本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统和方法。
背景技术：
随着物联网技术的发展，无线通信网络实现了万物互联。传统的无线接入主要通过射频(radiofrequency，rf)技术实现，射频通信能够在一定程度上扩大通信覆盖范围、提高系统通信可靠性，但由于射频通信频带资源紧张问题，对物联网可持续发展带来了挑战。目前针对现有无线射频通信技术可能的补充技术为可见光通信(visiblelightcommunications，vlc)，其充分利用发光二极管(lightemittingdiode，led)的优势，不仅能够充分利用大量潜在可用频谱，同时无需频谱许可。另外，利用可见光搭建临时网络与通信链路，可降低网络使用及维护成本。但可见光通信传输媒质为光，易受物体阻挡，故其传输被限制在用户视距范围内。
另一方面，绝大多数的物联网设备主要通过电池供能，电池的充电及替换使得通信成本增加。为解决电池供能带来的限制，传统射频通信中采用无线携能通信(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer,swipt)技术，而针对可见光通信系统，可利用能量收集技术实现光信息和能量同时传输(simultaneouslightwaveinformationandpowertransfer,slipt)。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统和方法，其目的在于缓解传统射频通信频带资源紧张的问题，有效扩大vlc通信覆盖范围，同时在能量受限的物联网设备上实现高效通信。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统，包括：
信源，为led光源，用于发射调制电信号x(t)对应的光信号xs(t)，设所述led光源的光通信覆盖范围为圆锥区域，所述圆锥区域对应的底部圆的圆心为o，半径为r，所述led光源距离所述圆心o高度为l1；
离网中继节点，为可移动离网节点，部署在所述信源通信范围内的任意位置且工作于vlc和rf模式，所述离网中继节点与所述信源之间的通信为视距无线传输，所述离网中继节点与所述信源间距离为d1；
信宿，部署在所述信源的通信范围外，所述信宿与所述信源间无直接通信链路，且所述信宿与所述离网中继节点距离为d2；
其中，所述信源与所述离网中继节点之间传输vlc信号，通过slipt技术实现光信息与能量同时传输；所述离网中继节点与所述信宿之间传输rf信号。
在其中一个实施例中，所述信源发射的光信号为xs(t)＝pled(x(t)+b)；
其中，x(t)∈[-a,a]为调制电信号，所述调制电信号的均值e[x(t)]为0，pled为所述信源发出的led功率；为保证x(t)为非负值，在x(t)上增加直流偏置b，使得(x(t)+b)≥0。
在其中一个实施例中，所述信源对应的平均功率pa和峰值功率pmax满足两个约束条件：
在其中一个实施例中，当所述信源对应的pa和pmax满足所述两个约束条件时，所述信源与所述离网中继节点之间链路信道容量c1为：
其中，ρ为所述离网中继节点中光电探测器的响应度，γ1中为第一跳信道增益；e为自然对数的底数；
在其中一个实施例中，在所述信源通信范围内，所述离网中继节点是随机移动的，故其离圆心o越近，即当r1越小，信道容量c1就越大；通过令c1＝rt得到所述离网中继节点成功解码x(t)的距离门限值r1,th；
其中，rt为x(t)的预定义目标速率，当0≤r1≤r1,th时，所述离网中继节点成功解码x(t)；当r1＞r1,th时，所述离网中继节点解码失败。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于slipt的混合vlc/rf协作通信方法，包括：
s1：在一个时隙t内，第一跳中信源将调制电信号x(t)转化为光信号xs(t)，并将所述光信号xs(t)传输给离网中继节点；
s2：将所述离网中继节点处的光电探测器接收到的光信号xs(t)转化为电信号yr(t)并输出，且通过信号成分分离策略，将所述光电探测器输出的电信号yr(t)中直流分量和交流分量分离；
其中，所述直流分量ydc用于所述中继节点处的能量收集，并将收集到的全部能量记为er，所述交流分量yac(t)用于所述中继节点处的信息解码，以实现光信息与能量同时传输；
s3：利用所述中继节点尝试解码接收到的信息信号，若解码成功，则以功率pr转发解码成功的信号x(t)给信宿，并执行步骤s4，所述功率pr为中继节点处所收集到的全部能量，即pr＝er；否则，第一跳所述信源与所述离网中继间的通信链路中断，中断概率为
s4：第二跳中信宿尝试对接收信号进行解码，若解码成功，则该时隙下成功传输信号；否则，第二跳所述离网中继节点与所述信宿间的通信链路中断，中断概率为
在其中一个实施例中，信号传输的一个时隙t内，分为两跳，第一跳为所述信源与所述离网中继节点间的通信，第二跳为所述离网中继节点与所述信宿间的通信，并设置通信时间分配系数α，其中0＜α＜1，第一跳和第二跳所占时隙分别为α，1-α。
在其中一个实施例中，端到端中断概率op为第一跳所述信源与所述离网中继节点间的通信链路对应的中断概率
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出了一种两跳的混合vlc/rf协作通信系统，结合了vlc技术和rf技术的优势，能够缓解传统射频通信频谱资源紧张问题，且能够有效扩大vlc通信覆盖范围。
(2)本发明提出了一种基于slipt的混合vlc/rf中继传输通信方法，通过同时传输能量和信息，中继节点可同时接收信号信息并收集能量用以转发信息，实现了系统中能量的自持续性。进一步的，本发明考虑了信源平均功率及峰值功率的约束条件，得出了中继节点与信源之间有效通信距离的阈值，最后进一步分析了系统端到端中断性能，在能量受限的物联网设备上实现了高效通信。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种两跳的混合vlc/rf协作通信系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于slipt的混合vlc/rf中继传输通信方法流程图；
图3为本发明实施例提供的不同预定义目标速率条件下的led功率-门限距离仿真图；
图4为本发明实施例提供的施加不同直流偏置时不同预定义目标速率条件下的led功率-系统端到端中断概率仿真图；
图5为本发明实施例提供的不同led功率条件下的预定义目标速率-系统端到端平均吞吐量仿真图。
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。
如图1所示，一种两跳的混合vlc/rf协作通信系统，所述系统包括：信源s、信宿d和中继节点r；
信源为led光源，由于光束所固有的特性，假设led通信覆盖范围为一圆锥区域，其中，圆锥底部是以o为圆心，半径r＝3m的圆，信源s与圆心o的垂直距离为l1＝2m，另外，图中φ1/2＝60°为led的半角值，
中继节点，为可移动离网节点，包含光电探测器，部署在led通信范围内平面的任意位置且工作于vlc和rf模式，与圆心o距离为r1，同时中继节点处配有光探测器，其中，ψ为信源发射光波的入射角，ψfov为光电探测器的探测范围，led与中继节点间的通信为视距无线传输，两者间距离为d1。
信宿，部署在led通信范围外，信宿与信源间无直接通信链路，与中继节点距离为d2。
信源发射的光信号为xs(t)＝pled(x(t)+b)，其中x(t)∈[-a,a]为调制电信号，其均值e[x(t)]为0，pled为led功率；另外为保证x(t)为非负值，在x(t)上增加直流偏置b，使得(x(t)+b)≥0。同时信源必须满足平均功率pa和峰值功率pmax两个约束条件，如下：
混合vlc/rf系统中，信号传输的一个时隙t内，分为两跳，第一跳信源-中继为vlc信号传输，第二跳中继-信宿为rf信号传输，并设置通信时间分配系数α，其中0＜α＜1，第一跳和第二跳所占时隙分别为α，1-α。并且在第一跳传输中，通过slipt技术实现了光信息与能量同时传输。
第一跳的信道系数为：
其中，n表示朗伯辐射序数，lr表示光电探测器的物理面积，ts(ψ)表示光学滤波器的增益，g(ψ)表示光集中器的增益。
进一步的，满足pa和pmax两个约束条件下第一跳信源-中继链路信道容量c1近似为：
其中，ρ为光电探测器的响应度，γ1中为第一跳信道增益，其值为
进一步的，第一跳中，在led通信范围内，所述离网中继节点是随机移动的，故其离圆心o越近，即r1越小，信道容量c1就越大，反之亦然。所以存在距离门限值r1,th使得中继节点位于该处时恰好能够成功解码x(t)，r1,th通过令c1＝rt得到，其中，rt为x(t)的预定义目标速率；则，当0≤r1≤r1,th时，中继节点可成功解码x(t)；当r1＞r1,th时，中继节点必解码失败。
第二跳的信道系数为
本申请提供一种基于slipt的混合vlc/rf中继传输通信方法，如图2所示，包括如下步骤：
s1：在一个时隙t内，第一跳中，信源将调制电信号x(t)转化为光信号xs(t)，并将其传输给中继节点；
s2：中继节点处的光电探测器接收到光信号xs(t)并转化为电信号yr(t)输出，进一步的，通过信号成分分离策略，将光电探测器输出的电信号直流分量和交流分量分离，其中，直流分量ydc用于中继节点处的能量收集，将收集到的全部能量记为er，交流分量yac(t)用于中继节点处的信息解码，进而实现了光信息与能量同时传输；
光电探测器的输出信号经过信号成分分离策略后表示为：
yr(t)＝yac(t)+ydc+n1(t)，
其中，n1(t)～cn(0，σ12)为第一跳信道的加性高斯白噪声。
中继处所收集到的总能量为：er＝fydcvoc；
其中，f为填充因子取值0.75，
s3：中继节点尝试解码所接收的信息信号，若解码成功，则以功率pr转发解码成功的信号x(t)给信宿，并执行步骤s4，其中功率pr为中继节点处所收集到的全部能量，即pr＝er；否则，系统第一跳信源-中继链路中断；
对于第一跳信源-中继链路而言，中继解码信源信号失败的概率即第一跳中断概率为：
s4：第二跳中，信宿尝试对所接收信号进行解码，若解码成功，则该时隙下成功传输信号；否则，系统第二跳中继-信宿链路中断。
对于第二跳中继-信宿链路而言，信宿接收到的信号为：
其中，n2(t)～cn(0，σ22)为第二跳信道的加性高斯白噪声。
进一步的，若中继节点处解码成功，但信宿解码x(t)失败，则第二跳出现中断，即中继-信宿中断概率为：
其中，r2为第二跳信道可达速率。
进一步的，可得到系统端到端中断概率op，其值为系统两跳的中断概率之和：
进一步的，可得到系统端到端平均吞吐量：tp＝(1-op)rt。
图3为设置预定义目标速率为0.25、0.75、1.25bit/slot/hz条件下的led功率pled-门限距离r1,th仿真图。观察图3可得，当预定义目标速率设置较高时，中继节点需部署在距离圆心o更近的位置，即r1,th更小，才能够满足成功解码信号。与此同时，可观察到，随着pled增加，r1,th相应增加，直至达到光照可覆盖最大范围即r＝3，在此情况下，中继节点可部署范围更大，即使中继节点移动至led通信范围边缘，均可成功解码信号。
图4为施加不同直流偏置时不同预定义目标速率条件下的led功率-系统端到端中断概率仿真图。由图可得，随着预定义目标速率的增加，系统端到端中断概率op同时提高，系统整体通信性能下降。但pled与b值的提高，可以明显改善系统通信性能，降低系统端到端中断概率。进一步可以观察得出，对于预定义目标速率值，在较低的pled范围内，op随着pled的增加而迅速降低，但同时对比而言，在较高的pled范围内，pled对op的改善效果逐渐趋于平缓。原因在于，在较低pled范围时，随着pled的增加，不仅降低了第一跳的中断概率，同时使得中继处所收集的能量增加，故对第二跳通信性能有所改善，此情况下pled增加可显著改善系统整体通信性能。然而，在较高pled范围时，即当pled增加至某一点时，中继节点总能够成功解码信源传输的信息，系统第一跳中断概率为0，此时，系统端到端的中断性能仅取决于第二跳传输，故此时增加pled对系统整体通信性能影响并不如低值时明显。相应的，增加b，将使得中继节点获得更多能量，因此增加b同样可以改善系统端到端通信可靠性。
图5为设置led功率为0.1、0.15、0.2w/a条件下的预定义目标速率rt-系统端到端平均吞吐量tp仿真图。观察可得，增加pled能够明显改善系统通信性能。对于给定pled值，随rt增加，tp先增加后减小。原因在于，在较低的rt范围，tp受到rt值限制，另一方面在较高的rt范围，rt增加将使得系统端到端中断概率增加，此时tp受到增加的端到端中断概率的限制。
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。
1.一种基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统，其特征在于，包括：
信源，为led光源，用于发射调制电信号x(t)对应的光信号xs(t)，设所述led光源的光通信覆盖范围为圆锥区域，所述圆锥区域对应的底部圆的圆心为o，半径为r，所述led光源距离所述圆心o高度为l1；
离网中继节点，为可移动离网节点，部署在所述信源通信范围内的任意位置且工作于vlc和rf模式，所述离网中继节点与所述信源之间的通信为视距无线传输，所述离网中继节点与所述信源间距离为d1；
信宿，部署在所述信源的通信范围外，所述信宿与所述信源间无直接通信链路，且所述信宿与所述离网中继节点距离为d2；
其中，所述信源与所述离网中继节点之间传输vlc信号，通过slipt技术实现光信息与能量同时传输；所述离网中继节点与所述信宿之间传输rf信号。
2.如权利要求1所述的基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统，其特征在于，所述信源发射的光信号为xs(t)＝pled(x(t)+b)；
其中，x(t)∈[-a,a]为调制电信号，所述调制电信号的均值e[x(t)]为0，pled为所述信源发出的led功率；为保证x(t)为非负值，在x(t)上增加直流偏置b，使得(x(t)+b)≥0。
3.如权利要求2所述的基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统，其特征在于，所述信源对应的平均功率pa和峰值功率pmax满足两个约束条件：
4.如权利要求3所述的基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统，其特征在于，当所述信源对应的pa和pmax满足所述两个约束条件时，所述信源与所述离网中继节点之间链路信道容量c1为：
其中，ρ为所述离网中继节点中光电探测器的响应度，γ1中为第一跳信道增益；e为自然对数的底数；
5.如权利要求4所述的基于slipt的混合vlc/rf协作通信系统，其特征在于，在所述信源通信范围内，所述离网中继节点是随机移动的，故其离圆心o越近，即当r1越小，信道容量c1就越大；通过令c1＝rt得到所述离网中继节点成功解码x(t)的距离门限值r1,th，
其中，rt为x(t)的预定义目标速率；当0≤r1≤r1,th时，所述离网中继节点成功解码x(t)；当r1＞r1,th时，所述离网中继节点解码失败。
6.一种基于slipt的混合vlc/rf协作通信方法，其特征在于，包括：
s1：在一个时隙t内，第一跳中信源将调制电信号x(t)转化为光信号xs(t)，并将所述光信号xs(t)传输给离网中继节点；
s2：将所述离网中继节点处的光电探测器接收到的光信号xs(t)转化为电信号yr(t)并输出，且通过信号成分分离策略，将所述光电探测器输出的电信号yr(t)中直流分量和交流分量分离；
其中，所述直流分量ydc用于所述中继节点处的能量收集，并将收集到的全部能量记为er，所述交流分量yac(t)用于所述中继节点处的信息解码，以实现光信息与能量同时传输；
s3：利用所述中继节点尝试解码接收到的信息信号，若解码成功，则以功率pr转发解码成功的信号x(t)给信宿，并执行步骤s4，所述功率pr为中继节点处所收集到的全部能量，即pr＝er；否则，第一跳所述信源与所述离网中继节点间的通信链路中断，中断概率为
s4：第二跳中信宿尝试对接收信号进行解码，若解码成功，则该时隙下成功传输信号；否则，第二跳所述离网中继节点与所述信宿间的通信链路中断，中断概率为
7.如权利要求6所述的基于slipt的混合vlc/rf协作通信方法，其特征在于，信号传输的一个时隙t内，分为两跳，第一跳为所述信源与所述离网中继节点间的通信，第二跳为所述离网中继节点与所述信宿间的通信，并设置通信时间分配系数α(0＜α＜1)，其中，第一跳和第二跳所占时隙分别为α，1-α。
8.如权利要求6所述的基于slipt的混合vlc/rf协作通信方法，其特征在于，端到端中断概率op为第一跳所述信源与所述离网中继节点间的通信链路对应的中断概率
