李永慧， 鮑 煦， 李 鵑， 夏 景， 宋鐵成

(1. 江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

可見(jiàn)光通信(visible light communication, VLC)是近十年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型無(wú)線通信方式[1-3]，通過(guò)在照明設(shè)施上增加數(shù)據(jù)傳輸功能將通信與照明功能相結(jié)合，從而構(gòu)建室內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò).VLC使用成本較低的發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)來(lái)照明和發(fā)射信號(hào)，使用光敏二極管(photo-diodes, PDs)或雪崩光電二極管(avalanche photo-diodes, APDs)作為接收端.VLC利用可見(jiàn)光進(jìn)行通信，因此可利用的光譜范圍為380～780 nm，傳輸帶寬高達(dá)350 THz，為解決無(wú)線通信頻譜資源日益短缺的問(wèn)題提供了一個(gè)重要且可行的解決方案[4].與射頻技術(shù)相比，VLC的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在無(wú)電磁輻射、更大的帶寬、更低的成本和更高的安全性等[5].因此，VLC可以安全地用于如飛機(jī)和醫(yī)院等敏感環(huán)境.基于以上優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)積極關(guān)注VLC的發(fā)展，雖然之前試驗(yàn)狀態(tài)下VLC信號(hào)傳輸獲得了較大的成功[6]，但仍有許多問(wèn)題尚待解決，如可見(jiàn)光易受遮擋導(dǎo)致通信盲區(qū)、覆蓋范圍有限等.為了確保室內(nèi)可見(jiàn)光通信網(wǎng)的容量，如何在有限范圍內(nèi)接入盡可能多的用戶(hù)設(shè)備(user equipment, UE)并保證UE的用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量(quality of experience,QoE)成為亟需解決的問(wèn)題.而研究高效的多UE接入策略是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵.

尚韜等[7]針對(duì)可見(jiàn)光的通信距離較短和帶寬有限的特點(diǎn)，提出一種多終端組網(wǎng)的可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)模型，針對(duì)多UE接入碰撞問(wèn)題，提出基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免的多UE接入方法來(lái)減小碰撞概率且增加系統(tǒng)吞吐量.H. TABASSUM等[8]通過(guò)使未充分利用的基站休眠的方式來(lái)提高整體網(wǎng)絡(luò)的能效，其中休眠小區(qū)的UE以最大平均信道接入概率與基站相關(guān)聯(lián)；提出了一種信道接入感知UE關(guān)聯(lián)方案，該方案根據(jù)活動(dòng)基站的業(yè)務(wù)負(fù)載和UE調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，顯著增強(qiáng)了負(fù)載能力，并提升了系統(tǒng)性能.SHEN C.等[9]基于LED的VLC系統(tǒng)獨(dú)特的照明約束，為達(dá)到UE關(guān)聯(lián)的目的建立了一個(gè)效用最大化的框架，運(yùn)用貪婪啟發(fā)式算法提升系統(tǒng)有效性.也有文獻(xiàn)[10]研究了各種VLC小區(qū)形成方案和由WLAN提供全頻段覆蓋，以VLC網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源為支撐的混合下行鏈路，通過(guò)集中式和分布式資源分配算法實(shí)現(xiàn)協(xié)同負(fù)載均衡和比例公平，得出VLC網(wǎng)絡(luò)能夠提供更高的平均帶寬效率，而混合系統(tǒng)可以在不失公平性的基礎(chǔ)上達(dá)到更高的平均吞吐量的結(jié)論.

與上述方案不同的是，ZHANG R.等[11]將以UE為中心的概念引入VLC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，考慮信號(hào)覆蓋質(zhì)量、系統(tǒng)控制和服務(wù)提供，有望促進(jìn)解決頻譜資源問(wèn)題和提高可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)完整性.LI X.等[12]為提高以UE為中心的集群形成設(shè)計(jì)的性能，在構(gòu)建以UE為中心的集群時(shí)考慮了用服務(wù)質(zhì)量來(lái)度量的靜態(tài)延遲需求，在最大化系統(tǒng)總效用的基礎(chǔ)上提出貪婪算法來(lái)解決UE關(guān)聯(lián)問(wèn)題.M. OBEED等[13]基于以UE為中心的設(shè)計(jì)，提出一種用于VLC通信網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)關(guān)聯(lián)和功率分配算法在服務(wù)質(zhì)量的約束下分配功率，決定阻止哪些接入點(diǎn)參與通信，從而最大化通信網(wǎng)絡(luò)中的能量效率.

盡管上述文獻(xiàn)提出各種關(guān)聯(lián)策略有效改善了系統(tǒng)性能，但都沒(méi)有在接入策略的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中保證系統(tǒng)接入U(xiǎn)E數(shù)量和接入U(xiǎn)E能達(dá)到滿(mǎn)意的QoE.因此，文中提出基于用戶(hù)QoE優(yōu)化的貪婪接入算法.

文中以UE為中心，引入QoE作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于QoE概率覆蓋模型提出一種貪婪算法作為接入策略，從而提升UE體驗(yàn)質(zhì)量和系統(tǒng)魯棒性.文中的主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下： ① 非正交多址接入(non-orthogonal multiple access, NOMA)允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)利用全部可用的頻率和時(shí)間資源，使得系統(tǒng)頻譜效率大幅提升[14].由于LED和光電探測(cè)器(photo detector, PD)之間距離較短以及視線(line of sight, LOS)傳輸，VLC鏈路信噪比較高，而功率域NOMA在高信噪比的情況下表現(xiàn)更好，且VLC的信道較為穩(wěn)定，利于NOMA的功率分配[15].因此提出NOMA下的QoE概率覆蓋模型，并以此為基礎(chǔ)、以UE為中心考慮網(wǎng)絡(luò)的整體性能，優(yōu)化VLC系統(tǒng)中UE的接入方式.② 提出基于用戶(hù)QoE優(yōu)化的貪婪接入(QoE-optimized greedy access, QGA)算法，與以距離為唯一優(yōu)先級(jí)的就近接入方法(proximity access, PA)進(jìn)行仿真對(duì)比.

1 系統(tǒng)模型

1.1 信道模型

圖1給出了VLC下行鏈路系統(tǒng)模型圖.

圖1 VLC室內(nèi)系統(tǒng)模型圖

上行鏈路使用WiFi傳輸.文中考慮的室內(nèi)場(chǎng)景包括安裝在天花板上的NL個(gè)LED燈泡和均勻分布在室內(nèi)的NU個(gè)UE.假設(shè)UE持有的VLC接收器與天花板平行.LED發(fā)射機(jī)與接收器之間的垂直距離為L(zhǎng).發(fā)射機(jī)模型采用朗伯光源，無(wú)論觀測(cè)者的視角如何，觀測(cè)者的亮度都相同[16].UE采用PD作為接收器來(lái)接收VLC信號(hào).VLC控制中心負(fù)責(zé)控制室內(nèi)所有LED燈的照明及通信功能.一個(gè)典型的室內(nèi)環(huán)境通常由多個(gè)相鄰的LED組成，它們形成相鄰或重疊的VLC小區(qū).文中同一小區(qū)使用NOMA，相鄰小區(qū)使用正交多址接入方式避免了小區(qū)間干擾.由于反射或折射光路損耗比LOS傳輸?shù)墓饴窊p耗大110～120 dB，所以文中只考慮LED與接收機(jī)之間的LOS信道直流(direct current, DC)增益[17].

第i個(gè)UE的直流信道增益公式[18]為

(1)

(2)

所以可見(jiàn)光信道增益hi可以寫(xiě)為

(3)

其中Γ=ELm+1,E計(jì)算式為

(4)

式中：A為PD的接收面積；Ts(ψi)為可見(jiàn)光濾波器的增益；g(ψi)為聚光器的增益系數(shù)[19]，表達(dá)式為

(5)

式中：n為折射率，在可見(jiàn)光的應(yīng)用中，n取值在1和2之間.

1.2 可見(jiàn)光NOMA

在可見(jiàn)光小區(qū)中，LED使用不同的功率同時(shí)發(fā)送多個(gè)UE的數(shù)據(jù)，UE使用連續(xù)干擾消除(successive interference cancellation, SIC)技術(shù)接收信號(hào).

LED上傳輸?shù)男盘?hào)[19]為

(6)

(7)

因此，第i個(gè)UE使用SIC接收后可實(shí)現(xiàn)的速率為

(8)

式中：ρ為發(fā)射信噪比，ρ=Pelec/(N0B).

1.3 用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量

用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量是一種以UE認(rèn)可程度為標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)評(píng)價(jià)方法.QoE從UE角度描述網(wǎng)絡(luò)的整體性能，直接反映了UE對(duì)服務(wù)的認(rèn)可程度.高服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)不能總是保證高QoE；對(duì)于語(yǔ)音業(yè)務(wù)而言，UEQoE對(duì)時(shí)延較為敏感，而提高傳輸帶寬并不會(huì)大幅增加QoE；而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)而言，UEQoE只對(duì)某一范圍的傳輸速率變化較為敏感，與QoS相比，QoE可以更好地衡量UE滿(mǎn)意度.目前廣泛使用的QoE量化是平均意見(jiàn)得分(mean opinion score, MOS)[20].QoE可以由真實(shí)UE的主觀評(píng)分來(lái)決定，也可以由對(duì)所獲服務(wù)的客觀測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè).如表1所示，根據(jù)UE滿(mǎn)意度將QoE的主觀感受分為5個(gè)級(jí)別，以MOS表示.

考慮QoE的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，其表達(dá)式[21]為

Q(R)=b1lg(b2R)，

(9)

式中：b1和b2由所需的最大和最小吞吐量確定.在本文中，假設(shè)式(7)中的服務(wù)類(lèi)型所需的最大和最小吞吐量為70和20 Mb·s-1，分別對(duì)應(yīng)MOS值為5和1.通過(guò)計(jì)算，將參數(shù)設(shè)置為b1= 0.647 6和b2=0.750 3.

2 NOMA下的多小區(qū)多用戶(hù)接入策略

2.1 NOMA下的QoE概率覆蓋模型

文中以QoE作為系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo).基于NOMA下LED的QoE概率覆蓋半徑會(huì)隨接入U(xiǎn)E的數(shù)量變化而變化的特性，提出單個(gè)小區(qū)的QoE概率覆蓋模型.

處于小區(qū)某個(gè)位置UE的覆蓋概率定義為其QoE值大于等于閾值Qt的概率.基于式(9)，第i個(gè)UE的覆蓋概率可表示為

(10)

式中：Pr[·]為事件的概率；QoEi為當(dāng)前位置的第i個(gè)UE的QoE值；Qt為UE需要滿(mǎn)足的最小QoE值，是基于UE自身接入QoE值需求設(shè)定的.

根據(jù)式(3)、(8)、(10)，QoE覆蓋概率可寫(xiě)為

(11)

式中：ξ=21/(Bb2)10Qt/b1-1；ai和aj覆蓋分別為第i、j個(gè)UE的功率分配因子.

(12)

(13)

式中：U代表UE集合.

在給定網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率的情況下，QoE概率覆蓋半徑為

(14)

由式(14)可見(jiàn)，QoE概率覆蓋半徑只與小區(qū)內(nèi)接入的UE數(shù)量有關(guān).因此QoE概率覆蓋范圍會(huì)隨著小區(qū)內(nèi)接入U(xiǎn)E數(shù)量增加而縮小，而當(dāng)接入U(xiǎn)E數(shù)量減少時(shí)，QoE概率覆蓋范圍又會(huì)擴(kuò)大.該性質(zhì)使得下文分析LED-UE接入算法時(shí)考慮LED概率覆蓋范圍隨接入U(xiǎn)E數(shù)的變化.式(14)所求得的QoE概率覆蓋半徑也成為后續(xù)提出的QGA中判斷UE是否在某個(gè)LED概率覆蓋范圍下的依據(jù).

NOMA下LED的QoE概率覆蓋半徑的變化還會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定區(qū)域的產(chǎn)生.處于不穩(wěn)定區(qū)域的UE在未接入該LED時(shí)處于其QoE概率覆蓋范圍內(nèi)，但當(dāng)接入后該LED的QoE概率覆蓋范圍縮小，該UE又不處于覆蓋范圍內(nèi)，如圖2中用戶(hù)2所示.若UE處于LED的不穩(wěn)定區(qū)域則無(wú)法保證其接入質(zhì)量.

圖2 不穩(wěn)定區(qū)域

上述概率覆蓋模型有效考慮了NOMA下LED的QoE概率覆蓋半徑的變化問(wèn)題，使得下文QGA的提出更為嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確.

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

對(duì)于給定的UEj若接入LEDi，二者之間距離為

(15)

式中：xi、yi、xj、yj分別為L(zhǎng)EDi和UEj的橫縱坐標(biāo).二者之間的用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量為

Qi,j=b1lg(b2Ri,j)，

(16)

式中：Ri,j為L(zhǎng)EDi與UEj連接后的數(shù)據(jù)速率.

本文的主要目標(biāo)是找到LED-UE的最佳連接，從而最大化所有接入U(xiǎn)E的體驗(yàn)質(zhì)量.所有接入U(xiǎn)E的QoE之和為

(17)

式中：ki,j為引入的二進(jìn)制變量，用來(lái)指示UEj是否接入LEDi，若連接ki,j=1，否則ki,j=0；νU和νL分別表示所有UE和LED的集合.

文中的目標(biāo)函數(shù)為

(18)

式中：Na為每個(gè)LED最多能接入的UE數(shù)量.由于NOMA同時(shí)允許多個(gè)UE在相同的時(shí)間、頻率接入，同信道干擾在NOMA系統(tǒng)中會(huì)很強(qiáng).由此可見(jiàn)，UE數(shù)量對(duì)NOMA系統(tǒng)的性能影響較大，因而文中將每個(gè)LED最多能接入的UE數(shù)量設(shè)為5個(gè)[15，22].

將最大化所有UE的QoE之和，轉(zhuǎn)化為最大化每個(gè)接入U(xiǎn)E的QoE值.由式(3)、(8)、(9)可看出當(dāng)UE與LED之間距離越小(即r值越小)時(shí)，其QoE值越大.因此將文中優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為最小化接入U(xiǎn)E與LED之間的距離.

所有接入U(xiǎn)E與LED之間的距離之和為

(19)

文中的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為

(20)

2.3 基于QoE的貪婪接入算法

文中提出了一種貪婪接入算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多小區(qū)多UE時(shí)的接入策略.VLC系統(tǒng)中有NL個(gè)位置固定的LED，有NU個(gè)UE均勻分布于室內(nèi)，如圖3所示.

圖3 仿真場(chǎng)景圖

di,j代表LEDi和UEj之間的距離，其中i=1,2,…,NL，j=1,2,…,NU，下面舉例詳細(xì)介紹QGA的過(guò)程及原理.例中房間長(zhǎng)、寬、高分別為12，12，3 m，4個(gè)位置固定的LED坐標(biāo)分別為(3,9)、(9,9)、(3,3)、(9,3)，每個(gè)LED總傳輸功率設(shè)為0.25 W.6個(gè)UE位置服從均勻分布，Pcov=100%.

基于用戶(hù)QoE優(yōu)化的貪婪接入算法過(guò)程如下：

步驟1：生成這4個(gè)LED與6個(gè)UE彼此之間的距離矩陣D，行對(duì)應(yīng)LED1、LED2、LED3、LED4，列對(duì)應(yīng)UE1、UE2、UE3、UE4、UE5、UE6，即

(21)

步驟2：依據(jù)式(14)生成這4個(gè)LED當(dāng)前QoE=Qt時(shí)的概率覆蓋半徑列矩陣R，即

(22)

矩陣R的行對(duì)應(yīng)LED1、LED2、LED3、LED4的QoE概率覆蓋半徑.該半徑會(huì)隨小區(qū)內(nèi)接入U(xiǎn)E數(shù)的變化而變化.w∈{0,1}，對(duì)于某個(gè)待接入的UE而言，w=0表示該UE未接入當(dāng)前LED，w=1表示該UE接入當(dāng)前LED.當(dāng)完成一次連接判斷后，w值更新為0.

步驟3：記錄每個(gè)LED當(dāng)前已接入的UE數(shù)，初始值為0個(gè).生成列矩陣A，行分別是每個(gè)LED的當(dāng)前已接入U(xiǎn)E數(shù)，即

(23)

步驟4：生成指示矩陣K，初始為零矩陣，指示LED和UE之間的連接情況，若確有連接則ki,j=1，否則ki,j=0.矩陣K每列只能有1個(gè)1，每行最多有5個(gè)1.

步驟5：在矩陣D中選取非零的最小值，所選值用紅色標(biāo)記，即

(24)

(25)

(26)

步驟6：當(dāng)滿(mǎn)足上述條件后，建立LED2與UE3的連接，由于一個(gè)UE只能與一個(gè)LED連接，因此將矩陣D中第3列置零，即

(27)

至此完成第1次LED-UE的連接判斷.

步驟7：更新R、A和K，即

(28)

(29)

(30)

步驟8：在更新后的矩陣D中重新選取非零最小值，所選值用紅色標(biāo)記，即

(31)

(32)

(33)

步驟9：LED4與UE5滿(mǎn)足所有判斷條件，建立連接，將矩陣D中第5列置零，即

(34)

至此完成第2次LED-UE的連接判斷.

步驟10：更新R、A和K，即

(35)

(36)

(37)

步驟11：重復(fù)步驟5到步驟10，直到矩陣D變?yōu)榱憔仃?

圖4總結(jié)了上述接入算法的流程.

圖4 算法流程圖

由圖4可見(jiàn)，接入算法可概括如下：

1) 已知LED和UE數(shù)量以及各自在室內(nèi)的位置，測(cè)算每個(gè)LED與每個(gè)UE之間的距離，形成NL×NU的距離矩陣D，D中每一個(gè)元素都代表對(duì)應(yīng)LED與UE的連接.依據(jù)QoE概率覆蓋模型公式(14)估計(jì)每個(gè)LED在QoE為給定閾值Qt時(shí)的半徑，形成NL×1的半徑列矩陣R，并記錄當(dāng)前每個(gè)LED已接入的UE數(shù)，形成NL×1的列矩陣A，并生成NL×NU的指示矩陣K.

2) 在D不是零矩陣時(shí)，選取D中非零的最小值，判斷該值與R中對(duì)應(yīng)行值的大小，若D中元素值較大則無(wú)法接入，將D中該值變?yōu)?；若D中元素值較小則判斷對(duì)應(yīng)LED的已接入U(xiǎn)E數(shù).若已接入U(xiǎn)E數(shù)≥5則無(wú)法接入，將D中該值變?yōu)?；若已接入U(xiǎn)E數(shù)<5，則驗(yàn)證該UE是否在該LED當(dāng)前的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi).若在，則無(wú)法接入，將D中該值變?yōu)?；若不在，則建立該值對(duì)應(yīng)的UE和LED連接，并將D中已建立連接的UE列變?yōu)?列，更新距離矩陣D.

3) 測(cè)算UE接入后LED的QoE概率覆蓋范圍縮小后的新覆蓋半徑，更新半徑列矩陣R，并更新矩陣A和矩陣K.

4) 重復(fù)步驟2)和3)，直到D變?yōu)榱憔仃?

3 仿真結(jié)果

本節(jié)旨在闡明影響VLC 系統(tǒng)接入策略性能的因素，如UE數(shù)量、覆蓋概率、QoE閾值、FOV度數(shù)等.將QGA與不考慮QoE、以距離為唯一優(yōu)先級(jí)的PA進(jìn)行多方面比較.

假設(shè)在覆蓋區(qū)域中存在NU個(gè)UE，使用NOMA接入LED.如果沒(méi)有特別說(shuō)明，Qt默認(rèn)值為4.具體仿真參數(shù)如表2所示.

表2 仿真參數(shù)

當(dāng)室內(nèi)VLC系統(tǒng)中UE數(shù)量變化時(shí)，UE平均QoE的變化如圖5a所示.

圖5 UE數(shù)量對(duì)UE平均QoE的影響及其仿真對(duì)比

在QGA中，隨著UE數(shù)量的增加，每個(gè)小區(qū)接入U(xiǎn)E數(shù)量都會(huì)有不同程度的增加，導(dǎo)致每個(gè)小區(qū)的功率資源會(huì)分配給更多的UE，每個(gè)接入U(xiǎn)E分配到的資源減少，數(shù)據(jù)速率下降，從而導(dǎo)致其QoE值略有下降，總體平均QoE值也呈下降趨勢(shì).但每個(gè)新發(fā)出接入請(qǐng)求的UE都會(huì)經(jīng)由控制中心判斷是否能夠接入系統(tǒng)，有些不滿(mǎn)足接入條件的UE即使發(fā)送了請(qǐng)求也不能接入，這使得QGA的平均QoE值下降幅度較為平緩，不超過(guò)0.4.而PA由于限制條件較少，UE只要位于LED數(shù)據(jù)傳輸范圍內(nèi)都能夠接入，隨著UE數(shù)量的增加，每個(gè)小區(qū)接入的UE數(shù)量逐漸增加，每個(gè)UE得到的功率資源更少，則接入U(xiǎn)E的QoE值都較小，平均QoE值相對(duì)QGA而言也較小，均小于4.而在PA中每個(gè)在覆蓋范圍下發(fā)送請(qǐng)求的UE都能夠接入系統(tǒng)，這使得平均QoE的值下降幅度略大，達(dá)到0.6.這說(shuō)明QGA的穩(wěn)定性較優(yōu)，且接入U(xiǎn)E的體驗(yàn)質(zhì)量更好.

圖5b為蒙特卡羅仿真與理論分析仿真的對(duì)比，可見(jiàn)實(shí)際情況與文中的理論分析相符.

當(dāng)室內(nèi)VLC系統(tǒng)中UE數(shù)量和接入閾值發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)接入U(xiǎn)E比例的變化如圖6所示.此處將為PA設(shè)置的對(duì)比判斷標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一視為閾值.

圖6 UE數(shù)量(QoE≥3)和接入閾值對(duì)系統(tǒng)接入U(xiǎn)E數(shù)量比例的影響

隨著UE數(shù)量的增加，處于覆蓋范圍內(nèi)的UE數(shù)量增加，每個(gè)UE得到的功率資源更少，滿(mǎn)足閾值為3的接入U(xiǎn)E比例則會(huì)逐漸下降，且在UE數(shù)量較小或閾值較小時(shí)，兩種方法接入比例都較高.PA雖然總體接入U(xiǎn)E的數(shù)量較多，但隨著UE數(shù)量越來(lái)越多，功率資源的過(guò)度分散致使接入效果不佳，體現(xiàn)為滿(mǎn)足閾值的UE比例下降較快.而QGA則是有選擇性地接入，在保證接入質(zhì)量的同時(shí)接入比例也較高.

隨著接入閾值的增加，對(duì)系統(tǒng)接入質(zhì)量的要求越來(lái)越高，高接入質(zhì)量意味著更多的功率資源分配，在總資源一定的情況下，能滿(mǎn)足要求的UE也只會(huì)越來(lái)越少，因此接入比例均呈下降趨勢(shì).而QGA的選擇性接入以保證接入U(xiǎn)E的質(zhì)量為前提，盡可能多地接入U(xiǎn)E，這使得QGA的曲線下降幅度較小，即使在閾值達(dá)到4時(shí)，接入比例仍有近80%.反觀PA，不限制UE的接入，使得功率資源過(guò)于分散，導(dǎo)致接入U(xiǎn)E的QoE值下降幅度很大，當(dāng)閾值到達(dá)4時(shí)，接入比例甚至下降到0%.

為了分析被調(diào)度UEQoE的公平性，文中引入服務(wù)公平指標(biāo)(service fairness indicator,SFI)[21]，其表達(dá)式為

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式中：maxQi-minQj為調(diào)度UEQoE的最大差值.SFI越小，表明UE間公平性越好.通過(guò)仿真計(jì)算，得到UE數(shù)量和不同接入方法對(duì)SFI的影響，如圖7所示.

圖7 UE數(shù)量對(duì)服務(wù)公平性的影響

與PA相比，QGA在建立LED-UE鏈路時(shí)就已考慮了UE公平性.在QGA的選擇中，無(wú)論UE優(yōu)先級(jí)多高，每個(gè)UE至多被選擇一次，這為其他UE提供了更大的接入機(jī)會(huì)，避免一個(gè)UE分配過(guò)多的資源.隨著UE個(gè)數(shù)的增多，調(diào)度UE數(shù)也會(huì)增多，因此SFI值一直處于下降趨勢(shì).之前從圖6已經(jīng)看出QGA系統(tǒng)較為穩(wěn)定，QoE的差值也較為穩(wěn)定，即使調(diào)度UE數(shù)量有所增加，SFI值也能始終保持在較低水平.而PA中調(diào)度UE數(shù)的增加對(duì)系統(tǒng)影響較大，致使QoE的差值變化較大，因此SFI值的變化幅度也較大.這說(shuō)明QGA有著比PA更好的公平性.

當(dāng)室內(nèi)VLC系統(tǒng)中FOV度數(shù)變化時(shí)，UE平均QoE和系統(tǒng)接入U(xiǎn)E數(shù)量比例(QoE≥3)的變化如圖8所示.

圖8 FOV度數(shù)對(duì)UE平均QoE和系統(tǒng)接入U(xiǎn)E數(shù)量比例(QoE≥3)的影響

由于文中不考慮小區(qū)間干擾，所以當(dāng)UE FOV度數(shù)增大時(shí)，UE接收到的信號(hào)隨之增多，接入U(xiǎn)E所能達(dá)到的數(shù)據(jù)速率也更高，因而接入U(xiǎn)E的QoE值更大，UE平均QoE也隨之呈上升趨勢(shì)，同時(shí)系統(tǒng)接入U(xiǎn)E數(shù)量比例也會(huì)增加.當(dāng)為PA設(shè)置接入U(xiǎn)E的QoE值需達(dá)到3的判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，F(xiàn)OV度數(shù)較小的情況下接入U(xiǎn)E中能滿(mǎn)足閾值的比例大約只有50%.隨著FOV度數(shù)增大，PA能接入的UE數(shù)量更多，UE接收信號(hào)總體增加更多，有更多接入U(xiǎn)E的QoE值增加，所以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的UE比例增加幅度較大.當(dāng)FOV度數(shù)達(dá)到110°后，QGA系統(tǒng)接入U(xiǎn)E比例基本接近100%，不再增加，而此時(shí)接入U(xiǎn)E的QoE仍然在增加，因而每個(gè)UE平均QoE增加幅度會(huì)更大.

由式(14)看出，網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率Pcov值越大，LED的QoE概率覆蓋半徑越大，覆蓋性能越好，可接入的UE數(shù)量就越多.但式(14)也反應(yīng)出Pcov值對(duì)覆蓋半徑的數(shù)值影響有限，上述仿真圖也可看出在實(shí)際情況下對(duì)UE接入狀況的影響也相對(duì)較小，因此QGA在不同覆蓋概率下的性能曲線反應(yīng)在圖5-8中都較為靠近，這也說(shuō)明系統(tǒng)魯棒性較強(qiáng).

4 結(jié) 論

文中提出了基于用戶(hù)QoE優(yōu)化的貪婪接入算法，分析了UE數(shù)量、覆蓋概率、接入閾值、接收視角等因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響.仿真結(jié)果表明，與就近接入方法相比，基于用戶(hù)QoE優(yōu)化的貪婪接入算法能夠提供更高的平均UE體驗(yàn)，在不同的接入閾值和接收視角下都能保證更多的接入U(xiǎn)E比例以及具有良好的公平性.同時(shí)，對(duì)于不同網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率的比較也體現(xiàn)了該算法的魯棒性.