CN104822171B

CN104822171B - 无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法

Info

Publication number: CN104822171B
Application number: CN201510278323.1A
Authority: CN
Inventors: 王家恒; 陈凌蛟; 梁霄; 赵春明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2018-03-13
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN104822171A

Abstract

本发明公开了一种无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法，包括：系统参数初始化；检测是否存在可优化用户；如存在，则继续，如不存在，跳转至最后步骤；可优化用户向LED最佳潜在接入点发出服务请求；如果LED的最佳潜在接入点服务可优化用户的比其暂时配对者的公平性指标大，则将最佳潜在接入点的暂时配对者更改为该可优化用户，在该可优化用户的暂时配对表中添加该最佳潜在接入点，在其暂时配对者的暂时配对表中删除该最佳潜在接入点，跳转至检测可优化用户步骤；将用户的实际LED配对表置为其暂时配对表，将LED的实际配对者设置为其暂时配对者。本发明具有不依赖于调制方法、计算复杂度小、易于构建分步式实现等优点。

Description

无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法

技术领域

本发明属于无线光通信的技术领域，特别涉及在一种多用户多接入点通信网络中，在单个用户最大可获得LED接入点数受限和匹配稳定性约束下的用户接入点匹配方法。

背景技术

随着社会多样化的发展和人类认知水平的提高，人们对通信技术的要求，已经从过去单一追求速率，转变为高速率、高安全性、高能效比的多指标要求，这也是可见光技术逐渐成为通信领域研究重点的原因之一。无线光通信利用白光LED等可见光器件，通过对光强的调制来实现信息传输，最大的优势是可以在维持照明性能的同时，满足信息传输需求。此外，它还具有高保密性、低功耗、绿色安全等诸多优点。难能可贵的是，相比如今越来越紧缺的射频频谱资源，可见光具有丰富的未利用频谱资源，可以大大弥补射频段无限通信的不足。

目前，国内外的大专院校和科研机构对基于可见光的点对点通信展开了丰富的研究，并取得不少成果，且已经可以实现Gbps级的通信速率。但在多点多用户可见光通信网络中针对用户和LED接入点的的匹配问题，尚缺少有效的研究。本发明在单个用户可获得最大LED接入点数受限和系统稳定性条件约束下，提出了一种用户-接入点配对算法，使得系统的速率得到了最大化。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法，以实现在单个用户可获得最大LED接入点数受限和系统稳定性条件约束下最大化系统通信速率的多用户多接入点配对。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法，包括以下步骤：

(1)系统参数初始化：设置每个用户的暂时配对LED表为空，设置每个LED接入点的暂时配对者为其自身来表示尚未配对；

(2)检测是否存在可优化用户；如存在，继续步骤(3)；如不存在，跳转至步骤(5)；

(3)可优化用户向LED最佳潜在接入点发出服务请求；

(4)如果LED的最佳潜在接入点服务可优化用户的比其暂时配对者的公平性指标大，则将最佳潜在接入点的暂时配对者更改为该可优化用户，在该可优化用户的暂时配对表中添加该最佳潜在接入点，在其暂时配对者的暂时配对表中删除该最佳潜在接入点；

跳转步骤(2)；

(5)将用户的实际LED配对表置为其暂时配对表，将LED的实际配对者设置为其暂时配对者，结束配对。

步骤(2)中，所述可优化用户为：暂时与它配对的LED数目小于其最大可获得LED数，且在其视场(FOV)存在它尚未请求过服务的用户。

步骤(3)中，所述最佳潜在接入点为：在可优化用户的视场(FOV)内它尚未请求过服务的LED中信道质量最好的LED接入点。

步骤(3)中，可优化用户的视场(FOV)内的LED接入点的信道质量由下面的公式计算得到：

其中，i表示可优化用户，k表示LED接入点，p_k表示LED接入点k的发射光功率，h^ki表示从LED接入点k到可优化用户i的信道增益，φ_ki表示LED接入点k到可优化用户i的光源辐射角，ψ_ki表示接入点k到可优化用户i的光源入射角，T_s(·)表示光学滤波器增益函数，g(·)表示光学滤波器和聚光器增益函数，m表示光源辐射指数，S表示用户接收机接收面积，d_ki表示第k个LED接入点到第i个用户接收机的直射距离；p_kh_ki越大，则LED接入点k的信道质量越好。

步骤(4)中，最佳潜在接入点服务用户时的公平性指标由下面的式子计算得到：

其中，l表示服务用户，j表示最佳潜在接入点，FI_j(l)表示服务用户l时的公平性指标，d(l)表示与服务用户l在同一个LED接入点的视场(FOV)内的用户个数，表示服务用户l的平均数据吞吐量。

LED接入点总是倾向于服务至少一个用户，约定所有接入点服务自己时的公平性指标为0。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比，具有如下的优点：

1.本发明的配对方案不依赖于具体的调制方案，具有较为广泛的通用性。注意本发明通过用户对信道质量的分析最大化其信干噪比(SINR)，而无论实际系统采用的是何种调制方案，其数据速率关于SINR总是单调的，因而本发明也就从最大化了其数据速率。

2.本发明考虑了包括公平性和稳定性在内实际系统约束。单个用户所可以获得的最大用户数受限意味着单个用户不能同时占据大量资源，也就保证了多用户系统的公平性。本发明所考虑的稳定性是指不存在一个用户和一个LED接入点，他们可以通过重新匹配来同时提高信道质量和公平性指标。如果存在这样的用户和接入点，则他们倾向于破坏现有的匹配，这意味着当前匹配的鲁棒性较差。本发明所得到的匹配则保证了系统是公平且稳定的。

3.本发明具有很低的时间复杂度。本算法的时间复杂度在最坏情况下仅为用户数的线性函数。因此，本发明可以实时实现系统性能优化。特别注意，在本发明中，用户和LED接入点都只需要知道各自FOV内的少量信息，且用户请求服务的顺序并不影响匹配结果。因此，可以很容易地构造高效的异步分布式实现。在分布式实现中，最坏情况下的时间复杂度仅为常数。

附图说明

图1为本发明的系统模型的示意图。

图2为本发明方法的流程图。

图3为无线光多用户通信系统测试环境说明图。

图4为不同FOV情形下本发明方法和另外2种配对方法的频谱利用性能对比图。

图5为不同FOV情形下本发明方法和另外2种配对方法的通信公平性对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的系统模型如图1所示。为了保证空间中的光功率分布足够均匀，光信号接入点(AP)以均匀分布的方式放置于天花板上，两两之间的距离为d。每个AP为由若干个LED组成的灯。用户位于地面上，与接入点的垂直距离为h。不失一般性，假设共有m个用户u₁,u₂,…,u_m，k个接入点a₁,a₂,…,a_k，并用U和A分别表示用户集和接入点集。为了下文讨论方便，令图G＝(V,E)来表示这一通信网络。V＝U∪A是所有用户和接入点的集合，边e＝(u,a)在边集合E中当且仅当用户u在接入点a的可视范围中。

假设AP里的LED光源为兰伯特模型，则从接入点a_i到接收用户u_j处的光信道增益为

其中，l＝-(log₂(cosψ_1/2))^-1是兰伯特系数，ψ_1/2是LED光源的半辐射角。S是用户的光信号接收器的物理面积。r是用户和光源之间的距离。ψ是辐射角,是入射角，是可视角的一半。和分别表示光滤波器和收集器的增益。由下式给出

这里的RI是光接收器端棱镜的折射角度。

用户目标：对于每个用户而言，数据吞吐量无疑是最重要的指标。用户的数据吞吐量由两个方面构成，一是接收信号的信噪比，二是所采用的调制方式。根据香浓信息量公式，信干噪比(SINR)决定了用户数据吞吐量的上限，而调制方式决定了实际的吞吐量。注意到实际通信系统中可能采用各种各样的调制方式，本发明并不拘泥于某一特别的调制方法。另一方面，不论所采用的调制方式如何，数据的吞吐量总是随着信噪比的增大而增大的。因此，本发明采用一个单调增函数f_j(ξ_j)来表示用户u_j的数据速率，其中ξ_j是其信干噪比。下面的重点是推导ξ_j。

将SINR定义为有用电功率和干扰电功率与信道噪声的和的比值，则推导SINR的关键是确定有用电功率、干扰电功率、和信道噪声。假设AP集合的一个子集A_j中的所有AP为用户u_j服务，它的补集用A_j ^c表示。显然，有用光功率由下式给出：

而干扰光功率则由

给出。这里的p_i是a_i的发射功率。而相应的有用电流和干扰电流则由γ·P(u_j,A_j)和γ·P^c(u_j,A_j)给出。这里的γ是光接收器的敏感度。注意到光功率和光电流的平方成正比，有用光功率和干扰光功率可以分别表示为(γ·P(u_j,A_j))²和(γ·P^c(u_j,A_j))²。

注意到信道噪声N₀B主要由颗粒噪声组成，其功率谱密度为其中的q是电子电荷，I_pcr是接收端的光电流,B是信道带宽。

综上所述，用户u_j的SINR可以表示为

LED接入点目标：对LED接入点而言，其目标是提高系统的公平性。公平性体现在两个方面，一是让平均数据吞吐量较小的用户得到更多的服务，二是要尽量减小因对某一用户的服务而干扰到的其他用户数。如果两个用户处在同一AP的可视范围内，则称他们为相邻用户。显然，服务相邻用户数多的用户更容易引起较大的干扰。令LED接入点a_j可视范围内的用户u_j的平均数量吞吐量为u_j的相邻用户数为d(j)，则在a_i服务用户u_j时，其公平性指标FI_i(u_j)由下式给出：

很显然，公平性指标的取值范围在0到1之间。公平性指标越大，用户u_j的平均数据吞吐量越小，且服务u_j对其他用户造成的干扰越小，公平性越好。当公平性指标取为1时，u_j尚未得到过服务，且对它的服务不会干扰任何用户，服务它将得到最佳的公平性。可见，对LED接入点a_i而言，它总是倾向于服务可视范围内可以提供较高公平性指标的用户。本发明中约定每个LED接入点在一个时隙只能服务一个用户。将接入点a_i的配对用户记为U(a_i)。

系统约束：单个用户最大可获得LED接入点数和稳定性条件是本系统的两个重要约束。单个用户最大可获得LED接入点数意味着用户在同一个时隙不能占据过多的接入点，这是全局的公平性约束。稳定性条件是指不存在一个用户和一个LED接入点，他们可以通过重新配对同时提高该用户的数据吞吐量和该接入点的公平性指标。稳定性条件保证了局部公平性和系统的鲁棒性。一方面，即使某一用户希望通过改变配对来提高自身的数据吞吐量，但在其可视范围内的所有接入点都不会与它配对，因为这将降低它们的公平性指标，这就保证了局部的公平性。另一方面，基于类似的理由，稳定性条件保证了没有任何一个用户或者接入点可以单方面改变系统的状态，这也就保证了系统的鲁棒性。

下面用形式化的语言精确地刻画这两个约束条件。为了统一表述，用q(u)表示可以用来同时服务用户u的最大接入点数，而用q(a)来表示接入点a可以同时服务的最大用户数。显然，q(a)＝1。称E的一个子集M是一个可行匹配当且仅当对每个节点v∈V都成立。这里的x_M(e)是匹配M的特征函数，定义为

给定M，可以通过A_j＝{a|(u_j,a)∈M}和U(a_i)＝u,s.t.(u,a_i)∈M来确定配对结果。可行性匹配保证了单个用户最大可获得接入点数这一限制条件。在此基础上再来考虑稳定性条件。定义a_i>_u a_j当且仅当a_i比a_j可以为u提供更大的数据吞吐量，u_i>_a u_j当且仅当服务u_i比服务u_j可以提高a的公平性指标。称一条边e＝(u,a)是可行匹配M的不稳定边，如果(i)u>_a U(a)并且(ii)|A(u)|<q(u)或者称一个可行匹配M是稳定匹配当且仅当不存在它的不稳定边。稳定匹配保证了单个用户最大可获得接入点数受限和系统的稳定性约束。

优化目标：综上所述，系统的目标是要在用户最大可获得接入点数受限和系统稳定性约束条件下，最大化总的数据吞吐量。用形式化的语言可以表述为下面的优化问题：

subject to

A_j＝{a|(u_j,a)∈M}

M是一个稳定匹配。

如图2所示，本发明的具体实施步骤如下：

1)系统参数初始化：如图2所示，测试平台为一个4mx4mx2.2m的室内空间，由方形黑点表示的9个LED接入点均匀分布在天花板上，高度为2.2m。室内共有5个用户，由图中的红色圆点表示，它们的位置是随机选择的。设置每个用户的暂时配对LED表为空，设置每个LED接入点的暂时配对者为其自身来表示尚未配对。；

2)检测是否存在用户i，暂时与它配对的LED数目小于其最大可获得LED数，且在其视场(FOV)存在它尚未请求过服务的用户(称这样的用户为可优化用户)；如存在，继续步骤3)；如不存在，跳转步骤5)；

3)设在用户i的视场(FOV)内它尚未请求过服务的LED中信道质量最好的LED接入点为j(称这样的LED接入点为最佳潜在接入点)，用户i向LED接入点j发出服务请求。这里任一视场(FOV)内的LED接入点k的信道质量由下面的公式计算得到：

其中，i表示可优化用户，k表示LED接入点，p_k表示LED接入点k的发射光功率，h^ki表示从LED接入点k到可优化用户i的信道增益，φ_ki表示LED接入点k到可优化用户i的光源辐射角，ψ_ki表示接入点k到可优化用户i的光源入射角，T_s(·)表示光学滤波器增益函数，g(·)表示光学滤波器和聚光器增益函数，m表示光源辐射指数，S表示用户接收机接收面积，d_ki表示第k个LED接入点到第i个用户接收机的直射距离。p_kh_ki越大，则LED接入点k的信道质量越好。

4)如果LED接入点j服务用户i的比其暂时配对者i*的公平性指标大，则将接入点j的暂时配对者更改为i，在i的暂时配对表中添加j，在i*的暂时配对表中删除j。接入点j服务用户l时的公平性指标由下面的式子计算得到：

其中，l表示服务用户，j表示最佳潜在接入点，FI_j(l)表示服务用户l时的公平性指标，d(l)表示与服务用户l在同一个LED接入点的视场内的用户个数，表示服务用户l的平均数据吞吐量。

注意LED接入点总是倾向于服务至少一个用户，约定所有接入点服务自己时的公平性指标为0。跳转步骤2)；

5)将用户的实际LED配对表置为其暂时配对表，将LED的实际配对者设置为其暂时配对者，结束配对。

图3为无线光多用户通信系统测试环境说明图。

图4和图5中的每个数据点均经过400次独立实验，每次实验连续运行20个周期得到。

如图4所示，相比于另外两种传统的用户接入点配对方案，本发明所提方法的频谱利用率有了显著的提高。

如图5所示，当视场(FOV)从30度缓慢变化到60度时，本发明所得到的配对的SFI(Service Fairness Index，服务公平系数)总是最小的。换言之，本发明得到的配对具有最佳的公平性。

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

1.一种无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法，其特征在于：包括以下步骤：

(2)检测是否存在可优化用户；如存在，继续步骤(3)；如不存在，跳转至步骤(5)；所述可优化用户为：暂时与它配对的LED数目小于其最大可获得LED数，且在其视场存在它尚未请求过服务的用户；

(3)可优化用户向LED最佳潜在接入点发出服务请求；所述最佳潜在接入点为：在可优化用户的视场内它尚未请求过服务的LED中信道质量最好的LED接入点；

跳转步骤(2)；

2.如权利要求1所述的无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法，其特征在于：步骤(3)中，可优化用户的视场内的LED接入点的信道质量由下面的公式计算得到：

其中，i表示可优化用户，k表示LED接入点，p_k表示LED接入点k的发射光功率，h_ki表示从LED接入点k到可优化用户i的信道增益，φ_ki表示LED接入点k到可优化用户i的光源辐射角，ψ_ki表示接入点k到可优化用户i的光源入射角，T_s(·)表示光学滤波器增益函数，g(·)表示光学滤波器和聚光器增益函数，m表示光源辐射指数，S表示用户接收机接收面积，d_ki表示第k个LED接入点到第i个用户接收机的直射距离；p_kh_ki越大，则LED接入点k的信道质量越好。

3.如权利要求1所述的无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法，其特征在于：步骤(4)中，最佳潜在接入点服务用户时的公平性指标由下面的式子计算得到：

<mrow> <msub> <mi>FI</mi> <mi>j</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <mover> <msub> <mi>r</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>

4.如权利要求3所述的无线可见光通信网络中的多用户多接入点稳定配对方法，其特征在于：LED接入点总是倾向于服务至少一个用户，约定所有接入点服务自己时的公平性指标为0。