th和第二跳中继节点R_b的发射功率P_b的增加，从而分别导致第一跳和第二跳信号传输的中断概率和的降低，且趋近于圆内无中继的概率，而趋近于0。同时可以观察到3种中继选择方法中，选最近的中继节点作为中继节点R_b时，无论P_led是多少，系统端到端的中断性能是最好的，在低P_led区域，在r_th内随机选比在r₀内随机选时要好，当P_led增大到某一个临界值后，在r_th内随机选和在r₀内随机选时的中断性能是一样的，这是由于无论是在r_th内随机选，还是r₀内随机选时的中继节点都不一定是最近中继。因此，选最近中继时的第一跳中断概率是最小的，而对没有影响，而P_led的增加会导致r_th的增加，当P_led增加到某一临界值时，r_th和r₀的值是一样的，因此在临界值之后，两种情况的中断性能是一样的。

在一实施例中，在通信开始初期，也即第一个时隙开始前或第一个时隙期间，先根据约束条件和中断概率设定信源电信号的初始峰值振幅和初始直流偏置。

具体的，根据光信号的约束条件得到峰值振幅A和直流偏置B的可行域： 且在此前提下，以上文表示的端到端的中断概率O_P达到最低时的峰值振幅A和直流偏置B作为信源电信号的初始峰值振幅和初始直流偏置。

在通信期间，降低通信中断的概率，能在一定程度上提高系统的能量效率越低，能量效率与中断概率之间的关系可表示为在本实施例中，通过概率论的推算，在通信初期先合理配置信号x_s(t)的峰值振幅A和直流偏置B，使两跳之间的信息流和能量流达到平衡，端到端的通信中断概率达到最小，从而提高通信系统的能量效率。

本发明还涉及一种混合可见光/射频的多中继通信控制装置，其包括：

选择单元，用于在多个中继中选择一个中继接收信源发射的可见光信号；

中继控制单元，用于在当前时隙内的第一阶段内，控制所选择的中继对光信号进行解码并获取解码结果，当中继解码失败时，等待下一时隙以增大下一时隙信源电信号的峰值振幅并触发选择单元，当中继解码成功时，在当前时隙内的第二阶段控制中继将解码后的信息通过射频信号转发给信宿；

信宿通信单元，用于获取信宿的解码结果，当信宿解码失败时，等待下一时隙以增大下一时隙信源电信号的直流偏置并触发选择单元，当信宿解码成功时，维持信源当前电信号并在下一时隙触发选择单元。

本发明还涉及一种多中继通信系统，如图1所示，其包括：

信源S用于将电信号转换为可见光信号；

多个中继R_i，位于光信号的辐射区域内，用于接收光信号并进行解码后发射给信宿，并将中继解码结果发送给控制装置；

信宿D，用于接收所述中继发射的射频信号并进行解码，并将信宿解码结果反馈给控制装置；

控制装置(图1中未示出)，所述控制装置为上文介绍的控制装置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，通过设置多个中继，在每个时隙内均可根据实际情况和需求选择不同的中继。因为变换中继后，中继节点的位置发生改变，有可能造成通信的中断，因此，本方案适配有相应的反馈调节功能，在每个时隙选择好中继后，判断信源至信宿之间是否能正常解码通信，当不能正常解码通信时，则反馈调节信源电信号，并且将信源和信宿之间的通信分为信源至中继的第一链路通信和中继至信宿的第二链路通信进行分析，当第一链路通信中断时，调节信源电信号的峰值振幅，当第二链路通信中断时，调节信源电信号的直流偏置直至解码成功。在本申请中，通过设置多个中继并结合合适的反馈调节来解决更换中继后导致的通信中断问题，可以有效地解决目前单中继模式下的通信易中断问题，大大提高了系统通信的灵活性和可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。