一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，包括：构建基于VLC和RF的异构网络模型，在此基础上，推导了VLC/RF异构网络的系统总通信速率，建立了一个以最大化系统总通信速率为目标的优化问题，将资源分配转化为一个求最优解的过程；利用Lyapunov优化方法，将提出的优化问题进行简化，并采用凸优化的方法进行求解，实现使系统通信速率最大的资源分配；将得到的基于凸优化的VLC/RF异构网络分配方法运用到室内场景中，解决了资源分配过程中无法保证系统稳定性的问题，达到了提升系统速率、降低分配方法复杂度和保证系统稳定性的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法
本专利技术属于可见光通信
，具体为在有RF通信方法补充的VLC通信系统中，接收机可以选择接入不同的接入点时，利用一种分布式凸优化方法，对VLC/RF异构网络系统进行资源分配。
技术介绍
近年来，随着移动通信技术的发展，移动设备数量和用户对带宽需求的快速增长，有限的RF频谱资源难以满足无线数据流量的需求，频谱拥挤已经成为射频技术中的一个重要问题。随着照明基础设施LED的快速发展，VLC技术在研究中获得了巨大的关注和研究。然而，单一的VLC无线通信你系统存在覆盖范围小、调制带宽有限、光链路易被阻断和上行信号实现困难等问题，在VLC系统中采用RF作为补充的VLC/RF异构网络受到越来越多的关注。在VLC/RF异构网络中，用户要面临接入网络的选择问题和VLC的接入点之间存在的干扰和资源分配问题，这些问题的解决方法将影响通信网络的总通信速率。VLC/RF异构网络中的资源分配问题包括功率分配和子信道分配，目前有许多研究将资源分配问题与接入分配和干扰抑制结合。目前的问题在于：1)为了避免VLC用户收到干扰影响过大而降低了系统的总通信速率；2)大部分异构网络资源分配算法的VLC接入点考虑了TDMA；3)考虑了OFDM的资源分配算法没有考虑子载波的功率分配问题；4)资源分配算法的迭代次数过多。考虑到这些问题，研究简单高效并且能保证高系统总通信速率的VLC/RF异构网络资源分配算法是当前十分重要的研究方向。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于考虑室内情况下的VLC/RF异构网络，以最大化化系统总通信速率为目的提出一个优化模型，采用Lyapunov优化方法对优化模型进行简化，进而将优化模型转化为3个子优化模型，分别进行求解。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，包括：构建VLC/RF异构网络模型，分别得到接入点和用户之间的信道增益、用户对于每个接入点的SNR，进而得到系统的总通信速率；以最大化系统的总通信速率为目标，在保证系统稳定的条件下建立VLC/RF异构网络优化模型，采用Lyapunov方法对优化模型进行简化；对简化过的优化模型进行求解，实现VLC/RF异构网络的资源分配；具体的：初始化系统中用户接入点的选择和资源分配；对于接入RF网络的用户，得到仅包含与RF资源分配相关的优化模型，求解使系统总通信速率最大的RF资源分配方法；对于接入VLC网络的用户，得到仅包含与VLC资源分配相关的优化模型，求解使系统总通信速率最大的VLC资源分配方法；依据资源分配结果，更新系统中用户对于每个接入点的SNR，得到仅包含VLC/RF接入点分配的优化模型，通过分配接入点使系统总通信速率最大。进一步，构建VLC/RF异构网络模型，包含一个RF接入点、N个VLC接入点、N+1个虚拟队列、M个用户和M个系统的队列。本专利技术采用上述技术方案具有以下有益效果：本专利技术提出了一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，与现有的VLC/RF异构网络资源分配方法相比，本方法在资源分配时由于采用了Lyapunov优化方法，解决了资源分配过程中无法保证系统稳定性的问题，达到了提升系统速率、降低分配方法复杂度和保证系统稳定性的效果。仿真结果表明本专利技术方法性能表现良好。附图说明图1是VLC/RF异构网络的室内模型；图2是VLC/RF资源分配方法在过程中不同V和到达率的情况下队列阻塞长度的变化。图3(a)-图3(e)是采用资源分配方法时各接入点的通信速率；图4是本专利技术与比例公平分配方法的对比。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明。本实施例仅表示对本专利技术的原理性说明，不代表对本专利技术的任何限制。本专利技术提出一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，包括下述步骤：步骤1，构建VLC/RF异构网络模型，分别得到接入点和用户之间的信道增益、用户对于每个接入点的SNR，进而得到系统的总通信速率。构建VLC/RF异构网络模型如图1，包含一个RF接入点、N个VLC接入点，N+1个虚拟队列、M个用户和M个系统的队列。接入点表示为N＝NRF+NVLC＝{0,1,2,…,N}，其中为RF接入点NRF＝{0}，VLC接入点为NVLC＝{1,2,…,N}。用户数为M，用户集合表示为M＝{1,2,3,…,M}。虚拟队列为：其中，Yn(t)是虚拟队列n的队列长度，Yn(t+1)是虚拟队列n在下一时刻的队列长度，Pn(t)为接入点n的总发射功率，为接入点n的平均发射功率；系统的队列为：Qm(t+1)＝[Qm(t)-Rm(t),0]++Am(t)其中，Qm(t)是队列m的队列长度，Qm(t+1)是队列m下一时刻的队列长度，Rm(t)为用户m的通信速率，Am(t)为用户m的到达数据量。将通信系统划分成T个时隙。用户与接入点在第t个时隙中的关系用接入系数αn,m(t)表示，满足和αn,m(t)∈{0,1}，其中αn,m(t)＝1表示用户m在t时隙中接入接入点n，αn,m(t)＝0表示用户m在t时隙中没有接入接入点n。RF与VLC均采用OFDM的方式进行通信，其中，RF接入点可用I个RBs，用户与第i个RB在t时刻的分配关系采用分配系数表示，当用户m与RF接入点采用第i个RB通信时，RF接入点的RBi与用户的信道增益为VLC接入点可用的子载波数为J，用户与第j个子载波在t时隙的分配关系再用分配系数表示，假设VLC的信道是时间平坦的，即每个VLC子信道的信道增益是相同的。VLC接入点与用户的信道增益如下：其中，hn,m为VLC接入点n与用户m之间的信道增益，ml＝-ln2/ln(cos(φ1/2))为朗博辐射系数，φ1/2是VLC接入点的半功率角，Ap为用户有效接收面积，FOV为用户的视场角，θn,m和φn,m为VLC接入点n与用户m之间的发射角和接收角，Tn为光滤波器增益，gn为集光器增益：其中，nref为反射系数。进一步，VLC接入点与用户间的SNR为：其中，和分别为VLC接入点n与用户m在第j个子载波上的SNR和发射功率，ε为用户光电转换系数，为VLC中的噪声。由此得到VLC接入点与用户m在第j个子载波上的通信速率：其中，W0为归一化带宽。RF接入点与用户间的信道增益如下：其中，为RF接入点与用户间在RBi的信道增益，d0,m为用户m与RF接入点的直线距离，L(d0.m)为信道的衰落损耗：其中，d0为参考距离，fc为RF工作的载波频率，A、B、C是取决于通信模型的常量；进一步，RF接入点与用户m间的SNR为：由此得到RF接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，其特征在于，包括：/n构建VLC/RF异构网络模型，分别得到接入点和用户之间的信道增益、用户对于每个接入点的SNR，进而得到系统的总通信速率；/n以最大化系统的总通信速率为目标，在保证系统稳定的条件下建立VLC/RF异构网络优化模型，采用Lyapunov方法对优化模型进行简化；/n对简化过的优化模型进行求解，实现VLC/RF异构网络的资源分配；包括：/n初始化系统中用户接入点的选择和资源分配；/n对于接入RF网络的用户，得到仅包含与RF资源分配相关的优化模型，求解使系统总通信速率最大的RF资源分配方法；/n对于接入VLC网络的用户，得到仅包含与VLC资源分配相关的优化模型，求解使系统总通信速率最大的VLC资源分配方法；/n依据资源分配结果，更新系统中用户对于每个接入点的SNR，得到仅包含VLC/RF接入点分配的优化模型，通过分配接入点使系统总通信速率最大。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，其特征在于，包括：
构建VLC/RF异构网络模型，分别得到接入点和用户之间的信道增益、用户对于每个接入点的SNR，进而得到系统的总通信速率；
以最大化系统的总通信速率为目标，在保证系统稳定的条件下建立VLC/RF异构网络优化模型，采用Lyapunov方法对优化模型进行简化；
对简化过的优化模型进行求解，实现VLC/RF异构网络的资源分配；包括：
初始化系统中用户接入点的选择和资源分配；
对于接入RF网络的用户，得到仅包含与RF资源分配相关的优化模型，求解使系统总通信速率最大的RF资源分配方法；
对于接入VLC网络的用户，得到仅包含与VLC资源分配相关的优化模型，求解使系统总通信速率最大的VLC资源分配方法；
依据资源分配结果，更新系统中用户对于每个接入点的SNR，得到仅包含VLC/RF接入点分配的优化模型，通过分配接入点使系统总通信速率最大。


2.根据权利要求1所述的基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，其特征在于，构建VLC/RF异构网络模型，包含一个RF接入点、N个VLC接入点、N+1个虚拟队列、M个用户和M个系统的队列。


3.根据权利要求2所述的基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，其特征在于，虚拟队列为：



其中，Yn(t)是虚拟队列n的队列长度，Yn(t+1)是虚拟队列n在下一时刻的队列长度，Pn(t)为接入点n的总发射功率，为接入点n的平均发射功率；
系统的队列为：
Qm(t+1)＝[Qm(t)-Rm(t),0]++Am(t)
其中，Qm(t)是队列m的队列长度，Qm(t+1)是队列m下一时刻的队列长度，Rm(t)为用户m的通信速率，Am(t)为用户m的到达数据量。


4.根据权利要求1所述的基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，其特征在于，VLC接入点与用户的信道增益如下：



其中，hn,m为VLC接入点n与用户m之间的信道增益，ml为朗博辐射系数，φ1/2是VLC接入点的半功率角，Ap为用户有效接收面积，FOV为用户的视场角，θn,m和φn,m为VLC接入点n与用户m之间的发射角和接收角，Tn为光滤波器增益，gn为集光器增益。


5.根据权利要求1所述的基于凸优化的VLC/RF异构网络资源分配方法，其特征在于，VLC接入点与用户间的SNR为：



其中，和分别为VLC接入点n与用户m在第j个子载波上的SNR和发射功率，ε为用户光电转换系数，为VLC中的噪声；
RF接入点与用户间间的信道增益如下：



其中，为RF接入点与用户间在RBi的信道增益，d0,m为用户m与RF接入点的直线距离，L(d0.m)为衰落损耗；RF接入点与用户间的SNR为：



其中，和分别为RF接入点n与用户m在第i个RB上的SNR和发射功率，为RF中的噪声；
系统的总通信速率为：



其中，M为用户集合，N为接入点集合，R(t)为系统的总通信速率，Rm(t)为接入点n的通信速率，Rn,m(t)为接入点n与用户m之间的通信速率：
Rn,m(t)＝αn,m(t)un,m(t)
其中，un,m(t)为接入点n与用户m之间的通信速率；αn,m(t)表示接入点n与用户m的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，高睿敏，施慧丽，牛书强，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61