CN105871460B

CN105871460B - 一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法

Info

Publication number: CN105871460B
Application number: CN201610172851.3A
Authority: CN
Inventors: 黄治同; 刘雨欣; 纪越峰
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2036-03-24
Also published as: CN105871460A

Abstract

本发明公开了一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，具体如下：首先、建立基于模式协同选择的终端直通可见光通信模型，将移动用户接入进行初始化；建立三种通信模式；然后，发送端将用户信息传入控制终端，分别计算接收信号，信噪比以及效用函数；并根据信道容量选择最优的通信模式，建立通信链路；最后，判断不同的用户对是否借助同一固定收发器进行转发，如果有，将每个用户对选择一种通信模式，形成通信模式组合；分别计算每种通信模式组合下效用函数和，选择最大值对应的组合作为所有用户对的通信链路。否则，用户对正常通信；优点在于：解决了终端对等的可见光通信中的因遮挡而导致的通信质量下降的问题。

Description

一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法

技术领域

本发明属于可见光通信领域，具体是一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，该方法用于终端对等的可见光通信系统。

背景技术

随着移动终端间信息共享需求的增多，终端直通通信技术(D2D)作为未来5G技术之一随之出现。D2D能够实现终端直接通信，包含了多种用于设备间通信的方式，比如蓝牙和Wi-Fi Direct等。但是，这些通信方式无法满足用户对更大带宽的需求，需要一种新的通信技术来实现设备间的大带宽的直接通信。

可见光涵盖了波长为380nm～780nm的光波波段，可见光通信(VLC)能提供390THz大带宽，因此，基于可见光的终端直通通信(D2D-VLC)是一个可行的通信方式。

在终端直通可见光通信中，难点之一是因遮挡而导致通信质量下降的问题；目前解决方式大致分为两类：一类是利用高反射性的墙壁进行信号的反射接收；另一类是在固定的位置装备若干个中继器进行转发。但是，要实现发送信号的正确接收无论是墙壁的材质或是中继器的位置设计都有特殊的要求，都是不利于普及的解决方式。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，从终端直通通信的模式选择概念出发，根据终端间直接通信模式、间接通信模式以及混合通信模式的不同适用范围，提出了一种基于博弈论中最优反应动态策略和最优反应策略的模式协同选择机制，来实现通信模式间的自适应切换。该机制不仅能够解决遮挡问题，还能在保证通信质量的同时减少能耗。

一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，具体步骤如下：

步骤一、建立基于模式协同选择的终端直通可见光通信模型；

具体建立过程为：室内的天花板上安装K组固定收发器；每组固定收发器包括一个发光二极管和一个光电二极管；室内安装一个协调器，协调器作为控制终端；

步骤二、将N个移动用户分别接入终端直通可见光通信模型并初始化。

具体为：首次进入终端直通可见光通信模型的某个移动用户，将离自己最近的固定收发器作为最初的通信接入点；

步骤三、针对要进行通话的两个移动用户，发送端的用户将自己的位置信息以及请求地址信令通过固定收发器传入控制终端；

请求地址信令记载了该发送端要通信连接的接收端用户地址；

步骤四、在终端直通可见光通信模型中，建立发送端用户和接收端用户的之间三种通信模式；

三种通信模式为：直接通信模式，间接通信模式和混合通信模式。

(1)直接通信模式：发送端用户和接收端用户直接进行通信；

(2)间接通信模式：发送端用户将通信信号通过固定收发器转发给接收端用户；

(3)混合通信模式：发送端用户与接收端客户之间直接通信，同时发送端用户将通信信号经过固定收发器转发给接收端用户进行通信。

混合通信模式包括两个链路，分别为主要链路和辅助链路；主要链路负责传输信号而辅助链路负责传输信令；当主要链路不满足用户要求时，辅助链路充当主要链路传输信号。

步骤五、控制终端根据请求地址信令，分别计算三种通信模式下接收端的接收信号；

发送端用户和接收端用户之间的接收信号公式如下；

y_i,l,u＝αP_i,l,uH_i.l,u(0)x_i,l,u+n_i,l,u (1)

其中l＝1代表直接通信模式；l＝2代表间接通信模式和l＝3代表混合通信模式。u∈{1，2}代表第u_th跳，α是接收器的功率放大倍数，P_i,l,u是发送端用户i的发送功率；x_i,l,u是发送端用户i的发送信号；n_i,l,u是功率谱密度为N₀的高斯白噪声。H_i,l,u(0)是信道直流增益，由公式(2)可得：

其中m是朗伯指数，A是光电二极管探测器(PD)的物理面积，D_di,l,u是发送端用户i与接收端用户j之间的距离；φ_i,l,u是光电二极管探测器的辐射角，ψ_i，l，u是光电二极管探测器的入射角，T_s(ψ_i,l,u)是光滤波器增益，Ψ_c表示接收器的视场角；g(ψ_i,l,u)是光集中器的增益，表示为：

其中n代表光电二极管探测器的折射率。

由此可知：三种通信模式下，发送端用户和接收端用户之间的接收信号分别如下：

直接通信模式下：根据公式(1)计算得到的接收信号为y_i,1,1；

间接通信模式下：根据公式(1)计算得到的接收信号为y_i,2,2；

混合通信模式下的通信链路有两条，接收信号y_i,3如下：

用户之间直接通信的接收信号为：y_i,3＝αP_i,1,1H_i,1,1(0)x_i,1+n_i,1,1；

用户之间通过转发通信的接收信号为：y_i,3＝αP_i,2,2H_i,2,2(0)(αP_i,2,1H_i,2,1(0)x_i,2+n_i,2,1)+n_i,2,2；

步骤六、控制终端根据接收信号分别计算三种通信模式下的信噪比；

信噪比为：

N₀为功率谱密度；

直接通信模式下，信噪比为：

间接通信模式下，信噪比为：

其中γ_i,2,1代表间接通信中第一跳的信噪比，γ_i,2,2代表间接通信中第二跳的信噪比；H_j,2,1(0)相当于第二跳的信道直流增益，表示为：

混合通信模式下，信噪比为：

当用户之间直接通信链路为主要链路时，混合模式的信噪比为：

当用户之间间接通信链路为主要链路时，混合模式的信噪比为：

步骤七、建立通信用户效用函数模型并根据用户信噪比分别计算三种通信模式下的信道容量；

通信用户效用函数模型如下式：

其中，D代表所有选择直接通信模式的用户的策略集合，I代表所有选择间接通信模式的用户的策略集合，M代表所有选择混合通信模式的用户的策略集合，a_t,i代表任意发送端用户i的策略，代表除发送端用户i以外的用户策略集合。

三种通信模式下的信道容量分别为：

(1)直接通信模式下，信道容量为：

(2)间接通信模式下，信道容量为：

表示t时刻，发送端用户i通过第k_th个固定收发器到达接收端j的信道容量，k∈K。

(3)混合通信模式下，信道容量为：

步骤八、控制终端根据三种模式下的信道容量进行判断，为发送端用户选择最优的通信模式；

具体步骤如下：

步骤801、当某发送端用户进入终端直通可见光通信模型时，接入模式默认为间接通信模式；

步骤802、判断该用户选择间接通信模式时，系统的总策略矢量是否使系统达到纳什均衡；如果是，则该用户选择间接模式为通信模式，其它用户通信模式不变；否则，进入步骤803；

当系统的整体最佳策略的集合矢量满足下列不等式时，系统能达到纳什均衡：

代表整个系统效用函数的期望，代表所有用户的策略集合；代表任意发送端用户i的最优策略，代表除发送端用户i以外的其他发送端用户的最优策略。

步骤803、对该用户在直接通信模式、间接通信模式和混合通信模式下的效用函数进行两两比较，并计算该用户的策略矢量当系统达到纳什均衡时对应的通信模式为其最优通信模式。

当任意发送端用户i的策略矢量满足下列不等式，系统达到纳什均衡；

步骤九、控制终端将选用的通信模式的连接信令分别发送至发送端用户接收端用户，建立通信链路。

步骤十、选择下一个发送端用户，重复步骤三到步骤九，控制终端继续为下一个发送端用户选择最优的通信模式，直至将所有有通信需求的发送端用户建立通信链路。

步骤十一、针对进行通信的用户对，判断不同的用户对是否借助同一固定收发器进行转发，如果有，进入步骤十二，否则，用户对正常通信。

步骤十二、针对使用同一固定收发器的所有用户对，将每个用户对从三种通信模式中选择一种通信模式，将每个用户对选出的通信模式组合在一起，形成通信模式组合；

步骤十三、分别计算每种通信模式组合下所有用户对的效用函数的和，选择效用函数和最大的组合，作为所有用户对的通信链路。

本发明的优点在于：

1、一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，是建立在一个将可见光通信和终端直通通信相结合的新的通信方式--终端直通的可见光通信(device-to-device visible light communication，D2D-VLC)基础上的。

2、一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，解决了终端对等的可见光通信中的因遮挡而导致的通信质量下降的问题。

3、一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，包含了一种新的通信模式——混合通信模式，有助于提高通信质量。

附图说明

图1是本发明基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法流程图；

图2是本发明建立的终端直通可见光通信模型示意图；

图3是本发明N个移动用户接入终端直通可见光通信模型的连接示意图；

图4是本发明控制终端为发送端用户选择最优的通信模式方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方法进行详细说明。

一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，如图1所示，具体步骤如下：

如图2所示，具体建立过程为：室内的天花板上安装K个发光二极管和K个光电二极管，每个发光二极管和光电二极管作为一个固定收发器；室内安装一个协调器，协调器作为控制终端；

每个移动用户都有一个用户收发器；首次进入终端直通可见光通信模型的某个移动用户，将离自己最近的固定收发器作为最初的通信接入点，同时，其它已在该通信模型中的用户保持原有通信链路。

如图3所示，每个固定收发器均连接n个用户收发器，K个固定收发器总共连接N个用户收发器，K个固定收发器均连接协调器/控制终端；用户收发器通过可见光通信，将要通信连接的接收端用户的地址信息传递给固定收发器，固定收发器传输给协调器/控制终端，经过计算，协调器/控制终端将控制信令返回固定收发器，从而发送给用户收发器，控制发送端用户和接收端用户选择最优的通信模式进行通讯；

成对的通信用户用表示，其中i∈N_T，N_T代表发送端用户的集合，j∈N_R，N_R代表接收端用户的集合；N＝{N_T,N_R}；

(1)直接通信模式：发送端用户和接收端用户直接进行通信；

(3)混合通信模式：同时满足前两种通信模式，发送端用户与接收端客户之间直接通信，同时发送端用户将通信信号经过固定收发器转发进行通信。混合通信模式包括两个链路，分别为主要链路和辅助链路；

主要链路负责传输信号而辅助链路负责传输信令。只有当主要链路不再能够满足用户要求时，辅助链路开始充当主要链路传输信号。

由于固定收发器的发送功率一定，采用基于接收信号强度(RSS)进行粗略定位，信号强度由接收信号得到，然后计算发送端用户和接收端用户之间的距离。

考虑到路径损耗，接收信号如下：

y_i,l,u＝αP_i,l,uH_i.l,u(0)x_i,l,u+n_i,l,u (1)

其中l＝1代表直接通信模式；l＝2代表间接通信模式和l＝3代表混合通信模式。u∈{1，2}代表第u_th跳，α是接收器的功率放大倍数，x_i，l，u是发送端用户i的发送信号。P_i,l,u是发送端用户i的发送功率，n_i,l,u是功率谱密度为N0的高斯白噪声。H_i,l,u(0)是信道直流增益，由公式(2)可得：

其中A是光电二极管探测器的物理面积；m是朗伯指数，当发光二极管的半照度角为60度时，m＝1；D_di,l,u是发送端用户i与接收端用户j之间的距离；φ_i,l,u是光电二极管探测器的辐射角，ψ_i,l,u是光电二极管探测器的入射角，光电二极管的O/E转换效率看作0.53A/W；当用户的接收器均水平放置时，φ_i,l,u与ψ_i,l,u相等。T_s(ψ_i,l,u)是光滤波器增益，Ψ_c表示接收器的视场角。g(ψ_i,l,u)是光集中器的增益，可表示为：

其中n代表光电二极管探测器的折射率。

直接通信模式下：根据公式(1)计算得到的接收信号为y_i,1,1；

间接通信模式下：根据公式(1)计算得到的接收信号为y_i,2,2；

混合通信模式下的通信链路有两条，接收信号y_i,3如下：

步骤六、控制终端根据接收信号分别计算三种通信模式下的信噪比；；

信噪比(signal to noise ratio，SNR)可表示为：

N₀为功率谱密度；

(1)在直接通信模式下，信噪比为

(2)在间接通信模式下，信噪比为

其中γ_i,2,1和γ_i,2,2分别代表间接通信中第一跳和第二跳的信噪比，根据公式(5)得到，H_j,2,1(0)相当于第二跳的信道直流增益，表示为：

(3)在混合通信模式下，信噪比为

本发明中选取三种通信模式下不同的信道容量作为效用函数的最重要指标。

对于每个用户i来说，其效用函数如下式：

其中，D代表所有选择直接通信模式的用户的策略集合，I代表所有选择间接通信模式的用户的策略集合，M代表所有选择混合通信模式的用户的策略集合，代表所有用户的策略总集，a_t，i代表任意发送端用户i的策略，代表除发送端用户i以外的用户策略集合。

根据步骤六中的信噪比得出三种模式下的信道容量分别为：

(1)直接通信模式下，信道容量为

(2)间接通信模式下，信道容量为表示用户对通过第k_th,(k∈K)个固定LED收发器的信道容量。根据多跳系统信道容量的定义，计算如下：

(3)混合通信模式下，信道容量为：

当某用户进入系统时会将间接通信模式作为默认的接入模式，这个时候利用选择标准2来判断该用户是否应选择间接通信模式来进行通信，即若满足公式(9)则该用户对选择间接模式为其通信模式，其他系统中用户对通信模式不变；否则，利用选择标准1来判定对该用户对哪种通信模式为最优，选取其最优通信模式为进行通信的模式，周围其他用户根据标准2进行判断调整通信模式。

为了最大化每个用户的效用函数根据最优反应动态策略可得到选择标准1为：当任意用户i的策略矢量满足下列不等式，则该策略矢量是使这个博弈达到纳什均衡的必要条件。

该不等式是为了选取某一用户对在三种不同通信模式下的最优通信模式，即其他用户的选择策略不变，对该用户对在直接通信模式、间接通信模式和混合通信模式下的效用函数进行两两比较，取效用函数的最大值所对应的通信模式为其最优通信模式。即当用户i的策略满足上述标准1，则可判定该用户选择了最优通信模式。

同理，根据最优反应策略得到的选择标准2可以用于优化整个系统的效用函数，从而使系统达到纳什均衡。标准2为：当系统的总策略矢量满足下列不等式，则该系统的总策略矢量是使系统达到纳什均衡的必要条件。

代表整个系统效用函数的期望，代表任意用户i的最优策略；同理，代表系统整体最佳策略的集合。

如图4所示，具体步骤如下：

当系统的总策略矢量满足下列不等式时，系统能达到纳什均衡：

代表整个系统效用函数的期望，代表任意发送端用户i的最优策略；同理，代表除发送端用户i以外的其他发送端用户的最优策略；代表系统整体最佳策略的集合。

通过用户选择不同通信模式下的效用函数的比较，根据选择标准1最优通信模式并建立通信链路。当系统中用户过多时，为了达到整个系统的纳什均衡，需要根据选择标准2进行再次比较选择。经过以上两个比较确定各个用户的通信模式，建立通信链路。系统建立后，标准2用于判断整个系统的整体策略的正确性，选择标准1适用于判断单个用户对策略的正确性(最优通信模式)。

其中策略矢量是指用户的最佳策略选择，在专利中可简单的看做是最优通信模式类型的选择结果集合。比如说，当用户i的最优通信模式是直接通信时，就是在该模式下用户i的信息集合，包括位置信息、地址信息、信噪比等，以此来计算其效用函数；策略不需要计算，是接收信息和计算后的结果集合。

根据最优反应动态策略，当新的链路建立或者已有的链路断开时，系统的参数会进行更新，以便进行下一次的通信模式选择。

Claims

1.一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤二、将N个移动用户分别接入终端直通可见光通信模型并初始化；

所述三种通信模式为：直接通信模式，间接通信模式和混合通信模式；

(1)直接通信模式：发送端用户和接收端用户直接进行通信；

(3)混合通信模式：发送端用户与接收端客户之间直接通信，同时发送端用户将通信信号经过固定收发器转发给接收端用户进行通信；

步骤七、建立通信用户效用函数模型并根据用户信噪比分别计算三种通信模式下的信道容量；成对的通信用户用表示，其中i∈N_T，N_T代表发送端用户的集合，j∈N_R，N_R代表接收端用户的集合；N＝{N_T,N_R}；

通信用户效用函数模型如下式：

其中，D代表所有选择直接通信模式的用户的策略集合，I代表所有选择间接通信模式的用户的策略集合，M代表所有选择混合通信模式的用户的策略集合，a_t,i代表任意发送端用户i的策略，代表除发送端用户i以外的用户策略集合；

步骤九、控制终端将选用的通信模式的连接信令分别发送至发送端用户接收端用户，建立通信链路；

步骤十、选择下一个发送端用户，重复步骤三到步骤九，控制终端继续为下一个发送端用户选择最优的通信模式，直至将所有有通信需求的发送端用户建立通信链路；

步骤十一、针对进行通信的用户对，判断不同的用户对是否借助同一固定收发器进行转发，如果有，进入步骤十二，否则，用户对正常通信；

2.如权利要求1所述的一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，其特征在于，所述的步骤一的具体建立过程为：室内的天花板上安装K组固定收发器；每组固定收发器包括一个发光二极管和一个光电二极管；室内安装一个协调器，协调器作为控制终端；其中K取整数。

3.如权利要求1所述的一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，其特征在于，所述的步骤二中，首次进入终端直通可见光通信模型的某个移动用户，将离自己最近的固定收发器作为最初的通信接入点。

4.如权利要求1所述的一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，其特征在于，所述的步骤五，具体为：

发送端用户和接收端用户之间的接收信号公式如下；

y_i,l,u＝αP_i,l,uH_i.l,u(0)x_i,l,u+n_i,l,u (1)

其中l＝1代表直接通信模式；l＝2代表间接通信模式和l＝3代表混合通信模式；u∈{1,2}代表第u_th跳，α是接收器的功率放大倍数，P_i,l,u是发送端用户i的发送功率；x_i,l,u是发送端用户i的发送信号；n_i,l,u是功率谱密度为N₀的高斯白噪声；H_i,l,u(0)是信道直流增益，由公式(2)可得：

其中m是朗伯指数，A是光电二极管探测器(PD)的物理面积，D_di,l,u是发送端用户i与接收端用户j之间的距离；φ_i,l,u是光电二极管探测器的辐射角，ψ_i,l,u是光电二极管探测器的入射角，T_s(ψ_i,l,u)是光滤波器增益，Ψ_c表示接收器的视场角；g(ψ_i,l,u)是光集中器的增益，表示为：

其中n代表光电二极管探测器的折射率；

(1)直接通信模式下：根据公式(1)计算得到的接收信号为y_i,1,1；

(2)间接通信模式下：根据公式(1)计算得到的接收信号为y_i,2,2；

(3)混合通信模式下的通信链路有两条，接收信号y_i,3如下：

用户之间通过转发通信的接收信号为：y_i,3＝αP_i,2,2H_i,2,2(0)(αP_i,2,1H_i,2,1(0)x_i,2+n_i,2,1)+n_i,2,2。

5.如权利要求4所述的一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，其特征在于，所述的三种通信模式下，信噪比计算公式如下：

N₀为功率谱密度；

(1)直接通信模式下，信噪比为：

其中，γ_i,1,1是直接通信中第一跳的信噪比；P_i,1,1是直接通信中发送端用户i第一跳的发送功率；H_i,1,1(0)是直接通信中的信道直流增益；

(2)间接通信模式下，信噪比为：

其中γ_i,2,1代表间接通信中第一跳的信噪比，γ_i,2,2代表间接通信中第二跳的信噪比；

H_j,2,1(0)相当于第二跳的信道直流增益，表示为：

其中，D_dj,2,1是间接通信中第一跳接收端用户j与发送端用户i之间的距离，D_di,2,2是间接通信中第二跳发送端用户i与接收端用户j之间的距离；φ_i,2,2是间接通信中第二跳发送端用户i的光电二极管探测器的辐射角，φ_j,2,1是间接通信中第一跳接收端用户j的光电二极管探测器的辐射角；

(3)混合通信模式下，信噪比为：

其中，P_i,2,1是间接通信中第一跳发送端用户i的发送功率，P_i,2,2是间接通信中第二跳发送端用户i的发送功率，H_i,2,1(0)是间接通信中第一跳信道直流增益，H_i,2,2(0)是间接通信中第二跳信道直流增益。

6.如权利要求5所述的一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，其特征在于，所述的

三种通信模式下，信道容量分别为：

(1)直接通信模式下，信道容量为：

(2)间接通信模式下，信道容量为：

表示t时刻，发送端用户i通过第k_th个固定收发器到达接收端j的信道容量，k∈K，K取整数；

(3)混合通信模式下，信道容量为：

7.如权利要求1所述的一种基于博弈论的对等可见光通信终端模式协同选择方法，其特征在于，所述的步骤八具体为：

代表整个系统效用函数的期望，代表所有用户的策略集合；代表任意发送端用户i的最优策略，代表除发送端用户i以外的其他发送端用户的最优策略；

步骤803、对该用户在直接通信模式、间接通信模式和混合通信模式下的效用函数进行两两比较，并计算该用户的策略矢量

当策略矢量满足下列不等式：

系统达到纳什均衡，对应的通信模式为其最优通信模式。