CN103944636A - 一种分布式组网光通信系统的灯组协同调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种分布式组网光通信系统的灯组协同调度方法，该方法的特点在于首先调度器利用反向红外信道的数据通信，获取来自于各个灯组的接收信号强度信息；其次，调度器利用获得的各灯组接收信号强度信息，计算终端用户相对于各灯组的位移，并利用该位移信息将所有的灯组分为靠近灯组集和远离灯组集；最后，调度器根据用户计算的位移信息对靠近灯组集中的灯组接收信号强度进行修正，并根据所有灯组接收信号强度值决定灯组配置方案，利用灯组协同工作进行下行数据传输。该方法利用计算的用户运动位移信息，解决了室内光通信在灯组边缘区时用户误码率较高的问题，保证灯组为分布式结构的光通信体系下，用户在灯组下移动时的可靠通信。

Description

一种分布式组网光通信系统的灯组协同调度方法

技术领域

本发明属于光通信传输控制领域，具体涉及一种室内分布式组网光通信系统的灯组调度方法，主要针对室内光通信下行数据传输中的灯组协作问题。 

背景技术

室内常用的白光LED(LightEmittingDiode，发光二极管)灯具有诸多优点，比如说功耗低，使用寿命长，绿色环保，响应灵敏度高，因此LED适合进行超高速率的通信，以满足人们在室内通信时对速率的需求。在一个典型的室内照明系统中，为了满足照明的需求会安装多个LED灯组，无线光通信系统就是利用这些灯组在照明的同时进行高速数据传输。为了使用户获得更好的使用体验如连续无缝的高速数据传输，需要设计考虑到用户移动状态的平滑的服务灯组过渡方法，通过合理的系统灯组调度来保证高效的数据传输。 

当建立一个VLC(VisibleLightCommunication，可见光通信)系统时，为了保证通信的连续性，灯组之间通常都是有大量重叠覆盖的。不同于一般基于射频的无线基站或无线接入点的覆盖范围，光通信中的灯组的覆盖面积有限，且当用户移动到灯组边缘时，用户的接收信号强度下降很快，影响用户的正常通信，因此，需要采用合理的调度来解决灯组边缘区的通信问题。 

在分布式灯组下，可以通过合理地选择灯组集合联合发送用户数据信息来解决这个问题，通过相邻灯组的协同工作，来保障边缘区用户的通信质量。传统的调度方法是使用下行信道广播灯组的信息，当用户接收到多个灯组的信息后，再通过上行传输，反馈接收到的灯组信息和信号强度信息给调度器，调度器通过此信息选择合适的灯组集，这种调度方式使得灯组的配置过程需要经过上下行两个过程，影响数据的正常传输，耗费系统开销，同时灯组集选择是依据当前的灯组接收信号强度来进行的，没有考虑到用户的移动情况。其中一种调度方法是以灯组接收信号强度最大化为准则进行灯组的选取，这种方式能快速选择可使用灯组，却不能使用户得到多个灯组的协作，另一种方式是以灯组接收信号强度判决可服务的灯组作为灯组集服务用户，这种方式引入了灯组间的协作，但是没有考虑到用户的运动趋势，从而得到的灯组调度结果有一定的局限性。因此需要提供 一种考虑到用户的运动趋势的灯组集合选择方法，根据用户的运动趋势有针对性地选择合适的灯组协同工作，为用户提供高效的数据传输服务，保证用户在移动过程中数据传输的连续性。 

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种室内分布式组网可见光通信系统的灯组协同调度方法，该方法通过引入用户位移信息对信号强度进行修正，从而解决原先光通信系统在灯组覆盖边缘中用户误码率高的问题，实现用户在灯组覆盖边缘区进行平滑的灯组调用过渡。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：首先利用获取的灯组反向信道接收信号强度值，计算出终端用户相对于各灯组的位移，并利用该位移信息将所有灯组分为靠近灯组集和远离灯组集。在对靠近灯组集中的灯组进行接收信号强度修正后，再根据所有灯组接收信号强度值决定灯组配置方案。该方法解决了室内光通信分布式灯组通信时边缘区用户误码率较高的问题，提高了用户在边缘区的通信质量，该分布式组网下的灯组协同调度方法按以下步骤进行： 

第一步，调度器获得各灯组的反向信道接收信号强度信息； 

第二步，选取一个未进行灯组配置的用户，如果每个灯组的接收信号强度变化都在门限值P_thn之内，则直接使用原灯组配置，并进入第八步，如果存在一个灯组的接收信号强度变化超过门限值P_thn则清空原灯组配置信息； 

门限值P_thn为灯组接收噪声功率的3倍，取值范围为1.5e-5w到2e-5w； 

第三步，找出当前反向信道接收信号强度最大的灯组A，若灯组A的接收信号强度值大于给定阀值P_th，则将灯组配置方案设定为只使用灯组A，进入第八步；否则，若灯组A的接收信号强度值小于等于给定阀值P_th，调度器根据当前的接收信号强度测量结果和前一次灯组配置时的接收信号强度测量结果，通过下式计算出用户在这段判决周期中相对于灯组i移动的位移ΔD_i： 

ΔD_i＝LD_i-ND_i

其中，                                                  表示上一判决时刻用户与第i个灯组的水平距离，且由信道特性可知   LP_i表示上一判决时刻第i个灯组接收信号强度；    表示当前时刻用户与第i个灯组的水平距离，且由信道特性可知    NP_i为当前时刻第i个灯组的接收信号强度；α为反向信道增益系数，取值为0.011272w*m；h为灯组高度； 

给定阀值P_th为当用户距离某灯组正下方水平距离1m时，该灯组接收信号强度的均值，取为4e-4w； 

第四步，在所有灯组中，将位移ΔD_i为正的灯组归为靠近灯组集合LA_t，将位移ΔD_i为负的灯组归为远离灯组集合LA_f； 

第五步，对于靠近灯组集合LA_t集合中的灯组，利用方向信息ΔD_i按如下公式计算出强度修正值Δ_i： 

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔD}}_i}{{\left\{{\mathrm{\ΔD}}_i\right\}}_{\max }}\×(1.5\×P_{\mathrm{hy}})$

其中强度修正值Δ_i为第i个灯组需要进行的强度修正值；{ΔD_i}_max为用户相对于所有灯组的位移的最大值；灯组进行接收信号强度判决时的迟滞门限值P_hy，为从灯组最边缘到向内0.3m处的灯组的接收信号强度变化，取值范围从1.3e-4w到1.4e-4w； 

第六步，对靠近灯组集合LA_t中第i个灯组的接收信号强度P_i按照下式进行修正，得到修正后的接收信号强度值   其中强度修正值Δ_i为第五步中第i个灯组需要进行的强度修正值； 

第七步，判断靠近灯组集合LA_t集合中修正后的接收信号强度值   是否满足    若满足则将对应灯组i记入灯组配置结果集合中； 

同时，判断远离灯组集合LA_f中没有经过修正的灯组接收信号强度P是否满足 P-P_in＞P_hy，将满足条件的灯组记入灯组配置结果集合中； 

其中，P_in为判断用户是否在灯组下的阀值门限，为用户在灯组i最边缘时灯组的接收信号强度均值，取值为1e-4w；P_hy为第五步中的迟滞门限值； 

第八步，生成此用户的灯组配置集合，判断当前是否还有未配置的用户，若有未配置的用户，返回第二步，否则，当前获得的修正前的灯组接收信号强度数据放入数据库中； 

第九步，调度器等待一个调度时间周期T，取值范围为0.4s到1s，返回第一步进入下一次灯组调度流程。 

有益效果： 

(1)本发明通过引入用户位移方向信息，根据位移方向信息预测用户运动状态，考虑户运动状态并对灯组的接收信号强度进行修正，之后再进行协作灯组集合的选取。这种方式提高了灯组选择的可靠度和预见性，在恶劣的运动条件下可以减少20％以上的数据重传。 

(2)本发明可以通过调节调度时间周期T适应不同的用户运动场景，减少重传次数，减小误码率。 

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 

图1给出了光通信场景设计和用户运动示意图。 

图2给出了本发明的算法流程图。 

图3给出了数据传输时采用三种不同灯组选择方法进行灯组协作的次数。 

图4给出了数据传输时采用三种不同灯组选择方法下行的数据重传的次数。 

具体实施方式

本专利发明的技术方法在开源的网络仿真平台NS2(NetworkSimulator，version2，网络仿真器2)上进行了仿真，NS2是一种已被学术界广泛使用的针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台。主要仿真测试了本发明给出 方法的具体实施方法。另外，为了方便算法的比较，下面给出了分布式灯组下另外两种灯组选择方法。具体比较的方法为： 

方法(1)-接收信号强度最大配置方法：以灯组接收信号强度最大化(等价于距离最小)作为判决依据选择合适的灯组； 

方法(2)-接收信号强度满足配置方法：以灯组接收信号强度判决可服务的灯组作为灯组集服务用户； 

方法(3)-本发明方法：基于方向预测并对接收信号强度进行修正后判决可服务的灯组作为灯组集来服务用户，具体步骤与上文中发明内容相同。 

本发明的仿真参数如表1所示。 

本发明利用获取的反向信道接收信号强度值，计算出终端用户相对于各灯组的位移，并利用该位移信息将所有灯组分为靠近灯组集和远离灯组集。在对靠近灯组集中的灯组进行接收信号强度修正后，再根据所有灯组接收信号强度值决定灯组配置方案。该方法解决了室内光通信分布式灯组通信时边缘区用户误码率较高的问题，提高了用户在边缘区的通信质量，该分布式组网下的灯组协同调度方法按以下步骤进行： 

第一步，调度器获得各灯组的反向信道接收信号强度信息； 

第二步，选取一个未进行灯组配置的用户，如果每个灯组的接收信号强度变化都在门限值P_thn之内，则直接使用原灯组配置，并进入第八步，如果存在一个灯组的接收信号强度变化超过门限值P_thn则清空原灯组配置信息； 

门限值P_thn为灯组接收噪声功率的3倍，取值范围为1.5e-5w到2e-5w； 

第三步，找出当前反向信道接收信号强度最大的灯组A，若灯组A的接收信号强度值大于给定阀值P_th，则将灯组配置方案设定为只使用灯组A，进入第八步；否则，若灯组A的接收信号强度值小于等于给定阀值P_th，调度器根据当前的接收信号强度测量结果和前一次灯组配置时的接收信号强度测量结果，通过下式计算出用户在这段判决周期中相对于灯组i移动的位移ΔD_i： 

ΔD_i＝LD_i-ND_i

其中，   表示上一判决时刻用户与第i个灯组的水平距离，且由信道特性可知   LPi表示上一判决时刻第i个灯组接收信号强度；    表示当前时刻用户与第i个灯组的水平距离，且由信道特性可知    NP_i为当前时刻第i个灯组的接收信号强度；α为反向信道增益系数，取值为0.011272w*m；h为灯组高度； 

给定阀值P_th为当用户距离某灯组正下方水平距离1m时，该灯组接收信号强度的均值，取为4e-4w； 

第四步，在所有灯组中，将位移ΔD_i为正的灯组归为靠近灯组集合LA_t，将位移ΔD_i为负的灯组归为远离灯组集合LA_f； 

第五步，对于靠近灯组集合LA_t集合中的灯组，利用方向信息ΔD_i按如下公式计算出强度修正值Δ_i： 

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔD}}_i}{{\left\{{\mathrm{\ΔD}}_i\right\}}_{\max }}\×(1.5\×P_{\mathrm{hy}})$

其中强度修正值Δ_i为第i个灯组需要进行的强度修正值；{ΔD_i}_max为用户相对于所有灯组的位移的最大值；灯组进行接收信号强度判决时的迟滞门限值P_hy，为从灯组最边缘到向内0.3m处的灯组的接收信号强度变化，取值范围从1.3e-4w到1.4e-4w； 

第六步，对靠近灯组集合LA_t中第i个灯组的接收信号强度P_i按照下式进行修正，得到修正后的接收信号强度值   其中强度修正值Δ_i为第五步中第i个灯组需要进行的强度修正值； 

第七步，判断靠近灯组集合LA_t集合中修正后的接收信号强度值是否满足    若满足则将对应灯组i记入灯组配置结果集合中； 

同时，判断远离灯组集合LA_f中没有经过修正的灯组接收信号强度P是否满足 P-P_in＞P_hy，将满足条件的灯组记入灯组配置结果集合中； 

其中，P_in为判断用户是否在灯组下的阀值门限，为用户在灯组i最边缘时灯组的接收信号强度均值，取值为1e-4w；P_hy为第五步中的迟滞门限值； 

第八步，生成此用户的灯组配置集合，判断当前是否还有未配置的用户，若有未配置的用户，返回第二步，否则，当前获得的修正前的灯组接收信号强度数据放入数据库中； 

第九步，调度器等待一个调度时间周期T，取值范围为0.4s到1s，返回第一步进入下一次灯组调度流程。 

表1仿真参数表 

图1给出了光通信场景设计和用户运动示意图。场景中在一个房间内建立了四个灯组用于室内的照明和通信，用户在灯组下按照图示的路线进行移动，即A-B-C-D-A，仿真共进行100次平均。 

图2给出了本发明的算法流程图。利用获取的反向信道接收信号强度值，计算出终端用户相对于各灯组的位移，并利用该位移信息将所有灯组分为靠近灯组集和远离灯组集。在对靠近灯组集中的灯组进行接收信号强度修正后，再根据所有灯组接收信号强度值决定灯组配置方案。 

图3给出了光通信分布式灯组下数据传输时采用三种不同灯组选择方法进行灯组协作的次数。灯组协作次数是指采用多个灯组联合发送数据的灯组配置次数，该值越大，表明用户在运动到边缘区时进行了更多次灯组协作，从而可以获得更好的协作效果。由于接收信号强度最大配置方法只使用一个最强的灯组进行数据传输，并没有获得灯组间的协作；而接收信号强度满足配置方法由于可以获得多个有效灯组的协同传输，因此其协作的次数相对而言较多。本发明方法在选择接收信号强度满足灯组的情况下，利用用户的方向信息进行接收信号强度修正所以可以获得更多的灯组协作次数。 

图4给出了光通信分布式灯组下数据传输时采用三种不同灯组选择方法下行的数据重传的次数。随着系统灯组配置间隔时间的增加，接收信号强度最大配置方法可能会在判决期间落入其他灯组区域，使得重传次数增加，在使用接收信号强度满足配置方法后，用户移动到边缘区可以获得协助，但可能协助不能及时获得从而增加数据重传，而本发明的方法，考虑到用户移动的方向性，使得用户可以在合适的情况下及时得到灯组协作，所以相比于其他两种方案，重传次数较小，可以提供更好的协作效果。 

以上所述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 (1)

1.一种分布式组网光通信系统的灯组协同调度方法，其特征在于利用反向信道的数据通信，每个灯组获取终端用户的接收信号强度，利用接收信号强度信息计算出终端用户相对于各灯组的位移，并利用位移信息将所有灯组分为靠近灯组集LA_t和远离灯组集LA_f,在对靠近灯组集LA_t中每个灯组的接收信号强度进行修正后，再根据所有灯组接收信号强度值决定灯组配置方案，具体步骤如下：第一步，调度器获得各灯组的反向信道接收信号强度信息； 

第二步，选取一个未进行灯组配置的用户，如果每个灯组的接收信号强度变化都在门限值P_thn之内，则直接使用原灯组配置，并进入第八步，如果存在一个灯组的接收信号强度变化超过门限值P_thn则清空原灯组配置信息； 

门限值P_thn为灯组接收噪声功率的3倍，取值范围为1.5e-5w到2e-5w； 

第三步，找出当前反向信道接收信号强度最大的灯组A，若灯组A的接收信号强度值大于给定阀值P_th，则将灯组配置方案设定为只使用灯组A，进入第八步；否则，若灯组A的接收信号强度值小于等于给定阀值P_th，调度器根据当前的接收信号强度测量结果和前一次灯组配置时的接收信号强度测量结果，通过下式计算出用户在这段判决周期中相对于灯组i移动的位移ΔD_i： 

ΔD_i＝LD_i-ND_i

其中， 表示上一判决时刻用户与第i个灯组的水平距离；LPi表示上一判决时刻第i个灯组接收信号强度； 表示当前时刻用户与第i个灯组的水平距离；NP_i为当前时刻第i个灯组的接收信号强度；α为反向信道增益系数，取值为0.011272w*m；h为灯组高度； 

给定阀值P_th为当用户距离某灯组正下方水平距离1m时，该灯组接收信号强度的均值，取为4e-4w； 

第四步，在所有灯组中，将位移ΔD_i为正的灯组归为靠近灯组集合LA_t，将位移ΔD_i为负的灯组归为远离灯组集合LA_f； 

第五步，对于靠近灯组集合LA_t集合中的灯组，利用方向信息ΔD_i按如下公式计算出强度修正值Δ_i： 

其中强度修正值Δ_i为第i个灯组需要进行的强度修正值；{ΔD_i}_max为用户相对于所有灯组的位移的最大值；灯组进行接收信号强度判决时的迟滞门限值P_hy，为从灯组最边缘到向内0.3m处的灯组的接收信号强度变化，取值范围从1.3e-4w到1.4e-4w； 

第六步，对靠近灯组集合LA_t中第i个灯组的接收信号强度P_i按照下式进行修正，得到修正后的接收信号强度值   其中强度修正值Δ_i为第五步中第i个灯组需要进行的强度修正值； 

第七步，判断靠近灯组集合LA_t集合中修正后的接收信号强度值是否满足    若满足则将对应灯组i记入灯组配置结果集合中； 

同时，判断远离灯组集合LA_f中没有经过修正的灯组接收信号强度P是否满足P-P_in＞P_hy，将满足条件的灯组记入灯组配置结果集合中； 

其中，P_in为判断用户是否在灯组下的阀值门限，为用户在灯组i最边缘时灯组的接收信号强度均值，取值为1e-4w；P_hy为第五步中的迟滞门限值； 

第八步，生成此用户的灯组配置集合，判断当前是否还有未配置的用户，若有未配置的用户，返回第二步，否则，当前获得的修正前的灯组接收信号强度数据放入数据库中； 

第九步，调度器等待一个调度时间周期T，取值范围为0.4s到1s，返回第一步进入下一次灯组调度流程。