基于遺傳算法的室內(nèi)光無線通信功率分布優(yōu)化方案.doc

基于遺傳算法的室內(nèi)光無線通信功率分布優(yōu)化方案摘要:室內(nèi)光無線通信(owc)具備頻譜資源豐富、功耗低、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢，因而越來越為業(yè)界所關(guān)注。然而，由于多徑傳輸效應(yīng)的存在，即使在同一室內(nèi)房間，同一接收端在不同的接受位置依舊難以獲得一致的令人滿意的高質(zhì)量信號。針對這一問題，提出了一種基于遺傳算法的動態(tài)優(yōu)化方案，以期降低接受信號功率的波動程度。相應(yīng)的，給出了基于商用光探測器（視場角為50）的仿真實驗。具體的仿真結(jié)果顯示該優(yōu)化方案可以將波動范圍（相較于接收到的光信號功率的最大值）從優(yōu)化之前的50.3%降低至34.6%，同時優(yōu)化操作對照明功能的影響是可以忽略不計的。關(guān)鍵詞:光無線通信；遺傳算法；優(yōu)化；綠色照明；信號覆蓋genetic algorithm based power distribution optimization scheme forindoor optical wireless communicationxu chun*college of computer science and engineering, xinjiang university of finance and economics, urumqi xinjiang 830012, chinaabstract:as indoor optical wireless communications (owc) can provide enormous spectrum source, lower power need, immunity to interference caused by other radio frequency (rf) wireless devices, it is earning increasing attention. however, due to multipath transmission, it is hard to obtain satisfyingly uniform signal quality at the receiving terminal even for locations within the same room. a genetic algorithm based optimization scheme is proposed as a candidate approach for owc to reduce the variability of the received power. and presented results based around the use of a commercially available detector with a fov=50 deg show that the dynamic range of received power can be reduced to 34.6% against the peak optical power from 50.3% while the impact on illumination function is negligible.as indoor optical wireless communications (owc) is characterized by enormous spectrum source, lower power need, immunity to interference caused by other radio frequency (rf) wireless devices, it has attracted an increasing attention in the field. however, due to multipath transmission, it is hard to obtain satisfactory uniform signal quality at the receiving terminal even for locations within the same room. a genetic algorithm based optimization scheme was proposed as a candidate approach for owc to reduce the variability of the received power. and the simulation results based upon the use of a commercially available detector with the field of view of 50 degree show that the dynamic range of received power can be reduced to 34.6% against the peak optical power from 50.3% while the impact on illumination function is negligible.key words:optical wireless communication (owc); genetic algorithm; optimization; green lighting; signal coverage0引言目前，傳統(tǒng)的無線頻段已經(jīng)過于擁擠且需要很高的功耗以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這預(yù)示著未來傳統(tǒng)無線技術(shù)及60ghz技術(shù)將無法滿足持續(xù)增長的無線數(shù)據(jù)需求（如mobile tv及cmmb）。另一方面，新型的光無線接入技術(shù)具備帶寬資源豐富、保密性強、傳輸潛能巨大等諸多優(yōu)點，因而受到了許多的關(guān)注和研究支持1-10。針對光無線通信的許多研究已經(jīng)相繼問世，如何有效地克服多徑信道傳輸對通信表現(xiàn)的不利影響，依舊是光無線系統(tǒng)設(shè)計層面一個極富挑戰(zhàn)的問題11-14。由于相應(yīng)的信道特性不僅取決于房間的具體尺寸、室內(nèi)與光線發(fā)生反射作用的表面反射特征，而且受到室內(nèi)物體的影響，這一系列因素使得同一光無線移動接受終端在不同的室內(nèi)接受位置可能顯示出明顯的表現(xiàn)差異。在已有的研究中1，已針對接收端光信號功率分布的不理想狀況給出了量化分析，作為已有工作的延伸，本文提出了一種基于遺傳算法的優(yōu)化方案對發(fā)送端光功率進行控制進而最終在室內(nèi)不同接受位置獲得一致的表現(xiàn)特性。1室內(nèi)光無線系統(tǒng)模型1.1常規(guī)漫射模型為了計算入射到探測器上的全部光信號功率（含經(jīng)過反射路徑部分），將室內(nèi)環(huán)境分成眾多尺寸很小的表面反射元素，其中每一個反射元素可以認為具有理想的朗伯反射特性?？紤]到多次反射對接收端的影響已經(jīng)相當(dāng)微小，本文只考慮三次以內(nèi)反射對接收端的貢獻。具體的系統(tǒng)分析場景為一個空的長方體狀房間，相應(yīng)的長寬高尺寸分別是8m,4m,3m。房間內(nèi)四周墻壁、天花板及地面的反射系數(shù)分別是0.8,0.8和0.3，如圖1所示。圖片圖1天花板處安裝21組led燈的室內(nèi)光無線通信場景1.2接收信號功率在上述場景配置中，i=21組照明燈被均勻地布置于天花板上，如圖1所示。其中，每組燈由49（77）個led組成，每組燈中l(wèi)ed間距是4cm。依據(jù)文獻1所述，單一led的輻射功率分布可由朗伯輻射特性很好地近似，也就是說輻射強度與發(fā)射角度滿足余弦關(guān)系。此外，本文沿用已有的實測結(jié)果，led的半功率角為1/2= 54deg，中心輻射強度分別為i(0)= 32.69cd，單一led的發(fā)射功率為pt = 174mw 1。本文將房間內(nèi)距地面1m的平面作為多個接收器均勻分布的通信平面，接收位置的總數(shù)是j=1568。在接收端，接收器的視場角50deg，接收器的有效探測面積為a=1cm2。每個接收器所接收到的具體信號功率可由直射信道增益hd(0)以及反射信道增益href(0)如式（1）算出：pr(rj)=ii=1pthd(0;si,rj)+asurpthref(0;si,rj)(1)其中：si代表第i組led燈, rj是第 j個接收器而asur是所有反射表面的面積總和。對應(yīng)地，在si和rj之間的信道直流增益可由式（2）得到：hd(0;si,rj)=(m+1)a2d2dcosm()ts()g()cos(),0c0,c (2)其中:是輻射出射角, 是輻射入射角，m 是光源si的朗伯指數(shù)， a是光探測器的有效探測表面積,dd是si同rj之間的距離，ts()是光濾波器的接受增益且c每個接收器的視場角代表。此外，g()為光集中器的增益，具體當(dāng)0c該增益可以表示為 g()=n2/sin2(c)，而其他情況下g()=0。第4期徐春：基于遺傳算法的室內(nèi)光無線通信功率分布優(yōu)化方案計算機應(yīng)用 第32卷為進一步計算通過反射路徑獲得的直流增益，本文將實驗房間所有內(nèi)表面分割為大小相同的微分元素。每個元素的面積為da 且反射系數(shù)是。所有這些微分元素都可以看作一般的朗伯源，它們將入射到自身的光信號沿自身法線方向遵從朗伯模式向外進行漫反射。由于本文將考慮三次以內(nèi)的反射情況，所以這一經(jīng)過反射路徑的直流信道增益可依據(jù)式href(0;si,rj)=3k=1(nl=1h(k1)(0;si,l)h(0)(0;l,rj)給出。其中:n 為微分元素的總數(shù)，k為反射次數(shù)。而h(0)(0;l,rj)的具體表達式可通過參考式(2) 進一步得到。此外， h(k1)(0;si,l)的對應(yīng)表達式可以通過式（3）迭代進一步得到:h(k1)(0;si,l)=nm=1h(k2)(0;si,l)h(0)(0;l,m) (3)其中l(wèi)同m分別代表兩個獨立的反射面微分元素。1.3照明特性室內(nèi)光無線系統(tǒng)的另一個重要性能參量是實際房間內(nèi)工作面上的水平光照度。當(dāng)不添加反射作用帶來的影響時，水平面的照度可由式eh=i(0)cosm()cos()/r2具體獲得，其中:為出射角， 為入射角, r為光源與接收器表面之間的距離 1。m為朗伯指數(shù)，可依據(jù)式m=-ln 2/ln (cos 1/2)確定。為了能夠評估反射作用對最終亮度分布帶來的影響，每個反射元素被看作一個二次光源。這樣一來，每個元素的光通量可以通過式f=eeheae計算得到，其中:e為反射元素的反射指數(shù)，ae為反射微分元素的面積。進一步就可以將工作面上整體水平光照度表示為：e=eh+ni=1iicos(i)cos(i)/r2i(4)其中:i為第i個反射微分元素的出射角，i為該反射微分元素的入射角，ri為該微分元素和照射表面間的距離，ii=(me+1)f/2為該反射微分元素的最大光照強度。本文將所有的反射微分元素視為朗伯漫射源，具體的朗伯指數(shù)是me=11。2本文提出的優(yōu)化方案2.1優(yōu)化因子復(fù)雜的室內(nèi)光無線信道，對應(yīng)于通信面上不同的接收位置會出現(xiàn)差異很大的接受表現(xiàn)，在很多領(lǐng)域應(yīng)用智能技術(shù)已經(jīng)被證明能夠有效地緩解此類限制。假設(shè)所有的led燈由獨立的因子0ki1（稱為優(yōu)化算子）來量化控制。這樣接收器所捕獲的瞬時信號光功率可以寫為：pr(rj)=ii=1kipthd(0;si,rj)+asurkipthref(0;si,rj)(5)這樣，就存在一種可能即獲得一組算子k1k2ki使得j個接收器能夠獲得相同或者極為接近的光功率如：pr(r1)pr(r2)pr(r3)pr(rj)。優(yōu)化因子同具體led燈之間的對應(yīng)關(guān)系可由圖2(a)給出。不難發(fā)現(xiàn)優(yōu)化因子中k7同k14，k8同k15在物理位置上是非常接近的，但是在圖2(b)上圖的染色體中卻是相距較遠。作為替代方案，圖2(b)給出了一種改進的染色體結(jié)構(gòu)，以緩解這一情況，具體的改變在于將優(yōu)化因子k8,k9k14 按照降序排列來構(gòu)成基因型結(jié)構(gòu)。圖片圖2優(yōu)化因子關(guān)系圖2.2目標函數(shù)上述染色體結(jié)構(gòu)設(shè)定了優(yōu)化因子同基因序列之間的關(guān)系，而目標函數(shù)或稱適應(yīng)度函數(shù)則用于連接優(yōu)化目標同表現(xiàn)型之間的關(guān)系。本文提出的基于遺傳算法優(yōu)化方案的目標函數(shù)為：o(n)=(100100(max pr(rj)min pr(rj)max pr(rj)%(6)其中max pr(rj)同min pr(rj)分別為應(yīng)用任意組優(yōu)化個體后通信面上接收信號功率的最大值及最小值。這種設(shè)定可以使種群中提供一致性最好的信號功率分布的個體將獲得最大機會進行選擇和重組操作并進入下一代種群。2.3優(yōu)化算子及算法的終止為降低算法的復(fù)雜度并保障收斂速率，本文采用成熟的優(yōu)化算子來構(gòu)造優(yōu)化方案。具體包括輪盤賭選擇算子、雙點交叉算子及變異算子來實現(xiàn)該算法15，同時設(shè)定種群規(guī)模為200。在優(yōu)化搜索過程中，個體中的每一基因位置的交叉概率為c=0.7，變異概率為m=0.05?；谶z傳算法自身的快速收斂特性，本文設(shè)定算法在確定種群中同目標函數(shù)最為匹配的個體之前，這一優(yōu)化搜索過程被允許5000代。具體的算法流程由圖3給出。遺傳算法固有的隨機特性使得每一次優(yōu)化仿真的結(jié)果會有輕微的差異。為使本文的結(jié)果更具有一般性且便于讀者再現(xiàn)，后面的仿真量化結(jié)果都是重復(fù)10次仿真操作后的平均結(jié)果。圖片圖3完整的算法流程3表現(xiàn)評估基于以上建立的室內(nèi)場景及室內(nèi)光無線系統(tǒng)，本章對所提出算法的表現(xiàn)進行了仿真評估。圖4中給出了在每一個接收器位置所接受的信號功率，其中最大值為434.7w，平均值為354.7w，最小值為218.5w，波動范圍是218.5w至434.7w，對應(yīng)的等同于波動幅度216.2w或者相較于峰值50.3 %的相對波動。這種情況下光照度波動是1643.8lx至2930.6lx，其中最大值為2930.6lx，平均值為2527.9lx，最小值為1643.8lx，如圖5所示。圖片圖4未經(jīng)優(yōu)化的接收端通信面上的信號功率分布施用提出定向遺傳算法后，功率波動范圍為122.0w至186.9w，對應(yīng)等同于波動幅度64.9w或者相較于峰值34%的相對波動，其中最大值為186.9w，平均值為152.3w，最小值為122.0w，如圖6所示。經(jīng)優(yōu)化作用影響下，水平照度波動是801lx 至1127.3lx，其中最大值為1127.3lx，平均值為1109.3lx，最小值為801lx，如圖7所示。從圖7中不難發(fā)現(xiàn)，通信平面上的所有接受位置仍能獲得充足的光照，滿足300lx至1500lx 的iso標準。在圖8中，進一步給出了種群平均偏移量（即各代中的平均解）以及最小偏移量（即各代中的最優(yōu)解）的收斂曲線，可以直觀地看出最終解相較于未優(yōu)化情況下偏移量的改進程度，還顯示了遺傳算法的快速收斂特性，到1000代左右已經(jīng)能搜索到滿意解，到2000代處已能夠很好地接近最終解（即種群最終確定的最優(yōu)解）。4結(jié)語室內(nèi)光無線通信被寄希望于實現(xiàn)室內(nèi)范圍的無線覆蓋。由于多徑傳輸信道及l(fā)ed光源的方向性，在通信接受面上依舊難以獲得一致的信號功率覆蓋。本文提出了一種基于遺傳算法的定向優(yōu)化方案來優(yōu)化接受信號功率分布，仿真結(jié)果顯示該算法能有效地降低功率波動范圍，并且對室內(nèi)光無線系統(tǒng)的照明功能影響是可以忽略不計的。由此可見，該方案適合室內(nèi)光無線通信的改進需求，具有很好地優(yōu)化表現(xiàn)和快速收斂特性。參考文獻:1wang z, yu c, zhong w, et al. performance improvement by tilting receiver plane in m.qam visible light communications j. optics express, 2011,19(14):13418-13427.2obrean d c, faulkner g. home access networks using optical wireless transmission eb/ol.2011-07-01. /proc/pimrc2008/content/papers/1569121263.pdf.3sarker s, dixit s, mukherjee b. hybrid wireless.optical broadband.access network (woban): a review of relevant challenges j. ieee journal of lightwave technology, 2007, 25(11): 3329-3340.4vucic j, kottke c, nerreter s, et al. 513 mbit/s visible light communications link based on dmt.modulation of a white led j. ieee journal of lightwave technology, 2010, 28(24): 3512-3518.5green r j. secure communications: the infrared alternative c/proceedings of ieee icton mediterranean winter conference 2007. s.l.:ieee,2007: 1-4.6carruthers j b. propagation modeling for indoor optical wireless communications using fast multi.receiver channel estimation j. iee proceedings, 2003, 150(10): 473-481.7delgado f, quintana i, rufo j, et al.design and implementation of an ethernet.vlc interface for broadcasting transmission j. ieee communications letters, 2010,14(12):1089-1091.8berry j r, kahn j m，krause w j. simulation of multipath impulse response for indoor wireless optical channels j. ieee journal on selected areas in communications, 1993, 11(3):367-379.9grubor j, randel s, langer k d, et al.broadband information using led.based interior lighting j. ieee journal of lightwave technology, 2008, 26(24):3883-3892.10tanaka y. indoor visible light data transmission system utilizing white led lights j. ieice transactions on communication, 2003 e86.b(8): 2440-2454.11ntogarig, kamalakis t, sphicopoulos t. performance analysis of non.dir