基于遺傳算法的室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)通信功率分布優(yōu)化方案.docVIP

基于遺傳算法的室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)通信功率分布優(yōu)化方案摘要:室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)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(shì)，因而越來(lái)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(mǎn)意的高質(zhì)量信號(hào)。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于遺傳算法的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方案，以期降低接受信號(hào)功率的波動(dòng)程度。相應(yīng)的，給出了基于商用光探測(cè)器（視場(chǎng)角為50）的仿真實(shí)驗(yàn)。具體的仿真結(jié)果顯示該優(yōu)化方案可以將波動(dòng)范圍（相較于接收到的光信號(hào)功率的最大值）從優(yōu)化之前的50.3%降低至34.6%，同時(shí)優(yōu)化操作對(duì)照明功能的影響是可以忽略不計(jì)的。關(guān)鍵詞:光無(wú)線(xiàn)通信；遺傳算法；優(yōu)化；綠色照明；信號(hào)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(wú)線(xiàn)頻段已經(jīng)過(guò)于擁擠且需要很高的功耗以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這預(yù)示著未來(lái)傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)及60ghz技術(shù)將無(wú)法滿(mǎn)足持續(xù)增長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)需求（如mobile tv及cmmb）。另一方面，新型的光無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)具備帶寬資源豐富、保密性強(qiáng)、傳輸潛能巨大等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多的關(guān)注和研究支持1-10。針對(duì)光無(wú)線(xiàn)通信的許多研究已經(jīng)相繼問(wèn)世，如何有效地克服多徑信道傳輸對(duì)通信表現(xiàn)的不利影響，依舊是光無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面一個(gè)極富挑戰(zhàn)的問(wèn)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(xiàn)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(wú)線(xiàn)移動(dòng)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(duì)接收端光信號(hào)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(duì)發(fā)送端光功率進(jìn)行控制進(jìn)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(wú)線(xiàn)系統(tǒng)模型1.1常規(guī)漫射模型為了計(jì)算入射到探測(cè)器上的全部光信號(hào)功率（含經(jīng)過(guò)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(gè)反射元素可以認(rèn)為具有理想的朗伯反射特性。考慮到多次反射對(duì)接收端的影響已經(jīng)相當(dāng)微小，本文只考慮三次以?xún)?nèi)反射對(duì)接收端的貢獻(xiàn)。具體的系統(tǒng)分析場(chǎng)景為一個(gè)空的長(zhǎng)方體狀房間，相應(yīng)的長(zhǎng)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(wú)線(xiàn)通信場(chǎng)景1.2接收信號(hào)功率在上述場(chǎng)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(gè)led組成，每組燈中l(wèi)ed間距是4cm。依據(jù)文獻(xiàn)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(shuō)輻射強(qiáng)度與發(fā)射角度滿(mǎn)足余弦關(guān)系。此外，本文沿用已有的實(shí)測(cè)結(jié)果，led的半功率角為1/2= 54deg，中心輻射強(qiáng)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(gè)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(chǎng)角50deg，接收器的有效探測(cè)面積為a=1cm2。每個(gè)接收器所接收到的具體信號(hào)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(gè)接收器而asur是所有反射表面的面積總和。對(duì)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(cè)器的有效探測(cè)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(gè)接收器的視場(chǎng)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(wú)線(xiàn)通信功率分布優(yōu)化方案計(jì)算機(jī)應(yīng)用 第32卷為進(jìn)一步計(jì)算通過(guò)反射路徑獲得的直流增益，本文將實(shí)驗(yàn)房間所有內(nèi)表面分割為大小相同的微分元素。每個(gè)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(hào)沿自身法線(xiàn)方向遵從朗伯模式向外進(jìn)行漫反射。由于本文將考慮三次以?xún)?nèi)的反射情況，所以這一經(jīng)過(guò)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(dá)式可通過(guò)參考式(2) 進(jìn)一步得到。此外， h(k1)(0;si,l)的對(duì)應(yīng)表達(dá)式可以通過(guò)式（3）迭代進(jìn)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(gè)獨(dú)立的反射面微分元素。1.3照明特性室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的另一個(gè)重要性能參量是實(shí)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(lái)的影響時(shí)，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(píng)估反射作用對(duì)最終亮度分布帶來(lái)的影響，每個(gè)反射元素被看作一個(gè)二次光源。這樣一來(lái)，每個(gè)元素的光通量可以通過(guò)式f=eeheae計(jì)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(jìn)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(gè)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(qiáng)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(wú)線(xiàn)信道，對(duì)應(yīng)于通信面上不同的接收位置會(huì)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(lèi)限制。假設(shè)所有的led燈由獨(dú)立的因子0ki1（稱(chēng)為優(yōu)化算子）來(lái)量化控制。這樣接收器所捕獲的瞬時(shí)信號(hào)光功率可以寫(xiě)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(gè)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(duì)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(yuǎn)。作為替代方案，圖2(b)給出了一種改進(jìn)的染色體結(jié)構(gòu)，以緩解這一情況，具體的改變?cè)谟趯?yōu)化因子k8,k9k14 按照降序排列來(lái)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(biāo)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(biāo)函數(shù)或稱(chēng)適應(yīng)度函數(shù)則用于連接優(yōu)化目標(biāo)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(biāo)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(gè)體后通信面上接收信號(hào)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(hào)功率分布的個(gè)體將獲得最大機(jī)會(huì)進(jìn)行選擇和重組操作并進(jìn)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(lái)構(gòu)造優(yōu)化方案。具體包括輪盤(pán)賭選擇算子、雙點(diǎn)交叉算子及變異算子來(lái)實(shí)現(xiàn)該算法15，同時(shí)設(shè)定種群規(guī)模為200。在優(yōu)化搜索過(guò)程中，個(gè)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。基于遺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(biāo)函數(shù)最為匹配的個(gè)體之前，這一優(yōu)化搜索過(guò)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(jī)特性使得每一次優(yōu)化仿真的結(jié)果會(huì)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(píng)估基于以上建立的室內(nèi)場(chǎng)景及室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，本章對(duì)所提出算法的表現(xiàn)進(jìn)行了仿真評(píng)估。圖4中給出了在每一個(gè)接收器位置所接受的信號(hào)功率，其中最大值為434.7w，平均值為354.7w，最小值為218.5w，波動(dòng)范圍是218.5w至434.7w，對(duì)應(yīng)的等同于波動(dòng)幅度216.2w或者相較于峰值50.3 %的相對(duì)波動(dòng)。這種情況下光照度波動(dòng)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(hào)功率分布施用提出定向遺傳算法后，功率波動(dòng)范圍為122.0w至186.9w，對(duì)應(yīng)等同于波動(dòng)幅度64.9w或者相較于峰值34%的相對(duì)波動(dòng)，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(dòng)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(mǎn)足300lx至1500lx 的iso標(biāo)準(zhǔn)。在圖8中，進(jìn)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(xiàn)，可以直觀(guān)地看出最終解相較于未優(yōu)化情況下偏移量的改進(jìn)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(mǎn)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(yǔ)室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)通信被寄希望于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍的無(wú)線(xiàn)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(hào)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(lái)優(yōu)化接受信號(hào)功率分布，仿真結(jié)果顯示該算法能有效地降低功率波動(dòng)范圍，并且對(duì)室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的照明功能影響是可以忽略不計(jì)的。由此可見(jiàn)，該方案適合室內(nèi)光無(wú)線(xiàn)通信的改進(jìn)需求，具有很好地優(yōu)化表現(xiàn)和快速收斂特性。參考文獻(xiàn):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 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