CN106788723A - 一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，通过构建可见光通信空间多点LED光源为发射点的接收光信号的信噪比和接收平面信噪比因子计算模型；在长宽高一定的通信空间，将一定数目等功率的LED光源置于空间内，应用烟花算法寻找使得接收平面接收的光信号信噪比分布最均匀的LED光源三维位置，有效降低SNR波动，提高SNR均值，使得接收平面光信号的信噪比分布最均匀，取得最优的通信效果和光照效果，最大面积地保证位于不同位置的用户能够接收到通信质量一致的信号。

Description

一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，尤其是一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法。

背景技术

可见光通信借助发光二极管收发设备简单，传输速度快，误码率低，多径干扰现象弱，照明的同时提供通信高效节能，光能够照射到的区域为可见光通信区域，无光线照射的区域不存在数据通信，数据无法透过墙壁或者窗帘等厚物，数据保密性高。可见光通信系统中多采用强度调制——直接检测的方式实现数据通信，直接检测由光电探测器直接探测LED发出的光信号，因而要使通信效果达到最优，要求同一水平面上分布的光信号信噪比变化较小，即同一水平面光信号分布越均匀通信均匀效果越好，从而降低通信接收设备的要求，使得通信接收设备得以简化。如何提高接收平面光信号的覆盖均匀性，与LED光源分布密切相关，有OMEGA工程研究团队提出的均匀方阵LED分布光源布局，日本庆应大学的Nakagawa研究团队为了工程实现的方便，提出了分组LED阵列光源布局，2012年新加坡南洋理工大学的Wang Zixiong等人提出了12+4的分布模式，12盏LED光源均匀分布于以确定常数为半径的圆周上，4盏LED光源分布于方形通信空间4个角落，从而降低光接收平面信噪比的波动。

日本索尼株式会社申请的接收设备，发送设备和通信系统专利，专利号CN1316835A，给出了能可靠发送和接收高速光信号的一种接收设备和发送设备，以及采用该设备的通信系统，其中发送设备使用白光LED阵列，如4行4列LED阵列，所有发光二极管功率相同，用于办公室或者家庭内的照明和通信。南京邮电大学2012年申请基于白光LED的预编码MU-MIMO室内可见光通信系统经过信号预编码，再采用LED阵列发送光信号，接收电路经过信号输出处理单元输出，以此消除多用户干扰，有效降低接收端的复杂度，没有提到LED阵列的具体形式。中国矿业大学2013年申请并授权的发明专利煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法，在矿井工作面长方体形光通信空间中通过增大边缘LED光源的功率从而减小接收平面光信号SNR波动，增大光信号均匀性。

以上设计方法中存在的问题是：一是国内外对于可见光通信中LED光源分布的研究大部分都为均匀阵列的LED光源分布，或者限于对光信号SNR极弱的四个角落增加LED光源的布局，以及对周围边缘光信号SNR极弱增加LED光源功率的布局，并没有对LED光源分布的优化研究。二是假设LED光源均安装在同一高度，在某些应用环境中，光源LED的高度可以在一定范围内调节，通过降低边缘LED光源的高度，可以提高光接收平面四周围和角落的光信号信噪比，从而提高光接收平面的光信号均匀性。三是LED光源的总数量不能任意设定，对于长和宽相等的通信空间，LED光源的数量通常为N²，例如2²，即4个LED光源，4²，即16个LED光源。当LED光源数量不为N²时，光源如何分布并未见研究。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种可见光通信中光源位置优化的技术方案，本发明提供一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法。该方法在LED光源所处通信空间的可调范围内，优化调节LED光源的三维位置，降低接收平面光信号信噪比的波动。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供的技术方案为：

一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，包括步骤：

(1)光源位置初始化：将N个LED光源随机分布在预设的可见光通信空间内，定义此时各LED光源的三维坐标集合为p₁；通过光电探测器接收各LED光源发出的光信号，并以光电探测器接收面所在平面做为接收平面；

(2)引入信噪比因子Q_SNR，用于评价接收平面上接收光信号质量的均匀性；

式中，var(SNR)表示接收平面信噪比方差，表示接收平面信噪比均值；接收平面信噪比SNR的计算公式为：

式中，为接收平面接收到信号的平均功率；P_noise为系统噪声功率，噪声为高斯白噪声，噪声的双边功率谱密度为N₀，噪声的传输速率为R_b；R表示光电探测器的响应系数；f(t)表示LED光源发送的调制OOK信号，M_I为OOK信号的调制系数；P_t为每个LED光源的发送功率；H_i(0)表示第i个LED光源点与光电探测器上光接收点的信道直流增益，H_i(0)的表达式为：

其中，表示第i个LED光源的辐射角，m＝ln(1/2)/ln(cos(φ_1/2))，为LED光源的半功率角，为第i个LED光源到光电探测器的光入射角，A为光电探测器的光接收面积，L_i为第i个LED光源到光电探测器的光传输距离；(x_si，y_si，z_si)为第i个LED光源的三维坐标，(x_r，y_r，z_r)为光电探测器的三维坐标；

(3)以信噪比因子最小为目标问题，各LED光源的三维坐标为优化变量，构建烟花算法的目标函数为：

式中，p为优化变量，表示一个烟花或火花，p的维数为3N维，每个烟花或火花为各LED光源的三维坐标的一次更新结果；在可见光通信空间内通过烟花爆炸搜索目标函数满足预设的收敛条件的最优解，搜索到的最优解即为各LED光源的最优三维坐标集合。

进一步的，所述步骤(3)中通过烟花爆炸搜索目标函数最优解的方法包括步骤：

(3-1)设置烟花算法的各项参数，包括每次迭代的烟花数目n和所有烟花爆炸产生的火花总数目M；

(3-2)定义r表示迭代次数，初始化r＝1；在首轮迭代中，选择p₁作为一个烟花，再在可见光通信空间内随机选择n-1个烟花；

(3-2)在第r轮迭代中通过搜索火花更新优化变量p，将更新后超出可见光通信空间范围的火花位置调整至可见光通信空间范围内；

(3-3)判断步骤(3-2)产生的烟花和火花中是否存在一个烟花或火花满足收敛条件，若存在，则结束迭代，该满足收敛条件的烟花或火花即为目标函数的最优解；否则，转入步骤(3-4)；

(3-4)从第r轮迭代中产生的烟花和火花中选择出n个作为下一轮迭代的烟花；令r＝r+1，返回步骤(3-2)。

进一步的，所述步骤(3-2)中更新优化变量p的步骤为：

S1：计算第r轮迭代中各烟花爆炸产生的火花数目为：

其中，表示第r轮迭代中第k个烟花产生的火花数目，y_max表示第r轮迭代中爆炸的n个烟花对应的目标函数值中的最大值；表示第r轮迭代中第k个烟花对应的目标函数值；ζ为一个小数值常数；

S2：分别计算各烟花爆炸产生的火花的位置，第r轮迭代中第k个烟花产生的火花的位置计算步骤为：

S21：定义变量为 初始化j＝1；

S22：令

S33：计算的爆炸幅度值：

式中，为设定的最大爆炸幅度，k＝1，2，...，n，表示第r轮迭代中所有烟花对应的目标函数值的最小值；

S34：更新更新的步骤为：

产生一个随机数Z，Z＝round(w·rand(0，1))；式中，函数round和rand分别为四舍五入函数和产生随机数函数；w表示的维数，w＝3N；从的三维数据中随机选择Z维数据，设选出的Z维数据中的任意一个数据为z∈[1，2，…，Z]，令：

S35：判断是否满足若满足，则停止计算火花的位置；否则，令j＝j+1，返回步骤S22。

进一步的，所述步骤(3-2)中对更新后超出可见光通信空间范围的火花进行位置调整的方法为：令z∈[1，2，…，Z]，表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值，表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值。

进一步的，所述步骤(3-2)中还包括通过高斯爆炸产生一组高斯火花，高斯火花用于保持火花的多样性；高斯火花的产生方法为：

(5-1)定义变量为 初始化j＝1；

(5-2)令

(5-3)从的三维数据中随机选择Z维数据，设选出的Z维数据中的任意一个数据为z∈[1，2，…，Z]，令：

式中，g表示高斯系数，g＝Gaussian(1，1)。

进一步的，所述步骤(3-4)中从第r轮迭代产生的烟花和火花中选择出n个作为下一次迭代的烟花的方法为：

首先选出第r轮迭代产生的烟花和火花中目标函数值最小的烟花或火花；

再从剩下的烟花和火花中以概率P选出n-1个烟花或火花：

式中，表示第r轮迭代中烟花/火花x被选中的概率，K表示第r轮迭代产生所有烟花和火花的总数，表示烟花/火花与烟花/火花p_j之间的距离。

进一步的，所述收敛条件为：达到最大迭代次数Y。

有益效果：本发明相对于现有技术能够优化可见光通信空间中光源的分布位置，在LED光源所处通信空间的可调范围内，优化调节LED光源的三维位置，降低接收平面光信号信噪比的波动，提供更优的可见光通信质量。

附图说明

图1为实施例中LED光源在可见光通信空间中的分布图；

图2为实施例中LED光源经过位置优化后在可见光通信空间中的分布图；

图3为实施例中LED光源经过位置优化后的光照均匀性分布图；

图4为实施例中LED光源经过位置优化后的光照均匀性等高线示意图。

图中：1、LED光源，2、光电探测器。

具体实施方式

本发明通过构建可见光通信空间多点LED光源为发射点的接收光信号的信噪比和接收平面信噪比因子计算模型；在长宽高一定的通信空间，将一定数目等功率的LED光源置于空间内，应用烟花算法寻找使得接收平面接收的光信号信噪比分布最均匀的LED光源三维位置；在此基础上，考虑某些通信空间中LED光源高度可以值允许范围内调节，应用烟花算法寻找每个LED光源的三维位置，使得接收平面光信号的信噪比分布最均匀，取得最优的通信效果和光照效果。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为LED光源在可见光通信空间中的分布图。可见光通信空间设置为长5米，宽5米，高3米的矩形空间，设置接收平面的高度为0.85米，LED点光源数目总量为16个，放置于通信空间内，LED光源初始位置为4行4列均匀阵列排列，初始横坐标、纵坐标分别在0.625米、1.875米、3.125米和4.375米处，每个LED光源功率为5W，设置接收平面信号信噪比因子为烟花算法的目标函数，最优值为0，最大迭代次数设置为30000次。

本发明以光接收平面的信噪比因子Q_SNR为目标函数，应用烟花算法优化LED光源的三维优化位置步骤如下：

步骤1：光源位置初始化：将16个LED光源随机分布在预设的可见光通信空间内，定义此时各LED光源的三维坐标集合为p₁，p₁＝(x_s1，y_s1，z_s1，…，x_s16，y_s16，z_s16)；通过光电探测器接收各LED光源发出的光信号，并以光电探测器接收面所在平面做为接收平面；

步骤2：引入信噪比因子Q_SNR，用于评价接收平面上接收光信号质量的均匀性；

式中，var(SNR)表示接收平面信噪比方差，表示接收平面信噪比均值；接收平面信噪比SNR的计算公式为：

式中，为接收平面接收到信号的平均功率；P_noise为系统噪声功率，噪声为高斯白噪声，噪声的双边功率谱密度为N₀，噪声的传输速率为R_b；R表示光电探测器的响应系数；f(t)表示LED光源发送的调制OOK信号，M_I为OOK信号的调制系数；P_t为每个LED光源的发送功率；H_i(0)表示第i个LED光源点与光接收点的信道直流增益，H_i(0)的表达式为：

其中，表示第i个LED光源的辐射角， 为LED光源的半功率角，为第i个LED光源到光电探测器的光入射角，A为光电探测器的光接收面积，L_i为第i个LED光源到光电探测器的光传输距离；(x_si，y_si，z_si)为第i个LED光源的三维坐标，(x_r，y_r，z_r)为光电探测器的三维坐标；

步骤3：以信噪比因子最小为目标问题，各LED光源的三维坐标为优化变量，构建烟花算法的目标函数为：

式中，p为优化变量，表示一个烟花或火花，p的维数为3N维，每个烟花或火花为各LED光源的三维坐标的一次更新结果；

步骤4：在可见光通信空间内通过烟花爆炸搜索目标函数满足预设的收敛条件的最优解，，搜索到的最优解即为各LED光源的最优三维坐标集合；包括以下步骤：

(4-1)设置烟花算法的各项参数，包括最大迭代次数为30000次、每次迭代的烟花数目n为5个、所有烟花爆炸产生的火花总数目M为50个。

(4-2)定义r表示迭代次数，初始化r＝1；在首轮迭代中，选择p₁作为一个烟花，再在可见光通信空间内随机选择n-1个烟花；将选出的n个烟花引爆；

(4-3)在第r轮迭代中通过搜索火花更新优化变量p，更新的步骤为：

S1：计算第r轮迭代中各烟花爆炸产生的火花数目为：

其中，表示第r轮迭代中第k个烟花产生的火花数目，y_max表示第r轮迭代中爆炸的n个烟花对应的目标函数值中的最大值；表示第r轮迭代中第k个烟花对应的目标函数值；ζ为一个为了避免0/0无意义的情况出现设置的一个小数值数；

S2：分别计算各烟花爆炸产生的火花的位置，第r轮迭代中第k个烟花产生的火花的位置计算步骤为：

S21：定义变量为 初始化j＝1；

S22：令

S33：计算的爆炸幅度值：

式中，为设定的最大爆炸幅度，k＝1，2，...，n，表示第r轮迭代中所有烟花对应的目标函数值的最小值；

S34：更新更新的步骤为：

产生一个随机数Z，Z＝round(w·rand(0，1))；式中，函数round和rand分别为四舍五入函数和产生随机数函数；w表示的维数，w＝3N；从的三维数据中随机选择Z维数据，设选出的Z维数据中的任意一个数据为令：

S35：判断是否满足若满足，则停止计算火花的位置；否则，令j＝j+1，返回步骤S22。

S4：通过高斯爆炸产生一组高斯火花，高斯火花用于保持火花的多样性；高斯火花的产生方法为：

S41：定义变量为 初始化j＝1；

S42：令

S43：从的三维数据中随机选择Z维数据，设选出的Z维数据中的任意一个数据为z∈[1，2，…，Z]，令：

式中，g表示高斯系数，g＝Gaussian(1，1)。

S5：将更新后超出可见光通信空间范围的火花位置调整至可见光通信空间范围内，调整的方法为：

令z∈[1，2，…，Z]。表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值，表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值。

S6：判断当前迭代轮次中产生的烟花和火花里，是否存在一个烟花或火花满足收敛条件，若存在，则结束迭代，该满足收敛条件的烟花或火花即为目标函数的最优解；否则，转入步骤S7；

S7：从第r轮迭代中产生的烟花和火花中选择出n个作为下一轮迭代的烟花，选择的方法为：首先选出第r轮迭代产生的烟花和火花中目标函数值最小的烟花或火花；再从剩下的烟花和火花中以概率P选出n-1个烟花或火花：

式中，表示第r轮迭代中烟花/火花x被选中的概率，K表示第r轮迭代产生所有烟花和火花的总数，表示烟花/火花与烟花/火花p_j之间的距离；；最后，令r＝r+1，返回步骤(4-3)。

经过LED光源三维优化布局后，LED光源位于通信空间内的位置如图2所示，高度为0.85m接受平面的光信号性能如图3和图4所示，接收平面信噪比最大值为42.3，信噪比最小值为26.77，信噪比波动为15.53，信噪比平均值为36.59，信噪比因子为5.59，相比与LED光源均匀阵列布局时信噪比因子21.59，接收光信号均匀性有了较大程度的改进，信噪比因子仅为原来的25.9％。

本实施例所提供的的方案还可适用于LED光源的二维位置优化，在优化前设置LED点光源的数目N＝16，设定LED点光源的位置坐标为(x_si，y_si，z_si)i＝1，2，......，16，令z_si＝h，i＝1，2，......，16为通信空间的高度h，为确定常数，即所有LED点光源装置于室内天花板上。之后执行以上步骤，即可获得LED光源的二维位置优化结果。

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 (7)

1.一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，包括步骤：

(1)光源位置初始化：将N个LED光源随机分布在预设的可见光通信空间内，定义此时各LED光源的三维坐标集合为p₁；通过光电探测器接收各LED光源发出的光信号，并以光电探测器接收面所在平面做为接收平面；

(2)引入信噪比因子Q_SNR，用于评价接收平面上接收光信号质量的均匀性；

$Q_{SNR}=\frac{\sqrt{\mathrm{var}\left(SNR\right)}}{\stackrel{\‾}{SNR}}$

式中，var(SNR)表示接收平面信噪比方差，表示接收平面信噪比均值；接收平面信噪比SNR的计算公式为：

$SNR=\frac{\stackrel{\‾}{s^2\left(t\right)}}{P_{noise}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left({\mathrm{RH}}_i\right(0\left)P_t{M}_I\right)}^2\stackrel{\‾}{f^2\left(t\right)}}{R_b{N}_0}$

式中，为接收平面接收到信号的平均功率；P_noise为系统噪声功率，噪声为高斯白噪声，噪声的双边功率谱密度为N₀，噪声的传输速率为R_b；R表示光电探测器的响应系数；f(t)表示LED光源发送的调制OOK信号，M_I为OOK准号的调制系数；P_t为每个LED光源的发送功率；H_i(0)表示第i个LED光源点与光电探测器上光接收点的信道直流增益，H_i(0)的表达式为：

其中，表示第i个LED光源的辐射角，m＝ln(1/2)/ln(cos(φ_1/2))，为LED光源的半功率角，为第i个LED光源到光电探测器的光入射角，A为光电探测器的光接收面积，L_i为第i个LED光源到光电探测器的光传输距离；(x_si，y_si，z_si)为第i个LED光源的三维坐标，(x_r，y_r，z_r)为光电探测器的三维坐标；

(3)以信噪比因子最小为目标问题，各LED光源的三维坐标为优化变量，构建烟花算法的目标函数为：

$Q_{SNR}\left(p\right)=\frac{\sqrt{\mathrm{var}\left(SNR\right)}}{\stackrel{\‾}{SNR}}$

式中，p为优化变量，表示一个烟花或火花，p的维数为3N维，每个烟花或火花为各LED光源的三维坐标的一次更新结果；在可见光通信空间内通过烟花爆炸搜索目标函数满足预设的收敛条件的最优解，搜索到的最优解即为各LED光源的最优三维坐标集合。

2.根据权利要求1所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中通过烟花爆炸搜索目标函数最优解的方法包括步骤：

(3-1)设置烟花算法的各项参数，包括每次迭代的烟花数目n和所有烟花爆炸产生的火花总数目M；

(3-2)定义r表示迭代次数，初始化r＝1；在首轮迭代中，选择p₁作为一个烟花，再在可见光通信空间内随机选择n-1个烟花；

(3-2)在第r轮迭代中通过搜索火花更新优化变量p，将更新后超出可见光通信空间范围的火花位置调整至可见光通信空间范围内；

(3-3)判断步骤(3-2)产生的烟花和火花中是否存在一个烟花或火花满足收敛条件，若存在，则结束迭代，该满足收敛条件的烟花或火花即为目标函数的最优解；否则，转入步骤(3-4)；

(3-4)从第r轮迭代中产生的烟花和火花中选择出n个作为下一轮迭代的烟花；令r＝r+1，返回步骤(3-2)。

3.根据权利要求2所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述步骤(3-2)中更新优化变量p的步骤为：

S1：计算第r轮迭代中各烟花爆炸产生的火花数目为：

$s_k^r=M\·\frac{y_{max}-Q\left(p_k^r\right)+\mathrm{\ζ}}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n(y_{max}-Q(p_k^r\left)\right)+\mathrm{\ζ}},k\∈\[1,2,...,n\]$

其中，表示第r轮迭代中第k个烟花产生的火花数目，y_max表示第r轮迭代中爆炸的n个烟花对应的目标函数值中的最大值；表示第r轮迭代中第k个烟花对应的目标函数值；ζ为一个小数值常数；

S2：分别计算各烟花爆炸产生的火花的位置，第r轮迭代中第k个烟花产生的火花的位置计算步骤为：

S21：定义变量为 初始化j＝1；

S22：令

S33：计算的爆炸幅度值：

$A_j=\hat{A}\·\frac{Q\left({\tilde{p}}_j\right)-y_{\min }+\mathrm{\ζ}}{{\Σ}_{k=1}^n\left(Q\right(p_k^r)-y_{\min })+\mathrm{\ζ}}$

式中，为设定的最大爆炸幅度，表示第r轮迭代中所有烟花对应的目标函数值的最小值；

S34：更新更新的步骤为：

产生一个随机数Z，Z＝round(w·rand(0，1))；式中，函数round和rand分别为四舍五入函数和产生随机数函数；w表示的维数，w＝3N；从的三维数据中随机选择Z维数据，设选出的Z维数据中的任意一个数据为令：

${\tilde{h}}_z^j={\tilde{h}}_z^j+A_j\·rand(0,1)$

S35：判断是否满足若满足，则停止计算火花的位置；否则，令j＝j+1，返回步骤S22。

4.根据权利要求3所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述步骤(3-2)中对更新后超出可见光通信空间范围的火花进行位置调整的方法为：令 表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值，表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值。

5.根据权利要求3所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述步骤(3-2)中还包括通过高斯爆炸产生一组高斯火花，高斯火花用于保持火花的多样性；高斯火花的产生方法为：

(5-1)定义变量为初始化j＝1；

(5-2)令

(5-3)从的三维数据中随机选择Z维数据，设选出的Z维数据中的任意一个数据为令：

${\tilde{h}}_z^{\′}={\tilde{h}}_z^{\′}\·g$

式中，g表示高斯系数，g＝Gaussian(1，1)。

6.根据权利要求3所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述步骤(3-4)中从第r轮迭代产生的烟花和火花中选择出n个作为下一次迭代的烟花的方法为：

首先选出第r轮迭代产生的烟花和火花中目标函数值最小的烟花或火花；

再从剩下的烟花和火花中以概率P选出n-1个烟花或火花：

$P\left(p_x^r\right)=\frac{R\left(p_x^r\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{t\∈K,t\≠x}R\left(p_t^r\right)}$

$R\left(p_x^r\right)={\mathrm{\Σ}}_{t\∈K,t\≠x}d(p_x^r,p_t^r)={\mathrm{\Σ}}_{t\∈K,t\≠x}\left|\right|p_x^r-p_t^r\left|\right|$

式中，表示第r轮迭代中烟花/火花x被选中的概率，K表示第r轮迭代产生所有烟花和火花的总数，表示烟花/火花与烟花/火花p_j之间的距离。

7.根据权利要求1所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述收敛条件为：达到最大迭代次数Y或目标函数值达到预设的最优值Q_min。