CN114938244A - 基于协作传输的室内vlc网络的时频资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法，属于光通信技术领域。本发明所述的方法首先依据用户与接入点(Access Point,AP)的信道增益和AP的发射功率构造AP的加权无向干扰图，采用基于协作AP分簇的时间资源分配算法确定协作AP簇的数目，协作AP簇集合和协作AP簇的用户集合；其次，依据每个协作AP簇内的用户速率需求，确定用户在每个协作AP簇的调度时间占比；最后，采用基于干扰容忍的子载波分配算法确定每个协作AP簇的子载波关联矩阵，确定用户采用的子载波。本发明所述方法采用基于协作传输的资源分配方法，为室内VLC网络的用户分配时间资源和子载波资源，以改善室内VLC网络中多个VLC AP密集部署带来的小区间干扰，提升系统吞吐量和用户满意度。

Description

基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法。

背景技术

可见光通信(VisibleLightCommunication,VLC)凭借频谱带宽大、抗电磁干扰、绿色节能等优点，已经得到广泛的关注和研究。为了实现室内通信的全覆盖，室内VLC网络采用多个接入点(AccessPoint,AP)密集部署的方式。然而，多个VLCAP的通信覆盖面积会相互重叠，位于光重叠覆盖区域的用户与其他用户复用相同频段，这将导致小区间干扰(InterCell Interference,ICI)问题，而小区间干扰是提升系统吞吐量的主要阻碍之一。一方面，通过正交的频谱分配方式，可以有效地降低ICI，但是频谱资源利用率低。另一方面，在干扰容忍范围内允许多个用户复用相同的子载波，可以有效地提高频谱资源利用率。因此，干扰管理的主要思路设计一种基于协作传输和时频资源联合控制的资源分配方法，旨在降低小区间干扰的同时提高资源利用率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法，在降低小区间干扰的同时提升资源利用率，以此提高系统吞吐量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法包括以下步骤：

S1：输入用户集合，VLC AP集合，VLCAP数目N，子载波数目，子载波带宽，用户速率需求，VLC噪声功率谱密度，VLCAP发射功率，用户的信干噪比阈值；设协作AP簇数目为K；初始化用户集合为{1,2,…,20}、VLCAP集合为{1,2,…,9}、VLCAP数目N为9、子载波数目为20、VLC子载波带宽为2MHz、用户速率需求的取值范围为{10Mbps,20Mbps,30Mbps,40Mbps}、VLC噪声功率谱密度为1×10^-21、VLCAP发射功率为10W、用户的信干噪比阈值为10dB；对室内VLC网络的M个用户和N个AP，根据VLC的朗伯辐射模型计算用户到各AP的信道增益，每个用户选择信道增益最大的3个候选AP，确定各用户的服务AP集合和各AP的服务用户集合；依据用户到AP的信道增益和AP的发射功率，构造AP的加权无向干扰图G＝{V,E}，其中，节点集V表示室内VLC网络的N个AP集合，边集E表示所有边的权重值集合，且E＝{e_r,j|r＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N}，e_r,j的计算公式如下：

其中，ζ_r,j＝A_j-A_r表示AP r的干扰用户集合；ζ_j,r＝A_r-A_j表示APj的干扰用户集合；A_j为APj的服务用户集合；A_r为AP r的服务用户集合；A_j-A_r表示A_j集合与A_r集合的差集，A_j-A_r＝{i|i∈A_j,且

}；A_r-A_j表示A_r集合与A_j集合的差集，A_r-A_j＝{i|i∈A_r,且

}；

表示节点AP r对节点APj产生的干扰信号强度，

表示节点APj对节点AP r产生的干扰信号强度；节点APj和节点AP r的边权重值为两个节点的干扰信号强度的最大值；γ为光电探测器的光电转换效率，取值为0.53A/W；h_i,j为用户i到APj的信道增益；P_j为APj的发射功率；

S2：在G＝{V,E}中，采用基于协作AP分簇的时间资源分配算法，该算法先确定协作AP簇数目K，K个协作AP簇集合和每个协作AP簇的服务用户集合，再依据每个协作AP簇内的用户速率需求，确定每个用户在各个协作AP簇的调度时间占比；

S3：依次对K个协作AP簇执行基于干扰容忍的子载波分配算法，确定每个协作AP簇的子载波关联矩阵；

S4：依据K个协作AP簇的调度时间占比和K个协作AP簇的子载波关联矩阵，为每个用户分配时间资源和子载波资源；

进一步，所述S2的基于协作AP分簇的时间资源分配算法的具体方法为：

S201：依据用户信干噪比，K个协作AP簇的平均频谱效率的计算公式如下：

其中，

为第k个协作AP簇的平均用户信干噪比；Ω_k为第k个协作AP簇的服务用户集合，且Ω_k为第k个协作AP簇中所有AP的服务用户集合的并集；η_i,k为第k个协作AP簇的用户i的信干噪比，用户信干噪比的计算公式如下：

其中，C_i,k为用户i在第k个协作AP簇的服务AP集合，且C_i,k集合为N_k集合和C_i集合的交集，N_k为第k个协作AP簇，C_i为用户i的服务AP集合；Q_i,k为用户i在第k个协作AP簇的干扰AP集合，Q_i,k集合为C_i,k集合在N_k集合中的补集；B₀为VLC子载波带宽；n₀为噪声功率谱密度；用户信干噪比的分子为有用信号强度，用户信干噪比的分母为干扰信号强度和噪声强度之和；

S202：初始化K＝1，计算U(K)，令K＝K+1；

S203：依据边权重值，AP的总干扰系数的计算公式如下：

其中，E_j为室内VLC网络中APj的总干扰系数；

S204：按照各AP的总干扰系数由大到小的顺序对AP进行排序，前K个AP分配到K个协作AP簇，将未分簇的AP记入簇成员集合；

S205：若簇成员集合为空集，则计算U(K)，执行步骤S206；否则，从簇成员集合中选择总干扰系数最小的AP，将该AP加入协作AP簇中干扰最小的AP簇，将该AP从簇成员集合中删除，执行步骤S205；

S206：若U(K)<U(K-1)，则K＝K-1，确定K个协作AP簇集合和K个协作AP簇的服务用户集合，执行步骤S207；否则，进一步判断K＝N是否成立，若是，K＝N，确定K个协作AP簇集合和K个协作AP簇的服务用户集合，执行步骤S207；否则，K＝K+1，执行步骤S204；

S207：依据每个协作AP簇的用户速率需求，协作AP簇的调度时间占比的计算公式如下：

其中，τ_k为第k个协作AP簇的调度时间占比；D_i为用户i的用户速率需求；

进一步，所述S3的基于干扰容忍的子载波分配算法的具体方法为：

S301：依据η_i,k≥η_th，用户的干扰强度阈值的计算公式如下：

其中，I_i,th为Ω_k集合中用户i的干扰强度阈值；η_th为用户的信干噪比阈值；

S302：依据用户速率需求和用户的传输速率，用户的子载波关联优先级的计算公式如下：

其中，χ_i为Ω_k集合中用户i的子载波关联优先级；R_i为用户i的传输速率，计算公式如下：

其中，L为子载波数目；z_i,l,k为第k个协作AP簇的子载波关联矩阵中第i行第l列的元素，z_i,l,k取值为0或1，记第k个协作AP簇的子载波关联矩阵为Z_k；

S303：设l＝1，Z_k＝[0]_M×L；

S304：从Ω_k集合中选择子载波关联优先级最高的用户i*，将Z_k的第i*行第l列的元素赋为1；执行步骤S305；

S305：若Q_i*,k集合为空集，则执行步骤S309；否则，由用户到AP的信道增益和AP的发射功率，计算Q_i*,k集合中APj与用户i*的干扰信号强度，从Q_i*,k集合中选择干扰信号强度最小的APj*，执行步骤S306；

S306：若A_j*集合为空集，则从Q_i*,k集合中删除APj*，执行步骤S305；否则，从A_j*集合中选择信道增益最大的用户i'，执行步骤S307；

S307：若C_i*,k集合和C_i',k集合的交集不为空集，则从A_j*集合中删除用户i'，执行步骤S306；否则，由用户到AP的信道增益和AP的发射功率，计算C_i',k集合的所有AP到用户i*的干扰强度之和，记干扰强度之和为I'，执行步骤S308；

S308：若I'>I_i*,th，则从A_j*集合中删除用户i'，执行步骤S306；否则，将Z_k的第i'行第l列的元素赋为1，执行步骤S309；

S309：若l>L，则输出；否则，l＝l+1，转步骤S304；

进一步，所述S4为每个用户分配时间资源和子载波资源的具体方法为：

S401：从用户集合的第一个用户，记用户的编号为i；

S402：初始化协作AP簇的编号k＝1；

S403：若Z_k矩阵的第i行中存在不为0的元素，则为用户i分配调度时间占比τ_k，为用户i分配第i行中所有不为0的元素对应的子载波编号，执行步骤S404；否则，执行步骤S404；

S404：若k>K，则执行步骤S405；否则，k＝k+1，执行步骤S403；

S405：若用户集合的所有用户已经被遍历，则输出每个用户在其协作AP簇的时间资源和子载波资源；否则，从用户集合中选择下一个用户，用户的编号为i＝i+1，执行步骤S402；

本发明的有益效果在于：本发明提供基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法。首先，对于室内VLC网络的AP，依据AP加权无向干扰图为所有VLC AP进行分簇，将相互干扰较小或者共同服务的用户数目较多的多个AP分到相同的协作AP簇，降低ICI；然后，依据用户速率需求为每个协作AP簇分配不同的调度时间占比，消除不同协作AP簇的簇间干扰；最后，设计用户的子载波分配优先级，以干扰容忍的思想进行子载波复用，旨在降低干扰的同时提高子载波利用率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1室内VLC网络AP的加权无向干扰示意图；

图2基于协作AP分簇的时间资源分配算法流程图；

图3基于干扰容忍的子载波分配算法流程图；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明依据用户到AP的信道增益和AP的发射功率，节点APj和节点AP r的边权重值计算方法为：

其中，ζ_r,j＝A_j-A_r表示AP r的干扰用户集合；ζ_j,r＝A_r-A_j表示APj的干扰用户集合；A_j为APj的服务用户集合；A_r为AP r的服务用户集合；γ为光电探测器的光电转换效率，取值为0.53A/W；h_i,j为用户i到APj的信道增益；P_j为APj的发射功率；

本发明依据每个协作AP簇的用户信干噪比，定义K个协作AP簇的平均频谱效率U(K)，其计算公式如下：

公式(2)中，

为第k个协作AP簇的平均用户信干噪比；Ω_k为第k个协作AP簇的服务用户集合；η_i,k为第k个协作AP簇的用户i的用户信干噪比，其计算公式如下：

公式(3)中，C_i,k为用户i在第k个协作AP簇的服务AP集合；Q_i,k为用户i在第k个协作AP簇的干扰AP集合；B₀为子载波带宽；n₀为噪声功率谱密度。

本发明依据每个协作AP簇中服务用户的用户速率需求，定义第k个协作AP簇的调度时间占比，如下所示：

公式(4)中，D_i为用户i的用户速率需求。

本发明依据用户的信干噪比阈值为每个用户设置干扰强度阈值，计算方法为：

公式(5)中，η_th为用户的信干噪比阈值。

本发明依据用户请求速率与信道传输速率设置用户的子载波关联优先级，计算方法为：

公式(6)中，R_i为用户i在调度周期内的传输速率，其计算公式如下：

公式(7)中，L为子载波数目；z_i,l,k为用户i和第k个协作AP簇的子载波l的关联因子，z_i,l,k＝1表示用户i与第k个协作AP簇的子载波l关联。

下面结合图1详细说明本发明的AP加权无向干扰图的执行过程：

如图1所示，为了刻画用户与室内VLC网络的AP的干扰关系，构造加权无向干扰图G＝{V,E}，其中，节点集V表示室内VLC网络的N个AP集合，边集E表示所有边的权重值集合，E＝{e_r,j|r＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N}，e_r,j的计算公式如公式(1)所示；如图1(a)，根据用户和AP的接入关系，UE 3的服务AP集合为{3,6}，AP 3和AP 6仅有一个共同服务用户UE 3，AP 3和AP 6的干扰用户集合无交集，则AP 3和AP 6不存在干扰边；AP 4的干扰用户集合为{2,4}，对于UE 2来说，UE2的服务AP集合为{2,5}，则AP4与AP 2和AP5存在干扰边，对于UE 4来说，UE 4的服务AP集合为{5,7,8}，AP4与AP 5、AP7和AP 8存在干扰边。

下面结合图2详细说明本发明的基于协作AP分簇的时间资源分配算法的执行过程：

步骤1：输入用户集合为{1,2,…,20}、VLC AP集合为{1,2,…,9}、VLC AP数目N为9、子载波数目为20、VLC子载波带宽为2MHz、用户速率需求的取值范围为{10Mbps,20Mbps,30Mbps,40Mbps}、VLC噪声功率谱密度为1×10^-21、VLC AP发射功率为10W、用户的信干噪比阈值为10dB；对于接入室内VLC网络中的M个用户和N个的AP，由VLC的朗伯辐射模型计算用户到AP的信道增益，每个用户接入信道增益最大的三个AP，确定各个AP的服务用户集合和各个用户的服务AP集合；

步骤2：构造AP的加权无向干扰图；

步骤3：计算各个VLC AP的边权重值，构建VLC AP的边权重值集合E；

步骤4：由公式

计算APj的总干扰系数；

步骤5：由K个协作AP簇的平均频谱效率公式计算协作AP簇数目K为1时的平均频谱效率，令K＝K+1；

步骤6：按照各个AP的总干扰系数由大到小的顺序对AP的编号进行排序，前K个AP分配到K个协作AP簇，然后将未分簇的AP编号记入簇成员集合；

步骤7：若簇成员集合为空集，则转步骤10；否则，转步骤8；

步骤8：从簇成员集合中选择总干扰系数最小的VLC AP，记VLC AP的编号为j*；

步骤9：将该AP加入协作AP簇中干扰最小的AP簇，将该AP从簇成员集合中删除，转步骤7；

步骤10：计算协作AP簇数目为K时协作AP簇的平均频谱效率U(K)；

步骤12：若U(K)>U(K-1)，则转步骤13；否则，K＝K-1，转步骤14；

步骤13：若K<N，则K＝K+1，转步骤6；否则，K＝N，转步骤14；

步骤14：确定协作AP簇集合和每个协作AP簇的用户集合；

步骤17：计算各个协作AP簇的调度时间占比；

步骤18：对于每个协作AP簇，执行基于干扰容忍的子载波分配算法。

下面将结合图3详细说明基于干扰容忍的子载波分配算法的执行过程：

步骤1：计算各个用户的干扰强度阈值I_i,th；

步骤2：初始化子载波编号l＝1，第k个协作AP簇的子载波关联矩阵Z_k的所有元素置零；

步骤3：更新所有的A_j集合、C_i,k集合和Q_i,k集合；

步骤4：设置各个用户i的初始干扰强度阈值I_i＝I_i,th；

步骤5：计算Ω_k集合中各个用户i的子载波关联优先级χ_i；

步骤6：从Ω_k集合中选择子载波关联优先级最高的用户，记用户的编号为i*，Z_k的第i*行第l列赋为1；

步骤7：由公式I_i*,j＝(γh_i*,jP_j)²计算Q_i*,k集合中VLC APj与用户i*的干扰信号强度，并根据I_i*,j对Q_i*,k集合中VLC AP的编号进行升序排序；

步骤8：若Q_i*,k集合为空集，则转步骤13；否则，从Q_i*,k集合中选择第一个的VLC AP，记VLC AP的编号为j*，转步骤9；

步骤9：若|A_j*|＝0，则从Q_i*,k集合中删除VLC APj*，转步骤8；否则，转步骤10；

步骤10：从VLC APj*的A_j*集合中选择信道条件最好的用户，记用户的编号为i'；

步骤11：若用户i*的服务AP集合和用户i'的服务AP集合的交集不为空集，则从A_j*集合中删除用户的编号i'，转步骤10；否则，转步骤12；

步骤12：若

则Z_k的第i'行第l列赋为1，转步骤13；否则，从A_j*集合中删除用户的编号i'，转步骤9；

步骤13：判断l＝L是否成立，若是，转步骤14；否则，l＝l+1，转步骤3；

步骤14：输出Z_k。

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，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：对室内VLC网络的M个用户和N个VLC接入点(Access Point,AP)，根据VLC的朗伯辐射模型计算用户到各AP的信道增益，每个用户选择信道增益最大的3个候选AP，确定各用户的服务AP集合和各AP的服务用户集合；依据用户到AP的信道增益和AP的发射功率，构造AP的加权无向干扰图G＝{V,E}，其中，节点集V表示室内VLC网络的N个AP集合，边集E表示所有边的权重值集合，且E＝{e_r,j|r＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N}，e_r,j的计算公式如下：

其中，ζ_r,j＝A_j-A_r表示APr的干扰用户集合；ζ_j,r＝A_r-A_j表示APj的干扰用户集合；A_j为APj的服务用户集合；A_r为APr的服务用户集合；γ为光电探测器的光电转换效率；h_i,j为用户i到APj的信道增益；P_j为APj的发射功率；

S2：在G＝{V,E}中，采用基于协作AP分簇的时间资源分配算法，该算法先确定协作AP簇数目K，K个协作AP簇集合和每个协作AP簇的服务用户集合，再依据每个协作AP簇内的用户速率需求，确定每个用户在各个协作AP簇的调度时间占比；

S3：依次对K个协作AP簇执行基于干扰容忍的子载波分配算法，确定每个协作AP簇的子载波关联矩阵；

S4：依据K个协作AP簇的调度时间占比和K个协作AP簇的子载波关联矩阵，为每个用户分配时间资源和子载波资源。

2.如权利要求1所述的基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法，其特征在于：所述S2的基于协作AP分簇的时间资源分配算法的具体方法为：

S201：依据用户信干噪比，K个协作AP簇的平均频谱效率的计算公式如下：

其中，

为第k个协作AP簇的平均用户信干噪比；Ω_k为第k个协作AP簇的服务用户集合；η_ik为第k个协作AP簇的用户i的信干噪比，用户信干噪比的计算公式如下：

其中，C_i,k为用户i在第k个协作AP簇的服务AP集合；Q_i,k为用户i在第k个协作AP簇的干扰AP集合；B₀为子载波带宽；n₀为噪声功率谱密度；

S202：初始化K＝1，计算U(K)，令K＝K+1；

S203：依据边权重值，AP的总干扰系数的计算公式如下：

其中，E_j为室内VLC网络中APj的总干扰系数；

S204：按照各AP的总干扰系数由大到小的顺序对AP进行排序，前K个AP分配到K个协作AP簇，将未分簇的AP记入簇成员集合；

S205：若簇成员集合为空集，则计算U(K)，执行步骤S206；否则，从簇成员集合中选择总干扰系数最小的AP，将该AP加入干扰最小的协作AP簇，将该AP从簇成员集合中删除，执行步骤S205；

S206：若U(K)<U(K-1)，则K＝K-1，确定K个协作AP簇集合和K个协作AP簇的服务用户集合，执行步骤S207；否则，进一步判断K＝N是否成立，若是，K＝N，确定K个协作AP簇集合和K个协作AP簇的服务用户集合，执行步骤S207；否则，K＝K+1，执行步骤S204；

S207：依据每个协作AP簇的用户速率需求，协作AP簇的调度时间占比的计算公式如下：

其中，τ_k为第k个协作AP簇的调度时间占比；D_i为用户i的用户速率需求。

3.如权利要求1所述的基于协作传输的室内VLC网络的时频资源分配方法，其特征在于：所述S3的基于干扰容忍的子载波分配算法的具体方法为：

S301：依据η_i,k≥η_th，用户的干扰强度阈值的计算公式如下：

其中，I_i,th为Ω_k集合中用户i的干扰强度阈值；η_th为用户的信干噪比阈值；

S302：依据用户速率需求和用户的传输速率，用户的子载波关联优先级的计算公式如下：

其中，χ_i为Ω_k集合中用户i的子载波关联优先级；R_i为用户i的传输速率，计算公式如下：

其中，L为子载波数目；z_i,l,k为第k个协作AP簇的子载波关联矩阵中第i行第l列的元素，z_i,l,k取值为0或1，记第k个协作AP簇的子载波关联矩阵为Z_k；

S303：设l＝1，Z_k＝[0]_M×L；

S304：从Ω_k集合中选择子载波关联优先级最高的用户i*，将Z_k的第i*行第l列的元素赋为1；执行步骤S305；

S305：若Q_i*,k集合为空集，则执行步骤S309；否则，由用户到AP的信道增益和AP的发射功率，计算Q_i*,k集合中APj与用户i*的干扰信号强度，从Q_i*,k集合中选择干扰信号强度最小的APj*，执行步骤S306；

S306：若A_j*集合为空集，则从Q_i*,k集合中删除APj*，执行步骤S305；否则，从A_j*集合中选择信道增益最大的用户i'，执行步骤S307；

S307：若C_i*,k集合和C_i',k集合的交集不为空集，则从A_j*集合中删除用户i'，执行步骤S306；否则，由用户到AP的信道增益和AP的发射功率，计算C_i',k集合的所有AP到用户i*的干扰强度之和，记干扰强度之和为I'，执行步骤S308；

S308：若I'>I_i*,th，则从A_j*集合中删除用户i'，执行步骤S306；否则，将Z_k的第i'行第l列的元素赋为1，执行步骤S309；

S309：若l>L，则输出；否则，l＝l+1，转步骤S304。

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