CN107888287B - 一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，包括：步骤1，根据光接入点与用户之间的距离确定光接入点与用户之间的覆盖关系，当光接入点与用户之间的水平距离小于光投影圆的平面半径时即说明用户位于光源覆盖范围内；步骤2，当用户位于光源覆盖范围内时，则计算用户所有可能链接的QoE值，用户不在光源覆盖范围内时，则设置QoE为0；步骤3，将所有QoE值用矩阵的形式表示起来，利用贪婪算法依次选择最大值并建立相应的连接，以用户体验质量最优的资源分配方法建立光接入点至用户的连接关系。本发明以用户的体验质量为尺度进行相应的选择、配对，得出的拓扑结构不但不同小区间完全没有干扰，而且用户的体验达到最优。

Description

一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配 方法

技术领域

本发明是在可见光(Visible Light Communication,VLC)系统中，以用户的用户体验质量为判断依据，基于用户体验质量最优及小区间干扰消除的贪婪资源分配方法，具体的说，本发明是可见光通信在避免小区干扰下，使用户的用户体验达到最优的一种资源分配方法。

背景技术

随着数据业务的大幅增长，无线网络必须提供更大的容量和更高效的频谱利用率。然而大多数无线电波频谱资源已经分配完毕，此外无线电波还会对相邻的设备产生干扰，无线网络正遭遇容量瓶颈。

可见光通信技术是近几年兴起的无线通信技术，它能够解决无线通信频谱资源日益拥挤的难题。可见光通信网使用免费的可见光频谱资源，与射频信号相比，可见光通信不仅能够避免电磁干扰而且还能使用LED节能材料在提供照明的同时传输数据，同时可见光通信的发射频率高，在使用过程中无需无线电频谱的认证。但由于光信号的线性传输，一个LED的覆盖面有限。为了避免通信盲区，在构建一个VLC网络时需要许多发光二极管，且每个LED的覆盖区域相互重叠。因此，小区间干扰(ICI)在很大程度上降低了VLC网络的系统性能。因此，如何消除ICI是可见光通信的关键问题。

对不同的传输业务，系统所关心的系统性能不同；例如，对于语音业务我们主要关注的是在传输过程中是否有延时，而对于非实时的数据传输，我们主要关心是否存在数据丢失现象，而对时延要求不高。相比于网络提供的服务质量(Quality of Service,QoS)，用户体验质量(Quality of Experience,QoE)是对网络整体质量的主观度量；QoE综合了服务层面、用户层面、环境层面的影响因素，对不同的传输业务有不同的度量方式，它直接反映用户的认可程度。因此，以QoE作为度量方式在通信传输中是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是：在可见光传输系统中提供一种基于用户体验质量最优及小区干扰消除的资源分配方法，以用户为中心进行资源分配，从而使用户体验达到最优。

具体的说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括以下步骤：

1)确定光接入点(Access Point,AP)即光源与用户之间的覆盖关系：在任意一个场景下，每一个LED灯的位置固定，用户随机分布，根据AP与用户UE之间的距离确定它们之间的覆盖关系；根据AP到用户端的接收器的垂直距离(H)和AP的发光角(θ)计算在用户接收平面的圆的半径，r＝H·tan(θ_1/2)；θ_1/2为光源发光半角，θ_1/2＝θ/2。计算用户到每一个AP的水平距离，(x_A,y_A),(x_U,y_U)分别表示AP和UE的水平平面坐标。若距离l小于等于圆的半径r则表明用户在其覆盖范围下，否则表明不在其覆盖范围下。

2)根据上述覆盖关系，计算所有可能链接的QoE值：根据AP与用户之间的覆盖关系，若用户在AP的覆盖范围下，则利用QoE的计算公式Q＝a₁·log(a₂·ζ)计算出相应的Q，即QoE值，其中，a₁,a₂是常数，数值根据最小、最大传输速率决定，ζ为用户的吞吐量χ为信道常数，B_W表示信号带宽，P_i,j表示为第i个AP为第j个用户发送信号的信号功率；否则，相应的QoE值为零。对于不同的发射功率，用户的QoE值不同；对于由RGB三色合成白光的LED来说，由于RGB不同的发射功率，每个AP与用户(User Equipment,UE)之间的链接存在三个不同的QoE值。

3)以用户体验质量最优的资源分配方法建立连接关系：将所有QoE值用矩阵的形式表示起来，并利用贪婪算法依次选择最大值并建立相应的连接。具体步骤如下：

3-1)假设一个小区共有M个AP和N个UE，将全部的QoE值组成一个3M×N的矩阵Q，其中第一行表示第一个AP的第一个波段，第二行表示第一个AP的第二个波段，第三行表示第一个AP的第三个波段，第四行表示第二个AP的第一个波段，以此类推，列表示第几个用户。并将矩阵Q赋值给另一个3M×N的零矩阵Q1，Q1作为中间矩阵使用，用于二次选择；

3-2)一次选择找出矩阵Q中最大的值i∈{1，2，..i，...M}，j∈{1，2，...j，..N}，k∈{R，G，B}，并建立连接，即使用第i个AP的第k个波段为第j个用户提供服务；为了避免重复使用即不能再给其他用户提供服务，在矩阵Q和Q1中将第i个AP的第k个波段所在的行置零处理；为避免干扰，与用户j同处于AP_i覆盖下的用户不能再接收来自任何AP的第k个波段发送的信号。

3-3)判断3-2)建立连接的用户是否处于重叠区域，若用户j处于重叠区域，则同时覆盖用户j的其他AP也不能再使用第k个波段发送信息。同时为实现用户接收信号的公平性，已建立连接的用户j不再参与初始选择，处理方法是在矩阵Q中表示为将用户j所在列置零；Q1不做处理；

3-4)重复步骤3-2)和3-3)直到矩阵Q为零矩阵为止；

3-5)若Q1为非零矩阵，则执行后面的步骤3-6)至步骤3-7)，进行二次选择；若Q1为零矩阵，则表明资源分配完毕。

3-6)找出Q1中最大的值，i∈{1，2，..i，...M}，j∈{1，2，...j，..N}，k∈{R，G，B}，并建立连接；且与用户j同处于AP_i覆盖下的用户不能再接收来自AP的第k个波段发送的信号。若用户j处于重叠区域，同时覆盖用户j的其他AP不能再使用第k个波段发送信息；同时将矩阵Q1的第对应的行和第j列置零。

3-7)重复步骤3-6)直到矩阵Q1为零矩阵为止；此时，所有选择出来的连接为最终的AP-UE连接，即光接入点和用户之间的连接。

本发明的进一步特征在于：此资源分配算法并不仅限于RGB三色合成白光的情况，在四色合成白光和多频段的射频通信系统中同样适用。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，其优点是以用户的体验质量为尺度可以进行相应的选择、配对，最后得出的拓扑结构不但不同小区间完全没有干扰，而且能够使用户的体验达到最优。

附图说明

图1为室内可见光通信部分系统示意图。

图2为VLC下行链路的图解模型。

图(a)表示VLC下行网络链路模型；图(b)表示将没有交叉的链路分开的模型。

图3为建立AP-UE连接的流程图。

图4为用户接收机视角对用户平均QoE的影响示意图。

图5为用户个数对用户平均QoE的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

1)确定AP与用户之间的覆盖关系：图1为室内可见光通信部分系统示意图，多个可见光热点与一个服务器有线连接，可见光热点安装在天花板上且它们的位置固定不变。用户随机的分布在空间内，通过计算可见光热点和用户的水平距离判断用户处于哪个可见光热点的覆盖范围下。根据计算得出的覆盖关系，得出VLC下行链路的部分图解模型如图2所示，连线代表用户在此AP的覆盖下；

2)计算所有可能链接的QoE值：根据AP与用户之间的覆盖关系，在覆盖区域内时，利用QoE的计算公式计算出相应的QoE值；对于不同的发射功率，用户的QoE值不同；以由RGB三色合成白光的LED为例来说明，由于RGB不同的发射功率，每个AP-UE之间的链接存在三个不同的QoE值。

3)建立连接关系：如图3所示，首先将全部的QoE值组成一个3M×N的矩阵Q，

M表示可见光热点的个数，N表示用户的个数，并将矩阵Q赋值给另一个矩阵Q1(Q1为3M×N的中间矩阵，)用于用户的二次选择，具体的过程为：

①判断矩阵Q是否为零矩阵，若否，找出矩阵Q中最大的值i∈{1，2，..i，...M}，j∈{1，2，...j，..N}，k∈{R，G，B}，并建立连接，即使用第i个AP的第k个波段为第j个用户提供服务，且与用户j同处于AP_i覆盖下的用户不能再接收来自其他所有光接入点第k个波段发送的信号；若是，跳转⑤；

②为了避免重复使用在矩阵Q和Q1中将所在的行置零处理，即第i个AP的第k个波段所在行的元素全部为零。

③再判断用户j是否处于重叠区域，若是，假设用户j处于AP_i和AP_l的覆盖的重叠区域，当建立连接关系后，为避免相邻小区的相互干扰，则AP_l不能再使用第k个波段发送信息，对矩阵的处理为将Q和Q1中的第行置零，若否直接跳转④；

④考虑到用户的公平性，在选择的过程中实行一对一选择，即对矩阵Q相应的用户j所在列置零，跳转①；

⑤判断Q1是否为零矩阵；若否，找出矩阵Q1中最大的值i∈{1，2，..i，...M}，j∈{1，2，...j，..N}，k∈{R，G，B}，并建立连接，且与用户j同处于AP_i覆盖下的用户不能再接收其他AP发送的第k个波段的信号；若是，跳转结束；

⑥判断用户j是否处于重叠区域，若是，假设用户j处于AP_i和AP_l的覆盖的重叠区域，当建立连接关系后，为避免相邻小区的相互干扰，则AP_l不能再使用第k个波段发送信息，对矩阵的处理为将Q和Q1中的第i个AP的第k个波段所在行的所有元素置零。若否直接跳转⑦；

⑦为了避免重复使用在矩阵Q1中将第i个AP的第k个波段所在行的所有元素和用户j所在列的所有元素做置零处理，接着跳转⑤；

如图4所示，同一频率复用(Unity Frequency Reuse,UFR)即在不同的小区使用相同的频率传输信号，随着用户的增加，相邻小区间的干扰信号增多，用户的体验性能下降；频分复用(Frequency Reuse factor of two,FR-2)即在相邻小区使用不同频率传输信号，在一定程度上大大减少了信号的同频干扰；定向传输(Vectored Transmission,VT)，利用迫零算法使AP与用户之间的发送信号间没有干扰，但它必须满足一个时隙用户的数量必须小于AP的数量。比较不同传输模式下，随着用户个数的增多用户平均QoE的变化，此时用户的接收视角(FOV)为110°。从图中我们可以看出，随着用户个数的增加，用户平均QoE逐渐减小，但相较于其他方式，我们提出的资源分配方法的用户体验质量最佳。

如图5所示，比较不同传输模式下，随着用户接收视角FOV的增加用户平均QoE的变化，此时用户个数为25。随着FOV的增大，对QoE-Greedy和VT来说，由于信号传输过程中不存在干扰，所以图像表现为逐渐增加至最终几乎平稳；而UFR和FR-2，由于存在干扰，随着FOV的增加，用户的平均QoE表现为先增加后减小的趋势；相较于UFR，FR2的干扰出现的较晚，故图形下降的迟于UFR。从图中我们可以看出，我们提出的资源分配方法总能提供最优的用户体验。

综上，本发明的一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，在进行资源分配时，能否在避免小区间干扰的情况下准确的选择出最佳的资源配对是关键因素。相较于其他传统方法，此方式能够更好的选择出使用户达到相对优越的体验。

虽然本发明已经示出和描述了本发明的实施例，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据光接入点与用户之间的距离，确定光接入点与用户之间的覆盖关系；

步骤2，根据所述覆盖关系，计算所有可能链接的QoE值；

步骤3，根据所述QoE值，以用户体验质量最优的资源分配方法建立光接入点至用户的连接关系；

所述步骤3的实现是将所有QoE值用矩阵的形式表示起来，并利用贪婪算法依次选择最大值并建立相应的连接，最终实现用户体验质量最优的资源分配；具体实现过程包括：

以RGB三色合成白光的LED为例，具体步骤如下：

步骤3.1，设小区共有M个光接入点和N个用户，将全部的QoE值组成一个3M×N的矩阵Q，

其中第一行表示第一个AP的第一个波段，第二行表示第一个AP的第二个波段，第三行表示第一个AP的第三个波段，第四行表示第二个AP的第一个波段，第五行表示第二个光接入点AP的第二个波段，第六行表示第二个光接入点AP的第三个波段，其他行的定义以此类推；矩阵Q的列表示第几个用户，第一列表示第一个用户，第二列表示第二个用户，其他列的定义以此类推；并将矩阵Q赋值给另一个3M×N的零矩阵Q1，Q1作为中间矩阵使用，用于二次选择；

步骤3.2，一次选择找出矩阵Q中最大的值并建立连接，即使用第i个AP的第k个波段为第j个用户提供服务；

步骤3.3，判断步骤3.2建立连接的用户是否处于重叠区域，若用户j处于重叠区域，则同时覆盖用户j的其他AP也不能再使用第k个波段发送信息；同时为实现用户接收信号的公平性，已建立连接的用户j不再参与初始选择，处理方法是在矩阵Q中表示为将用户j所在列置零；Q1不做处理；

步骤3.4，重复步骤3.2和3.3直到矩阵Q为零矩阵为止；

步骤3.5，若Q1为非零矩阵，则执行后面的步骤3.6至步骤3.7，进行二次选择；若Q1为零矩阵，则表明资源分配完毕；

步骤3.6，找出Q1中最大的值，并建立连接；且与用户j同处于AP_i覆盖下的用户不能再接收来自AP的第k个波段发送的信号；若用户j处于重叠区域，同时覆盖用户j的其他AP不能再使用第k个波段发送信息；同时将矩阵Q1的第对应的行和第j列置零；

步骤3.7，重复步骤3.6直到矩阵Q1为零矩阵为止；此时，所有选择出来的连接为最终的AP-UE连接，即光接入点和用户之间的连接。

2.根据权利要求1所述的一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程包括：

步骤1.1，根据AP到用户端的接收器的垂直距离H和光接入点的发光角θ计算在用户接收平面的圆的半径r＝H·tan(θ_1/2)，其中，θ_1/2为光源发光半角，θ_1/2＝θ/2；

步骤1.2，计算用户到每一个光接入点的水平距离其中，(x_A,y_A),(x_U,y_U)分别表示光接入点和用户的平面坐标；

步骤1.3，若距离l小于或等于圆的半径r，则表明用户在其覆盖范围下，否则表明不在其覆盖范围下。

3.根据权利要求1所述的一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，其特征在于，所述步骤2中所述计算所有可能链接的QoE值的条件是：用户位于光接入点的覆盖范围内；否则，QoE值设为0。

4.根据权利要求3所述的一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，其特征在于，计算所述QoE值的表达式为：Q＝a₁·log(a₂·ζ)，其中，a₁,a₂是常数；ζ为用户的吞吐量，并且有其中，χ为信道常数，B_W表示信号带宽，P_i,j表示为第i个AP为第j个用户发送信号的信号功率。

5.根据权利要求1所述的一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，其特征在于，步骤3.2还包括：为了避免重复使用 不能再给其他用户提供服务，在矩阵Q和Q1中将第i个AP的第k个波段所在的行置零处理。

6.根据权利要求1所述的一种在可见光通信网络中基于用户体验质量最优的资源分配方法，其特征在于，步骤3.2还包括：与用户j同处于AP_i覆盖下的用户不能再接收来自任何AP的第k个波段发送的信号。