CN115378498B - 多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统，包括：调度单元，与调度单元连接的多个传输计算模块，以多个传输计算模块为中心的多个可见光通信小区，以及具有不同数据速率需求和数据计算需求的用户；用户端布设有立方体接收机，用于接收可见光通信信号；所述传输计算模块由计算单元和传输单元构成；所述计算单元用于进行边缘计算；所述传输单元用于对计算单元的计算结果进行处理，生成信号后通过LED光源传输给用户；所述调度单元用于根据用户的实时数据、计算需求和位置分布情况，完成实时的任务分配和资源调度。本发明通过灵活调整多用户场景下传输、计算的任务分配、资源调度参数，进而缩短工业物联网场景下的数据下行时延。

Description

多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，尤其涉及一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统。
背景技术
随着工业物联网技术的不断发展，智能制造领域数据传输安全性需求显著提升。可见光通信由于具有物理可控的传输范围以及极高的空间复用率，有利于实现工厂内多终端的安全、高效数据传输，已成为工业物联网中数据传输的良好选择。
工业物联网场景下，数据直接涉及系统响应速度，因此低时延的要求极高。为了提升系统的实时响应能力，工业互联网场景下的5G应用已将边缘计算作为核心技术。而目前可见光通信的相关研究主要集中于提升数据传输效率，并未考虑数据计算、处理带来的时延。
同时，在5G中的低时延传输、计算应用中，鲜少涉及多单元协同服务的相关技术。对于小区分布密集、空间高度复用的可见光通信，小区间的联合设计、联合规划有利于提升对终端实时位置、数据需求变化的实用性，提升数据计算和传输容量潜力。
发明内容
本发明针对目前可见光通信的相关研究主要集中于提升数据传输效率，并未考虑数据计算、处理带来的时延的问题，提出一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统，通过灵活调整多用户场景下传输、计算的任务分配、资源调度参数，进而缩短工业物联网场景下的数据下行时延。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统，包括：调度单元，与调度单元连接的多个传输计算模块，以多个传输计算模块为中心的多个可见光通信小区，以及具有不同数据速率需求和数据计算需求的用户；所述多个可见光通信小区间存在重叠部分；用户端布设有立方体接收机，用于接收可见光通信信号；
所述传输计算模块由计算单元和传输单元构成；所述计算单元用于进行边缘计算；所述传输单元用于对计算单元的计算结果进行处理，生成信号后通过LED光源传输给用户；
所述调度单元用于根据用户的实时数据、计算需求和位置分布情况，完成实时的任务分配和资源调度。
进一步地，当用户在任意两个可见光通信小区重叠区域内，采用立方体接收机对所在两个可见光通信小区传输的可见光通信信号进行同时接收，并通过控制时分多址的时隙分配比例实现传输资源分配。
进一步地，所述调度单元按照如下方式对任务和资源分配进行优化，以降低系统时延：
其中，
式中为第i个传输模块到第j个用户的传输时延因子；/>为第i个计算模块到第j个用户的计算时延因子；αi,j为任务分配因子，即第j个用户分配给第i个计算模块的待处理数据长度占总长度的比例；/>为第i个计算模块分配至第j个用户的计算资源在其总资源占比；/>为第i个传输模块分配至第j个用户的传输资源在其总资源占比；ηj为每比特数据处理所需要的操作数；Rj为待处理的数据产生速率；F为每个计算模块的效率，即单位时间内能够完成的操作数；λj为用户j源数据的计算输出产出比；R为每个传输模块的传输速率；/>α＝[αi,j]。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1)本发明聚焦于工业物联网下对数据的低时延要求，将可见光通信与边缘计算技术联合考虑，有利于优化下行数据的全流程时延；
2)本发明考虑了多可见光通信小区协同传输的情况，进而联合地考虑密集可见光通信小区下多用户的数据传输问题，有利于提升传输、计算资源的利用率，同时提升资源优化的灵活性；
3)本发明提出了任务、资源分配准则，为多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统的低时延工作提供了一种解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统的架构示意图；
图2为本发明实施例一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统的传输计算模块结构示意图；
图3为本发明实施例一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统的立方体接收机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
如图1所示，一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统，包括：调度单元，与调度单元连接的多个传输计算模块，以多个传输计算模块为中心的多个可见光通信小区(每个圆圈代表一个可见光通信小区)，以及具有不同数据速率需求和数据计算需求的用户；所述多个可见光通信小区间存在重叠部分；用户端布设有立方体接收机，用于接收可见光通信信号；
所述传输计算模块由计算单元和传输单元构成，如图2所示；所述计算单元用于进行边缘计算；所述传输单元用于对计算单元的计算结果进行处理，生成信号后通过LED光源传输给用户；所述计算单元具体包括边缘计算模块，所述边缘计算模块具体用于进行边缘计算；所述传输单元具体包括信号生成模块、LED驱动模块及光发射端；所述信号生成模块用于根据边缘计算模块的边缘计算结果生成对应的信号；所述LED驱动模块用于驱动光发射端将信号以LED光源的形式传输给用户；
所述调度单元用于根据用户的实时数据、计算需求和位置分布情况，完成实时的任务分配和资源调度。
进一步地，当用户在任意两个可见光通信小区重叠区域内，采用立方体接收机对所在两个可见光通信小区传输的可见光通信信号进行同时接收，并通过控制时分多址的时隙分配比例实现传输资源分配。
具体地，通过对光发射端布局的控制，可以保证最多有两个可见光通信小区重叠。因此，在用户端采用如图3所示的立方体接收机，两个可见光通信小区同时传输不同信号。当用户处于两个可见光通信小区的重叠区域时，立方体接收机基于其各个面(如图3中的1、2、3、4、5)接收到的信号平均功率，结合其几何特性以及光发射端的朗伯辐射模型，可以估计出传输信道，从而恢复出两个信号源发射出的信号。这样，实现了两个光发射端的协同传输。
在可见光通信小区内有多用户时，每个光发射端传输的信号按照时分多址的方式发送给多用户，通过调整不同用户数据的时隙分配比例，进而实现通信资源的高效配置。
具体地，第i个计算模块到第j个用户的计算时延因子为
其中，Rj为待处理的数据产生速率，αi,j为任务分配因子，即第j个用户分配给第i个计算模块的待处理数据长度占总长度的比例，ηj为每比特数据处理所需要的操作数，为第i个计算模块分配至第j个用户的计算资源在其总资源占比，F为每个计算模块的效率，即单位时间内能够完成的操作数。第i个传输模块到第j个用户的传输时延因子为
其中，λj为用户j源数据的计算输出产出比，为第i个传输模块分配至第j个用户的传输资源在其总资源占比，R为每个传输模块的传输速率。因此有，
此外，为保证数据能够及时的得到传输和计算，应保证
本发明的核心思路是通过优化αi,j、使得系统的最大时延最小化。具体地，首先统计每个用户所在小区对应的发射端编号。若第j个用户不处于第i个小区内，则记Ti,j＝0，且αi,j、/>取值均为0；当第j个用户处于第i个小区内时，则应满足此外，αi,j、/> 记/>α＝[αi,j]。
因此，调度单元按照
对任务分配因子(即αi,j)和资源分配因子(即)进行优化，进而降低系统时延。
综上，
1)本发明聚焦于工业物联网下对数据的低时延要求，将可见光通信与边缘计算技术联合考虑，有利于优化下行数据的全流程时延；
2)本发明考虑了多可见光通信小区协同传输的情况，进而联合地考虑密集可见光通信小区下多用户的数据传输问题，有利于提升传输、计算资源的利用率，同时提升资源优化的灵活性；
3)本发明提出了任务、资源分配准则，为多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统的低时延工作提供了一种解决方案。
以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统，其特征在于，包括：调度单元，与调度单元连接的多个传输计算模块，以多个传输计算模块为中心的多个可见光通信小区，以及具有不同数据速率需求和数据计算需求的用户；所述多个可见光通信小区间存在重叠部分；用户端布设有立方体接收机，用于接收可见光通信信号；
所述传输计算模块由计算单元和传输单元构成；所述计算单元用于进行边缘计算；所述传输单元用于对计算单元的计算结果进行处理，生成信号后通过LED光源传输给用户；
所述调度单元用于根据用户的实时数据、计算需求和位置分布情况，完成实时的任务分配和资源调度；
所述调度单元按照如下方式对任务和资源分配进行优化，以降低系统时延：
其中，
式中为第i个传输模块到第j个用户的传输时延因子；/>为第i个计算模块到第j个用户的计算时延因子；αi,j为任务分配因子，即第j个用户分配给第i个计算模块的待处理数据长度占总长度的比例；/>为第i个计算模块分配至第j个用户的计算资源在其总资源占比；/>为第i个传输模块分配至第j个用户的传输资源在其总资源占比；ηj为每比特数据处理所需要的操作数；Rj为待处理的数据产生速率；F为每个计算模块的效率，即单位时间内能够完成的操作数；λj为用户j源数据的计算输出产出比；R为每个传输模块的传输速率；α＝[αi,j]。
2.根据权利要求1所述的多用户可见光通信低时延传输计算一体化系统，其特征在于，当用户在任意两个可见光通信小区重叠区域内，采用立方体接收机对所在两个可见光通信小区传输的可见光通信信号进行同时接收，并通过控制时分多址的时隙分配比例实现传输资源分配。
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