本發(fā)明涉及可見光通信領(lǐng)域，尤其是一種基于煙花算法的可見光通信分布式光源位置優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

可見光通信借助發(fā)光二極管收發(fā)設(shè)備簡單，傳輸速度快，誤碼率低，多徑干擾現(xiàn)象弱，照明的同時(shí)提供通信高效節(jié)能，光能夠照射到的區(qū)域?yàn)榭梢姽馔ㄐ艆^(qū)域，無光線照射的區(qū)域不存在數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)無法透過墻壁或者窗簾等厚物，數(shù)據(jù)保密性高?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)中多采用強(qiáng)度調(diào)制——直接檢測的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，直接檢測由光電探測器直接探測LED發(fā)出的光信號，因而要使通信效果達(dá)到最優(yōu)，要求同一水平面上分布的光信號信噪比變化較小，即同一水平面光信號分布越均勻通信均勻效果越好，從而降低通信接收設(shè)備的要求，使得通信接收設(shè)備得以簡化。如何提高接收平面光信號的覆蓋均勻性，與LED光源分布密切相關(guān)，有OMEGA工程研究團(tuán)隊(duì)提出的均勻方陣LED分布光源布局，日本慶應(yīng)大學(xué)的Nakagawa研究團(tuán)隊(duì)為了工程實(shí)現(xiàn)的方便，提出了分組LED陣列光源布局，2012年新加坡南洋理工大學(xué)的Wang Zixiong等人提出了12+4的分布模式，12盞LED光源均勻分布于以確定常數(shù)為半徑的圓周上，4盞LED光源分布于方形通信空間4個角落，從而降低光接收平面信噪比的波動。

日本索尼株式會社申請的接收設(shè)備，發(fā)送設(shè)備和通信系統(tǒng)專利，專利號CN 1316835A，給出了能可靠發(fā)送和接收高速光信號的一種接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備，以及采用該設(shè)備的通信系統(tǒng)，其中發(fā)送設(shè)備使用白光LED陣列，如4行4列LED陣列，所有發(fā)光二極管功率相同，用于辦公室或者家庭內(nèi)的照明和通信。南京郵電大學(xué)2012年申請基于白光LED的預(yù)編碼MU-MIMO室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)經(jīng)過信號預(yù)編碼，再采用LED陣列發(fā)送光信號，接收電路經(jīng)過信號輸出處理單元輸出，以此消除多用戶干擾，有效降低接收端的復(fù)雜度，沒有提到LED陣列的具體形式。中國礦業(yè)大學(xué)2013年申請并授權(quán)的發(fā)明專利煤礦工作面可見光通信分布式光源布置方法，在礦井工作面長方體形光通信空間中通過增大邊緣LED光源的功率從而減小接收平面光信號SNR波動，增大光信號均勻性。

以上設(shè)計(jì)方法中存在的問題是：一是國內(nèi)外對于可見光通信中LED光源分布的研究大部分都為均勻陣列的LED光源分布，或者限于對光信號SNR極弱的四個角落增加LED光源的布局，以及對周圍邊緣光信號SNR極弱增加LED光源功率的布局，并沒有對LED光源分布的優(yōu)化研究。二是假設(shè)LED光源均安裝在同一高度，在某些應(yīng)用環(huán)境中，光源LED的高度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，通過降低邊緣LED光源的高度，可以提高光接收平面四周圍和角落的光信號信噪比，從而提高光接收平面的光信號均勻性。三是LED光源的總數(shù)量不能任意設(shè)定，對于長和寬相等的通信空間，LED光源的數(shù)量通常為N²，例如2²，即4個LED光源，4²，即16個LED光源。當(dāng)LED光源數(shù)量不為N²時(shí)，光源如何分布并未見研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問題，提供一種可見光通信中光源位置優(yōu)化的技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種基于煙花算法的可見光通信分布式光源位置優(yōu)化方法。該方法在LED光源所處通信空間的可調(diào)范圍內(nèi)，優(yōu)化調(diào)節(jié)LED光源的三維位置，降低接收平面光信號信噪比的波動。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種基于煙花算法的可見光通信分布式光源位置優(yōu)化方法，包括步驟：

(1)光源位置初始化：將N個LED光源隨機(jī)分布在預(yù)設(shè)的可見光通信空間內(nèi)，定義此時(shí)各LED光源的三維坐標(biāo)集合為p₁；通過光電探測器接收各LED光源發(fā)出的光信號，并以光電探測器接收面所在平面做為接收平面；

(2)引入信噪比因子Q_SNR，用于評價(jià)接收平面上接收光信號質(zhì)量的均勻性；

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的計(jì)算公式為：

式中，為接收平面接收到信號的平均功率；P_noise為系統(tǒng)噪聲功率，噪聲為高斯白噪聲，噪聲的雙邊功率譜密度為N₀，噪聲的傳輸速率為R_b；R表示光電探測器的響應(yīng)系數(shù)；f(t)表示LED光源發(fā)送的調(diào)制OOK信號，M_I為OOK信號的調(diào)制系數(shù)；P_t為每個LED光源的發(fā)送功率；H_i(0)表示第i個LED光源點(diǎn)與光電探測器上光接收點(diǎn)的信道直流增益，H_i(0)的表達(dá)式為：

其中，表示第i個LED光源的輻射角，m＝ln(1/2)/ln(cos(φ_1/2))，為LED光源的半功率角，為第i個LED光源到光電探測器的光入射角，A為光電探測器的光接收面積，L_i為第i個LED光源到光電探測器的光傳輸距離；(x_si，y_si，z_si)為第i個LED光源的三維坐標(biāo)，(x_r，y_r，z_r)為光電探測器的三維坐標(biāo)；

(3)以信噪比因子最小為目標(biāo)問題，各LED光源的三維坐標(biāo)為優(yōu)化變量，構(gòu)建煙花算法的目標(biāo)函數(shù)為：

式中，p為優(yōu)化變量，表示一個煙花或火花，p的維數(shù)為3N維，每個煙花或火花為各LED光源的三維坐標(biāo)的一次更新結(jié)果；在可見光通信空間內(nèi)通過煙花爆炸搜索目標(biāo)函數(shù)滿足預(yù)設(shè)的收斂條件的最優(yōu)解，搜索到的最優(yōu)解即為各LED光源的最優(yōu)三維坐標(biāo)集合。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中通過煙花爆炸搜索目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的方法包括步驟：

(3-1)設(shè)置煙花算法的各項(xiàng)參數(shù)，包括每次迭代的煙花數(shù)目n和所有煙花爆炸產(chǎn)生的火花總數(shù)目M；

(3-2)定義r表示迭代次數(shù)，初始化r＝1；在首輪迭代中，選擇p₁作為一個煙花，再在可見光通信空間內(nèi)隨機(jī)選擇n-1個煙花；

(3-2)在第r輪迭代中通過搜索火花更新優(yōu)化變量p，將更新后超出可見光通信空間范圍的火花位置調(diào)整至可見光通信空間范圍內(nèi)；

(3-3)判斷步驟(3-2)產(chǎn)生的煙花和火花中是否存在一個煙花或火花滿足收斂條件，若存在，則結(jié)束迭代，該滿足收斂條件的煙花或火花即為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解；否則，轉(zhuǎn)入步驟(3-4)；

(3-4)從第r輪迭代中產(chǎn)生的煙花和火花中選擇出n個作為下一輪迭代的煙花；令r＝r+1，返回步驟(3-2)。

進(jìn)一步的，所述步驟(3-2)中更新優(yōu)化變量p的步驟為：

S1：計(jì)算第r輪迭代中各煙花爆炸產(chǎn)生的火花數(shù)目為：

其中，表示第r輪迭代中第k個煙花產(chǎn)生的火花數(shù)目，y_max表示第r輪迭代中爆炸的n個煙花對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值中的最大值；表示第r輪迭代中第k個煙花對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值；ζ為一個小數(shù)值常數(shù)；

S2：分別計(jì)算各煙花爆炸產(chǎn)生的火花的位置，第r輪迭代中第k個煙花產(chǎn)生的火花的位置計(jì)算步驟為：

S21：定義變量為初始化j＝1；

S22：令

S33：計(jì)算的爆炸幅度值：

式中，為設(shè)定的最大爆炸幅度，k＝1，2，...，n，表示第r輪迭代中所有煙花對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值的最小值；

S34：更新更新的步驟為：

產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)Z，Z＝round(w·rand(0，1))；式中，函數(shù)round和rand分別為四舍五入函數(shù)和產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)函數(shù)；w表示的維數(shù)，w＝3N；從的三維數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇Z維數(shù)據(jù)，設(shè)選出的Z維數(shù)據(jù)中的任意一個數(shù)據(jù)為z∈[1，2，…，Z]，令：

S35：判斷是否滿足若滿足，則停止計(jì)算火花的位置；否則，令j＝j(luò)+1，返回步驟S22。

進(jìn)一步的，所述步驟(3-2)中對更新后超出可見光通信空間范圍的火花進(jìn)行位置調(diào)整的方法為：令z∈[1，2，…，Z]，表示當(dāng)前輪次中選出的Z維數(shù)據(jù)中的最小值，表示當(dāng)前輪次中選出的Z維數(shù)據(jù)中的最小值。

進(jìn)一步的，所述步驟(3-2)中還包括通過高斯爆炸產(chǎn)生一組高斯火花，高斯火花用于保持火花的多樣性；高斯火花的產(chǎn)生方法為：

(5-1)定義變量為初始化j＝1；

(5-2)令

(5-3)從的三維數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇Z維數(shù)據(jù)，設(shè)選出的Z維數(shù)據(jù)中的任意一個數(shù)據(jù)為z∈[1，2，…，Z]，令：

式中，g表示高斯系數(shù)，g＝Gaussian(1，1)。

進(jìn)一步的，所述步驟(3-4)中從第r輪迭代產(chǎn)生的煙花和火花中選擇出n個作為下一次迭代的煙花的方法為：

首先選出第r輪迭代產(chǎn)生的煙花和火花中目標(biāo)函數(shù)值最小的煙花或火花；

再從剩下的煙花和火花中以概率P選出n-1個煙花或火花：

式中，表示第r輪迭代中煙花/火花x被選中的概率，K表示第r輪迭代產(chǎn)生所有煙花和火花的總數(shù)，表示煙花/火花與煙花/火花p_j之間的距離。

進(jìn)一步的，所述收斂條件為：達(dá)到最大迭代次數(shù)Y。

有益效果：本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)能夠優(yōu)化可見光通信空間中光源的分布位置，在LED光源所處通信空間的可調(diào)范圍內(nèi)，優(yōu)化調(diào)節(jié)LED光源的三維位置，降低接收平面光信號信噪比的波動，提供更優(yōu)的可見光通信質(zhì)量。

附圖說明

圖1為實(shí)施例中LED光源在可見光通信空間中的分布圖；

圖2為實(shí)施例中LED光源經(jīng)過位置優(yōu)化后在可見光通信空間中的分布圖；

圖3為實(shí)施例中LED光源經(jīng)過位置優(yōu)化后的光照均勻性分布圖；

圖4為實(shí)施例中LED光源經(jīng)過位置優(yōu)化后的光照均勻性等高線示意圖。

圖中：1、LED光源，2、光電探測器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過構(gòu)建可見光通信空間多點(diǎn)LED光源為發(fā)射點(diǎn)的接收光信號的信噪比和接收平面信噪比因子計(jì)算模型；在長寬高一定的通信空間，將一定數(shù)目等功率的LED光源置于空間內(nèi)，應(yīng)用煙花算法尋找使得接收平面接收的光信號信噪比分布最均勻的LED光源三維位置；在此基礎(chǔ)上，考慮某些通信空間中LED光源高度可以值允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)用煙花算法尋找每個LED光源的三維位置，使得接收平面光信號的信噪比分布最均勻，取得最優(yōu)的通信效果和光照效果。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示為LED光源在可見光通信空間中的分布圖。可見光通信空間設(shè)置為長5米，寬5米，高3米的矩形空間，設(shè)置接收平面的高度為0.85米，LED點(diǎn)光源數(shù)目總量為16個，放置于通信空間內(nèi)，LED光源初始位置為4行4列均勻陣列排列，初始橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別在0.625米、1.875米、3.125米和4.375米處，每個LED光源功率為5W，設(shè)置接收平面信號信噪比因子為煙花算法的目標(biāo)函數(shù)，最優(yōu)值為0，最大迭代次數(shù)設(shè)置為30000次。

本發(fā)明以光接收平面的信噪比因子Q_SNR為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用煙花算法優(yōu)化LED光源的三維優(yōu)化位置步驟如下：

步驟1：光源位置初始化：將16個LED光源隨機(jī)分布在預(yù)設(shè)的可見光通信空間內(nèi)，定義此時(shí)各LED光源的三維坐標(biāo)集合為p₁，p₁＝(x_s1，y_s1，z_s1，…，x_s16，y_s16，z_s16)；通過光電探測器接收各LED光源發(fā)出的光信號，并以光電探測器接收面所在平面做為接收平面；

步驟2：引入信噪比因子Q_SNR，用于評價(jià)接收平面上接收光信號質(zhì)量的均勻性；

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的計(jì)算公式為：

式中，為接收平面接收到信號的平均功率；P_noise為系統(tǒng)噪聲功率，噪聲為高斯白噪聲，噪聲的雙邊功率譜密度為N₀，噪聲的傳輸速率為R_b；R表示光電探測器的響應(yīng)系數(shù)；f(t)表示LED光源發(fā)送的調(diào)制OOK信號，M_I為OOK信號的調(diào)制系數(shù)；P_t為每個LED光源的發(fā)送功率；H_i(0)表示第i個LED光源點(diǎn)與光接收點(diǎn)的信道直流增益，H_i(0)的表達(dá)式為：

其中，表示第i個LED光源的輻射角，為LED光源的半功率角，為第i個LED光源到光電探測器的光入射角，A為光電探測器的光接收面積，L_i為第i個LED光源到光電探測器的光傳輸距離；(x_si，y_si，z_si)為第i個LED光源的三維坐標(biāo)，(x_r，y_r，z_r)為光電探測器的三維坐標(biāo)；

步驟3：以信噪比因子最小為目標(biāo)問題，各LED光源的三維坐標(biāo)為優(yōu)化變量，構(gòu)建煙花算法的目標(biāo)函數(shù)為：

式中，p為優(yōu)化變量，表示一個煙花或火花，p的維數(shù)為3N維，每個煙花或火花為各LED光源的三維坐標(biāo)的一次更新結(jié)果；

步驟4：在可見光通信空間內(nèi)通過煙花爆炸搜索目標(biāo)函數(shù)滿足預(yù)設(shè)的收斂條件的最優(yōu)解，，搜索到的最優(yōu)解即為各LED光源的最優(yōu)三維坐標(biāo)集合；包括以下步驟：

(4-1)設(shè)置煙花算法的各項(xiàng)參數(shù)，包括最大迭代次數(shù)為30000次、每次迭代的煙花數(shù)目n為5個、所有煙花爆炸產(chǎn)生的火花總數(shù)目M為50個。

(4-2)定義r表示迭代次數(shù)，初始化r＝1；在首輪迭代中，選擇p₁作為一個煙花，再在可見光通信空間內(nèi)隨機(jī)選擇n-1個煙花；將選出的n個煙花引爆；

(4-3)在第r輪迭代中通過搜索火花更新優(yōu)化變量p，更新的步驟為：

S1：計(jì)算第r輪迭代中各煙花爆炸產(chǎn)生的火花數(shù)目為：

其中，表示第r輪迭代中第k個煙花產(chǎn)生的火花數(shù)目，y_max表示第r輪迭代中爆炸的n個煙花對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值中的最大值；表示第r輪迭代中第k個煙花對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值；ζ為一個為了避免0/0無意義的情況出現(xiàn)設(shè)置的一個小數(shù)值數(shù)；

S2：分別計(jì)算各煙花爆炸產(chǎn)生的火花的位置，第r輪迭代中第k個煙花產(chǎn)生的火花的位置計(jì)算步驟為：

S21：定義變量為初始化j＝1；

S22：令

S33：計(jì)算的爆炸幅度值：

式中，為設(shè)定的最大爆炸幅度，k＝1，2，...，n，表示第r輪迭代中所有煙花對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值的最小值；

S34：更新更新的步驟為：

產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)Z，Z＝round(w·rand(0，1))；式中，函數(shù)round和rand分別為四舍五入函數(shù)和產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)函數(shù)；w表示的維數(shù)，w＝3N；從的三維數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇Z維數(shù)據(jù)，設(shè)選出的Z維數(shù)據(jù)中的任意一個數(shù)據(jù)為令：

S35：判斷是否滿足若滿足，則停止計(jì)算火花的位置；否則，令j＝j(luò)+1，返回步驟S22。

S4：通過高斯爆炸產(chǎn)生一組高斯火花，高斯火花用于保持火花的多樣性；高斯火花的產(chǎn)生方法為：

S41：定義變量為初始化j＝1；

S42：令

S43：從的三維數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇Z維數(shù)據(jù)，設(shè)選出的Z維數(shù)據(jù)中的任意一個數(shù)據(jù)為z∈[1，2，…，Z]，令：

式中，g表示高斯系數(shù)，g＝Gaussian(1，1)。

S5：將更新后超出可見光通信空間范圍的火花位置調(diào)整至可見光通信空間范圍內(nèi)，調(diào)整的方法為：

令z∈[1，2，…，Z]。表示當(dāng)前輪次中選出的Z維數(shù)據(jù)中的最小值，表示當(dāng)前輪次中選出的Z維數(shù)據(jù)中的最小值。

S6：判斷當(dāng)前迭代輪次中產(chǎn)生的煙花和火花里，是否存在一個煙花或火花滿足收斂條件，若存在，則結(jié)束迭代，該滿足收斂條件的煙花或火花即為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解；否則，轉(zhuǎn)入步驟S7；

S7：從第r輪迭代中產(chǎn)生的煙花和火花中選擇出n個作為下一輪迭代的煙花，選擇的方法為：首先選出第r輪迭代產(chǎn)生的煙花和火花中目標(biāo)函數(shù)值最小的煙花或火花；再從剩下的煙花和火花中以概率P選出n-1個煙花或火花：

式中，表示第r輪迭代中煙花/火花x被選中的概率，K表示第r輪迭代產(chǎn)生所有煙花和火花的總數(shù)，表示煙花/火花與煙花/火花p_j之間的距離；；最后，令r＝r+1，返回步驟(4-3)。

經(jīng)過LED光源三維優(yōu)化布局后，LED光源位于通信空間內(nèi)的位置如圖2所示，高度為0.85m接受平面的光信號性能如圖3和圖4所示，接收平面信噪比最大值為42.3，信噪比最小值為26.77，信噪比波動為15.53，信噪比平均值為36.59，信噪比因子為5.59，相比與LED光源均勻陣列布局時(shí)信噪比因子21.59，接收光信號均勻性有了較大程度的改進(jìn)，信噪比因子僅為原來的25.9％。

本實(shí)施例所提供的的方案還可適用于LED光源的二維位置優(yōu)化，在優(yōu)化前設(shè)置LED點(diǎn)光源的數(shù)目N＝16，設(shè)定LED點(diǎn)光源的位置坐標(biāo)為(x_si，y_si，z_si)i＝1，2，......，16，令z_si＝h，i＝1，2，......，16為通信空間的高度h，為確定常數(shù)，即所有LED點(diǎn)光源裝置于室內(nèi)天花板上。之后執(zhí)行以上步驟，即可獲得LED光源的二維位置優(yōu)化結(jié)果。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。