阅读说明：本技术 一种混合plc/vlc系统联合用户配对和子载波分配方案 (Combined user pairing and subcarrier allocation scheme for hybrid PLC/VLC system ) 是由 刘焕淋 朱平鑫 陈勇 浦欣 陈金林 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案,属于电力线通信、光通信技术领域。在用户配对阶段,判断用户数是否可以被4整除,若可以,将用户按照信道增益降序分成四组,第一组和第三组以及第二组和第四组分别按照最优用户配对方案配对；否则,将按信道增益排列的第一个用户和最后一个用户配对,剩余用户按照能够被4整除进行最优用户配对。在子载波分配阶段,每一次迭代依次执行轮盘赌操作、基于交叉临界值的交叉操作和自适应变异操作,直到满足收敛条件,此时输出所有配对用户对的子载波分配方案。本发明所述方法在保证混合PLC/VLC系统和速率的同时,能够降低计算复杂度,并且还能兼顾混合PLC/VLC系统公平性和用户满意度。(The invention relates to a combined user pairing and subcarrier allocation scheme of a hybrid PLC/VLC system, and belongs to the technical field of power line communication and optical communication. In the user pairing stage, judging whether the number of users can be divided by 4, if so, dividing the users into four groups according to the descending order of channel gain, and pairing the first group and the third group and the second group and the fourth group according to the optimal user pairing scheme respectively; otherwise, the first user and the last user which are arranged according to the channel gain are paired, and the rest users are subjected to optimal user pairing according to the integer division of 4. In the sub-carrier allocation stage, the roulette operation, the crossing operation based on the crossing critical value and the adaptive variation operation are sequentially executed in each iteration until a convergence condition is met, and then the sub-carrier allocation schemes of all the paired user pairs are output. The method of the invention can reduce the calculation complexity while ensuring the mixing PLC/VLC system and the speed, and can also give consideration to the fairness and the user satisfaction degree of the mixing PLC/VLC system.)

一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案。

背景技术

随着移动通信用户数目的飞速增长，传统射频(Radio frequency,RF)通信所占用的无线电波频带愈发的拥挤，基于发光二极管的可见光通信(Visible LightCommunication,VLC)因其功耗低、无电磁干扰、可用带宽大且无需认证等优点，成为极具潜力的高速无线接入方案。然而，可见光不能直接作为信息源，要通过接入骨干网才能避免成为信息孤岛，在所有骨干网候选者中，电力线通信可以利用每个发光二极管(LightEmitting Diode,LED)现有的基础设施，且不需额外布线。因此，建议使用电力线通信(Power Line Communication,PLC)向VLC发射器提供数据，提出了用于室内下行链路传输的混合PLC/VLC系统架构。然而，传统的多址接入方法无法最佳地利用资源。因此，非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)引起了人们的极大关注，它通过允许多个用户共享相同的时间和频率资源来提供更高的频谱效率。现有研究表明：在VLC网络中引入NOMA技术可以改善多用户可见光通信系统和速率，但是并没有对一个子载波中的用户数量进行限制，当多个用户共享一个子载波时，会导致较高的计算复杂度和解码延迟。因此，2个用户组成一个NOMA组以使用一个子载波，而不同的NOMA 组则使用不同的子载波，为用户设计合理的联合用户配对和子载波分配方案是研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案，用于为基于NOAM技术的混合PLC/VLC系统中多个用户进行用户配对和子载波分配，在保证混合PLC/VLC系统和速率的同时，能够降低计算复杂度，并且还能兼顾混合PLC/VLC 系统公平性和用户满意度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案，其特征在于：该方案包括以下步骤：

S1：依据PLC和VLC各自的信道模型，并且考虑中继LED对接收的PLC信号进行放大转发，推导出混合PLC/VLC系统信道模型；

S2：对于接入混合PLC/VLC系统的所有用户，计算每个用户的平均信道增益；

S3：对于接入混合PLC/VLC系统的所有用户，使用最优用户配对方案进行用户配对；

S4：对于已经完成配对的用户对，使用改进的遗传算法进行子载波分配；

S5：输出混合PLC/VLC系统用户配对和子载波分配方案。

2、如权利要求1所述的一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案，其特征在于：所述S1具体方法为：

S101：输入信号经过PLC信道会受到PLC信道增益和噪声影响，LED充当混合PLC/VLC 系统的中继，采用放大转发模式，对于PLC信道中的输出信号放大β倍后再转发给VLC信道；

S102：上述信号充当VLC信道的输入信号，受到VLC信道增益和噪声的影响，传输给每个用户。

3、如权利要求1所述的一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案，其特征在于：所述S2具体方法为：

S201：对于存在N_P个子载波，U个用户的混合PLC/VLC系统，会有N_P×U个信道增益，用户u在每一个子载波都有一个信道增益，即

S202：根据公式计算用户u的平均信道增益|h_u|。

4、如权利要求1所述的一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案，其特征在于：所述S3具体方法为：

S301：按照所有用户的平均信道增益进行降序排列，用户信道增益排在前的用户为第一组，用户信道增益排在到

的用户为第二组，用户信道增益排在

到

的用户为第三组，用户信道增益排在到U的用户为第四组；

S302：采用最优用户配对方案使第一组中的用户和第三组中的用户进行配对；同理，使第二组中的用户和第四组中的用户进行配对；

5、如权利要求1所述的一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案，其特征在于：所述S4具体方法为：

S401：适应度函数是遗传算法选择染色体的依据，为了平衡用户间速率的公平性，提出了基于公平性的适应度函数；

S402：遗传算法容易陷入局部最优解，通常需要设置很大的迭代次数，为了提高算法的收敛性能以及收敛速度，对遗传算法的交叉操作和变异操作进行了改进，采用基于临界值的交叉方式和自适应变异操作；

S403：判断进化代数是否大于设置的最大值或者连续15代最优个体适应度值不变，不满足的情况下，返回S401和S402继续迭代计算；满足的情况下，迭代结束。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配方案，在混合PLC/VLC系统中使用NOMA技术，可以提高频谱效率，从而提高混合PLC/VLC 系统和速率；NOMA技术允许多个用户共享一个子载波，这会导致较高的计算复杂度和解码延迟。因此，将2个用户配对组成一个NOMA组以使用一个子载波，而不同的NOMA组使用不同的子载波，能够在保证混合PLC/VLC系统和速率的同时降低计算复杂度，并且还能兼顾级联PLC-VLC系统公平性和用户满意度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1混合PLC/VLC系统模型框图；

图2基于NOMA技术的混合PLC/VLC系统联合用户配对和子载波分配流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示，为混合PLC/VLC系统模型框图。

图1提出了一个由N_L个LED灯具同时为N_U个用户服务的混合PLC/VLC系统，电力线充当骨干网络，为多个配备VLC的LED灯具提供数据并协调其协作，LED灯具又作为全双工继电器运行，处理接收到的PLC信号并通过VLC将其转发给室内用户。每个灯具仅从所接收的PLC信号中发射数据符号的子集。来自多个LED发光器的VLC信号叠加在用户的光电二极管检测器处，其中接收器可用于解码信息。PLC链路中包含N_P个独立的携带信息的子载波的。在VLC链路中，第k个LED灯具将收到的N_k个PLC数据符号重新调制到VLC子载波上。不同灯具上的子载波子集是不相交的，并且满足在每个LED灯具，本发明考虑一种子载波配对方法，自适应地匹配输入和输出子载波，以充分利用PLC和VLC 信道的频率分集。

电力线信道传输函数公式：

每一条路径i都有一个加权因子g_i，它表示这条路径的反射和传输因子，-1≤g_i≤1。一条路径上的折射、反射越多g_i越小。a₀，a₁都是常量。τ_i＝l_i/v_p，τ_i表示第i条路径的延迟时间，l_i表示第i条路径的长度，v_p表示相位速度。

X_p(l)表示PLC中子载波l上的频域传输符号，本发明使用NOMA技术，LED使用叠加编码在每个子载波上复用N_U个用户的信号。表示PLC的子载波l上的用户u的信号被第k个LED灯具接收的频域信号。

其中

和

分别表示PLC中子载波l上用户u的信号在灯具k处的信道增益和噪声，表示具有零均值和方差

的高斯噪声，

接收器和光源之间的VLC信道增益可以表示为:

其中A_PD是PD的表面积，是光学滤波器的增益，是光学镜头的增益， n是折射率，

是PD的视场角。

表示第k个LED灯具中子载波n上的频域传输符号，

是放大因子，

表示第k个LED灯具上的子载波n上用户u的频域信号。

其中

和表示第k个LED灯具中子载波n上用户u的信道增益和噪声，表示具有零均值和方差

的高斯噪声，

因此，在混合PLC/VLC 系统中，配对子载波(l,n)上的信道增益为：并且配对子载波上的噪声为表示具有零均值和方差的高斯噪声，接下来用子载波l表示配对子载波(l,n)。

为了在系统性能和计算复杂度之间取得平衡，本发明提出了一种NOMA和OMA的混合方案，即2个用户配对为一组，组成一个NOMA组以使用一个子载波，而不同的NOMA组则使用不同的子载波。考虑到室内环境下用户信道状况各有不同，为了保证每个用户的速率，提高用户间公平性，本发明提出一种基于公平性的联合用户配对和子载波分配(Joint UserPairing and Subcarrier Allocation,JUPSA)方案。首先对室内所有用户以系统和速率最大化为目标进行配对，配对的用户为一个NOMA组，然后配对的所有NOMA组进行子载波分配。

如果用户数U为奇数，必然有一个用户没有配对，其单独占用一个子载波。如果用户数 U为偶数，所有用户都会被配对成一个NOMA组。对于N_P个子载波，U个用户的系统，会有N_P×U个信道增益，例如用户1会在每个子载波中都有一个信道增益，即

定义用户u的平均信道增益为|h_u|。

最优用户配对方案指出，对于系统中的U个用户，不失一般性，假设用户的信道增益满足|h₁|＜|h₂|＜…＜|h_U|，此时用户m和用户U-m+1配对，例如用户1和用户U配对，用户2和用户U-1配对等，系统的和速率最大。但是在上述配对规则中，会出现相邻的两个用户配对在一起，即用户

和用户配对在一起。针对该问题，本发明提出将按照平均信道增益的升序排好的用户分成四组，并且第一组的用户和第三组的用户配对，第二组的用户和第四组的用户配对，每两组的配对方案和最优用户配对方案一致，从而避免相邻用户配对在一起，且能够使得系统和速率最大。

配对好的用户分配到不同的子载波上会有多种可能的方案，但是在所有方案中系统性能却是不一样的，为了找到最好的子载波分配方案，本发明采用一种智能优化算法，即遗传算法，但是遗传算法容易陷入局部最优，通常需要设置很大的迭代次数。为了提高算法的收敛性能以及收敛速度，本文提出一种改进的遗传算法进行子载波分配。

①基于公平性的适应度函数

适应度函数是遗传算法选择染色体的依据，其设计至关重要。本发明设计个体的适应度函数f(c)为：

式(7)中，R_i为用户i的速率。最大化系统对数和速率可实现在提升系统和速率的同时能平衡用户间的速率公平，即提高系统的公平性。

②染色体构造

染色体中各基因位表征子载波编号，基因位n的值(i,j)_n(i,j∈U,n∈N_P)表示子载波n服务的用户对，一组子载波分配结果共同构成一条染色体

例如染色体c₁＝[(1,6)₁,(2,5)₂,(3,8)₃,(4,7)₄,(1,6)₅]表示：混合PLC/VLC系统中共有5个子载波，服务4 个用户对，8个用户；配对用户(1,6)的服务子载波集合为{1,5}，配对用户(2,5)的服务子载波集合为{2}，配对用户(3,8)的服务子载波集合为{3}，配对用户(4,7)的服务子载波集合为{4}。

③遗传操作

本发明提出的改进的遗传算法操作包括选择操作、交叉操作、变异操作。选择操作采用轮盘赌选择，轮盘赌选择根据个体的适应度函数值选择个体，适应度函数值高的个体被选中而生存下来的概率更大，在选择操作中个体被选中的概率为：

式(8)中U为一个种群中的个体数目，为种群中所有个体的适应度函数值之和。

传统遗传算法多采用两点交叉方式，即随机产生两个交叉点位，互换两个交叉点位之间的基因。然而，随着种群的不断进化，种群中各个个体之间的差异会渐渐变小，因而各个个体之间的相似程度也会渐渐提高，对于相似度高的两个父代个体进行交叉操作会破坏优良基因模式，也会导致更多的迭代次数，基于此本发明提出了基于交叉临界值的交叉方式。交叉临界值的公式为：

式(9)中r表示交叉临界值，a表示该种群此时的进化代数，G表示该种群规定的总的进化代数。由上式可知，r是一个

之间的数，并不是固定的，随着当前的进化代数的增长而不断增大。两个个体的相似度定义为：

式(10)中s表示两个个体的相似度，c表示两个个体的最长的共同子串的长度，n表示种群中个体染色体编码的长度。如果需要进行交叉的两个父代个体的相似度s小于当前的交叉临界值r时，则允许这两个父代个体进行交叉操作。如果需要进行交叉的两个父代个体的相似度s大于或等于当前的交叉临界值r时，则不准这两个父代个体进行交叉操作，以避免破坏他们的优良基因模式。

③变异操作

本发明采用自适应变异操作，根据种群中染色体最大适应度值和平均适应度值自适应地调整变异概率。自适应变异概率公式为：

式(11)中，P_mmax为预设最大变异概率，f_avg为种群中染色体的平均适应度值，f_max为种群中染色体的最大适应度值，f为待变异染色体的适应度值。

下面将结合图2详细说明本方法的执行过程：

输入：室内系统参数(室内环境的尺寸、室内用户数目、子载波的数目、LED阵列的器件参数、接收机位置、接收机的参数等)。算法执行所需要的参数(放大系数、滤波器增益等)。

输出：级联PLC-VLC系统中用户配对方案和配对用户的子载波分配方案。

步骤1：判断级联PLC-VLC系统中总用户数是否可以被4整除，如果是，转步骤2；否则，将按照信道增益排列的第一个用户和最后一个用户单独配对，剩余的U-2个用户按照信道增益由大到小分成四组，第一组和第三组按照最优用户配对方案进行配对，第二组和第四组按照最优用户配对方案进行配对，转步骤3。

步骤2：将用户按照信道增益由大到小分成四组，第一组和第三组按照最优用户配对方案进行配对，第二组和第四组按照最优用户配对方案进行配对，转步骤3。

步骤3：初始化种群，令遗传算法进化代数a＝0，转步骤4。

步骤4：根据公式(7)计算种群中每个个体适应度值，转步骤5。

步骤5：判断进化代数a是否大于预设最大进化代数a_max或者连续15代种群中最优个体适应度值是否不变，若是，输出用户配对方案和所有配对用户的子载波分配方案，算法结束；否则，转步骤6。

步骤6：执行轮盘赌选择，转步骤7。

步骤7：根据公式(9)和(10)对染色体进行基于交叉临界值的交叉，转步骤8。

步骤8：根据公式(11)对染色体进行自适应变异，转步骤9。

步骤9：生成新种群，进化代数a＝a+1，转步骤4。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。