基于干扰图的室内VLC-RF下行协作传输的时频资源分配方法

本发明属于光无线通信领域，涉及基于干扰图的室内vlc-rf下行协作传输的时频资源分配方法。

背景技术：

1、在实现未来6g(6th generation mobile communication technology，第6代移动通信技术)移动通信需求的研究探索中，vlc-rf(visible light communication-radiofrequency，可见光通信-射频)组网技术被认为是至关重要的关键技术之一。然而，在多个可见光(visible light communication，可见光通信)通信小区场景下，由于小区间重叠覆盖导致处于重叠覆盖区内的用户可以接收多个接入点(access point，ap)的信号，从而产生严重的干扰问题，影响了vlc-rf异构网络的服务性能和资源利用率。为了应对室内vlc-rf异构网络中的小区间干扰和资源利用率降低的挑战，必须在有效的干扰管理基础上，实施灵活的多小区资源分配策略，以平衡不同用户之间的资源竞争问题。多vlc ap重叠覆盖区内的干扰分为两类：小区间干扰和小区内干扰。小区间干扰发生于不同接入点在相同频率上为不同用户传输数据时产生的干扰，而小区内干扰则是由同一接入点在相同频率上为不同用户传输数据造成的。利用频分多址接入技术分配子载波给小区内不同的用户，被认为是缓解小区内干扰的有效技术；但是，室内密集覆盖的多vlc ap的部署导致的小区间干扰依然是影响系统性能和资源利用率的一个重要挑战。

2、对于室内vlc-rf异构网络来说，vlc ap的密集分布会导致严重的小区间干扰，这会降低用户的qoe(quality of experience，体验质量)和网络的通信性能。特别地，对于小区边缘的用户，他们的通信覆盖范围内可以同时收到多个vlc ap发出的较弱的光信号，接收设备收到的信号的信噪比(signal to noise ratio，snr)较小，在其他vlc ap信号干扰下，更难以从接收信号中提取出有价值的信息，进而导致信号质量下降，从而影响到整个网络的传输效率。因此，如何增强vlc ap边缘区域接收信号强度，并减小干扰，是提高vlc ap边缘区域用户qoe和系统性能的有效途径之一。本技术考虑多个vlc ap覆盖区域的下行链路数据传输情况，采用无冲突干扰图方法优化用户接入多个vlc ap的调度时长，及分配多个vlc ap协作传输的子载波资源的方法，该方法在实现减少小区间干扰的同时，进一步增强vlc-rf异构网络的吞吐量性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的核心在于提供基于干扰图的室内vlc-rf下行协作传输的时频资源分配方法，降低小区间干扰，提高总用户速率和平均用户满意度。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于干扰图的室内vlc-rf下行协作传输的时频资源分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

4、s1：输入用户集合m，vlc ap集合为n，1个rf ap，各vlc ap发射功率为pv和单位载波带宽，rf ap发射功率为pr和单位载波带宽，vlc ap子载波集合为cs，rf的子载波集合，输入用户请求业务的一般速率值、最小速率值和最大速率值，设置vlc ap最小簇数kmin和最大簇数kmax，vlc系统的满意度阈值；根据vlc的朗伯辐射模型，计算各用户到各vlc ap的信道增益值，根据瑞利衰落信道模型，计算各用户到rf ap的信道增益；

5、其中，由朗伯辐射模型，计算vlc ap n到用户m的接收机的视线信道增益的公式为：

6、

7、式中，apd表示光接收面积；dm,n是用户m与vlc ap n的直线距离；是vlc ap发射角；f表示朗伯辐射阶数，且是vlc ap的半功率角；ψ是光接收机的入射角；ψc是光接收机的视场角；t(ψ)和g(ψ)分别为光接收机的光滤波器增益和光聚光器增益；若0≤ψ≤ψc，则聚光器g(ψ)＝c2/sin2(ψc)，其中折射率c＝1.5；若ψ＞ψc，则g(ψ)＝0；

8、根据瑞利衰落模型，计算rf ap到用户m之间的信道增益，其计算公式为：

9、

10、式中，l(db)表示rf信道的路径损耗，单位为db，其计算方法为：

11、

12、上式中，dmn为rf ap n到用户m的通信链路的长度；fc为以ghz为单位的中心载波频率；xσ是标准差为3db的零均值高斯随机变量表示的阴影衰落；dbp是10m的参考距离；自由空间路径损耗l(dmn)＝20log10(fcdmn)-147.5；

13、s2：执行以用户为中心的时间资源分配算法，具体过程是：构造vlc ap加权无向干扰图，根据用户接入vlc ap簇获得的最大可达速率之和与vlc系统的vlc系统的最小平均满意度值，在干扰图中确定vlc ap的分簇集合；根据用户请求业务的速率值，确定各vlc ap簇服务用户业务传输的调度时长；

14、s3：执行基于干扰管理的多小区资源分配算法，具体过程是：依次计算用户接入vlc ap簇的空闲载波的正影响和竞争该子载波资源的其他用户造成的负影响，确定用户选择vlc ap簇空闲子载波的优先级因子值，执行基于干扰管理的多小区资源分配算法，获得用户接入vlc ap簇的可见光子载波关联信息和用户接入rf ap的子载波关联信息。

15、所述s2具体方法为：

16、s201：根据室内vlc-rf异构网络的用户位置和接收设备视场角、vlc ap位置和发射角，确定vlc ap小区之间通信覆盖重叠范围和重叠区内用户集合，构造反映vlc ap之间视线传输干扰程度的加权无向干扰图g(v，e)，其中，干扰图的节点集合v＝{1,...,|n|}对应vlc ap集合，干扰图的边集为e＝{er,j|r,j∈ni}，ni为重叠覆盖区内存在用户的vlc ap集合；

17、其中，干扰图中表示vlc ap r和vlc ap j间存在干扰的边er,j的权重值为：

18、

19、式中，ζj是vlc ap j的干扰用户集，由处于vlc ap r和vlc ap j重叠区内但是没有将接入vlc ap j的用户组成，hm,r为vlc ap r和用户m的视线信道增益；ζr是vlc ap r的干扰用户集，由处于vlc ap r和vlc ap j重叠区内但是没有将接入vlc ap r的用户组成，hm,j为vlc ap j和用户m的视线信道增益；在图g(v，e)中，w(er,j)＝w(ej,r)；

20、s202：计算各vlc ap的干扰强度值，确定干扰图g(v，e)中各节点的权值，令kc＝kmin，kmin为设定的vlc ap分簇的簇头最小值；

21、其中，g(v，e)中节点j的权值为第j个vlc ap的干扰强度值，其计算公式为：

22、

23、s203：将g(v，e)中权值最大的节点对应的vlc ap加入到gl集合，作为gl集合的簇头节点，若gl集合中簇头节点数目等于kc，将g(v，e)中没有加入gl集合的节点，都加入到gm集合中，转至步骤s204，否则，从g(v，e)中删除加入gl集合的节点，返回步骤s203；

24、s204：若gm集合为空集，转至步骤s206，否则，转至步骤s205；

25、s205：比较连接在gm集合节点与gl集合节点之间的干扰边，选择干扰边权值最小的边对应的gm集合节点，标记为j，若存在权值最小的边，则将节点j加入gl的簇头集合中，从gm集合中删除节点j，转至步骤s204；

26、s206：将所有vlc ap作为只有簇头的簇加入gl集合，解决非多vlc ap重叠区或干扰较大的重叠区内用户仅接受1个vlc ap通信服务的簇头集合，得到多vlc ap服务和单vlcap服务的vlc ap簇集合gl；

27、s207：将vlc ap覆盖区内的用户接入信道增益最大的gl中vlc ap簇，若该vlc ap簇内只有1个节点，则用户接受该vlc ap信息传输服务；若该vlc ap簇内有多个节点，则用户接受vlc ap簇的协作传输服务，计算各用户的最大可达速率值，计算vlc系统的最小平均满意度值，若最小平均满意度大于等于vlc系统的满意度阈值，转步骤s207，否则，若kc<kmax，令kc＝kc+1，转至步骤s203；若kc＝kmax，转至步骤s208；

28、其中，第k个vlc ap簇协作服务用户m的最大可达到速率的计算公式为：

29、

30、上式中，ck表示第k个vlc ap簇中的vlc ap集合，b0为vlc ap单位子载波的带宽；snrm,n表示用户m接入vlc ap n的信噪比值，其计算公式为：

31、

32、上式中，pv表示vlc ap的光发射功率；γ为用户接收端的光/电转换系数；n0为awgn(additive white gaussian noise，加性高斯白噪声)的功率谱密度；bv为vlc ap的系统总带宽；

33、其中，系统的最小平均满意度为系统吞吐量与用户请求所需最小总速率比值，其计算公式为：

34、

35、上式中，为用户m请求业务所需的最小速率值；gl为vlc ap分为kc个簇的簇集合，ck为第k个簇的vlc ap集合；

36、s207：若vlc系统的最小平均满意度值小于1，转步骤s208；否则，令各用户的调度时长为1个时间调度周期，转步骤s209；

37、s208：根据每个用户的请求速率需求，计算各vlc ap簇服务用户的调度时间，转步骤s209；

38、其中，用户m接入vlc ap簇ck的调度时间的计算公式为：

39、

40、式中，um为用户m请求业务的正常速率需求值，t为一个调度周期单位时长，表示向上取整数；

41、s209：将没有在vlc ap覆盖区内的用户接入rf ap，计算其调度时长，转步骤s210；

42、其中，用户m接入rf ap的调度时间的计算公式为：

43、

44、式中，为用户m接入rf ap的最大可达速率值，由香农公式，该值计算公式为：

45、

46、上式中，br为rf ap单位载波的带宽；pr表示rf ap的发射功率；br为rf ap的系统总带宽；

47、s210：输出vlc ap分簇的gl集合，各个用户接入vlc ap簇及在簇中的调度时长，接入rf ap用户的调度时长。

48、所述s3具体方法为：

49、s301：根据用户与vlc ap簇或vlc ap关联的调度时长，统计关联vlc ap簇的用户，保存在集合ma中，关联rf ap的用户，保存在mr中；依次计算ma中用户关联vlc ap簇的一个载波对其他用户造成的正影响；

50、其中，用户m接入vlc ap簇ck的载波l的正影响的计算公式为：

51、

52、上式中，cs为vlc ap的总载波集合；为用户m接入vlc ap n的载波l的最大可达速率，其计算公式为：

53、

54、上式中，为用户m接入vlc ap簇ck的调度时长，表示用户m接入vlc ap簇ck的vlc ap n的载波l的信干比值，其计算公式为：

55、

56、上式中，ζn是vlc ap n的干扰用户集，由处于vlc ap r和vlc ap n重叠区内在调度时长内使用载波l、但是没有将接入vlc ap n的用户组成；λt为一个布尔变量，当不同簇的vlc ap重叠覆盖区的用户在第t个调度时长单位时间内使用相同载波l时，λt＝1；否则，λt＝0；

57、s302：依次计算ma中用户关联vlc ap簇的一个载波对vlc ap簇的覆盖区内其它用户造成的负影响和总权重负影响；

58、其中，用户m关联vlc ap簇ck的载波l的正影响qm对该簇内其它用户的的总权重负影响的计算公式为：

59、

60、上式中，ym为受用户m关联vlc ap簇ck的载波l影响的用户集合；为用户m关联vlc ap簇ck的载波l对该簇覆盖区内其它用户m′造成的负影响值，其计算公式为：

61、

62、式中，umax为系统中所有用户的最大需求速率，umin为系统中所有用户的最小需求速率，um'为用户m'的正常数据速率需求值；l′和l为使用的子载波序号；

63、式中，受到用户m关联vlc ap簇ck的载波l影响的用户集合ym的确定方法为：hj为簇ck中vlc ap j的覆盖区的用户集合；

64、s303：依次计算ma中用户选择vlc ap簇的优先级因子；

65、其中，用户m选择在vlc ap簇子载波的优先级因子值的计算公式为：

66、

67、s304：按照ma中用户优先级因子值由高到低，降序排列ma集合中用户；

68、s305：选择ma集合中没有检查vlc ap子载波分配的第1个用户，为该用户选择信道增益最大的vlc ap所在的ap簇，若有，转步骤s306；否则，将该用户加入集合mr中，并从ma集合中删除该用户，转步骤s307；

69、s306：将vlc ap簇内各个vlc ap的同一序号的空闲子载波分配给用户，更新子载波关联矩阵，转步骤s307；

70、s307：若集合ma中所有用户都检查了vlc ap子载波分配，转步骤s308；否则，转步骤s305；

71、s308：若集合mr为空集，转步骤s309；否则，依次为集合mr中用户选择rf的空闲子载波，若rf无空闲子载波资源，则阻塞集合mr中未分配子载波的用户的业务请求，转步骤s309；

72、s309：输出所有用户关联vlc ap或rf ap的调度时长信息，用户获得接入vlc ap或rf ap的子载波序号信息，接入vlc ap的用户集合ma和接入rf ap的用户集合mr。

73、本发明的有益效果在于：本发明涉及基于干扰图的室内vlc-rf下行协作传输的时频资源分配方法。首先，将vlc ap间干扰情况建模为加权无向干扰图；其次，根据用户信噪比值动态调整合作vlc ap分组数量，以确定合作vlc ap集以及它们服务的用户群；然后，根据分组后的用户的速率要求调整各vlc ap的服务用户调度时长；最后，根据snr和用户速率需求以及用户与vlc ap之间的连接对其他用户的影响，确定用户子载波资源分配的优先级，并根据优先级为用户分配vlc ap和rf ap的子载波。