1. 引言与概述
本文旨在解决车载可见光通信系统中的一个关键瓶颈：车辆前照灯内发光二极管之间的高空间相关性，这严重限制了通过空分复用实现的数据速率。作者提出了一种新颖的跨学科解决方案，将用于多用户支持的基于信漏噪比的预编码与合成金纳米颗粒的集成相结合。金纳米颗粒利用其手性光学特性，根据入射光的方位角提供差异化的光吸收，从而人为地解相关紧密排列的LED信道。此外，系统必须优化每个LED内红、绿、蓝光源的比例，以在维持白光照明的同时最大化总SLNR，因为金纳米颗粒也会引起波长相关的吸收。由此产生的非凸优化问题通过广义瑞利商和逐次凸逼近法来解决。
2. 核心见解与分析视角
核心见解：本文的精妙之处在于从材料层面破解了一个基本的通信难题。作者没有仅仅调整算法来应对高度相关的VVLC信道（这是一个众所周知的问题），而是引入了使用金纳米颗粒的物理层改造。这不仅仅是另一篇关于MIMO预编码的论文；它展示了如何利用纳米技术来重塑信道特性，为被动光学系统提供了前所未有的控制能力。
逻辑脉络：论证过程极具说服力：1）未来智能交通系统需要VVLC提供高数据速率，2）固有的LED相关性阻碍了空分复用，3）金纳米颗粒可以通过操纵光的偏振/吸收来降低这种相关性，4）需要多用户预编码器来管理干扰，5）金纳米颗粒的滤色效应要求优化RGB比例以保持照明质量。从材料科学到通信理论再到实际优化的流程一气呵成。
优势与不足：主要优势在于创新性的跨领域解决方案。利用纳米材料的手性光学特性进行通信是一个新颖且有前景的方向，让人联想到超材料如何革新射频领域。在广播式车对车场景中，使用SLNR预编码来管理多用户干扰是恰当的。然而，分析忽略了一些重大的实际障碍：将金纳米颗粒集成到商用汽车级LED中的长期稳定性和成本、极端环境条件（高温、振动）对纳米颗粒性能的影响，以及针对高度动态的车载信道进行联合预编码器/RGB优化的实时计算复杂度。完美信道状态信息的假设也是一个经典的简化，在快速移动的车对车场景中可能不成立。
可操作的见解：对于研究人员，本文开辟了一条新途径：“用于智能信道的智能材料”。重点应转向其他具有可调光学特性的纳米材料（例如量子点、石墨烯等二维材料）。对于工业界，建议采用分阶段方法：1）首先，在没有金纳米颗粒的软件定义VVLC原型中实施并现场测试SLNR预编码算法，以建立基准。2）与材料科学家合作，开发坚固、低成本的金纳米颗粒涂层或掺杂LED荧光粉。3）探索混合射频-VLC系统，其中VLC处理高带宽、短距离链路（利用这种解相关技术），而RF提供稳健的远程控制信道，从而构建一个有弹性的车载网络架构。
3. 技术框架
3.1 系统模型
该系统考虑一个多用户VVLC下行链路场景，其中一辆配备$N_t$个LED（例如，在前照灯阵列中）的发射车辆与$K$辆接收车辆通信。第$k$个用户的接收信号为：
$\mathbf{y}_k = \mathbf{H}_k \mathbf{x} + \mathbf{n}_k$
其中$\mathbf{H}_k \in \mathbb{C}^{N_r \times N_t}$是用户$k$的MIMO VLC信道矩阵，$\mathbf{x}$是来自LED阵列的发射信号向量，$\mathbf{n}_k$是以散粒噪声为主的加性噪声。$\mathbf{H}_k$中的高相关性源于前照灯组件内LED之间的极小间距。
3.2 用于解相关的金纳米颗粒
金纳米颗粒表现出手性光学活性——它们与光的相互作用取决于圆偏振和入射角。当与LED集成时，它们充当纳米级滤波器。来自相邻LED的光以略微不同的方位角到达，会经历差异化的吸收和相移。这一过程有效地使每个LED的信道响应更加独特，降低了$\mathbf{H}_k$列之间的相关系数$\rho$。金纳米颗粒的传递函数可以建模为一个应用于发射信号的、复杂的、角度相关的衰减矩阵$\mathbf{\Gamma}(\theta)$。
3.3 基于SLNR的预编码公式
为了同时支持多个用户，本文采用了基于SLNR的预编码。用户$k$的SLNR定义为用户$k$处期望信号功率与对所有其他用户造成的干扰（泄漏）之和加上噪声的比值：
$\text{SLNR}_k = \frac{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H \mathbf{H}_k^H \mathbf{H}_k \mathbf{W}_k)}{\text{Tr}(\mathbf{W}_k^H (\sum_{j \ne k} \mathbf{H}_j^H \mathbf{H}_j + \sigma_n^2 \mathbf{I}) \mathbf{W}_k)}$
其中$\mathbf{W}_k$是用户$k$的预编码矩阵。目标是设计$\{\mathbf{W}_k\}$以最大化所有用户的总SLNR。
4. 优化与算法
4.1 问题建模
核心优化是一个联合问题：寻找预编码矩阵$\{\mathbf{W}_k\}$和RGB光强比例$\mathbf{c} = [c_R, c_G, c_B]^T$（受限于$c_R+c_G+c_B=1$以产生白光），以最大化总SLNR。金纳米颗粒的波长相关吸收使得有效信道$\mathbf{H}_k$成为$\mathbf{c}$的函数，从而引出一个耦合的、非凸的问题：
$\max_{\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}} \sum_{k=1}^K \text{SLNR}_k(\{\mathbf{W}_k\}, \mathbf{c}) \quad \text{s.t.} \quad \mathbf{c} \succeq 0, \quad \mathbf{1}^T\mathbf{c}=1, \quad \text{以及功率约束。}$
4.2 逐次凸逼近法
为了解决这个问题，作者使用了SCA。非凸的总SLNR目标被一系列更简单的凸子问题所逼近。对于固定的$\mathbf{c}$，最优的$\mathbf{W}_k$可以从与SLNR度量相关的广义特征值问题中推导出来。对于固定的$\{\mathbf{W}_k\}$，关于$\mathbf{c}$的问题通过其在当前点的一阶泰勒展开（一个凸函数）来近似，然后迭代优化。这个过程保证了收敛到局部最优解。
5. 实验结果与性能
关键性能指标（仿真）
- 总速率增益：所提出的GNP+SLNR系统相较于传统的VLC预编码（例如迫零预编码）以及没有GNP解相关的情况，显示出显著的改进。
- 相关性降低：集成金纳米颗粒可将LED间信道相关系数降低约40-60%，从而实现更有效的空分复用。
- 保密速率：在存在窃听者的窃听场景中，该系统表现出明显更高的保密速率，因为SLNR预编码器本质上最小化了信号向非目标接收器的泄漏。
5.1 总速率提升
仿真结果表明，与使用固定白光和简单预编码的基线系统相比，预编码器和RGB比例的联合优化可以将总频谱效率提高约2-3倍，尤其是在中高信噪比区域。当用户数$K$接近发射LED数$N_t$时，增益最为显著。
5.2 窃听场景下的保密速率
本文评估了物理层安全性。通过最大化SLNR——它明确惩罚了泄漏到其他用户的信号功率——所提出的方案自然地增强了对被动窃听者的安全性。结果显示合法用户的可达速率与窃听者的信道容量之间存在显著差距，证实了其安全优势。
6. 分析框架与案例示例
评估跨领域VLC解决方案的框架：
- 信道解相关效能：量化应用纳米材料/物理改造前后空间相关性的降低（例如，通过$\mathbf{H}^H\mathbf{H}$的特征值分布）。
- 算法-计算权衡：分析收敛速度和计算复杂度（例如，SCA每次迭代的浮点运算次数）与所获得的总速率增益之间的关系。收益是否值得实时处理开销？
- 照明质量约束合规性：验证优化的RGB比例$\mathbf{c}$产生的光是否始终符合汽车标准的可接受显色指数和色温范围。
- 鲁棒性分析：在不完美CSI、车辆移动性（多普勒效应）和不同环境条件（雾、雨）下测试性能。
案例示例（假设）：考虑一个4-LED前照灯阵列与2辆接收车辆通信。在没有金纳米颗粒的情况下，信道矩阵$\mathbf{H}_1$和$\mathbf{H}_2$几乎是秩亏的。基于SCA的联合优化器，结合了金纳米颗粒角度相关衰减的模型，找到了[0.35, 0.45, 0.20]的RGB混合比例及相应的预编码器。此设置将LED间相关性从0.9降低到0.4，使得SLNR预编码器能够有效地创建两个并行数据流，在保持6000K白光的同时使总速率翻倍。
7. 未来应用与研究方向
- 先进纳米材料：研究其他等离子体纳米颗粒（银、铝）或具有更强或可调手性光学响应的量子点，用于动态信道适配。
- 用于优化的机器学习：用训练好的深度神经网络替代迭代式SCA，以实现近乎瞬时的联合预编码器和RGB比例预测，这对于高移动性场景至关重要。
- 集成感知与通信：利用金纳米颗粒在不同条件下的独特吸收特征，实现同时的环境感知（例如，检测雾密度）和自适应通信。
- 标准化与原型开发：制定“通信级”LED材料的行业标准，并推进硬件原型开发，用于真实世界的车对车和车对基础设施测试。
- 混合LiFi/RF车载网络：将所提出的高带宽VVLC链路用于数据密集型应用（高清地图更新、传感器共享），同时结合6 GHz以下或毫米波RF用于控制和回退，从而创建一个稳健的多模态网络。
8. 参考文献
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