一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法

摘要

本发明公开了一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，照明设备向能够接收照明设备的光的用户同时进行可见光的信息和能量传输，用户对可见光能量进行收集并进行信息译码，得到可见光通信过程的数据传输中断概率；计算室内用户从覆盖的多个照明设备中收集到的总可见光功率，判定室内用户向室外进行射频传输的通信方式；室内用户利用点到点射频通信技术将待传信息传输给室外用户；或室内用户利用反向散射技术将待传信息搭载到其所处环境中的射频信号上，再反向散射传输给室外用户；计算得到分别使用传统射频通信和反向散射通信方式的数据传输中断概率，完成通信。本发明缓解了射频频谱资源紧张和射频传输系统之间的干扰问题，提高了传输速率。

权利要求

1.一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、照明设备向能够接收照明设备的光的用户同时进行可见光的信息和能量传输，用户对可见光能量进行收集并进行信息译码，得到可见光通信过程的数据传输中断概率，可见光信号传输部分中断概率 为：其中，Pr(SINRi≥γVth)为用户i的覆盖概率，N0为噪声功率，l为没有添加直流偏置电流时，平均传输光功率与电功率之比，j为各干扰照明设备，BV为照明设备的调制带宽，γVth为信干噪比阈值，ω为特征函数Ω的表示变量；

S2、计算室内用户从覆盖的多个照明设备中收集到的总可见光功率，并以室内用户向室外进行射频传输的发送功率作为阈值功率，将阈值功率与来自照明设备的接收功率相比较，判定室内用户向室外进行射频传输的通信方式，用户i从照明设备l接收到的电功率为：其中， Ci,RF为用户i处接收机的射频功率常数，rli为用户i与照明设备l之间的水平距离，Gt2(φli)和Gr2(ξli)为收发天线增益，用户i接收到的能量为：

其中，ρ(0＜ρ＜1)为用户i的能量收集效率， 为用户i可以从中收集能量的照明设备数，KV＝K1+1；

S3、若室内用户从照明设备中收集到的可见光功率能够用于传统点到点射频传输，则室内用户利用点到点射频通信技术将待传信息传输给室外用户；否则，室内用户利用反向散射技术将待传信息搭载到其所处环境中的射频信号上，再反向散射传输给室外用户；计算得到分别使用传统射频通信和反向散射通信方式的数据传输中断概率，完成通信。

2.根据权利要求1所述的基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，步骤S1中，用户i的接收SINR为：其中， RP为用户i的光电检测器的反应率，即光电转换效率A/W；

分别为服务用户i的照明设备、其他干扰照明设备的可见光传输功率；假设l为没有添加直流偏置电流时，平均传输光功率与电功率之比，即照明设备工作于非线性区导致的非线性失真的程度；BV为照明设备的调制带宽；N0为噪声的功率谱密度A2/HZ，用户i的覆盖概率为：其中，令 Ω＝Y-IVγVth；φΩ(ω)＝E[exp(-jωΩ)]为Ω的特征函数，Im[.]为(.)的虚部；

K1表示干扰照明设备的数目，0≤K1＜∞， j表示各干扰照明设备，j＝1,

2,...,K1；则

其中，

其中，Γ(z,x,y)＝Γu(z,x)-Γu(z,y)为广义不完全伽马函数；

由于用户i与相应照明设备i的PDF为：

其中，0＜ri＜RS。

3.根据权利要求1所述的基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，步骤S2中，用户i接收到能量 的PDF为：相应CDF为：

能量受限概率为：

4.根据权利要求1所述的基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，步骤S3具体为：S301、若用户U1从照明设备中收集到的能量能够进行传统射频通信，则用户U1利用传统射频技术将待传输信号发送给相应室外用户，确定系统整体中断概率；

S302、室内用户利用反向散射技术向室外用户进行信息传输对室内某典型用户的信息传输进行分析；若用户U1从照明设备中收集到的能量不足以向室外用户进行传统射频传输，则将用户U1的待传输信号搭载到室外宏基站传来的射频信号上，利用反向散射技术将信号反射出去。

5.根据权利要求4所述的基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，步骤S301中，假设有Q个用户进行传统射频通信，形成相应集合Φq；则用户U1对应的目标用户UD的接收信号为：则用户UD的接收SINR为：

其中，

则用户UD的覆盖概率为：

其中，

则射频传输情况下的中断概率为：

系统整体中断概率为：

6.根据权利要求4所述的基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，步骤S302中，假设除用户U1外，还有Q个用户同时进行传统射频通信，这Q个用户形成密度为 的ppp集合ΦQ；其余K个用户进行反向散射通信，形成相应密度为 的ppp集合ΦK，ΦQ∪ΦK∪U1＝ΦU，

7.根据权利要求6所述的基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，用户U1对应的目标用户UD的接收信号为：其中，s为室外宏基站发送的信号，PM为宏基站的发射功率，ηab为反向散射设备的反射系数，Ui为其他反向散射的干扰用户，ci为相应干扰信号；

用户UD的接收SINR为：

其中， P1ab和Piab为用户U1和用户Ui(Ui∈ΦI)的反向散射功率，

用户UD的覆盖概率为：

假设已知室内中心点距UD的距离Rd，则室内用户o距UD的距离为 且有：其中，o＝{1,i}，Rd≤rn≤Rd+RM；

宏基站距离室内用户的距离远大于室内用户之间的距离，可视为宏基站到所有室内用户的距离都相等，即 用r2表示 服从参数为μh的指数分布，服从参数为μp的指数分布；

由于

其中，

其中，

中断概率为：

8.根据权利要求1所述的基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，其特征在于，综合步骤S2中的能量受限概率和步骤S3中的传统射频通信和反向散射通信方式下的数据传输中断概率，得到模型中射频传输部分的数据传输中断概率，与可见光通信过程中的数据传输中断概率相结合，得到系统整体的数据传输中断概率并进行相关性能分析。

说明书

一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线供能通信技术领域，具体涉及一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法。

背景技术

[0002] 当今社会对无线数据传输的需求日益增长，但射频频谱资源不足和带宽受限的问题在很大程度上限制了无线数据通信技术的发展。然而可见光波段频谱资源丰富且大多未被使用，并且可见光的高频率也使得其受带宽限制较小，不需要专门配置(直接利用从室内照明设备发出的光中收集到的能量进行数据传输，无需像射频通信一样，需要架设基站和能量信标)、信道容量大且没有电磁辐射。与此同时，由于射频通信和可见光通信所占用的频带不同，不存在相互干扰，可见光通信与射频通信结合的传输方法有着丰富的应用前景，可用有效补充现有射频无线通信系统方式在无线通信网络中的应用。

[0003] 然而，可见光无穿透能力(不能穿透墙壁)，大多用于室内传输，但是可以保证传输的安全性，不被外界窃取，同时可以达到较高的数据传输速率。对可见光能量进行收集，用来数据传输，还可以节能，无需电源供电即可进行信息传输，能源效率高。通过可见光通信与射频通信结合的传输方法，既解决了可见光通信的信号强度随传输距离增大而急剧衰减和没有穿透性导致的只能在室内传输的问题，又缓解了射频频谱资源紧张、射频传输系统之间的相互干扰以及需要架设专门的能量收发设备的问题，还降低了传输错误概率并实现了更高的传输速率。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，运用可见光通信、射频通信以及能量收集技术进行分析，射频通信包括反向散射通信、点到点射频通信；根据可见光通信和射频通信互不干扰的原理，利用可见光通信和射频通信的结合，既解决了可见光通信的信号强度随传输距离增大而急剧衰减和没有穿透性导致的只能在室内传输的问题，又缓解了射频频谱资源紧张和射频传输系统之间的相互干扰问题。

[0005] 本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，包括以下步骤：

[0007] S1、照明设备向能够接收照明设备的光的用户同时进行可见光的信息和能量传输，用户对可见光能量进行收集并进行信息译码，得到可见光通信过程的数据传输中断概率；

[0008] S2、计算室内用户从覆盖的多个照明设备中收集到的总可见光功率，并以室内用户向室外进行射频传输的发送功率作为阈值功率，将阈值功率与来自照明设备的接收功率相比较，判定室内用户向室外进行射频传输的通信方式；

[0009] S3、若室内用户从照明设备中收集到的可见光功率能够用于传统点到点射频传输，则室内用户利用点到点射频通信技术将待传信息传输给室外用户；否则，室内用户利用反向散射技术将待传信息搭载到其所处环境中的射频信号上，再反向散射传输给室外用户；计算得到分别使用传统射频通信和反向散射通信方式的数据传输中断概率，完成通信。

[0010] 具体的，步骤S1中，可见光信号传输部分中断概率 为：

[0011]

[0012] 其中，Pr(SINRi≥γVth)为用户i的覆盖概率，N0为噪声功率，l为没有添加直流偏置电流时，平均传输光功率与电功率之比，j为各干扰照明设备，BV为照明设备的调制带宽，γVth为信干噪比阈值，ω为特征函数Ω的表示变量。

[0013] 进一步的，用户i的接收SINR为：

[0014]

[0015] 其中， RP为用户i的光电检测器的反应率，即光电转换效率A/W； 分别为服务用户i的照明设备、其他干扰照明设备的可见光传输功率；假设l为没有添加直流偏置电流时，平均传输光功率与电功率之比，即照明
设备工作于非线性区导致的非线性失真的程度；BV为照明设备的调制带宽；N0为噪声的功率谱密度A2/HZ，用户i的覆盖概率为：

[0016]

[0017] 其中，令Y＝RP2(1-η)2ZPV2(ri2+H2)(-m-3)，Ω＝Y-IVγVth；φΩ(ω)＝E[exp(-jωΩ)]为Ω的特征函数，Im[.]为(.)的虚部；

[0018]

[0019] K1表示干扰照明设备的数目，0≤K1＜∞， j表示各干扰照明设备，j＝1,2,...,K1；则

[0020]

[0021] 其中， ri＜rj＜RS；

[0022]

[0023] 其中，Γ(z,x,y)＝Γu(z,x)-Γu(z,y)为广义不完全伽马函数；

[0024] 由于用户i与相应照明设备i的PDF为：

[0025]

[0026] 其中，0＜ri＜RS。

[0027] 具体的，步骤S2中，用户i从照明设备l接收到的电功率为：

[0028]

[0029] 其中， Ci,RF为用户i处接收机的射频功率常数，rli为用户i与照明设备l之间的水平距离，Gt2(φli)和Gr2(ξli)为收发天线增益，

[0030] 用户i接收到的能量为：

[0031]

[0032] 其中，ρ(0＜ρ＜1)为用户i的能量收集效率， 为用户i可以从中收集能量的照明设备数，KV＝K1+1。

[0033] 进一步的，用户i接收到能量 的PDF为：

[0034]

[0035] 相应CDF为：

[0036]

[0037] 能量受限概率为：

[0038]

[0039] 具体的，步骤S3具体为：

[0040] S301、若用户U1从照明设备中收集到的能量能够进行传统射频通信，则用户U1利用传统射频技术将待传输信号发送给相应室外用户，确定系统整体中断概率；

[0041] S302、室内用户利用反向散射技术向室外用户进行信息传输对室内某典型用户的信息传输进行分析；若用户U1从照明设备中收集到的能量不足以向室外用户进行传统射频传输，则将用户U1的待传输信号搭载到室外宏基站传来的射频信号上，利用反向散射技术将信号反射出去。

[0042] 进一步的，步骤S301中，假设有Q个用户进行传统射频通信，形成相应集合Φq；则用户U1对应的目标用户UD的接收信号为：

[0043]

[0044] 则用户UD的接收SINR为：

[0045]

[0046] 其中，

[0047] 则用户UD的覆盖概率为：

[0048]

[0049] 其中，

[0050]

[0051] 则射频传输情况下的中断概率为：

[0052]

[0053] 系统整体中断概率为：

[0054]

[0055] 进一步的，步骤S302中，假设除用户U1外，还有Q个用户同时进行传统射频通信，这Q个用户形成密度为 的ppp集合ΦQ；其余K个用户进行反向散射通信，形成相应密度为 的ppp集合ΦK，ΦQ∪ΦK∪U1＝ΦU，

[0056] 更进一步的，用户U1对应的目标用户UD的接收信号为：

[0057]

[0058] 其中，s为室外宏基站发送的信号，PM为宏基站的发射功率，ηab为反向散射设备的反射系数，Ui为其他反向散射的干扰用户，ci为相应干扰信号。

[0059] 用户UD的接收SINR为：

[0060]

[0061] 其中， P1ab和Piab为用户U1和用户Ui(Ui∈Φk)的反向散射功率，

[0062] 用户UD的覆盖概率为：

[0063]

[0064] 假设已知室内中心点距UD的距离Rd，则室内用户o距UD的距离为 且有：

[0065]

[0066] 其中，o＝{1,i}，Rd≤rn≤Rd+RM；

[0067] 宏基站距离室内用户的距离远大于室内用户之间的距离，可视为宏基站到所有室内用户的距离都相等，即 用r2表示 服从参数为μh的指数分布， 服从参数为μp的指数分布；

[0068]

[0069] 由于

[0070]

[0071] 其中，

[0072]

[0073] 其中，

[0074]

[0075] 中断概率为：

[0076]

[0077] 具体的，综合步骤S2中的能量受限概率和步骤S3中的传统射频通信和反向散射通信方式下的数据传输中断概率，得到模型中射频传输部分的数据传输中断概率，与可见光通信过程中的数据传输中断概率相结合，得到系统整体的数据传输中断概率并进行相关性能分析。

[0078] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0079] 本发明一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，根据可见光通信和射频通信互不干扰的原理，利用可见光通信在室内进行信息与能量的同时传输，可以节约频带，解决如今射频频带紧缺的问题。因为照明设备是根据人们的照明要求而配备的，不需要专门为了可见光通信而去架设；而射频通信需要专门架设发送能量的设备或者发射信息的基站，消耗大量资金。同时，在室内进行可见光的信能同传，还可以保证信息的安全性。由于可见光不能穿透墙壁，只有房间内的用户可以接收到，不被外部窃听。

[0080] 进一步的，室内用户可以从照明设备内收集能量，用于向室外传输信息，因此可以分为能量收集足够和能量收集不足两种情况来讨论。若能量收集足够，则室内用户可以利用传统射频传输技术向室外用户传输信息；若能量收集不足，则室内用户可以将待传信号搭载到环境中的射频信号上，可以节约能量，同时实现自身传输。

[0081] 进一步的，考虑到照明设备发出的光的强度随传输距离的增加而急剧衰减，因此为了保证能量收集和可见光信息接收的准确性，我将照明设备的辐射范围视为小于室内半径的有限值。同时为了模型的普适性，我将照明设备和室内用户的模拟为随机ppp分布，同时也方便进行后续拉式反变换来对系统进行求解。

[0082] 进一步的，同时考虑到室内用户能量收集是否充足的两种情况，展开相应分析。由于在室外传输只能使用射频传输，因此，为了节约射频资源频谱，可以将信号搭载到环境中的射频信号中，向室外传输；同时，为了解决有些室内用户能量收集不足，无法实现向室外传输信息的过程，也可以借助上述方法实现，使系统更加全面完整。

[0083] 进一步的，在利用传统射频传输方法进行通信时，可以先求出室外目标用户的接收信息，其中包含有用信息、噪声和干扰。因此针对室外用户对信息译码的过程，可以对信干噪比的CDF求解，进而得到信干噪比小于给定阈值的概率，用来判断室外用户能否正常接收信息并进行正确译码。在计算过程中，可以运用随机几何的计算方法，根据拉普拉斯变换的求解方法，对各类变量求平均，最终得到所需要求的中断概率，方便之后进行分析和整理。

[0084] 进一步的，当用户收集到的能量不足以进行传统射频传输时，考虑使用反向散射传输。具体实现方法与传统射频传输类似，根据信干噪比的阈值得到系统本部分的中断概率。由于室内用户与室外用户之间的距离未知，而室外用户距离室内中心位置用户的距离已知，因此可以利用arccos函数来进一步表示，以方便后续求解。

[0085] 进一步的，利用可见光和射频通信的结合，实现频谱资源的节约和信息的高速性和安全性。而提出的能量收集方法，又为系统实现节约了资金和配置设备的人力，同时还可以对生活中的光进行充分利用。而传统射频传输和反向散射技术的应用与实现，更为系统增加了新的亮点。

[0086] 综上所述，本发明根据可见光通信和射频通信互不干扰的原理，利用可见光通信和射频通信的结合，既解决了可见光通信的信号强度随传输距离增大而急剧衰减和没有穿透性导致的只能在室内传输的问题，又缓解了射频频谱资源紧张和射频传输系统之间的相互干扰问题，还降低了传输错误概率并实现了更高的传输速率。

[0087] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0088] 图1为本发明的系统模型；

[0089] 图2为能量相关收发功率阈值和系统中断概率关系图；

[0090] 图3为照明设备分布密度和系统中断概率的关系图。

具体实施方式

[0091] 符号定义如下：RM为房间半径大小，RS为照明设备覆盖范围的半径大小，H为室内天花板高度， 为室外宏基站到室内用户之间的距离， 为室内用户到室外目标用户之间的距离，λu为室内用户的分布密度，λv为室内照明设备的分布密度，PM为室外宏基站的发送功率，PU为室内用户向室外目标用户传输信息的发射功率，能量转换效率ρ和η均取0.5，路径损耗系数α取3，噪声功率α取1e-10，信干噪比门限取为1e-2。

[0092] 本发明提供了一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，采用照明设备向其覆盖的用户进行可见光的信能同传，用户对可见光能量进行收集并进行信息译码；同时，用户利用收集到的能量将自身待传信息传输到室外；若用户收集到的光能量足够用于进行传统的点到点射频传输，则用户利用点到点射频通信技术将待传信息传输给室外用户；否则，用户利用反向散射技术将待传信息搭载到环境中的射频信号上，再反向射频传输给室外用户。

[0093] 本发明一种基于可见光能量收集及射频反向散射的混合通信方法，照明设备向其覆盖的用户进行可见光的信能同传，用户对可见光能量进行收集并进行信息译码。若用户收集到的光能量足够用于进行传统射频传输，则用户利用传统射频通信技术将待传信息传输给室外用户；否则，用户利用反向散射技术将待传信息搭载到室外宏基站传来的射频信号上，再反射给室外用户，具体步骤如下：

[0094] S1、照明设备向其覆盖的用户进行可见光的信能同传，照明设备覆盖用户为可以接收到来自照明设备的光的用户，信能同传为信息和能量的同时传输，用户对可见光能量进行收集并进行信息译码，首先求得该可见光通信过程的数据传输中断概率；

[0095] 照明设备i与其服务的用户i间的可见光信道系数：

[0096]

[0097]

[0098] 其中，0≤ξi≤ΨC，mi为朗伯体系数(Lambertian index)，是半强度辐射角θ1/2的函数， 且各mi一般相等；Ap为光电探测器接收光的区域的物理面积；ri为照明设备i与相应用户i之间的水平距离，0≤ri≤RS，H为天花板的高度；φi为照明设备i的辐射角度；ξi为用户i处的入射角；ΨC为用户接收机可视区域的半角，
Ts(ξi)为光滤波器的增益；g(ξi)为光集中器的增益，n为折射率系数，n
∈(0,1)。

[0099] 各照明设备间复用相同频带，因此存在相互干扰。各照明设备的朝向都是竖直向下的，用户的光电检测器的朝向都是竖直向上，故φi＝ξi。用户接收机采用时间切换接收机结构，下行传输时间Tdn中，η部分用于能量收集，1-η部分用于信息接收。

[0100] 由于

[0101]

[0102] 其中，0≤ri≤RS；

[0103] 故可见光信道系数可简化为：

[0104]

[0105] 其中，0≤ξi≤ΨC；

[0106] 则用户i的接收SINR为：

[0107]

[0108] 其中， RP为用户i的光电检测器的反应率，即光电转换效率A/W； 分别为服务用户i的照明设备、其他干扰照明设备的可见光传输功率，假设l为没有添加直流偏置电流时，平均传输光功率与电功率之比，即照明
设备工作于非线性区导致的非线性失真的程度；BV为照明设备的调制带宽；N0为噪声的功率谱密度A2/HZ。

[0109] 用户i的覆盖概率为：

[0110]

[0111] 其中，令Y＝RP2(1-η)2ZPV2(ri2+H2)(-m-3)，Ω＝Y-IVγVth；φΩ(ω)＝E[exp(-jωΩ)]为Ω的特征函数，Im[.]为(.)的虚部；

[0112]

[0113] 用K1表示干扰照明设备的数目，0≤K1＜∞， j表示各干扰照明设备，j＝1,2,...,K1。

[0114] 则

[0115]

[0116] 干扰照明设备不是距用户i最近的照明设备，故ri＜rj＜RS；其中，ri＜rj＜RS；

[0117]

[0118] 其中，Γ(z,x,y)＝Γu(z,x)-Γu(z,y)为广义不完全伽马函数；

[0119] 由于用户i与相应照明设备i的PDF为：

[0120]

[0121] 其中，0＜ri＜RS。

[0122] 可见光信号传输部分中断概率为：

[0123]

[0124] 此处，每个照明设备都有其固定的覆盖范围，各照明设备可以覆盖多个用户，而与各室内用户对应的照明设备即为距该用户水平距离最近的照明设备；由于各室内用户可以接收到来自多个照明设备的光，及来自对应照明设备和干扰照明设备，因此存在可见光干扰问题。

[0125] S2、计算室内用户从覆盖的多个照明设备中收集到的总可见光功率，并以室内用户向室外进行射频传输的发送功率作为阈值功率，将该阈值功率与来自照明设备的接收功率相比较，判定室内用户向室外进行射频传输的通信方式：传统射频通信和反向散射通信；

[0126] 用户i可以接收来自L个照明设备的光，并从中收集能量；其中， 这L个照明设备组成集合 用户接收机表面为光敏材料，可以将光能转化为电能。

[0127] 故用户i从照明设备l接收到的电功率(射频功率)为：

[0128]

[0129] 其中， Ci,RF为用户i处接收机的射频功率常数，rli为用户i与照明设备l之间的水平距离，Gt2(φli)和Gr2(ξli)为收发天线增益，与照明设备l的光辐射角度φli和用户i处入射角ξli有关，

[0130] 为简化分析，假设Ci,RF＝CRF，mli,t＝mli,r＝m，且已知 φli＝ξli。

[0131] 用户接收机采用时间切换接收机结构，可以随时间变化在信息接收与能量收集两个状态之间切换。下行传输时间Tdn中，η部分用于能量收集，1-η部分用于信息接收。

[0132] 则用户i接收到的能量为：

[0133]

[0134] 其中，ρ为用户i的能量收集效率，0＜ρ＜1， 为用户i可以从中收集能量的照明设备数，KV＝K1+1。

[0135] 假设用室内用户的传输功率PU用作能量收集阈值来界定用户收集到的能量是否足够用于向室外用户进行传统射频传输。

[0136] 求得 的拉氏变换为：

[0137]

[0138] 则用户i接收到能量 的PDF为：

[0139]

[0140] 相应CDF为：

[0141]

[0142] 能量受限概率为：

[0143]

[0144] S3、若室内用户从照明设备中收集到的可见光功率足够用于进行传统的点到点射频传输，则用户利用点到点射频通信技术将待传信息传输给室外用户；否则，室内用户利用反向散射技术将待传信息搭载到其所处环境中的射频信号上，射频信号为室外宏基站传来的射频信号，再反向散射传输给室外用户；计算得到分别使用传统射频通信和反向散射通信方式的数据传输中断概率；

[0145] S301、若用户U1从照明设备中收集到的能量足以进行传统射频通信，则用户U1利用传统射频技术将待传输信号发送给相应室外用户。依上述假设，有Q个用户进行传统射频通信，形成相应集合Φq。

[0146] 则用户U1对应的目标用户UD的接收信号为：

[0147]

[0148] 则用户UD的接收SINR为：

[0149]

[0150] 其中，

[0151] 则用户UD的覆盖概率为：

[0152]

[0153] 其中，

[0154]

[0155] 则射频传输情况下的中断概率为：

[0156]

[0157] 系统整体中断概率为：

[0158]

[0159] S302、室内用户利用反向散射技术向室外用户进行信息传输对室内某典型用户的信息传输进行分析，用U1表示该用户；若用户U1从照明设备中收集到的能量不足以向室外用户进行传统射频传输，则将用户U1的待传输信号搭载到室外宏基站传来的射频信号上，利用反向散射技术将信号反射出去。

[0160] 假设除用户U1外，还有Q个用户同时进行传统射频通信，这Q个用户形成密度为的ppp集合ΦQ；其余K个用户进行反向散射通信，形成相应密度为的ppp集合ΦK，ΦQ∪ΦK∪U1＝ΦU，

[0161] 因为反向散射通信需要载波信号有较强的信号功率，因此选取距离该室内场地最近的宏基站来考虑。同时，假设宏基站与考虑的室外用户之间的距离远大于室内用户与相应室外用户之间距离，不考虑宏基站对室外用户的干扰。

[0162] 则用户U1对应的目标用户UD的接收信号为：

[0163]

[0164] 其中，s为室外宏基站发送的信号，PM为宏基站的发射功率，ηab为反向散射设备的反射系数，Ui为其他反向散射的干扰用户，ci为相应干扰信号。

[0165] 故用户UD的接收SINR为：

[0166]

[0167] 其中， P1ab和Piab为用户U1和用户Ui的反向散射功率，Ui∈Φk，

[0168] 则用户UD的覆盖概率为：

[0169]

[0170] 假设已知室内中心点距UD的距离Rd，则室内用户o距UD的距离为 且有：

[0171]

[0172] 其中，o＝{1,i}，Rd≤rn≤Rd+RM；

[0173] 宏基站距离室内用户的距离远大于室内用户之间的距离，因此，可视为宏基站到所有室内用户的距离都相等，即 用r2表示 服从参数为μh的指数分布， 服从参数为μp的指数分布。

[0174]

[0175] 由于

[0176]

[0177] 其中，

[0178]

[0179] 其中，

[0180]

[0181] 则中断概率为：

[0182]

[0183] S4、综合步骤S2中的能量收集相关概率和步骤S3中的传统射频通信和反向散射通信方式下的数据传输中断概率，得到模型中射频传输部分的数据传输中断概率，并与可见光通信过程中的数据传输中断概率相结合，得到系统整体的数据传输中断概率并进行相关性能分析。

[0184] 系统整体中断概率为：

[0185]

[0186] 若第一部分可见光传输中断，中断概率为Pout1，则室内用户没有信息来源，无法向室外进行相应信息传输。若第一部分可见光传输未中断，概率为1-Pout1，则室内用户在室内干扰下正常进行信息接收。室内用户收集到足够能量，概率为 则利用传统射频传输向室外进行信息传输，中断概率为Pout3；若室内用户收集到的能量不够(概率为)，则利用来自室外宏基站的信息，将自身待发送信息搭载到环境信号上，向室外传输，中断概率为Pout2。

[0187] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0188] 请参阅图1，考虑到布线的复杂性、光照需求的不确定性，如有些区域可能不需要照明以及美观性，照明设备的位置无需固定。虽然根据房间形状来看，将照明设备模拟成常规的六边形或正方形网格分布更加合理，但是为方便分析，建模为ppp分布。

[0189] 大型室内场地，如仓库或体育场等为半径为RM的圆，室内天花板上分布有多个照明设备，形成了密度为λV的ppp集合ΦV，而室内地面上，用户形成了密度为λU的ppp集合ΦU。假设每个照明设备有固定覆盖半径RS，可覆盖多个室内用户，但同一时刻每个照明设备只服务距其最近的那个用户，因此同一时刻一个室内用户接收到的总信号数等于其接收区域内的照明设备数。各用户分别配置有可见光能量收集电路和反向散射电路，可实现可见光能量收集和信号的反向散射。

[0190] 可见光通信受噪声和干扰影响很大，周围的照明设备利用可见光发出的信息也可以对其目标用户产生干扰。针对此问题，考虑每个照明设备都只有固定的辐射范围，只有在这个辐射范围内，用户才可以接收到足够的光强，接收到的光信号足够强而且受到来自其他照明设备的干扰较小，进行正常的信息译码工作。

[0191] 由于可见光通信和射频通信分别工作于不同的频段，不会相互干扰，更保证了模型的合理性。点到点射频传输技术和反向散射技术是针对用户从照明设备收集到的光能量是否足够用来直接进行点到点射频传输来考虑的，收集能量足够就进行点到点射频传输，收集能量不够就进行反向散射传输，两种情况不会同时发生，考虑的干扰只需要为反向散射通信的用户互相干扰和点到点射频通信的用户互相干扰两种情况，而两类用户之间不会出现相互干扰。

[0192] 为了增强模型的普适性，考虑把室内照明设备和室内用户均建模成泊松点过程(ppp随机过程)，室内照明设备和室内用户均服从该随机分布。

[0193] 请参阅图2，体现了能量相关收发功率阈值和系统中断概率的关系。能量相关收发功率阈值的取值由-20dB增加到20dB，步长为5dB，方便进行系统中断概率的观察与分析。当能量相关收发功率阈值小于0时，系统中断概率下降比较缓慢，近似看作平稳；而当能量相关收发功率阈值大于0时，系统中断概率下降十分迅速，系统性能提升明显。由此可知，室内用户收集到足够的能量时，可以有更大的发送功率，传输的信号强度也越大，系统中断功率也越低。另一方面，由于室内用户能量收集不足时只能使用反向散射传输，也说明了传统射频传输的性能是优于反向散射传输的；而在射频传输信号密集时，相互间干扰极大，因此，这种情况下可以采用反向散射传输，一方面可以节约频谱资源，另一方面可以增大传输的可靠性。因为射频信号之间相互的干扰对传输影响很大，其可达传输可靠性很大程度上是不如反向散射传输情况的。

[0194] 请参阅图3，体现了照明设备分布密度和系统中断概率的关系。有图易知，随着照明设备分布密度增大，系统中断概率呈现出明显的下降趋势，说明照明设备数目增加会使得室内用户被照明设备覆盖的概率增大，因此实现信息正常接收的概率增大，进而得到更低的系统中断概率，系统传输性能越好；而后期，随着照明设备分布密度增大，系统中断概率略有增加，说明照明设备分布密度已超过最优值，此时照明设备之间的干扰逐渐增大并在室内用户信息接收过程中产生了较大影响。

[0195] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。