CN109474338B - 一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内VLC‑WiFi混合通信系统接入选择方法，属于光通信技术领域。该方法基于引力理论改进收‑发端的关联关系，在级联VLC与WiFi构成的混合系统中，基于引力理论优化用户的接入选择决策。利用WiFi作为VLC的补充技术，为所有可用VLC AP均被遮挡和处于视距链路盲区的极端VLC信道状况下用户设计优先接入原则；为剩余用户在发射端设计动态负载评估公式以及基于自适应QoS权重的接入点质量评估公式。在接收端设计用户质量评估权重公式；评估权值改进引力理论确定接入点和用户的双向通信选择。本发明能有效改善VLC‑WiFi混合通信系统的吞吐量，优化室内VLC‑WiFi通信用户接入选择决策。

Description

一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)由于其低功耗、高安全性、无需频谱认证等优势，近年受到日益广泛的关注和研究。VLC利用发光二极管(Light EmittingDiode，LED)实现信号传输，为保证室内照明需求，VLC网络常采用光照范围相互重叠的接入点(Access Point，AP)布局方案，使用户接收视场角(Field of View，FOV)内能接收到来自多个VLC AP的光信号，合理的AP接入点选择方案可以降低小区间干扰对用户的影响，平衡AP间负载，使网络资源被充分利用。此外，单一VLC网络存在光链路易被遮挡、上行链路实现困难等缺陷，使VLC网络急需利用其他无线接入技术作为有效补充。现有研究表明：在VLC网络中引入无线保真(Wireless Fidelity，WiFi)AP形成异构VLC/WiFi网络，能增强网络覆盖面积和提高系统吞吐量。因此，在异构VLC/WiFi网络中根据用户信道状况，考虑VLC AP信号是否被遮挡，在多AP重叠覆盖下使用户接入合理接入点是研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，该方法基于引力理论改进收-发端的关联关系。为抑制VLC级联系统发射光路易被遮挡问题以及光视距链路盲区，根据VLC信道状况，为VLC极端信道状况下的用户设计优先接入原则；为加强用户与AP之间的相互选择，基于引力理论改进收-发端的关联关系，设计改进的用户质量评估权重与接入点AP质量评估权重，找到用户与AP之间的最强吸引来优化用户的AP接入决策。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，为抑制VLC级联系统发射光路易被遮挡问题以及光视距链路盲区，根据VLC信道状况，为VLC极端信道状况下的用户设计优先接入原则；为加强用户与AP之间的相互选择，基于引力理论改进收-发端的关联关系，设计改进的用户质量评估权重与接入点AP质量评估权重，找到用户与AP之间的最强吸引来优化用户的AP接入决策；包括以下步骤：

步骤1：输入室内系统参数包括：根据室内环境的尺寸、发射端LED阵列的数目、初始的LED发射功率、LED被遮挡概率、LED阵列的器件参数、接收机位置、接收机的参数和接收点数目参数，为每个用户统计可用VLC AP集合，并计算信道增益，接收功率，信干噪比等室内VLC-WiFi混合通信系统参数；输入算法执行所需要的参数包括：混合通信系统服务质量QoS衡量个数和干扰指示系数门限值；

步骤2：依据用户在VLC系统下信道增益与用户位置，将用户进行分类，将用户分为：极端VLC信道状况下用户，即可用VLC发射光路全部被遮挡或处于光视距链路盲区以及用户不受VLC相邻小区间干扰，以及剩余用户，并为极端VLC信道状况下用户优先选择接入点；

步骤3：为剩余用户在接收端建立面向系统服务质量QoS的加权信息矩阵，为用户评估可用AP质量评估权重，根据用户的偏好，提供高信干噪比、高接收功率和低负载、低历史中断概率的VLC AP，在发射端为VLC AP设计可服务用户的用户质量评估权重，使VLC AP偏好选择抗干扰性强的用户服务；

步骤4：由AP质量评估权重和用户质量评估权重计算用户与AP之间的相互吸引力；

步骤5：由用户与AP之间的最大相互吸引力，为用户选择合理VLC接入点。

进一步，所述步骤2具体通过以下方式实现：

结合VLC AP与WiFi AP覆盖范围与用户位置，划分两类极端信道；

第一种为VLC信道极差情况，此类用户受遮挡干扰影响或用户处于VLC视距链路盲区，导致不能接收到VLC信号，为使此类用户在调度过程中不被抛弃，此类用户在初始分配过程中执行弱者保护原则即选择WiFiAP接入；

第二种为VLC信道极好情况，若在考虑遮挡状况后，用户接收信号仅来自单一VLCAP或WiFi AP，表明该用户在当前网络中信道状况最优，不受VLC相邻小区间干扰，此类用户是潜在的精英用户，此时分析单一VLC信号形成原因，将精英用户分为两类，若去除被遮挡VLC AP后用户满足精英条件，但实际上距可用剩余VLC AP较远，处于WiFi AP覆盖中心处，此时WiFi AP可能提供更强SINR，精英优先准则为此类用户评估接收到的VLC等效信噪比和WiFi信噪比，若VLC等效信干噪比ξ^WiFi(VLC)＞WiFi信噪比ξ^WiFi，则为用户选择VLC AP接入；反之，选择WiFi AP接入；第二类用户在可用VLC AP覆盖中心，此类用户利用精英优先准则直接接入VLC AP，抢占资源。

进一步，所述步骤3中，在接收端为用户u_j检测出在当前调度周期N的可用AP集合S_j，并根据可用AP集合为待分配用户u_j收集系统服务质量QoS信息，建立面向系统服务质量QoS的信息矩阵

为：

n＝4为步骤1输入QoS衡量个数，AP_i所提供各QoS越大，AP_i就越优秀；每行VLC AP_i属于u_j的可用AP集合；矩阵中元素为步骤1计算出的参数，ξ是AP_i为用户u_j提供的信干噪比；P_r为接收功率；设计

为u_j可用VLC AP_i历史中断概率P_hb的倒数，由各调度周期VLC AP中断概率可确定AP被遮挡状况，统计前N-1个调度周期中u_j可用VLC AP_i发生中断的次数可得历史中断概率P_hb，

驱使用户选择不易发生中断的VLC AP进行接入；L为VLC AP负载依据动态负载权重公式确定：

其中S_j为用户u_j检测出在当前调度周期N的可用AP集合，F_i表示VLC AP_i负载用户数，L_i,j值越大，AP_i的负载越轻；当F_i＝0也即AP_i空载时，L_i,j被赋予大于当前分配阶段全局最大L_i,j的权重值；动态负载权重公式能保证在接入点选择后期，用户能获得自适应加重的负载L_i,j权重，且随着(L_i,j)_global逐渐增大，空载AP会获得线性增加的权重值，以达到接入点选择后期为低分配等级用户优先选择空载AP，达到均衡AP负载的效果。

进一步，所述步骤3中，考虑到AP提供的各QoS对信道状况不同的接收端用户表现出差异化影响程度，为自适应修正各QoS对用户的不同影响，提出能根据用户所受干扰状况自适应修正的QoS权重w_n，对面向系统服务质量QoS的信息矩阵

进一步进行加权：

式中，e_n表示QoS_n的信息熵；max(e_n)、avg(e_n)分别为最大QoS信息熵和平均QoS信息熵；P_Ij为用户u_j的干扰指示系数，P_Ij被定义为：

其中I_j表示用户u_j的干扰AP总数，用户信道质量越好，I_j值越小；M为VLC AP总数；限制最大干扰指示系数P_Ij小于门限值P_th；自适应修正的QoS权重w_n保证若QoS_n信息熵大于平均值，则w_n根据用户所受干扰状况能进一步放大该QoS_n对接入决策的影响；若QoS_n信息熵小于平均值，则直接采用干扰指示系数P_Ij根据用户受干扰状况缩小QoS_n对接入决策的影响。

进一步，所述步骤3中，在发射端为VLC AP偏好选择抗干扰性强的用户服务，定义用户抗干扰系数P_PIRi,j：

其中P_PIRi,j为接收功率P_ri,j对抗干扰I_j，P_PIRi,j值越大，用户u_j的抗VLC AP_i临近小区干扰的性能越强；将用户抗干扰性能作为评价标准，定义表征VLC AP_i对用户u_j偏好的用户质量评估权重为：

用户质量评估权重保证从发射端考虑，若连接(VLC AP_i-u_j)的抗VLC AP_i临近小区干扰的性能越强，那么AP_i可服务的用户u_j的用户质量评估权重m_i,j取值越大，AP_i在所有可服务用户中将优先考虑为抗干扰性强的u_j进行服务。

进一步，所述步骤4中，依据得到的改进的AP质量评估权重和用户质量评估权重，计算用户与AP之间的相互吸引力g_i,j：

其中f_i,j为以接收端用户为中心求解的各可用AP质量评估权重；m_i,j为以发射端为中心考虑用户抗干扰性能求解的用户质量评估权重；N_j为用户u_j可用VLC AP总数；D_j,i为用户u_j与VLC AP_i间物理距离。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，为抑制VLC级联系统发射光路易被遮挡问题以及光视距链路盲区，采用两条优先分配原则；为加强用户与AP之间的相互选择，基于引力理论改进收-发端的关联关系。使用户偏好提供高信干噪比、高接收功率和低负载、低历史中断概率的可用AP进行接入，同时使AP偏好抗干扰性能强的用户进行服务。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法总流程图；

图2为基于引力理论的剩余用户接入选择方法流程图；

图3为室内VLC-WiFi混合通信系统下行链路模型；

图4为均匀方形布局下LOS信号盲区说明示意图；

图5为混合圆方形布局下LOS信号盲区说明示意图；

图6为图4布局下系统吞吐量随用户数变化情况；

图7为图5布局下系统吞吐量随用户数变化情况。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图3所示，为混合通信系统天花板上I个LED阵列，每个LED阵列被视为一个VLCAP包含多个低功率LED，覆盖一定范围并构成一个光小区。房间内部放置一个WiFi AP使WiFi网络覆盖整个房间。因可见光上行链路实现困难，所以本发明上行信号传输由WiFi网络承载。所有VLC AP和WiFi AP连接到同一中心控制器，用户通过WiFi链路向中心控制器发出资源请求后，中心控制器通过电力线向VLC或WiFi下行链路向用户传输资源分配信息。图4中VLC AP呈方形布局，方形房间长度为10m，VLC AP间隔2.5m，WiFi AP处于房间中心，图中紫色虚线圈表示用户采用FOV＝45°时，用户能够接收到VLC LoS信号范围。图5中VLC AP呈混合圆方形布局，方形房间长度为10m，房间角落VLC AP距墙1m，房间中心圆形VLC AP半径为3m，WiFi AP处于房间中心。

本发明提供一种如图3所示的室内VLC-WiFi混合通信系统下的接入选择方法，为抑制VLC级联系统发射光路易被遮挡问题以及光视距链路盲区，采用两条优先分配原则；为加强用户与AP之间的相互选择，基于引力理论改进收-发端的关联关系，使用户偏好提供高信干噪比、高接收功率和低负载、低历史中断概率的可用AP进行接入，同时使AP偏好抗干扰性能强的用户进行服务。

本发明首先分析结合VLC AP与WiFi AP覆盖范围与用户位置，为两类用户优先选择AP进行接入，提出弱者保护与精英优先两条原则，以保证两类极端用户的用户性能。弱者保护准则(VLC信道极差)：首先计算用户接收VLC信道增益：

其中：m为朗伯指数；φ_1/2为LED半功率角决定VLC光照覆盖范围；A_eff是PD接收机的检测面积；D_j,i为发射端与接收端之间的直线距离；φ是LED发射角；ψ是PD接收角；T_s(ψ)和g(ψ)分别为光滤波器和光集中器的增益；ψ_c是用户设备视场角FOV，决定用户能否接收到光LOS信号。若部分用户受遮挡干扰影响或用户处于VLC视距链路盲区(图5中用户1、2)，此时导致级联VLC信道增益小于0，为使此类用户在调度过程中不被抛弃，此类用户在初始分配过程中即选择WiFi AP接入。

精英优先准则(VLC信道极好)：若在考虑遮挡状况后，用户接收信号仅来自单一VLC AP或WiFi AP，表明该用户在当前网络中信道状况最优，且不受其它AP干扰，此类用户是潜在的精英用户。如图4所示，精英用户主要分为两类，第一类以用户4为代表，去除被遮挡VLC AP后用户4满足精英条件，但用户4距可用剩余VLC AP较远，处于WiFi AP覆盖中心处，此时WiFi AP可能提供更强SINR，所以精英优先准则为此类用户评估接收到的VLC等效信噪比ξ^WiFi(VLC)和WiFi信噪比：

式中，ξ^VLC是VLC网络等效前信干噪比，ξ^WiFi(VLC)是VLC网络等效后信干噪比，Γ_VLC＝5.4dB，Γ_WiFi＝3dB分别代表VLC网络与WiFi网络的信道编码损耗因子；B_VLC和B_WiFi分别代表VLC网络与WiFi网络的通信带宽。由公式(2)，若ξ^WiFi(VLC)＞ξ^WiFi，则为用户选择VLC AP接入；反之，选择WiFiAP接入；第二类以用户5为代表，在可用VLC AP覆盖中心，此类用户利用精英优先准则直接接入VLC AP，抢占VLC资源。

两类极端用户的优先分配过程完成后，在下面的接入点选择算法中，注重接收端用户与发射端VLC AP的差异化资源分配需求，分别基于用户角度和AP角度设计可用AP质量评估权重和可服务用户质量评估权重，通过模拟用户与AP间的万有引力表征用户与AP间的相互作用，从而使接入点选择算法能充分发掘网络资源，提高系统资源利用。

首先，通过中心控制器中存储的AP的ID编号，用户u_j检测出在当前调度周期N的可用AP集合S_j，并根据可用AP集合为待分配用户u_j收集混合系统服务质量QoS信息建立信息矩阵

为：

矩阵(3)中，n＝4为待评估的QoS个数，AP_i所提供各QoS越大，AP_i就越优秀；每行VLCAP_i属于u_j的可用AP集合；ξ是VLC AP_i为用户u_j提供的信干噪比；P_r为接收功率；设计

为u_j可用VLC AP_i历史中断概率P_hb的倒数，由各调度周期VLC AP中断概率可确定AP被遮挡状况，统计前N-1个调度周期中u_j可用VLC AP_i发生中断的次数可得历史中断概率P_hb，

驱使用户选择不易发生中断的VLC AP进行接入；设计动态负载系数L以调整接入点选择过程中，负载状况对决策的影响，L被定义为：

其中：F_i表示AP_i负载用户数，L_i,j值越大，AP_i的负载越轻。当F_i＝0也即AP_i空载时，L_i,j被赋予大于当前分配阶段全局最大L_i,j的权重值。公式(4)能保证在接入点选择后期，用户能获得自适应加重的负载L_i,j权重，且随着(L_i,j)_global逐渐增大，空载AP会获得线性增加的权重值，以达到接入点选择后期为低分配等级用户优先选择空载AP，达到均衡AP负载的效果。

其次，考虑到信干噪比、接收功率、负载系数和中断概率的量纲不同，在此对信息矩阵

进行无量纲处理，得到用户u_j的无量纲信息矩阵M_j＝[m_normal]_i×n，其中元素m_normal可由下式定义：

考虑到AP提供的各QoS对信道状况不同的接收端用户表现出差异化影响程度，本发明首先通过引入信息熵为接收端用户u_j客观描述各QoS影响程度，其次进一步引入用户干扰指示系数P_Ij设计能根据用户信道状况自适应修正的QoS权重w_n。

首先，计算各QoS的信息熵作为评估用户u_j各可用AP质量评估权重的客观依据，QoS_n的信息熵e_n可表示为：

式中，N_j＝|S_j|表示用户u_j可用VLC AP总数；p_i,n表示在无量纲信息矩阵M_j中，QoS_n对AP_i的影响与QoS_n对所有可用AP的影响之比。

然后，根据QoS_n所含信息量，结合用户所受干扰状况，设计自适应权重w_n来优化QoS_n在接入决策中的作用，自适应权重w_n被定义为：

式中，max(e_n)、avg(e_n)分别为最大QoS信息熵和平均QoS信息熵；P_Ij为用户u_j的干扰指示系数，P_Ij被定义为：

其中：I_j表示用户u_j的干扰AP总数，用户信道质量越好，I_j值越小；M为VLC AP总数；限制最大干扰指示系数P_Ij小于门限值P_th。公式(7)保证若QoS_n信息熵大于平均值，则w_n根据用户所受干扰状况能进一步放大该QoS_n对接入决策的影响；若QoS_n信息熵小于平均值，则直接采用干扰指示系数P_Ij根据用户受干扰状况缩小QoS_n对接入决策的影响。

其次，用自适应权重w_n对无量纲信息矩阵M_j进行优化加权，为接收端用户u_j求得综合考虑可用AP提供信干噪比、接收功率、负载系数和历史中断概率的加权信息矩阵W_j，矩阵中元素w_inf被定义为

最后，依据逼近理想解排序算法(TOPSIS)对加权信息矩阵W_j中各元素进行进一步处理，为接收端用户u_j得到每个可用AP的AP质量评估权重。根据TOPSIS理论，问题的最优解应与理想解的欧氏距离最近，而与负理想解的欧氏距离最远。由此，求得用户u_j的可用VLCAP_i的质量f_i,j为

其中：

和

分别是AP_i距负理想解与理想解的欧氏距离。AP_i的质量f_i,j值越大，表示当综合考虑信干噪比、接收功率、AP负载以及光链路中断对用户u_j获得AP资源的影响时，用户u_j在所有可用AP中对AP_i更为偏爱。

本发明设计的算法流程在为用户评估可用VLC AP的AP质量评估权重后，从AP角度评估表征AP对用户偏好的用户质量评估权重。用户质量评估权重取决于用户特征，考虑到级联VLC网络为实现无缝的光照覆盖，往往使多个LED的覆盖范围相互重叠，此时小区间干扰将严重影响网络的传输性能，所以本研究选取用户的抗干扰性能评估用户质量评估权重m_i,j，给定用户质量评估权重m_i,j如下

式中，P_PIRi,j为用户抗干扰系数，定义P_PIRi,j为

P_PIRi,j为接收功率对抗干扰，P_PIRi,j值越大，用户u_j的抗VLC AP_i临近光小区干扰的性能越强。公式(11)保证从发射端考虑，若连接(AP_i-u_j)的抗AP_i临近小区干扰的性能越强，那么AP_i可服务的用户u_j的用户质量评估权重m_i,j取值越大，AP_i在所有可服务用户中将优先考虑为抗干扰性强的u_j进行服务。

本发明设计的算法流程从AP角度评估表征AP对用户偏好的用户质量评估权重后，根据已求用户质量评估权重和AP质量评估权重，为接收端用户建立与AP的相互选择关系，定义用户与AP间引力公式为

其中：f_i,j为以接收端用户为中心求解的各可用AP质量评估权重；m_i,j为以发射端为中心考虑用户抗干扰性能求解的用户质量评估权重；N_j为用户u_j可用VLC AP总数；D_j,i为用户u_j与AP_i间物理距离。通过引力g_i,j建立用户u_j与AP_i双向选择关系，并为用户u_j选择相互作用最大的AP_d，标记二进制接入点选择记录变量s_j,d＝1。

下面将结合图1和图2对本发明的室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法进行更为具体的介绍，图1中步骤“为未分配用户集合Q中用户基于引力理论改进收-发端的关联关系执行接入选择”的具体步骤见图2，具体流程可分为以下几个步骤：

输入：室内系统参数(室内环境的尺寸、发射端LED阵列的数目、初始的LED发射功率、LED被遮挡概率、LED阵列的器件参数、接收机位置、接收机的参数、接收点数目等)。算法执行所需要的参数(包括QoS衡量个数、干扰指示系数门限值等)。

输出：用户接入标记矩阵S＝[s]_i×j。

步骤1：初始化用户编号j＝0，AP编号i＝0，用户接入标记矩阵S，未分配用户集合Q，AP质量评估权重矩阵F＝[f]_i×j，用户质量评估权重矩阵M_u＝[m]_i×j；

步骤2：判断j是否等于用户总数，若等于，输出用户接入标记矩阵S，未分配用户集合Q，转步骤4；否则，转步骤3。

步骤3：评估用户u_j是否满足初始分配条件，若满足，按照弱者保护或精英优先原则比较等效信噪比为用户选择WiFi AP_i或VLC AP_i接入，标记选择变量s_j,i＝1，j＝j+1，转步骤2；否则，将用户j加入未分配用户集合Q，j＝j+1，转步骤2。

(以下步骤见图2)

步骤4：用户j∈Q，j＝0，AP编号i＝0。

步骤5：判断j是否轮询完j∈Q中所有用户，若轮询完毕，更新AP质量矩阵F，转步骤8；否则，转步骤6。

步骤6：判断i是否轮询完用户j所有可用AP，若轮询完毕，j＝j+1，i＝0，转步骤5；否则，转步骤7。

步骤7：为用户j收集计算可用AP的信干噪比、接收功率、VLC AP负载状况以及VLCAP历史中断概率，根据公式(3)为用户计算信息矩阵

利用公式(7)结合用户干扰体验，计算各自适应权重w_n对信息矩阵

中各项加权，利用TOPSIS理论与公式(10)计算可用AP质量评估权重f_i,j，即用户对可用AP偏好，i＝i+1，转步骤6。

步骤8：用户j∈Q，j＝0，AP编号i＝0。

步骤9：判断i是否轮询完所有可用AP，若轮询完毕，更新用户质量矩阵M_u，转步骤12；否则，转步骤10。

步骤10：判断是否轮询完APi所有可服务用户j(j∈Q)，若轮询完毕，更新AP质量矩阵F，i＝i+1，j＝0，转步骤9；否则，转步骤11。

步骤11：根据用户接收功率和所受干扰状况，为每个VLC AP根据公式(12)评估连接(AP_i-u_j)的抗干扰性能，利用公式(11)得到可服务用户质量评估权重m_i,j。i＝i+1，转步骤10。

步骤12：用户编号j∈Q，令j＝0，AP编号i＝0。

步骤13：判断j是否轮询完j∈Q中所有用户，若轮询完毕，输出用户接入标记矩阵S，转步骤16；否则，转步骤14。

步骤14：判断i是否轮询完用户j所有可用AP，若轮询完毕，j＝j+1，转步骤16；否则，转步骤15。

步骤15：由公式(13)评估用户j与AP的相互作用，如果AP编号

标记分配变量s_j,d＝1；否则s_j,d＝0。j＝j+1，转步骤13。

步骤16：由步骤2和步骤13得出用户接入标记矩阵S，确定用户的最终接入选择。

下面将结合实例对本发明的室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法的优化效果进行分析：

假设室内环境参数取值如表1所示，且VLC AP布局如图4和图5所示。房间尺寸为10m×10m×3m为例，房间中心放置1个WiFi AP；用户设备距地面高度为1m。

表1室内系统参数

符号	含义	值
			P<sub>t</sub><sup>VLC</sup>	单VLC AP发射功率	15W
φ<sub>1/2</sub>	半功率角	60°
			–	AP中LED芯片数	10×10
–	LED芯片之间的间隔	0.01m
			T<sub>s0</sub>	滤波器增益	1.0
g<sub>0</sub>	集中器增益	1.0
			ψ<sub>c</sub>	接收机视场角	60°
A<sub>eff</sub>	检测器物理表面积	1.0cm<sup>2</sup>
			P<sub>sens</sub>	PD接收机灵敏度	0.52A/W
n<sub>lens</sub>	透镜反射指数	1.5
			P<sub>t</sub><sup>WiFi</sup>	WiFi接入点发射功率	20dBm
B<sub>VLC</sub>	VLC带宽	40MHz
			B<sub>WiFi</sub>	WiFi带宽	20MHz

如图6所示，为在图4所示布局下的本发明的室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法、基于等效SINR以及传统基于最大接收信噪比的三种AP分配算法的系统吞吐量性能。如图7所示，为在图5所示布局下的本发明的室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法、基于等效SINR以及传统基于最大接收信噪比的三种AP分配算法的系统吞吐量性能。对比两种布局仿真结果可看出，由于圆方形布局下AP分布比方形布局更为靠近房间中心，圆方形布局较方形均匀布局易受VLC中断概率的影响。受用户信息矩阵中历史中断概率的影响，本发明算法混合圆方形布局中系统吞吐量性能略低于方形均匀布局，而不考虑历史中断概率的两种算法能在干扰状况较为简单的圆方形布局下获得更优的吞吐量，但发明的方法仍然能保持系统吞吐量优势，系统吞吐量较于基于等效SINR算法在两种布局中分别提高了77.3％和11.4％。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，其特征在于：为抑制VLC级联系统发射光路易被遮挡问题以及光视距链路盲区，根据VLC信道状况，为VLC极端信道状况下的用户设计优先接入原则；为加强用户与AP之间的相互选择，基于引力理论改进收-发端的关联关系，设计改进的用户质量评估权重与接入点AP质量评估权重，找到用户与AP之间的最强吸引来优化用户的AP接入决策；包括以下步骤：

步骤1：输入室内系统参数包括：根据室内环境的尺寸、发射端LED阵列的数目、初始的LED发射功率、LED被遮挡概率、LED阵列的器件参数、接收机位置、接收机的参数和接收点数目参数，为每个用户统计可用VLC AP集合，并计算信道增益，接收功率，信干噪比等室内VLC-WiFi混合通信系统参数；输入算法执行所需要的参数包括：混合通信系统服务质量QoS衡量个数和干扰指示系数门限值；

步骤2：依据用户在VLC系统下信道增益与用户位置，将用户进行分类，将用户分为：极端VLC信道状况下用户，即可用VLC发射光路全部被遮挡或处于光视距链路盲区以及用户不受VLC相邻小区间干扰，以及剩余用户，并为极端VLC信道状况下用户优先选择接入点；

步骤3：为剩余用户在接收端建立面向系统服务质量QoS的加权信息矩阵，为用户评估可用AP质量评估权重，根据用户的偏好，提供高信干噪比、高接收功率和低负载、低历史中断概率的VLC AP，在发射端为VLC AP设计可服务用户的用户质量评估权重，使VLC AP偏好选择抗干扰性强的用户服务；

步骤4：由AP质量评估权重和用户质量评估权重计算用户与AP之间的相互吸引力；

步骤5：由用户与AP之间的最大相互吸引力，为用户选择合理VLC接入点；

所述步骤4中，依据得到的改进的AP质量评估权重和用户质量评估权重，计算用户与AP之间的相互吸引力g_i,j：

其中f_i,j为以接收端用户为中心求解的各可用AP质量评估权重；m_i,j为以发射端为中心考虑用户抗干扰性能求解的用户质量评估权重；N_j为用户u_j可用VLC AP总数；D_j,i为用户u_j与VLC AP_i间物理距离。

2.根据权利要求1所述的一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，其特征在于：所述步骤2具体通过以下方式实现：

结合VLC AP与WiFi AP覆盖范围与用户位置，划分两类极端信道；

第一种为VLC信道极差情况，此类用户受遮挡干扰影响或用户处于VLC视距链路盲区，导致不能接收到VLC信号，为使此类用户在调度过程中不被抛弃，此类用户在初始分配过程中执行弱者保护原则即选择WiFi AP接入；

第二种为VLC信道极好情况，若在考虑遮挡状况后，用户接收信号仅来自单一VLC AP或WiFi AP，表明该用户在当前网络中信道状况最优，不受VLC相邻小区间干扰，此类用户是潜在的精英用户，此时分析单一VLC信号形成原因，将精英用户分为两类，若去除被遮挡VLCAP后用户满足精英条件，但实际上距可用剩余VLC AP较远，处于WiFi AP覆盖中心处，此时WiFi AP可能提供更强SINR，精英优先准则为此类用户评估接收到的VLC等效信噪比和WiFi信噪比，若VLC等效信干噪比ξ^WiFi(VLC)＞WiFi信噪比ξ^WiFi，则为用户选择VLC AP接入；反之，选择WiFi AP接入；第二类用户在可用VLC AP覆盖中心，此类用户利用精英优先准则直接接入VLC AP，抢占资源。

3.根据权利要求1所述的一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，其特征在于：所述步骤3中，在接收端为用户u_j检测出在当前调度周期N的可用AP集合S_j，并根据可用AP集合为待分配用户u_j收集系统服务质量QoS信息，建立面向系统服务质量QoS的信息矩阵

为：

n＝4为步骤1输入QoS衡量个数，AP_i所提供各QoS越大，AP_i就越优秀；每行VLC AP_i属于u_j的可用AP集合；矩阵中元素为步骤1计算出的参数，ξ是AP_i为用户u_j提供的信干噪比；P_r为接收功率；设计

为u_j可用VLC AP_i历史中断概率P_hb的倒数，由各调度周期VLC AP中断概率可确定AP被遮挡状况，统计前N-1个调度周期中u_j可用VLC AP_i发生中断的次数可得历史中断概率P_hb，

驱使用户选择不易发生中断的VLC AP进行接入；L为VLC AP负载依据动态负载权重公式确定：

其中S_j为用户u_j检测出在当前调度周期N的可用AP集合，F_i表示VLC AP_i负载用户数，L_i,j值越大，AP_i的负载越轻；当F_i＝0也即AP_i空载时，L_i,j被赋予大于当前分配阶段全局最大L_i,j的权重值；动态负载权重公式能保证在接入点选择后期，用户能获得自适应加重的负载L_i,j权重，且随着(L_i,j)_global逐渐增大，空载AP会获得线性增加的权重值，以达到接入点选择后期为低分配等级用户优先选择空载AP，达到均衡AP负载的效果。

4.根据权利要求1所述的一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，其特征在于：所述步骤3中，考虑到AP提供的各QoS对信道状况不同的接收端用户表现出差异化影响程度，为自适应修正各QoS对用户的不同影响，提出能根据用户所受干扰状况自适应修正的QoS权重w_n，对面向系统服务质量QoS的信息矩阵

进一步进行加权：

式中，e_n表示QoS_n的信息熵；max(e_n)、avg(e_n)分别为最大QoS信息熵和平均QoS信息熵；P_Ij为用户u_j的干扰指示系数，P_Ij被定义为：

其中I_j表示用户u_j的干扰AP总数，用户信道质量越好，I_j值越小；M为VLC AP总数；限制最大干扰指示系数P_Ij小于门限值P_th；自适应修正的QoS权重w_n保证若QoS_n信息熵大于平均值，则w_n根据用户所受干扰状况能进一步放大该QoS_n对接入决策的影响；若QoS_n信息熵小于平均值，则直接采用干扰指示系数P_Ij根据用户受干扰状况缩小QoS_n对接入决策的影响。

5.根据权利要求1所述的一种室内VLC-WiFi混合通信系统接入选择方法，其特征在于：所述步骤3中，在发射端为VLC AP偏好选择抗干扰性强的用户服务，定义用户抗干扰系数P_PIRi,j：

其中P_PIRi,j为接收功率P_ri,j对抗干扰I_j，P_PIRi,j值越大，用户u_j的抗VLC AP_i临近小区干扰的性能越强；将用户抗干扰性能作为评价标准，定义表征VLC AP_i对用户u_j偏好的用户质量评估权重为：

用户质量评估权重保证从发射端考虑，若连接(VLC AP_i-u_j)的抗VLC AP_i临近小区干扰的性能越强，那么AP_i可服务的用户u_j的用户质量评估权重m_i,j取值越大，AP_i在所有可服务用户中将优先考虑为抗干扰性强的u_j进行服务。

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