基于遺傳算法的室內光無線通信功率分布優(yōu)化方案.doc
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基于遺傳算法的室內光無線通信功率分布優(yōu)化方案 摘要:室內光無線通信(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)界所關注。然而，由于多徑傳輸效應的存在，即使在同一室內房間，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 for indoor optical wireless communication xu 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)的無線頻段已經過于擁擠且需要很高的功耗以滿足不斷增長的數(shù)據業(yè)務。這預示著未來傳統(tǒng)無線技術及60ghz技術將無法滿足持續(xù)增長的無線數(shù)據需求（如mobile tv及cmmb）。另一方面，新型的光無線接入技術具備帶寬資源豐富、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注和研究支持［1-10］。 針對光無線通信的許多研究已經相繼問世，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)設計層面一個極富挑戰(zhàn)的問題［11-14］。由于相應的信道特性不僅取決于房間的具體尺寸、室內與光線發(fā)生反射作用的表面反射特征，而且受到室內物體的影響，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不同接受位置獲得一致的表現(xiàn)特性。 1室內光無線系統(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（含經過反射路徑部分），將室內環(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相當微小，本文只考慮三次以內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，相應的長寬高尺寸分別是8m,4m,3m。房間內四周墻壁、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)射角度滿足余弦關系。此外，本文沿用已有的實測結果，led的半功率角為φ1/2= 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=1{pthd(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)a2πd2dcosm(φ)ts(ψ)g(ψ)cos(ψ),0≤ψ≤ψc 0,ψ>ψc (2)其中:φ是輻射出射角, ψ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(ψ)是光濾波器的接受增益且ψc每個接收器的視場角代表。此外，g(ψ)為光集中器的增益，具體當0≤ψ≤ψc該增益可以表示為 g(ψ)=n2/sin2(ψc)，而其他情況下g(ψ)=0。 第4期 徐春：基于遺傳算法的室內光無線通信功率分布優(yōu)化方案計算機應用 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ρ。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的反射情況，所以這一經過反射路徑的直流信道增益可依據式href(0;si,rj)=∑3k=1(∑nl=1h(k－1)(0;si,δl)h(0)(0;δl,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;δl,rj)的具體表達式可通過參考式(2) 進一步得到。此外， h(k－1)(0;si,δl)的對應表達式可以通過式（3）迭代進一步得到: h(k－1)(0;si,δl)=∑nm=1h(k－2)(0;si,δl)h(0)(0;δl,δm) (3)其中δl同δm分別代表兩個獨立的反射面微分元素。 1.3照明特性 室內光無線系統(tǒng)的另一個重要性能參量是實際房間內工作面上的水平光照度。當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(φ)cos(ψ)/r2具體獲得，其中:φ為出射角，ψ 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)，可依據式m=-ln 2/ln (cos φ1/2)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=ρeeheae計算得到，其中:ρe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(φi)cos(ψi)/r2i(4) 其中:φi為第i個反射微分元素的出射角，ψi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/2π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=1［1］。2本文提出的優(yōu)化方案 2.1優(yōu)化因子 復雜的室內光無線信道，對應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)，在很多領域應用智能技術已經被證明能夠有效地緩解此類限制。假設所有的led燈由獨立的因子0
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- 基于 遺傳 算法 室內 無線通信 功率 分布 優(yōu)化 方案
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