張云艷，王 輝

（南京工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211816）

基于NGA的可見光通信接收系統(tǒng)分析

張云艷，王 輝

（南京工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211816）

在室內(nèi)可見光通信MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)中，針對用戶無法公平享用通信服務(wù)的問題，提出了一種尋找光接收機(jī)中最優(yōu)聚光器增益來優(yōu)化多用戶情況下功率分配不均勻的方法。利用改進(jìn)的NGA（小生境遺傳算法）建立與接收光功率相對應(yīng)的節(jié)點模型，通過運算尋找一組最優(yōu)的聚光器增益組合運用到光接收系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的NGA能高效地找出一組最優(yōu)聚光器增益組合，從而改善用戶接收光功率分配不均勻的現(xiàn)象。

可見光通信；聚光器增益；小生境遺傳算法

0　引 言

多徑傳輸［1-2］會導(dǎo)致光通信系統(tǒng)［3］中位于不同位置的接收機(jī)接收到的功率不均勻，從而影響多用戶情況下通信服務(wù)的公平性。目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究重點是控制LED（發(fā)光二極管）的光束和陣列分布，優(yōu)化接收信噪比和信道均衡來降低誤碼率，對于室內(nèi)多用戶接收信號分配的公平性問題研究較少。

為了提高通信服務(wù)的公平性，本文提出在不影響發(fā)射端的情況下，尋找一組最優(yōu)增益值，只對發(fā)射機(jī)的聚光器增益作調(diào)整來優(yōu)化可見光通信系統(tǒng)，利用改進(jìn)的NGA（小生境遺傳算法）［4］高效的全局尋優(yōu)能力和較快的收斂速度，計算出一組最優(yōu)的聚光器增益值，來解決不同用戶之間接收信號功率分配的公平性問題。

1　室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)模型

圖1所示為MU-MIMO（多用戶多輸入多輸出）室內(nèi)VLC（可見光通信）系統(tǒng)模型［5］，本文主要研究系統(tǒng)的接收端，對發(fā)射端和信道無影響。LED接收機(jī)陣列位置如圖1（a）所示，在距離地面0.85 m的平面上平均分布25×25=625個接收機(jī)；LED發(fā)射機(jī)陣列設(shè)置如圖（b）所示，4×4=16個LED發(fā)射機(jī)陣列平均分布在天花板上。

圖1　MU-MIMO室內(nèi)VLC系統(tǒng)模型

1.1接收端光功率

光源的平均發(fā)射功率［6］Pt可表示為

式中，X（t）為光源的發(fā)射功率；T為信號周期。

接收端光功率Pr（Rj）可表示為

式中，H（0）（0）為直射信道增益；Href（0）為反射信道增益；Si為第i個LED陣列；Rj為第j個接收器。

1.2光源和接收器模型

在VLC系統(tǒng)中，LED滿足朗伯輻射模型

式中，m=ln（1/2）/ln（cosφ1/2）；φ為發(fā)射角；φ1/2為發(fā)射功率半角。則單個LED信道的直流增益為［7］

式中，A為光電探測器接收面積；θ為入射角；g（θ）為聚光器增益；d為發(fā)射端到接收端的距離。當(dāng)入射角小于接收機(jī)的FOV（視場角）ψc時，有

式中，n為折射率。

1.3改進(jìn)的接收光功率

當(dāng)Pt一定時，由式（2）計算出的每個點的接收光功率為定值，且每個接收機(jī)的接收功率都與聚光器的增益有關(guān)，改進(jìn)的接收光功率表達(dá)式為

2　改進(jìn)的NGA

改進(jìn)的NGA具有全局尋優(yōu)能力強(qiáng)、收斂速度快和保持解的多樣性等優(yōu)點［8］，其具體步驟如下：

（1）編碼

將VLC系統(tǒng)中接收機(jī)構(gòu)成的接收平面劃分為M個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)采用具有相同增益值的聚光器。由式（5）可知，聚光器的增益大小由折射率n和FOV決定，其直接影響用戶接收光功率的大小。將第m個區(qū)域聚光器的增益記為xm，m=1，2，…，M；將M個聚光器的增益記為Xm，組成一組個體Xm=（x1，x2，…，xm），系統(tǒng)隨機(jī)生成2N個染色體，采用小生境淘汰方法，淘汰其中N個，再選出N個優(yōu)秀個體，組成初始種群，并設(shè)置迭代次數(shù)k=1。

（2）目標(biāo)函數(shù)設(shè)計

文獻(xiàn)［9］采用接收平面接收光功率的最小與最大值之比作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，但該比值無法代表優(yōu)化后接收平面接收光功率的整體分布數(shù)據(jù)，而方差可用以衡量數(shù)據(jù)與平均值（期望）之間的偏離程度，因此本文將方差F作為NGA的目標(biāo)函數(shù)，

其中，

并由式（6）計算相對應(yīng)的個體適應(yīng)度的值。

（3）精英保留策略的選擇機(jī)制

為了提高全局的收斂性和計算效率，本文采用精英保留策略方法設(shè)計選擇算子。精英保留即父代中的優(yōu)秀個體直接保存到子代。具體方法是：對小生境淘汰操作的種群個體的適應(yīng)度進(jìn)行計算，保持種群個體數(shù)為N；隨機(jī)對個體的適應(yīng)度進(jìn)行對比，保留適應(yīng)度較小的個體，并將優(yōu)秀的個體適應(yīng)度直接復(fù)制到子代，在下一代遺傳操作時，不再計算該個體的適應(yīng)度。

（4）采用自適應(yīng)交叉、變異算子

為了更好地保留優(yōu)秀個體，交叉運算時采用自適應(yīng)的交叉率，適應(yīng)度高的個體采用較小的交叉率，適應(yīng)度低的個體采用較高的交叉率，則有

式中，Pc1、Pc2為交叉率，且0＜Pc2＜Pc1＜1；Pm1、Pm2為變異率，且0＜Pm1＜Pm2＜1；fmax為種群中適應(yīng)度最大值；favg為每代種群適應(yīng)度的平均值；f1為交叉中較大的個體。

（5）小生境淘汰操作

為了提高算法的搜索效率，保持種群的多樣性，并搜索到全局最優(yōu)解，采取動態(tài)變化的小生境距離參數(shù)，利用對比基因的方法來判斷個體之間的相似程度。在最優(yōu)個體中，最小歐式距離L可表示為

式中，len gth為染色體的長度；xi和xj是種群中的兩個個體。由遺傳特性可知，每一代的最優(yōu)個體不同，距離參數(shù)也隨之改變，為了得到分布良好的小生境環(huán)境，L應(yīng)合理設(shè)計。

（6）最優(yōu)增益組合平均化

在最后一代子代種群中篩選出一個具有最大適應(yīng)度的個體作為最優(yōu)聚光器增益組合XK=（x1，K，為了降低NGA中的隨機(jī)性，對最優(yōu)聚光器增益組合進(jìn)行平均，即

將平均后的聚光器增益組合應(yīng)用到VLC系統(tǒng)中，便可使用戶得到較為公平的通信服務(wù)。

3　仿真結(jié)果與分析

3.1仿真場景

本文基于MATLAB環(huán)境仿真，仿真模型如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示。

表1　MU-MIMO VLC系統(tǒng)參數(shù)

采用圖1所示的房間模型進(jìn)行仿真。16個發(fā)射機(jī)陣列中每個陣列的LED燈數(shù)為9×9個。接收平面上共625個接收機(jī)組均勻分布，將接收平面劃分成25個小平面，每個平面含有25個接收機(jī)，每個小平面內(nèi)的接收機(jī)具有相同的聚光器增益。令初始種群為25，最大迭代次數(shù)K=40，Pc1=0.9，Pc2= 0.5，Pm1=0.1，Pm2=0.001。由式（5）可知，聚光器的增益取值由FOV和折射率n決定。對25組接收機(jī)的FOV和n進(jìn)行合理設(shè)計，得到了一組聚光器增益值，即g（θ）分別為2.55、4.32、3.85、3.27、6.15、2.64、4.32、3.27、2.90、5.33、4.25、3.67、2.90、3.00、2.97、3.52、3.47、3.35、4.81、1.18、5.52、2.64、3.52、4.10和2.55。

3.2結(jié)果與分析

為了驗證運用改進(jìn)的NGA找到的最優(yōu)聚光器增益組合進(jìn)行平均后得到的最終結(jié)果對接收平面接收功率優(yōu)化的有效性，對優(yōu)化前后的接收光功率進(jìn)行了仿真。

圖2所示為4×4 LED陣列接收光優(yōu)化前后的功率分布。由圖2（a）可知，用戶接收功率優(yōu)化前的波動范圍在270.35～588.57μW之間，接收光功率分布不均勻。由圖2（b）可知，用戶接收功率優(yōu)化后的波動范圍為310.25～370.87μW，波動范圍明顯變小，功率分布的均勻性得到了很大改善。

圖2　4×4 LED陣列接收光優(yōu)化前后的功率分布

為了更好地說明優(yōu)化平滑效果，選用方差作為衡量指標(biāo)評價接收光功率的波動情況。由式（7）計算可得，優(yōu)化后的方差從178 452減少到15.38，表明采用改進(jìn)的NGA可以保證用戶接收功率的均勻性。

4　結(jié)束語

針對用戶接收功率不公平的問題，利用改進(jìn)的NGA尋找一組最優(yōu)的聚光器增益組合，并運用到VLC系統(tǒng)中，達(dá)到了均勻接收功率的目的。仿真結(jié)果表明，接收光功率的方差從優(yōu)化前的178 452降低到優(yōu)化后的15.38，接收光功率得到了明顯改善，從而保證了接收平面每個接收機(jī)的接收功率均勻，在一定程度上解決了VLC系統(tǒng)中用戶公平接收的問題，該方案對公平性服務(wù)具有一定的意義。

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Received Visible Light Communication System Based on NGA

ZHANG Yun-yan，WANG Hui
（College of Computer Science and Technology，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816，China）

For indoor visible light communication in the MIMO system，users can not enjoy fair communication service issues. In this paper，we propose a method to find the optimal value of the gain of the optical receiver concentrator to solve this problem.It can be used to optimize the multi user power distribution problems.We use an improved niche genetic algorithm establishment and node mode related to the corresponding received optical power to find a set of optimal condenser gain value in the visible light communication system.The simulation results show that the improved niche genetic algorithm performs can find a set of optimum condenser efficiently，and improve the service quality of indoor visible light communication system.

visible light communication；gain of condenser；niche genetic algorithm

*簡 訊*

TN926

A

1005-8788（2016）04-0072-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.021

2016-03-18

張云艷（1989-），女，江蘇南京人。碩士研究生，主要研究方向為可見光通信。