1. 引言

本文研究了一种由角度分集接收器（ADR）增强的非正交多址接入（NOMA）可见光通信（VLC）系统。所解决的主要挑战是传统VLC系统因符号间干扰（ISI）和同信道干扰（CCI）等因素导致高数据速率受限的问题。所提出的系统将NOMA的频谱效率与4分支ADR的干扰抑制和信号捕获能力相结合，旨在最大化室内环境下的用户数据速率。

2. 系统模型

系统模型建立在一个8m × 4m × 3m的空房间内。光信道考虑了墙壁和天花板的反射，这些反射面被建模为反射系数（ρ）为0.8的朗伯反射体。采用光线追踪来模拟光信号的多径传播。

2.1 房间与信道建模

室内信道冲激响应的计算同时考虑了视距（LOS）和漫反射（反射）分量。反射表面被划分为面积为dA的小单元。对于探测器面积为$A_{pd}$、增益为$T_s(\psi)$的接收器，其信道直流增益由下式给出：

$H(0) = \frac{(m+1)A_{pd}}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$，其中 $0 \le \psi \le \Psi_c$

其中，$m$是朗伯阶数，$d$是距离，$\phi$是辐照角，$\psi$是入射角，$\Psi_c$是接收器的视场角（FOV）。

2.2 角度分集接收器（ADR）设计

ADR由四个窄视场角光电探测器组成，每个探测器朝向不同的方向（例如，朝向房间角落或特定接入点）。这种设计允许接收器选择信噪比（SNR）最强的分支或组合信号，从而有效降低环境光、多径色散和同信道干扰的影响。

2.3 NOMA原理与功率分配

NOMA通过在发射端将多个用户的信号在功率域叠加来工作。在接收端，使用连续干扰消除（SIC）来解码信号。功率分配与信道增益成反比：信道条件较好（信号较强）的用户分配较少功率，而条件较差的用户分配更多功率以确保公平性。用户$i$的可达速率为：

$R_i = B \log_2 \left(1 + \frac{P_i |h_i|^2}{\sum_{j>i} P_j |h_i|^2 + \sigma^2}\right)$

其中，$B$是带宽，$P_i$是分配给用户$i$的功率，$h_i$是信道增益，$\sigma^2$是噪声方差。

3. 仿真结果与讨论

将配备ADR的NOMA-VLC系统的性能与使用单个宽视场角接收器的基线系统进行了比较。

3.1 性能对比：ADR vs. 宽视场角接收器

关键发现是，基于ADR的系统比宽视场角接收器系统实现了平均数据速率提升35%。这一增益归因于ADR能够选择性地捕获更强、失真更小的信号，并抑制来自其他发射器或反射的干扰分量。

3.2 数据速率分析与优化

仿真涉及根据用户从ADR分支选择中获得的瞬时信道条件，优化用户间的资源（功率）分配。该优化旨在最大化总数据速率，同时保持用户公平性，遵循作者先前的方法[36]。结果表明，自适应分支选择与NOMA功率分配的结合显著提高了频谱效率。

关键性能指标

与宽视场角接收器基线相比，基于ADR的NOMA-VLC系统实现了平均数据速率增益35%。

4. 结论

本文得出结论，在VLC系统中将角度分集接收器与NOMA相结合，是克服干扰和有限带宽等关键限制因素的高效策略。4分支ADR通过改善信号质量并借助NOMA实现更高效的多用户功率分配，从而显著提升了数据速率。这项工作验证了先进接收器设计与非正交复用相结合在下一代光无线网络中的潜力。

5. 核心分析师见解

核心见解：本文不仅仅关乎边际改进；它是一次战略转向。它正确地指出，对于密集、高容量VLC而言，瓶颈不仅在于发射器（大多数研究聚焦于此，例如µLED或激光二极管），更关键的是接收器在嘈杂、多径环境中区分信号的能力。相对简单的4分支ADR带来的35%增益，有力地证明了这一常被忽视的维度。

逻辑脉络：论证是合理的：1) VLC受干扰（CCI/ISI）影响；2) ADR通过空间滤波减轻干扰；3) 更干净的信号支持更激进的复用（NOMA）；4) NOMA的功率域复用提升了频谱效率。在标准化房间模型（类似于IEEE 802.15.7r1任务组使用的模型）中的仿真提供了可信的验证。

优势与不足：优势在于务实结合了两个成熟概念（分集接收和NOMA），获得了清晰、可量化的增益。方法论是稳健的。然而，不足在于ADR模型的简单性。现实中的ADR面临分支相关性、硬件复杂度增加以及需要快速、低功耗的分支选择算法等挑战——这些问题仅被略微提及。与使用成像接收器的自适应光学或基于MIMO的VLC等前沿研究（如MIT媒体实验室或UC Berkeley BWRC的工作）相比，这种方法更易于立即部署，但可能具有较低的理论容量上限。

可操作的见解：对于行业从业者，本文是投资接收端创新的绿灯。Li-Fi或工业VLC系统的产品经理应优先考虑集成多单元接收器。对于研究人员，下一步方向明确：1) 研究机器学习用于动态、最优的ADR分支选择和NOMA用户配对。2) 探索与波分复用（WDM）结合以实现倍增增益。3) 对移动用户进行实际测试以验证动态性能。在未来VLC标准中忽视接收器分集将是一个重大疏忽。

6. 技术细节与数学公式

核心技术贡献在于ADR分支选择与NOMA功率分配的联合优化。用户$i$在ADR第$k$个分支接收到的信号为：

$y_{i,k} = h_{i,k} \sum_{u=1}^{U} \sqrt{P_u} x_u + n_{i,k}$

其中，$h_{i,k}$是从发射器到用户$i$第$k$个分支的信道增益，$P_u$是分配给用户$u$的信号$x_u$的功率，$n_{i,k}$是加性高斯白噪声。接收器为每个用户或解码步骤选择能最大化有效SNR的分支$k^*$。信道增益为$|h_i|^2$的用户处的SIC过程按信道增益递增的顺序解码信号。功率分配系数$\alpha_i$（其中$\sum \alpha_i = 1$，且若$|h_i|^2 > |h_j|^2$则$\alpha_i < \alpha_j$）在总功率约束$P_T$下被优化以最大化总速率$\sum R_i$。

7. 实验结果与图表说明

虽然本文基于仿真，但所描述的结果可以通过关键图表进行可视化：

  • 图表1：总速率 vs. 发射功率： 该图表将显示两条曲线，一条用于ADR-NOMA系统，另一条用于宽视场角-NOMA基线。两条曲线都随功率增加而上升，但ADR曲线将显示出更陡的斜率和更高的平台，清晰地说明了在整个功率范围内的35%平均增益。
  • 图表2：用户速率分布： 显示房间内单个用户达到的数据速率的条形图或累积分布函数（CDF）。ADR系统将显示出更紧凑、更高的分布，表明为不同位置（尤其是靠近墙壁或角落，宽视场角接收器受多径影响严重）的用户提供了更一致和改善的服务。
  • 图表3：分支选择频率： 房间地板上的热力图，指示ADR的四个分支各自被选为“最佳”分支的频率。这将直观地展示ADR的自适应特性，不同分支在不同房间区域是最优的。

8. 分析框架：案例研究

场景： 为一个拥有20个工作站的开放式办公室设计VLC网络。

框架应用：

  1. 问题分解： 将链路预算分析分解为：(a) 发射器功率与调制；(b) 信道路径损耗与冲激响应（使用光线追踪）；(c) 接收器灵敏度与视场角。
  2. ADR效益量化： 对于每个工作站位置，使用宽视场角接收器和4分支ADR仿真接收信号强度和延迟扩展。计算ADR通过抑制延迟到达的反射所能提供的潜在SNR改善和ISI减少。
  3. NOMA用户分组： 根据用户的信道增益差异（由于ADR提供了更干净的信道估计，这种差异现在更加显著和可靠）将用户聚类为NOMA对/组。
  4. 系统级仿真： 运行蒙特卡洛仿真，改变用户活动性和数据需求。比较ADR-NOMA系统与采用宽视场角接收器的传统OFDMA-VLC系统的总网络吞吐量和第5百分位用户速率（一种公平性指标）。
该框架允许网络设计者系统地评估部署更复杂ADR硬件相对于所承诺容量增益的成本效益。

9. 未来应用与研究方向

  • 6G Li-Fi回程/下行链路： ADR-NOMA VLC是未来6G网络中高密度下行链路的理想候选方案，可在体育场、机场和工厂等场景中补充射频通信。其抗射频干扰能力是一个关键优势。
  • 超高可靠工业物联网： 在自动化仓库或生产线中，低延迟和高可靠性至关重要，ADR可以为机器对机器通信提供稳健的链路，而NOMA则支持海量传感器连接。
  • 水下光通信： 水下的散射环境类似于严重的多径场景。ADR可以显著提高用于自主水下航行器的蓝/绿激光通信的距离和可靠性。
  • 研究方向：
    • 智能ADR： 使用微机电系统（MEMS）或基于液晶的光束控制技术，实现连续、细粒度的角度调整，而非固定分支。
    • 跨层优化： 联合优化物理层ADR选择与媒体访问控制（MAC）层调度以及NOMA用户聚类。
    • 混合射频/VLC系统： 研究ADR-NOMA VLC如何在异构网络中与毫米波或Sub-6 GHz射频无缝集成，并实现智能流量卸载。

10. 参考文献

  1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. （VLC信道建模权威著作）
  2. L. Yin, 等, "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. （NOMA-VLC开创性论文）
  3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. （基础性综述）
  4. T. Fath, H. Haas, "Performance comparison of MIMO techniques for optical wireless communications in indoor environments," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 2, 2013. （涵盖分集技术）
  5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. （相关标准）
  6. M. O. I. Musa, 等, "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. （作者先前工作，参考文献[36]）
  7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ （VLC商业化行业领导者）
  8. Z. Wang, 等, "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. （特定ADR实现研究）