基于遺傳算法的室內(nèi)光無(wú)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(nèi)光無(wú)線通信功率分布優(yōu)化方案 摘要:室內(nèi)光無(wú)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(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 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(wú)線頻段已經(jīng)過(guò)于擁擠且需要很高的功耗以滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這預(yù)示著未來(lái)傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)及60ghz技術(shù)將無(wú)法滿足持續(xù)增長(zhǎng)的無(wú)線數(shù)據(jù)需求（如mobile tv及cmmb）。另一方面，新型的光無(wú)線接入技術(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?？紤]到多次反射對(duì)接收端的影響已經(jīng)相當(dāng)微小，本文只考慮三次以內(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φ1/2= 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=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(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)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(cè)器的有效探測(cè)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(gè)接收器的視場(chǎng)角代表。此外，g(ψ)為光集中器的增益，具體當(dāng)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(nèi)光無(wú)線通信功率分布優(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(hào)沿自身法線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內(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(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(dá)式可通過(guò)參考式(2) 進(jìn)一步得到。此外， h(k－1)(0;si,δl)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(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(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(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(jù)式m=-ln 2/ln (cos φ1/2)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=ρeeheae計(jì)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(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(φi)cos(ψi)/r2i(4) 其中:φi為第i個(gè)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(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=1［1］。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限制。假設(shè)所有的led燈由獨(dú)立的因子0下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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