一种VLC多色异构网络的载波分配与功率控制方法

一种vlc多色异构网络的载波分配与功率控制方法
技术领域
1.本发明属于光无线通信技术领域，涉及一种vlc多色异构网络的载波分配与功率控制方法。


背景技术：

2.可见光通信(visible light communication,vlc)因为有着低功耗、无电磁干扰、无需频谱认证等优势，所以已经受到广泛的关注与研究。vlc利用发光二极管(light emitting diode,led)实现信号传输，现有的商用led可提供各种颜色，包括红、绿、蓝、黄，这些可以构成多色vlc系统，为满足室内照明需求，vlc网络常采用光照范围相互重叠的接入点布局方案，这将导致小区间干扰问题的产生，从而影响系统吞吐量，而多色led可以利用多色频谱进行复用以降低小区间干扰对用户的影响，但是采用多色频谱复用会导致vlc网络的频谱利用率较低。此外，单一vlc网络存在光链路脆弱且易被遮挡，目前用户端发射光信号比较困难等难以实现的缺陷，因此，在vlc网络中引入无线保真(wireless fidelity,wifi)网络能够弥补vlc网络信号传输的缺陷，通过设计有效的干扰管理方法，采用多色的频谱划分和软频谱复用方法，使小区间干扰问题可以在资源分配的过程中得到抑制，以提升vlc/wifi系统的吞吐量。因此，在多色vlc-wifi异构网络中采用有效的资源分配方法，可以解决异构网络之间的小区间干扰问题，实现系统吞吐量的提高。


技术实现要素：

3.本发明的核心在于提供一种vlc多色异构网络的载波分配与功率控制方法，解决小区间干扰问题，提升系统吞吐量。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种vlc多色异构网络的载波分配与功率控制方法包括以下步骤：
6.s1：定义用户集合、vlc用户集合、vlc接入点集合、vlc载波集合、wifi载波集合，定义vlc载波带宽为a、vlc接入点发射功率为d、wifi载波带宽为b、vlc噪声功率谱密度为c、wifi噪声功率谱密度为d，定义vlc接入点发射功率为e、wifi接入点发射功率为f，初始化用户集合为{1,2,
…
,n}、vlc接入点集合为{1,2,
…
,m}、vlc载波集合为{1,2,
…
,k}、wifi载波集合为{1,2,
…
,w}、vlc用户集合为空集；首先，由vlc朗伯辐射模型计算用户到vlc ap(access point,接入点)的vlc信道增益，由瑞利衰落信道模型计算用户到wifi接入点的信道增益，将vlc载波带宽乘以vlc噪声功率谱密度得到vlc噪声功率，将wifi载波带宽乘以wifi噪声功率谱密度得到wifi噪声功率；其次，将vlc接入点发射功率乘以用户到vlc接入点的信道增益得到用户到vlc接入点的接收功率，将wifi接入点发射功率乘以用户到wifi接入点的信道增益得到用户到wifi接入点的接收功率，用户到vlc接入点的接收功率除以vlc噪声功率得到用户到vlc接入点的信噪比，用户到wifi接入点的接收功率除以wifi噪声功率得到用户到wifi接入点的信噪比；计算vlc接入点连接用户的wifi网络等效信噪比值，如果wifi的信道信噪比大于所有vlc用户的等效信噪比，则用户加入到wifi接入点的用户
集合中，否则，选择用户连接到vlc的用户等效信噪比值最大的vlc接入点，将用户加入该vlc接入点的用户集合中；
7.其中，wifi采用802.11体系下工作在2.4ghz频段的瑞利衰落信道传播模型，则wifi ap w到用户u的信道增益计算公式为：
[0008][0009]
上式中，h0表示wifi信道直射传递函数；x
σ
为阴影衰落值，服从零均值的高斯随机分布特性，其标准偏差为10db；l(du)表示wifi接入点到用户u的路径损耗；
[0010]
wifi信道传输用户u的信息的信噪比(signal to noise ratio,snr)计算方法如下：
[0011][0012]
上式中，pw为wifi接入点的发射功率；n
wifi
为wifi的背景噪声功率，一般取值为-86dbm；b
wifi
为的wifi信道带宽；
[0013]
vlc采用朗伯辐射模型计算用户u和vlc接入点i之间的直射视线的信道增益为：
[0014][0015]
上式中，a
pd
表示光接收机的接收面积，m为朗伯辐射系数，为led发射角，ψ为接收机入射角，ψc为接收机的视场角，接收器的光滤波增益和聚光器增益分别为t(ψ)和g(ψ)；
[0016]
vlc接入点i到用户u的信噪比snr的计算公式为：
[0017][0018]
上式中，为单色频谱k的光电转换系数，p
ik
为vlc接入点i使用频谱k的发射功率，n
vlc
为vlc噪声功率谱密度，其取值为1
×
10-21
，b
vlc
为vlc带宽，i为vlc接入点集合；
[0019]
vlc接入点i连接用户u的snr值转换等效wifi网络的等效snr值计算方法为：
[0020][0021]
上式中，гw＝3db和гv＝5.4db分别代表wifi与vlc网络的信道编码损耗因子；
[0022]
s2：根据vlc接入点之间的距离，将相邻的vlc接入点加入同一个集合，统计各vlc接入点集合中的用户数目，依据总用户数目从高到低依次为各vlc接入点集合划分主载波和副载波；
[0023]
s3：计算各vlc接入点的用户vlc接入点的载波偏好值和vlc接入点载波选择用户的用户偏好值，用户选择vlc接入点的载波偏好值最高的vlc接入点的载波，vlc接入点选择用户偏好值最高的用户连接；计算wifi接入点中所有用户的请求速率值之和的总需求速率
值，计算wifi接入点中各用户的请求速率与总需求速率值的比值，依据各wifi用户的这一比值对各wifi接入点中用户进行载波分配；
[0024]
s4：将各用户接入vlc接入点的次高的信噪比值对应的vlc接入点标记为该用户的vlc干扰接入点，对各vlc接入点中的用户，根据用户接入vlc接入点的信噪比值降序排列用户，执行基于载波功率控制的干扰抑制算法，优化各vlc干扰接入点载波的发射功率系数。
[0025]
进一步，所述s2具体方法为：
[0026]
s201：将vlc接入点以阵列的方式均匀分布在室内的天花板上，计算位置相邻vlc接入点的最小距离记为r，设vlc接入点集合m个，m为vlc接入点个数，且各集合为空集，设变量i＝1，设vlc接入点中4个载波的光电转换效率k分别为a、b、c或d，；
[0027]
s202：从任意一个还没有加入vlc接入点集合的vlc接入点开始，记为v0，令变量i＝i+1将该vlc接入点加入集合mi中，依次比较未加入vlc接入点集合的vlc接入点与v0之间的距离是否小于2r，若是，则将该vlc接入点加入集合mi中；
[0028]
s203：判断各vlc接入点是否都已经加入vlc接入点集合中，若不是，则转至s202；否则，转至s204；
[0029]
s204：统计未分配载波的各vlc接入点集合中的用户数目，依据用户数目降序排列未分配载波的vlc接入点集合，依次为未分配载波的vlc接入点集合分配光电转换系数较高的载波k，并将分配给vlc接入点集合的载波作为该集合中所有vlc接入点的主载波，而没有分配给vlc接入点集合的另外3个载波作为为该集合中所有vlc接入点的副载波，主载波和副载波依次构成vlc接入点的载波集合；
[0030]
s205：判断是否还有未分配载波的非空vlc接入点集合？若有，转至s204；
[0031]
进一步，所述s3具体方法为：
[0032]
s301：依据vlc接入点中用户请求速率与采用载波k的信道传输速率的比值，计算用户采用vlc接入k的载波偏好值，用户u向具有最大载波偏好值的vlc接入点i的载波k发出连接申请，用户对vlc接入点的载波k偏好值的计算公式为：
[0033][0034]
上式中，δu为用户u的请求速率，表示用户u采用载波k接入vlc接入点i可达速率，且b
vlc
是vlc接入点使用载波k的带宽，设b
vlc
＝10mhz，是用户u连接vlc接入点i的载波k的snr值；
[0035]
s302：判断vlc接入点载波是否已分配，若是，转步骤s303；否则，则vlc接入点依据用户的信道增益降序排列用户，将vlc接入点的未分配载波k分配给信道增益值最低的用户，转至s301；
[0036]
s303：计算vlc接入点的所有用户的可达速率总和，该值作为vlc接入点选择用户连接的用户偏好值，vlc接入点将载波k分配给用户偏好值最高的用户，
[0037]
其中，vlc接入点选择载波k的用户偏好值的计算方法为：
[0038]
[0039]
上式中，k为vlc接入点内的分配载波数目，k≤4，表示用户采用vlc接入点的载波k的可达速率；
[0040]
s304：判断是否所有用户都被分配载波或者vlc载波集合中载波被分配完，若是，转步骤s305，否则，转步骤s301；
[0041]
s305：依据用户请求速率与wifi接入点用户速率总和的比值，按比值分配载波给wifi接入点中的用户，其计算公式为：
[0042][0043]
其中，δu是用户u的请求速率，|c|是为wifi接入点的可用载波数目，l
wifi
是wifi接入点中用户总的请求速率之和，的计算结果向下取整；
[0044]
进一步，所述s4具体方法为：
[0045]
s401：从vlc用户集合中随机选择一个用户，将去除接入的vlc接入点外的用户接收信噪比值最大的vlc接入点作为该用户的干扰vlc接入点，将干扰vlc接入点内与该用户采用相同载波k的用户作为干扰用户；
[0046]
s402：若用户到干扰vlc接入点的信道增益大于干扰用户到干扰vlc接入点的信道增益，将干扰vlc接入点的载波k的功率控制系数设置为0；否则，将干扰vlc接入点载波k的功率控制系数设置为该用户到干扰vlc接入点的信道增益与干扰用户到干扰vlc接入点的信道增益的比值；
[0047]
s403：计算干扰vlc接入点选择接入该用户时，vlc接入点的单位带宽可达速率总和的减少量δt1；计算干扰vlc接入点不接入该用户时，vlc接入点的单位带宽可达速率的增加量δt2，若δt
2-δt1》0，记录当前vlc接入点载波k的功率系数值，否则，保持干扰vlc接入点的载波k的功率系数为1；
[0048]
其中，δt1和δt2的计算方法为：
[0049][0050]
在上式中，第1项求和表示不对vlc ap i进行功率控制时干扰vlc接入点i单位带宽的可达速率总和，第2项求和表示对vlc ap i进行功率控制后的干扰vlc接入点i单位带宽的可达速率总和，βi就是vlc点i的载波k功率控制系数值，u
i’表示接入干扰vlc接入点i的用户集合，其余参数含义参考s1步骤中的符号解释；
[0051][0052]
在上式中，相减的第1项表示用户u受到vlc ap i'干扰时该用户的单位带宽可达速率，第2项表示用户u不受vlc ap i'干扰时用户的单位带宽可达速率；
[0053]
s404：若所有用户都已经遍历，输出各用户u接入vlc接入点i的载波k的优化功率系数值，结束算法；否则，将已经遍历的用户从vlc集合删除，转至s401。
[0054]
本发明的有益效果在于：本发明提供一种vlc多色异构网络的载波分配与功率控制方法。在用户接入阶段，所有用户接入信噪比最大的vlc或wifi接入点；在主副载波划分阶段，执行基于多色频谱差异化的主载波划分算法将vlc载波划分为主载波或者副载波；在载波分配阶段，vlc接入点通过与用户的双向匹配进行载波分配，wifi接入点采用基于负载需求的载波分配；在功率控制阶段，通过基于载波功率控制的干扰抑制算法对载波的发射功率进行抑制。
[0055]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0056]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图对本发明作详细描述，其中：
[0057]
附图1室内多色vlc-wifi异构网络中下行链路模型示例图；
[0058]
附图2vlc多色异构网络的载波分配与功率控制方法的流程图；
[0059]
附图3基于多色频谱差异化的主载波划分算法流程图；
[0060]
附图4基于载波功率控制的干扰抑制算法流程图；
具体实施方式
[0061]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0062]
其中，图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，图中某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0063]
本发明首先计算用户到vlc接入点的信道增益，计算方法为：
[0064][0065]
在公式(1)中，a表示光接收机的接收面积，朗伯辐射系数m＝-ln2/log2[cos(θ
1/2
)]，θ
1/2
是led的半功率角，du是led和第u个用户之间的直线距离，θu和φu分别是led的发射角和第u个用户的接收角，ψ
fov
是光接收机视场角，ts(φu)是光集中器增益，g(φu)是光滤波器增益；
[0066]
本发明依据计算用户u采用vlc接入点i的载波k连接的信道传输的可达速率，计算方法为：
[0067][0068]
在公式(2)中，b
vlc
是vlc接入点载波k的带宽，b
vlc
＝10mhz，是用户u与vlc接入点i的信噪比，其计算方法为：
[0069][0070]
在公式(3)中，是vlc接入点的发射功率，为采用颜色k的光电转换系数，是用户u与vlc接入点的信道增益，i为vlc接入点集合，n
vlc
是vlc信道噪声功率谱密度，n
vlc
＝1
×
10-21
，δu为用户u的请求速率；
[0071]
本发明将用户请求速率与采用载波k的信道传输速率的比值设定为用户选择vlc接入点的效用函数，依据用户选择vlc接入点的效用函数，可以计算用户采用vlc接入点载波k的载波偏好值，用户选择vlc接入点载波的载波偏好值的计算方法为：
[0072][0073]
本发明将vlc接入点的总信道传输可达速率设定为vlc接入点的效用函数，vlc接入点依据效用函数可以计算vlc接入点将载波k分配给用户的用户偏好值，接入点选择连接用户的用户偏好值的计算方法为：
[0074][0075]
在公式(5)中，k为vlc接入点i内的载波数，k＝4，∑表示可达速率求和；
[0076]
本发明中，依据wifi接入点的用户请求速率和wifi接入点内所有用户速率总和的比值，为wifi接入点的各用户按比例分配载波数目，其计算公式为：
[0077][0078]
在公式(6)中，|c|表示wifi接入点的可用载波数目，l
wifi
表示wifi接入点中用户总请求速率之和，表示对计算结果向下取整数；
[0079]
下面将结合附图，对本发明的实施方式进行详细的描述。
[0080]
附图1是室内多色vlc-wifi异构网络的下行链路模型示例图，vlc接入点以阵列的方式布置在室内屋顶的天花板上，设天花板为平面结构，wifi接入点放置在房间中间。本发明中vlc接入点主要负责下行信号传输，wifi接入点承载用户的上行信号传输以及部分vlc光路中断的下行信号传输。所有的vlc接入点和wifi接入点都连接到同一中央控制器，vlc或wifi接入点通过下行链路向用户传输资源分配信息。
[0081]
附图2是vlc多色异构网络的载波分配与功率控制方法的流程图，下面将对其进行详细说明：
[0082]
步骤1：定义用户集合、vlc用户集合、vlc接入点集合、vlc载波集合、wifi载波集合，定义vlc载波带宽为a、vlc接入点发射功率为d、wifi载波带宽为b、vlc噪声功率谱密度为c、wifi噪声功率谱密度为d，定义vlc接入点发射功率为e、wifi接入点发射功率为f；
[0083]
步骤2：初始化用户集合为{1,2,
…
,n}、vlc接入点集合为{1,2,
…
,m}、vlc载波集合为{1,2,
…
,k}、wifi载波集合为{1,2,
…
,w}、vlc用户集合为空集；
[0084]
步骤3：初始化用户编号u＝1，由公式(1)表示的vlc朗博辐射模型计算该用户到vlc接入点集合中所有vlc接入点的信道增益，由瑞利衰落信道模型计算该用户到wifi接入点的信道增益；vlc载波带宽乘以vlc噪声功率谱密度得到vlc噪声功率，wifi载波带宽乘以wifi噪声功率谱密度得到wifi噪声功率；由信道增益与vlc接入点发射功率的乘积计算该用户到vlc接入点集合中所有vlc接入点的接收功率，由信道增益与wifi接入点发射功率的乘积计算该用户到wifi接入点的接收功率，用户到vlc接入点的接收功率除以vlc噪声功率得到用户到vlc接入点的信噪比，用户到wifi接入点的接收功率除以wifi噪声功率得到用户到wifi接入点的信噪比；计算接入点vlc的用户信噪比的等价wifi网络的等价信噪比；
[0085]
其中，wifi采用802.11体系下工作在2.4ghz频段的瑞利衰落信道传播模型，则wifi接入点w到用户u的信道增益计算公式为：
[0086][0087]
上式中，h0表示wifi信道直射传递函数；x
σ
为阴影衰落值，服从零均值的高斯随机分布特性，其标准偏差为10db；l(du)表示wifi接入点到用户u的路径损耗；
[0088]
vlc接入点i到用户u的信噪比的计算公式为：
[0089][0090]
上式中，为单色频谱k的光电转换系数，p
ik
为vlc接入点i使用频谱k的发射功率，n
vlc
为vlc噪声功率谱密度，其取值为1
×
10-21
，b
vlc
为vlc带宽，i为vlc接入点集合；
[0091]
wifi信道传输用户u的信息的信噪比计算方法为：
[0092][0093]
上式中，pw为wifi接入点的发射功率；n
wifi
为wifi的背景噪声功率，一般取值为-86dbm；b
wifi
为的wifi信道带宽；
[0094]
vlc接入点i连接用户u的snr值转换等效wifi网络的等效snr值计算方法为：
[0095][0096]
上式中，гw＝3db和гv＝5.4db分别代表wifi与vlc网络的信道编码损耗因子；
[0097]
步骤4：如果wifi的信道信噪比大于所有vlc用户的等效信噪比，则用户加入到wifi接入点的用户集合中，否则，选择用户连接到vlc的用户等效信噪比值最大的vlc接入点，将用户加入该vlc接入点的用户集合中；
[0098]
步骤5：判断u是否等于用户总数n，若是，对vlc接入点集合中的接入点，执行基于多色频谱差异化的主载波划分算法，转步骤6；否则，令u＝u+1，转步骤3；
[0099]
步骤6：计算各vlc接入点的用户连接vlc接入点载波的载波偏好值和vlc接入点载波选择用户的用户偏好值，用户选择载波偏好值最高的vlc接入点的载波，vlc接入点选择用户偏好值最高的用户连接；计算wifi接入点中所有用户的请求速率值之和的总需求速率值，计算wifi接入点中各用户的请求速率与总需求速率值的比值，依据各wifi用户的这一比值对各wifi接入点中用户进行载波分配；
[0100]
步骤7：将各用户接入vlc接入点的次高的信噪比值对应的vlc接入点标记为该用户的vlc干扰接入点，对各vlc接入点中的用户，根据用户接入vlc接入点的信噪比值降序排列用户，执行基于载波功率控制的干扰抑制算法，优化各vlc干扰接入点载波的发射功率系数。
[0101]
附图3是基于多色频谱差异化的主载波划分算法流程图，下面将对其进行详细说明：
[0102]
步骤1：将vlc接入点以阵列的方式均匀分布在室内的天花板上，计算位置相邻vlc接入点的最小距离记为r，设vlc接入点集合m个，m为vlc接入点个数，设变量i＝1，设vlc接入点中4个载波的光电转换效率k分别为a、b、c或d；
[0103]
步骤2：初始化m个接入点集合为空集，计算相邻vlc接入点之间的最小距离，记为r；
[0104]
步骤3：从任意一个还没有加入vlc接入点集合的vlc接入点开始，记为v0，令变量i＝i+1将该vlc接入点加入集合mi中，依次比较未加入vlc接入点集合的vlc接入点与v0之间的距离是否小于2r，若是，则将该vlc接入点加入集合mi中；
[0105]
步骤4：判断各vlc接入点是否都已经加入vlc接入点集合中，若不是，则转至步骤3；否则，转至步骤5；
[0106]
步骤5：统计未分配载波的各vlc接入点集合中的用户数目，依据用户数目降序排列未分配载波的vlc接入点集合，依次为未分配载波的vlc接入点集合分配光电转换系数较高的载波k，并将分配给vlc接入点集合的载波作为该集合中所有vlc接入点的主载波，而没有分配给vlc接入点集合的另外3个载波作为为该集合中所有vlc接入点的副载波，主载波和副载波依次构成vlc接入点的载波集合；
[0107]
步骤6：判断是否还有未分配载波的非空vlc接入点集合？若有，转至步骤5；
[0108]
附图4是基于载波功率控制的干扰抑制算法流程图，下面将对其进行详细说明：
[0109]
步骤1：从vlc的用户集合中随机选择一个用户，定义用户到vlc ap的信噪比不为零的vlc ap为用户的候选vlc ap；
[0110]
步骤2：将去除接入vlc接入点外的接收信噪比最大的vlc接入点作为该用户的干扰vlc接入点；在干扰vlc ap的接入用户中，定义采用相同载波的用户为当前用户的干扰用户；
[0111]
步骤3：判断该用户到干扰vlc ap的信道增益是否大于干扰用户到冲突vlc ap的信道增益，若是，干扰vlc ap载波k的功率控制系数设置为0，转步骤4；否则，干扰vlc ap的载波k功率控制系数设置为用户到干扰vlc ap的信道增益与干扰用户到干扰vlc ap的信道增益的比值，以此降低载波的发射功率值，以降低干扰vlc ap对用户的影响，转至步骤4；
[0112]
步骤4：计算干扰vlc接入点选择接入该用户时，vlc接入点的单位带宽可达速率总和的减少量δt1；计算干扰vlc接入点不接入该用户时，vlc接入点的单位带宽可达速率的增加量δt2，若δt
2-δt1》0，记录当前vlc接入点载波k的功率系数值，否则，保持干扰vlc接入点的载波k的功率系数为1；若δt
2-δt1》0，记录当前vlc接入点载波k的功率控制系数，转步骤5；否则，将干扰vlc ap载波的功率控制系数设置为1，转步骤5；
[0113]
其中，δt1和δt2的计算方法为：
[0114][0115]
在上式中，第1项求和表示不对vlc ap i进行功率控制时干扰vlc接入点i单位带宽的可达速率总和，第2项求和表示对vlc ap i进行功率控制后的干扰vlc接入点i单位带宽的可达速率总和，βi就是vlc点i的载波k功率控制系数值，u
i’表示接入干扰vlc接入点i的用户集合，其余参数含义参考s1中的符号解释；
[0116][0117]
在上式中，相减的第1项表示用户u受到vlc ap i'干扰时该用户的单位带宽可达速率，第2项表示用户u不受vlc ap i'干扰时用户的单位带宽可达速率；
[0118]
步骤5：判断所有用户是否已经遍历，若是，基于载波功率控制的干扰抑制算法结束，输出各用户u接入vlc接入点i的载波k的优化功率系数值；否则，将已经遍历的用户从vlc集合删除，转步骤1；
[0119]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。