基于协作传输提高室内VLC-NOMA网络QoE的用户接入和功率分配

本发明属于光无线通信领域，涉及一种基于协作传输提高室内vlc-noma(visiblelight communication-nonorthogonal multiple access，基于非正交多址接入的可见光通信)网络qoe(quality of experience,体验质量)的用户接入和功率分配方法。

背景技术：

1、为应对用户不断增长的高数据速率需求、频谱资源的日益稀缺以及led(lightemitting diode，发光二极管)相关因素的限制对vlc带来的挑战，非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,noma)技术被应用到可见光通信(visible lightcommunication，vlc)中构成vlc-noma(visible light communication-nonorthogonalmultiple access，基于非正交多址接入的可见光通信)网络。而小区边缘的用户设备(userequipment,ue)通常受到noma用户间干扰(inter noma user interference，inui)的影响，也更容易受到小区间干扰(inter cell interference,ici)的影响。因此，在noma多小区网络下行链路中，ici管理对于提高网络的总体速率性能至关重要。

2、在室内vlc-noma多小区网络中，ue与vlc接入点(access point,ap)之间的关联起着至关重要的作用。在传统的用户接入方法中，ue根据最强信道增益或者最强信干噪比(signal to interference plus noise ratio,sinr)接入单个ap，但是这种接入方式会导致一些ap关联较多的ue，而一些ap处于空闲状态，造成严重的负载不均，加剧网络拥塞并浪费网络资源，因此单一的用户接入标准容易导致ue接入非最优ap。此外，由于ap的密集部署，处于多个ap共同覆盖区域内的ue会遭受严重的ici，影响ue的使用体验和网络的传输性能

3、协作多点(coordinated multi-point，comp)传输技术是最先进的干扰管理框架，核心思想是通过多个基站协同工作，优化无线信号传输和干扰管理，从而提高网络覆盖范围、信号质量和网络容量。联合传输(joint transmission，jt)comp支持多个vlc ap同时向ue发送相同的数据信号，从而实现信号的叠加和干扰抵消。

4、此外，现有的关于vlc-noma网络的研究集中在服务质量(quality of serves,qos)指标上，主要以系统吞吐量为优化目标，这不能评估用户的qoe。因此，研究基于协作传输提高室内vlc-noma网络qoe的用户接入和功率分配对提升用户的qoe至关重要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的核心在于提供一种基于协作传输提高室内vlc-noma网络qoe的用户接入和功率分配，本技术在优化室内vlc-noma网络中基于协作传输的功率分配的基础上，还给出了ue和vlc ap间双向选择的用户接入方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于协作传输提高室内vlc-noma网络qoe的用户接入和功率分配，其特征在于：该方法包括以下步骤：

4、s1：输入vlc ap(visible light communication access point，可见光通信接入点)集合m＝{1,2,…,m}，vlc ap的发射功率pvlc和所有vlc ap的总带宽bvlc，用户设备(userequipment,ue)集合n＝{1,2,…,n}和设备请求速率、设ue的qoe阈值mosth，信道增益阈值hth，noma用户组集合k＝{1,2,...,k}，初始化k＝m，设表示接入vlc ap m的第k个noma组用户集合，初始化noma组接入vlc ap的关联矩阵

5、s2：根据ue的qoe阈值和请求速率，计算ue所需最小发射功率，根据vlc ap的功率剩余值满足ue所需功率的情况，将ue分为comp ue和non-comp ue，将non-comp ue优先接入信道增益最强的vlc ap，而comp ue加入集合xc；

6、s3：对于集合xc中的comp ue，计算用户接入vlc ap的qoe评价的效用函数值，compue选择使加入的noma组效用函数值增加且noma组内ue的qoe最大差值满足条件的vlc ap接入，并更新comp ue和vlc ap的接入关联矩阵s的元素值；

7、s4：根据ue与vlc ap的接入关联矩阵s值，依次对各noma用户组执行基于改进教与学优化的功率分配策略，获得noma用户组中各个ue的最优发射功率。

8、进一步，所述s2具体方法为：

9、s201：初始化ue编号，令n＝1；

10、s202：根据朗伯辐射模型，计算ue n和vlc ap的信道增益，将信道增益>hth的vlcap保存为ue n的候选vlc ap集，记为mn；

11、其中，由朗伯辐射模型计算ue n和vlc ap m的信道增益的公式为：

12、

13、上式中，θ1/2是vlc ap(access point,接入点)的半功率角，l是朗伯系数，l＝-ln2/log2[cos(θ1/2)]，a表示pd(photo detector，光电探测器)的接收面积；θm和φm分别表示vlc ap的发射角与接收端pd的入射角，dn,m表示vlc ap m与ue n之间的直线距离，ts(φm)表示接收机的光滤波器增益，g(φm)表示聚光器增益，nw是pd反射系数，ψfov是接收端pd的fov(field of view，视场角)；

14、s203：选择mn中信道增益值最大的vlc ap m，统计vlc ap m的现有各noma用户组的剩余功率，根据noma用户组的剩余功率值，升序排序vlc ap m的noma用户组，表示apm的第k个noma用户组，设k＝1；

15、s204：计算中任意ue n的解码顺序值根据升序排列中ue顺序，使确定ue n在组中的位置；

16、其中，ue n的解码顺序值的计算公式为：

17、

18、上式中，表示ue n接入vlc ap m的noma组k的信道增益，其值由朗伯辐射模型公式(1)计算；in表示的小区间干扰，表示ue n接入vlc ap m的noma组k情况，若接入，则否则，γ为光电转换因子和电光转换因子的乘积；n0表示加性高斯白噪声的功率谱密度；用户组的总带宽，为vlc ap的总带宽，表示vlc ap r的第k个noma用户组的总发射功率，pvlc表示vlc ap的总发射功率；

19、s205：计算中ue n所需的最小发射功率和vlc ap m的的剩余功率

20、其中，和的计算公式分别为：

21、

22、

23、上式中，表示ue n受到noma组内其他ue的干扰；示ue n受到的vlc ap之间其他ue的小区间干扰；mosth为ue n的qoe需求这里的mosth表示用户的qoe需求值，取mosth＝2，和分别为noma组k的ue n的最小需求速率和推荐速率；表示vlc ap m的第k个noma用户组的总发射功率；

24、s206：若将ue n加入转至s208；否则，判断k<k是否成立，若成立，k＝k+1，转至s204，否则，转至s207；

25、s207：若m<m，从mn中删除vlc ap m，转至s203；否则，将ue n加入comp用户集uc，转至s208；

26、s208：若n<n，令n＝n+1，转至s202，否则，转至s301。

27、进一步，所述s3具体方法为：

28、s301：对comp用户集合uc中ue编号，取c＝1；

29、s302：根据步骤s202，确定ue c的候选vlc ap集合mc，初始化ue c已关联vlc ap数目gc＝0，计算集合mc中信道增益最强的vlc ap m的noma用户组的剩余功率，按照剩余功率升序排列noma用户组，取noma用户组编号k＝1；

30、s303：统计中用户数目，若且内无comp ue以及ue c的值最低，计算的效用函数和值，转至s304；否则，转至s307；

31、其中，的效用函数值和的计算公式分别为：

32、

33、

34、上式中，采用被广泛使用的mos(mean opinion score，平均意见得分)值衡量nomak的ue n接入vlc ap m反映ue的qoe需求，其计算方式为：

35、

36、上式中，上式中，rk,n表示noma用户组k的ue n的可达速率，其值根据香农公式计算：snrk,n表示noma用户组k的ue n信号传输的信噪比值；

37、s304：判断且是否成立，若成立，转至s305，否则，转至s307；

38、s305：将ue c加入则从mc中删除vlc ap m，令gc＝gc+1，判断|mc|>0且gc＜g是否成立，g为ue可关联vlc ap数目，若成立，转至s302，否则，转至s308；

39、s307：若k<k，令k＝k+1，转至s303，否则，从mc中删除vlc ap m，判断|mc|>0是否成立，若成立，转至s302，否则，转至s308；

40、s308：若c<|uc|，令c＝c+1，转至s302，否则，输出所有noma组ue和vlc ap的接入关联矩阵转至s4。

41、进一步，所述s4具体方法为：

42、s401：设m个vlc ap的k各noma组ue的功率分配因子矩阵其中，相量表示vlc ap m的第k个noma用户组功率分配给noma组内个ue的功率分配因子，为保证sic解码约束，功率分配因子应满足初始化rl为第l组功率分配因子组的随机数字；设αl表示的第l组候选解，代表教与学优化功率因子分配过程中的第l学习小组接入各vlc ap的功率分配因子值，l∈{1:lpop}，lpop表示的候选解组数，设迭代次数i＝1，计算第l解组的候选功率分配因子向量对应的适应度函数k∈[1:k]，m∈[1:m]；

43、其中，第l组解的适应度函数的计算方式为：

44、

45、上式中，式中，ωz为惩罚因子，本技术取ωz＝10-5，[x]-＝min{0,x}；

46、s402：根据确定第i轮迭代的最优解组l*，并将该解组αl*对应的功率分配因子向量作为第i轮迭代的所有noma组的最优功率分配因子矩阵和适应度函数值其中，即选取前lpop个适应度函数最高的候选功率分配因子向量对应的noma组作为lpop个学习小组的老师，剩余候选功率分配因子对应noma组作为学生，随机分到lpop个教与学noma种群的学习小组中；

47、s403：遍历lpop个学习小组中的每个学生，更新第l个noma组ue的功率分配因子向量为l∈[1:lpop]，令计算该noma组的适应度函数更新值

48、其中，第l个noma组ue的功率分配因子向量更新方式为：

49、

50、上式中，表示第i次迭代中第l学习noma组中ue功率分配因子向量，而表示第l学习小组的功率分配因子平均值，el表示第l学习小组的教师和学生成员集合；和为[0,1]之间的随机数值；表示el中ue的当前最优功率分配矩阵因子向量，初始值为为教学学习因子，表示老师教学所占的比重，为自学学习因子，表示学生自学所占的比重；

51、其中，第l个noma组的适应度函数更新值计算公式为：

52、

53、s404：若则否则，令判断是否成立，若成立，

54、s405：对于每个noma学习小组中适应度函数最低的学生的功率因子数组进行重构，在满足noma组的sic解码条件下对该学生接入第2个，倒数第2个和最后一个vlc ap位置的功率因子随机变异数值，并变异后该学习小组的适应度函数值

55、具体步骤为：由于教与学过程优化算法在一定程度上依赖于初始化学生、即初始化功率分配因子矩阵，算法容易陷入局部最优，为扩大种群的多样性，通过变异操作对种群即候选功率分配因子矩阵进行重新构建，为保留优质学生个体，仅对每个学习小组中适应度函数最低的学生进行重构建，通过随机生成变异点个数和挑选变异位置引入新的功率分配因子以更新功率分配矩阵，本技术对el中适应度函数最低的学生j重新构建功率分配因子的公式为：

56、

57、式(11)中，变异位置为以及新引入的功率分配因子和应满足sic解码的约束条件的数值；随后利用公式(10)计算变异后的该noma学习小组的适应度函数值；

58、s406：随机生成学习小组之间相互学习[0,1]之间的概率值p，遍历每个学习小组，若p≤ε，学习小组l随机选择其他学习小组β互动，计算增量因子向量否则，学习小组l随机选择适应度函数值更大的学习小组β互动，计算更新为：计算更新后的第l个noma组的适应度函数ε为学习模式概率值，在第i轮迭代时，itmax为迭代最大次数，rl为[0,1]之间的随机数值；

59、s407：若和否则，更新和若更新

60、s408：若则计算得到各vlc ap的各noma组发射功率值，算法结束；否则，判断i<itmax是否成立，若成立，令i＝i+1，转至s403，否则，令计算得到各vlc ap的各noma组发射功率值，算法结束，δ表示设置的qoe容差值，一般取δ＝10-5。

61、本发明的有益效果在于：本发明涉及一种基于协作传输提高室内vlc-noma网络qoe的用户接入和功率分配。对于用户接入子问题，充分考虑了用户的qoe需求和网络端的资源，将ue分为comp ue和non-comp ue，并为comp ue接入多个vlc ap，有效降低了ici对其的影响；对于功率分配子问题，通过改进教与学的教学阶段、学习阶段和增加种群变异重构阶段，避免了算法陷入局部最优，从而提升用户的qoe。