一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法技术

本发明专利技术提出一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，通过构建可见光通信空间多点LED光源为发射点的接收光信号的信噪比和接收平面信噪比因子计算模型；在长宽高一定的通信空间，将一定数目等功率的LED光源置于空间内，应用烟花算法寻找使得接收平面接收的光信号信噪比分布最均匀的LED光源三维位置，有效降低SNR波动，提高SNR均值，使得接收平面光信号的信噪比分布最均匀，取得最优的通信效果和光照效果，最大面积地保证位于不同位置的用户能够接收到通信质量一致的信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法
本专利技术涉及可见光通信领域，尤其是一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法。
技术介绍
可见光通信借助发光二极管收发设备简单，传输速度快，误码率低，多径干扰现象弱，照明的同时提供通信高效节能，光能够照射到的区域为可见光通信区域，无光线照射的区域不存在数据通信，数据无法透过墙壁或者窗帘等厚物，数据保密性高。可见光通信系统中多采用强度调制——直接检测的方式实现数据通信，直接检测由光电探测器直接探测LED发出的光信号，因而要使通信效果达到最优，要求同一水平面上分布的光信号信噪比变化较小，即同一水平面光信号分布越均匀通信均匀效果越好，从而降低通信接收设备的要求，使得通信接收设备得以简化。如何提高接收平面光信号的覆盖均匀性，与LED光源分布密切相关，有OMEGA工程研究团队提出的均匀方阵LED分布光源布局，日本庆应大学的Nakagawa研究团队为了工程实现的方便，提出了分组LED阵列光源布局，2012年新加坡南洋理工大学的WangZixiong等人提出了12+4的分布模式，12盏LED光源均匀分布于以确定常数为半径的圆周上，4盏LED光源分布于方形通信空间4个角落，从而降低光接收平面信噪比的波动。日本索尼株式会社申请的接收设备，发送设备和通信系统专利，专利号CN1316835A，给出了能可靠发送和接收高速光信号的一种接收设备和发送设备，以及采用该设备的通信系统，其中发送设备使用白光LED阵列，如4行4列LED阵列，所有发光二极管功率相同，用于办公室或者家庭内的照明和通信。南京邮电大学2012年申请基于白光LED的预编码MU-MIMO室内可见光通信系统经过信号预编码，再采用LED阵列发送光信号，接收电路经过信号输出处理单元输出，以此消除多用户干扰，有效降低接收端的复杂度，没有提到LED阵列的具体形式。中国矿业大学2013年申请并授权的专利技术专利煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法，在矿井工作面长方体形光通信空间中通过增大边缘LED光源的功率从而减小接收平面光信号SNR波动，增大光信号均匀性。以上设计方法中存在的问题是：一是国内外对于可见光通信中LED光源分布的研究大部分都为均匀阵列的LED光源分布，或者限于对光信号SNR极弱的四个角落增加LED光源的布局，以及对周围边缘光信号SNR极弱增加LED光源功率的布局，并没有对LED光源分布的优化研究。二是假设LED光源均安装在同一高度，在某些应用环境中，光源LED的高度可以在一定范围内调节，通过降低边缘LED光源的高度，可以提高光接收平面四周围和角落的光信号信噪比，从而提高光接收平面的光信号均匀性。三是LED光源的总数量不能任意设定，对于长和宽相等的通信空间，LED光源的数量通常为N2，例如22，即4个LED光源，42，即16个LED光源。当LED光源数量不为N2时，光源如何分布并未见研究。
技术实现思路
专利技术目的：为解决上述技术问题，提供一种可见光通信中光源位置优化的技术方案，本专利技术提供一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法。该方法在LED光源所处通信空间的可调范围内，优化调节LED光源的三维位置，降低接收平面光信号信噪比的波动。技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术提供的技术方案为：一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，包括步骤：(1)光源位置初始化：将N个LED光源随机分布在预设的可见光通信空间内，定义此时各LED光源的三维坐标集合为p1；通过光电探测器接收各LED光源发出的光信号，并以光电探测器接收面所在平面做为接收平面；(2)引入信噪比因子QSNR，用于评价接收平面上接收光信号质量的均匀性；式中，var(SNR)表示接收平面信噪比方差，表示接收平面信噪比均值；接收平面信噪比SNR的计算公式为：式中，为接收平面接收到信号的平均功率；Pnoise为系统噪声功率，噪声为高斯白噪声，噪声的双边功率谱密度为N0，噪声的传输速率为Rb；R表示光电探测器的响应系数；f(t)表示LED光源发送的调制OOK信号，MI为OOK信号的调制系数；Pt为每个LED光源的发送功率；Hi(0)表示第i个LED光源点与光电探测器上光接收点的信道直流增益，Hi(0)的表达式为：其中，表示第i个LED光源的辐射角，m＝ln(1/2)/ln(cos(φ1/2))，为LED光源的半功率角，为第i个LED光源到光电探测器的光入射角，A为光电探测器的光接收面积，Li为第i个LED光源到光电探测器的光传输距离；(xsi，ysi，zsi)为第i个LED光源的三维坐标，(xr，yr，zr)为光电探测器的三维坐标；(3)以信噪比因子最小为目标问题，各LED光源的三维坐标为优化变量，构建烟花算法的目标函数为：式中，p为优化变量，表示一个烟花或火花，p的维数为3N维，每个烟花或火花为各LED光源的三维坐标的一次更新结果；在可见光通信空间内通过烟花爆炸搜索目标函数满足预设的收敛条件的最优解，搜索到的最优解即为各LED光源的最优三维坐标集合。进一步的，所述步骤(3)中通过烟花爆炸搜索目标函数最优解的方法包括步骤：(3-1)设置烟花算法的各项参数，包括每次迭代的烟花数目n和所有烟花爆炸产生的火花总数目M；(3-2)定义r表示迭代次数，初始化r＝1；在首轮迭代中，选择p1作为一个烟花，再在可见光通信空间内随机选择n-1个烟花；(3-2)在第r轮迭代中通过搜索火花更新优化变量p，将更新后超出可见光通信空间范围的火花位置调整至可见光通信空间范围内；(3-3)判断步骤(3-2)产生的烟花和火花中是否存在一个烟花或火花满足收敛条件，若存在，则结束迭代，该满足收敛条件的烟花或火花即为目标函数的最优解；否则，转入步骤(3-4)；(3-4)从第r轮迭代中产生的烟花和火花中选择出n个作为下一轮迭代的烟花；令r＝r+1，返回步骤(3-2)。进一步的，所述步骤(3-2)中更新优化变量p的步骤为：S1：计算第r轮迭代中各烟花爆炸产生的火花数目为：其中，表示第r轮迭代中第k个烟花产生的火花数目，ymax表示第r轮迭代中爆炸的n个烟花对应的目标函数值中的最大值；表示第r轮迭代中第k个烟花对应的目标函数值；ζ为一个小数值常数；S2：分别计算各烟花爆炸产生的火花的位置，第r轮迭代中第k个烟花产生的火花的位置计算步骤为：S21：定义变量为初始化j＝1；S22：令S33：计算的爆炸幅度值：式中，为设定的最大爆炸幅度，k＝1，2，...，n，表示第r轮迭代中所有烟花对应的目标函数值的最小值；S34：更新更新的步骤为：产生一个随机数Z，Z＝round(w·rand(0，1))；式中，函数round和rand分别为四舍五入函数和产生随机数函数；w表示的维数，w＝3N；从的三维数据中随机选择Z维数据，设选出的Z维数据中的任意一个数据为z∈[1，2，…，Z]，令：S35：判断是否满足若满足，则停止计算火花的位置；否则，令j＝j+1，返回步骤S22。进一步的，所述步骤(3-2)中对更新后超出可见光通信空间范围的火花进行位置调整的方法为：令z∈[1，2，…，Z]，表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值，表示当前轮次中选出的Z维数据中的最小值。进一步的，所述步骤(3-2)中还包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，包括步骤：(1)光源位置初始化：将N个LED光源随机分布在预设的可见光通信空间内，定义此时各LED光源的三维坐标集合为p

【技术特征摘要】
1.一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，包括步骤：(1)光源位置初始化：将N个LED光源随机分布在预设的可见光通信空间内，定义此时各LED光源的三维坐标集合为p1；通过光电探测器接收各LED光源发出的光信号，并以光电探测器接收面所在平面做为接收平面；(2)引入信噪比因子QSNR，用于评价接收平面上接收光信号质量的均匀性；式中，var(SNR)表示接收平面信噪比方差，表示接收平面信噪比均值；接收平面信噪比SNR的计算公式为：式中，为接收平面接收到信号的平均功率；Pnoise为系统噪声功率，噪声为高斯白噪声，噪声的双边功率谱密度为N0，噪声的传输速率为Rb；R表示光电探测器的响应系数；f(t)表示LED光源发送的调制OOK信号，MI为OOK准号的调制系数；Pt为每个LED光源的发送功率；Hi(0)表示第i个LED光源点与光电探测器上光接收点的信道直流增益，Hi(0)的表达式为：其中，表示第i个LED光源的辐射角，m＝ln(1/2)/ln(cos(φ1/2))，为LED光源的半功率角，为第i个LED光源到光电探测器的光入射角，A为光电探测器的光接收面积，Li为第i个LED光源到光电探测器的光传输距离；(xsi，ysi，zsi)为第i个LED光源的三维坐标，(xr，yr，zr)为光电探测器的三维坐标；(3)以信噪比因子最小为目标问题，各LED光源的三维坐标为优化变量，构建烟花算法的目标函数为：式中，p为优化变量，表示一个烟花或火花，p的维数为3N维，每个烟花或火花为各LED光源的三维坐标的一次更新结果；在可见光通信空间内通过烟花爆炸搜索目标函数满足预设的收敛条件的最优解，搜索到的最优解即为各LED光源的最优三维坐标集合。2.根据权利要求1所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中通过烟花爆炸搜索目标函数最优解的方法包括步骤：(3-1)设置烟花算法的各项参数，包括每次迭代的烟花数目n和所有烟花爆炸产生的火花总数目M；(3-2)定义r表示迭代次数，初始化r＝1；在首轮迭代中，选择p1作为一个烟花，再在可见光通信空间内随机选择n-1个烟花；(3-2)在第r轮迭代中通过搜索火花更新优化变量p，将更新后超出可见光通信空间范围的火花位置调整至可见光通信空间范围内；(3-3)判断步骤(3-2)产生的烟花和火花中是否存在一个烟花或火花满足收敛条件，若存在，则结束迭代，该满足收敛条件的烟花或火花即为目标函数的最优解；否则，转入步骤(3-4)；(3-4)从第r轮迭代中产生的烟花和火花中选择出n个作为下一轮迭代的烟花；令r＝r+1，返回步骤(3-2)。3.根据权利要求2所述的一种基于烟花算法的可见光通信分布式光源位置优化方法，其特征在于，所述步骤(3-2)中更新优化变量p的步骤为：S1：计算第r轮迭代中各烟花爆炸产生的火花数目为：

【专利技术属性】
技术研发人员：游春霞，颜栋，魏明生，黄智，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32