CN109756270B

CN109756270B - 一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法

Info

Publication number: CN109756270B
Application number: CN201910139860.6A
Authority: CN
Inventors: 陈勇; 李绍举; 刘焕淋
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Shenzhen Wanzhida Technology Transfer Center Co ltd
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: CN109756270A

Abstract

本发明涉及一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，属于光通信技术领域。本发明所述的方法通过采用改进的禁忌搜索算法搜寻最优动态频率复用方案，抑制可见光通信系统中的小区间干扰和用户间干扰，提升系统通信性能。在本发明中，建立了联合收发端的干扰图作为明确干扰关系的依据；设计了基于干扰图的算法解结构及邻域结构；改进了禁忌过程中的禁忌表策略以避免陷入局部最优；根据负载情况对频带进行动态划分，实现频率的动态复用。本发明所述方法能够有效抑制室内可见光通信系统中的小区间干扰和用户间干扰，能在保证通信公平性的基础上提高系统通信的数据速率和平均频谱效率。

Description

一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法。

背景技术

随着智能移动终端数量的迅速增长和有高服务质量要求的多媒体服务需求的急剧增加，现有无线射频网络面临巨大挑战。使用市售的LED的可见光通信技术凭借自身低功耗、高安全性、无电磁干扰及无需频谱认证等优势成为下一代无线通信网络的关键技术。在实际应用场景中，可见光通信系统的发射端LED通常密集地部署在天花板上，从而实现照明和高速率数据传输需要。此时，便会不可避免地出现重叠区域，而位于此区域内的用户将会遭受小区间干扰。此外，同一小区中的所有用户竞争相同的资源会导致用户间干扰。这两种干扰的产生将会导致系统通信速率和平均频谱效率的降低，进而使用户无法享受到优越的通信服务质量。因此，研究室内可见光通信系统干扰抑制方法具有重要意义。

目前针对室内可见光通信系统下行干扰抑制方法的研究大致有资源调度、载波分配和频率复用等几类。其中利用资源调度的干扰抑制方法通过寻找最大无干扰独立集的方式抑制干扰，但当室内用户数增多时，其复杂度大大增加。基于载波分配的干扰抑制方法无法保证干扰的最小化，而传统基于频率复用的干扰抑制方法由于划分的子频带的长度固定，会导致频带资源浪费，且无法保证干扰最小化。因而相对理想的方案是在传统频率复用的基础上根据负载情况动态调整频段长度，并寻找最佳的频率复用方案。目前这类方案的问题在于如何选择或改进合适的算法搜索最佳方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，该方法基于改进的禁忌搜索算法搜索最优频率复用方案，使得存在干扰的用户采用不同频段，以此来抑制干扰，从而提升系统通信性能，提高系统通信速率和平均频谱效率。为了使系统中的小区间干扰和用户间干扰最小化，该方法将干扰最小化问题转化为干扰图中的边数最小化问题，以此作为算法初始解构造的依据。然后根据所设计的邻域结构更新算法解，将基于干扰图中边总数的评价函数作为选择解的依据。而后设计双向双禁忌表策略存储当前最优解和历史最优解。最后判断禁忌解是否满足特赦准则，决定是否将禁忌解解禁。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，采用改进的禁忌搜索算法搜索最佳频率复用方案，为每个AP确定最优的频段占用方案。该方法的输入为：已知的系统参数包括：室内环境的尺寸、发射端LED AP布局坐标、LED发射功率、LED器件固有参数、接收机数目、接收机器件固有参数等。输入算法执行所需要的参数主要包括：接收机之间干扰情况、初始频率复用方案、划分频段数目、用户位置、禁忌表长度、最优解保持不变的迭代次数等。

进一步地，根据发射端AP位置和用户分布情况，采用最佳信道策略将用户接入AP。即：用户总是选择接入能接收到的所有AP中信道条件最好的AP。当出现用户可接收到多个具有相同信道条件的AP信号时，用户随机选择一个AP接入。假设一个用户仅由一个AP提供服务，不考虑协同传输情况。

进一步地，结合发射端AP位置和接收端用户位置情况，建立干扰图，明确干扰关系，将干扰最小化问题转化为干扰图中边总数最小化问题，并作为构造算法初始解的依据。

进一步地，依据用户干扰关系和频段信息构建算法解结构：

其中，第一行分量表示用户索引值，第二行分量f_j则表示相应用户划分频段的分配结果。算法的每个解对应一种频率复用方案。

算法新解的产生依赖于设计的算法邻域结构：

其中，n为用户索引号，f_p、f_q则分别表示用户所被分配到的频段。上式表示分配给用户n的频段由f_p变化为f_q。算法邻域采用互换操作，遍历可行解的所有邻域解，即对每个用户被分配的频段进行两两交换。

进一步地，依据评价函数判断解的优劣，对优于当前最优解的解执行禁忌操作，存入禁忌表。对短禁忌表中的禁忌解，判断特赦准则决定是否将解释放。直至算法终止后输出最优解作为最终的频率复用方案。

最后，结合初始的用户接入方案和搜索得到的最终动态频率复用方案，确定每个AP的频率占用情况，而每段频带的长度则由每个频带的负载即方案中被分配使用该频带的用户数决定。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，为明确干扰关系，联合收发端建立了干扰图，并依据此干扰图得出的干扰关系构造算法初始解。此外设计邻域结构以更新算法解并根据基于干扰边的评价函数判断解的优劣。同时采用设计的双向双禁忌表策略对最优解执行禁忌操作，采用特赦准则判断是否解禁，避免漏掉最优解。最后，根据每个频段的负载情况确定每个频段的长度，实现动态频率复用，实现干扰最小化，提升系统性能。

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基于改进禁忌搜索算法的动态频率复用总流程图；

图2室内可见光通信系统下行链路示意图；

图3室内可见光通信系统干扰图；

图4双向双禁忌表结构示意图；

图5动态频率复用示意图；

图6LED阵列布局示意图：(a)均匀布局；(b)六边形布局。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施方式进行详细的描述。

本发明提供的一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，在特定的室内环境下利用改进的禁忌搜索算法搜索最佳频率复用方案，使得存在干扰的用户采用不同频段，以此来抑制干扰，从而提升系统通信性能，提高系统通信速率和平均频谱效率。本发明首先根据输入的系统参数构建系统信道模型，直射链路的信道增益为：

公式(1)中，A为PD接收机的有效接收面积，d为LED与PD接收机之间直线距离，λ为视距链路中断概率，φ和ψ分别表示LED发射角和PD入射角，在直射链路中两者相等。m为朗伯指数，其表达式为：m＝-ln2/ln(cos(φ_1/2))，φ_1/2为LED半功率角。ψ_FOV为PD的半视场角(Field of View,FOV)，T_s(ψ)和g(ψ)分别为光滤波器和光集中器的增益，其中g(ψ)定义如下：

n是PD透镜的折射系数。

一阶反射链路的信道增益计算方式如公式(3)所示：

公式(3)中，d₁为LED到反射点距离，d₂为反射点到接收端距离，α为反射点的入射角，β为反射点到接收端的散射角，ρ为反射因子，dA_wall为反射元的面积，其余参数与公式(1)中物理意义相同。为了便于理解各个参数的关系，在附图2中给出室内可见光通信系统下行链路示意图。

由此，非视距链路的增益便可表示为公式(4)：

H_NLOS(0)＝H_ref(0)＝∫_walldH_ref(0) (4)

基于此信道模型，为清楚描述干扰关系，构建算法初始解，联合收发端建立干扰图G＝<V,E>，其中顶点集V＝{v₁,v₂,…,v_M}中每个元素均代表一个用户，而边集E＝{e₁,e₂,…}则表示干扰集，由系统中所有用户的干扰情况决定。若AP l_i和AP l_j之间存在干扰，则用e_m＝(v_i,v_j)表示。为便于理解各个参数的含义，在附图3中给出室内可见光通信系统干扰图。

定义S为系统总干扰，优化目标便可表述为minS。基于干扰图，将干扰最小化问题转化为干扰图中总边数最小化问题，如公式(5)：

公式(5)中，限制条件C2中的X为可行解矩阵，而限制条件C1中的x_i,j则为矩阵X中的组成元素，x_i,j＝1表示用户u_i受到用户u_j的干扰，而x_i,j＝0则表示用户u_i和u_j之间不存在干扰。

基于此，构造算法初始解结构，如公式(6)：

算法新解的产生依赖于设计的算法邻域结构，如公式(7)：

进一步地，依据评价函数判断解的优劣，评价函数设计如公式(8)：

f(s)＝E(V₁)+E(V₂)+...+E(V_K) (8)

公式(8)中，V_i为所有被分配索引为i的频段的用户所组成的集合，而E(V_i)则表示集合V_i中的总边数。根据优化目标，评价函数f(s)值越小，解越优。

对优于当前最优解的解执行禁忌操作，存入禁忌表。禁忌表分为短禁忌表和长禁忌表两种，短禁忌表用于记录需要禁忌的解，而后者则用于存储历史最优解。普通禁忌解在禁忌代数减为0后从禁忌表中移除，而长禁忌表中存储的历史最优解则不会被释放。两个禁忌表的结构均为L×4的矩阵，矩阵第一列和第二列元素分别表示禁忌用户的索引及其当前占用的频段。矩阵第三列元素用于存放即将分配给该禁忌用户的频段，而第四列元素则用于记录解仍需保留在禁忌表中的迭代次数。此外，采用双向禁忌策略，限制重复移动并防止返回原始禁忌状态。为了便于理解各个参数的关系，在附图3中给出算法双向双禁忌表结构示意图。

由于使用禁忌表策略限制邻域可能错过某些卓越的解，故算法定义特赦准则。对于每次迭代，如果禁忌解优于所达到的最佳移动或所有解都位于禁忌表中，则用特赦准则将禁忌解特赦，特赦准则具体表述如公式(9)：

f(s)≤f(s^*) (9)

公式(9)中，s^*和s分别表示历史最优解和当前解。

下面将结合附图1对本发明的室内可见光通信系统下行干扰抑制方法进行更为具体地介绍，具体流程可分为以下几个步骤：

输入：室内系统参数(包括：室内环境的尺寸、发射端LED AP布局坐标、LED发射功率、LED器件固有参数、接收机数目、接收机器件固有参数等)和算法执行所需要的参数(包括：接收机之间干扰情况、初始频率复用方案、划分频段数目、用户位置、禁忌表长度、最优解保持不变的迭代次数等)。

输出：每个AP的频段占用结果。

步骤1：根据发射端AP布局和接收端用户分布，构建干扰图，明确干扰关系；

步骤2：根据用户信道状况，按照信道最优策略为每个用户选择接入AP；

步骤3：初始化：待分配AP集合

划分频段数K，迭代次数i＝0，初始解S₀，当前最优解S_best＝S₀，短禁忌表

长禁忌表

最优解保持不变的代数i_unchanged＝0；

步骤4：判断评价函数f(s)＝0或连续20代最优解评价函数保持不变，若满足，转步骤13；若不满足，则由当前解依据邻域结构生成当前解的邻域，选出候选解集；

步骤5：判断候选解集是否为空，若为空，则执行特赦准则，解禁最优解，并将其作为当前解；否则，继续执行步骤6；

步骤6：根据评价函数公式(8)从候选解集中选出邻域最优解；

步骤7：判断此邻域最优解是否在禁忌表中，若是，继续执行步骤8；否则，转步骤10；

步骤8：判断此邻域最优解是否在短禁忌表中，若是，继续执行步骤9；否则，转步骤6；

步骤9：判断该邻域最优解是否满足特赦准则，若是，则将邻域最优解解禁，作为当前解，更新禁忌表；否则，继续执行步骤10；

步骤10：判断此邻域最优解是否优于当前最优解，若是，转步骤11；否则，转步骤4；

步骤11：将邻域最优解设置为当前解和当前最优解，并将其加入禁忌表，更新禁忌表；

步骤12：判断是否满足终止条件，若满足，继续执行步骤13；否则，转步骤4；

步骤13：算法结束，输出最优频率复用方案。

步骤14：结合用户接入AP情况和最优频率复用方案，确定出每个AP的频段使用情况，而每个频段的长度由该AP所服务的用户中占用此频段的用户数决定。

下面将结合实例对本发明的室内可见光通信系统下行干扰抑制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LED阵列布局如附图6所示。

表1室内系统参数

符号	含义	值
			L错误！未找到引用源。W×H	房间尺寸	18m×18m×3m
N<sub>LED</sub>	LED阵列数目	49
			φ<sub>1/2</sub>	LED半功率角	60°
P<sub>t</sub>	LED阵列发射功率	5W
			T<sub>s0</sub>	光滤波器增益	1.0
g<sub>0</sub>	光集中器增益	1.0
			ψ<sub>FOV</sub>	PD接收机视场角	60°
A	PD接收机有效接收面积	1.0cm<sup>2</sup>
			P<sub>sens</sub>	PD接收机灵敏度	0.52A/W
λ	反射系数	0.7
			B	系统带宽	20MHz

最后说明的是，以上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

1.一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，其特征在于：采用改进的禁忌搜索算法找到最优的动态频率复用方案来抑制干扰，包括以下步骤：

步骤1：输入已知的系统参数和算法执行所需的参数，执行用户接入策略，得到室内环境下用户的接入方案并输出；

其中，已知的系统参数包括：室内系统参数包括：室内环境的尺寸、发射端LED AP布局坐标、LED发射功率、LED器件固有参数、接收机数目、接收机器件固有参数；算法执行所需要的参数包括：接收机之间干扰情况、初始频率复用方案、划分频段数目、用户位置、禁忌表长度、最优解保持不变的迭代次数；

执行用户接入策略为：根据发射端AP位置和用户分布情况，采用最佳信道策略将用户接入AP，即：用户总是选择接入能接收到的所有AP中信道条件最好的AP，当出现用户可接收到多个具有相同信道条件的AP信号时，用户随机选择一个AP接入，这里，假设一个用户仅由一个AP提供服务，不考虑协同传输情况；

步骤2：执行改进的禁忌搜索算法，得到最优频率复用方案并输出；

其中，改进的禁忌搜索算法过程为：结合发射端AP位置和接收端用户位置情况，建立干扰图，明确干扰关系；依据所设计的解结构及干扰关系，生成初始解；然后根据所设计的邻域结构更新算法的当前解及当前最优解并根据评价函数进行最优解的选择；判断邻域最优解与当前最优解之间关系，若前者优于后者，将邻域最优解存入禁忌表，依据所设计的禁忌表结构更新当前解及最优解；否则，继续执行算法；最后依据特赦准则解禁禁忌解，直到满足算法终止条件并输出最优频率复用方案；

步骤3：结合步骤1得到的用户接入方案和步骤2得到的最优频率复用方案，确定每个接入点频段使用情况，而每段频带的长度则由每个频带的负载即方案中被分配使用该频带的用户数决定。

2.根据权利要求1所述的一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，其特征在于步骤2中设计的基于用户干扰关系和频段信息的解结构：

其中，第一行分量表示用户索引值，第二行分量f_j则表示相应用户划分频段的分配结果，算法的每个解对应一种频率复用方案；

算法新解的产生依赖于设计的算法邻域结构：

其中，n为用户索引号，f_p、f_q则分别表示用户所被分配到的频段，上式表示分配给用户n的频段由f_p变化为f_q，算法邻域采用互换操作，遍历可行解的所有邻域解，即对每个用户被分配的频段进行两两交换。

3.根据权利要求1所述的一种室内可见光通信系统下行干扰抑制方法，其特征在于：步骤2中禁忌表采用双向双禁忌表结构：禁忌表分为短禁忌表和长禁忌表两种，短禁忌表用于记录需要禁忌的解，而后者则用于存储历史最优解；普通禁忌解在禁忌代数减为0后从禁忌表中移除，而长禁忌表中存储的历史最优解则不会被释放；两个禁忌表的结构均为L×4的矩阵，矩阵第一列和第二列元素分别表示禁忌用户的索引及其当前占用的频段；矩阵第三列元素用于存放即将分配给该禁忌用户的频段，而第四列元素则用于记录解仍需保留在禁忌表中的迭代次数；此外，采用双向禁忌策略，限制重复移动并防止返回原始禁忌状态。