阅读说明：本技术 一种基于蝙蝠算法的室内可见光通信系统光源优化方法 (Indoor visible light communication system light source optimization method based on bat algorithm ) 是由 王平 黄丽 池思慧 牛书强 南犀 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于蝙蝠算法的室内可见光通信系统光源优化方法,包括：构建可见光通信系统模型,分别得到接收机和发射机之间的信道直流增益H<Sub>los</Sub>(0)、反射信道增益H<Sub>nlos</Sub>(0)和接收机接收到的光照度E<Sub>r</Sub>及光功率P<Sub>r</Sub>；利用蝙蝠算法优化LED光源的位置和半功率角,改善室内可见光通信系统平面上接收光照度和光功率的分布均匀性。该方法不仅考虑了墙面的一次反射,同时不需要进行二次优化。经过本方法优化后的LED光源的位置和半功率角,平面上接收光功率的数值变得更加集中,分布变得更加平坦,角落与房间中心的功率偏差得到显著改善。(The invention discloses an indoor visible light communication system light source optimization method based on a bat algorithm, which comprises the following steps: constructing a visible light communication system model to respectively obtain the direct current gain H of a channel between a receiver and a transmitter los (0) Reflected channel gain H nlos (0) And the light level E received by the receiver r And optical power P r (ii) a The position and the half-power angle of the LED light source are optimized by utilizing a bat algorithm, and the distribution uniformity of the received light illumination and the light power on the plane of the indoor visible light communication system is improved. The method not only considers the primary reflection of the wall surface, but also does not need secondary optimization. The position and the half-power angle of the LED light source optimized by the method have the advantages that the numerical value of the receiving light power on the plane becomes more concentrated, the distribution becomes flatter, and the power deviation between the corner and the center of a room is obviously improved.)

一种基于蝙蝠算法的室内可见光通信系统光源优化方法

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体为通过使用改进的蝙蝠算法来优化LED光源的位置和半功率角，使得平面上接收光照度和接收光功率分布更加均匀。

背景技术

可见光通信(visible light communication,VLC)技术是一种极具潜力的无线通信技术，其使用LED发出的可见光为载波进行通信。与白炽灯、荧光灯等光源相比，作为***照明的LED寿命更长，效率更高，所以LED近年来得到了飞速的发展并且逐渐取代传统的照明光源。基于LED的VLC技术覆盖范围广泛，只要有光照的地方就可以进行通信活动。与其他无线通信技术相比，VLC技术安全性能高、不需要频谱认证、不会发生电磁干扰，因此可以部署在诸如医院、矿井、加油站等许多对电磁敏感的区域。在室内VLC系统中，白光LED不仅是照明光源还是通信信号载体。因此为了使室内VLC没有盲区，应该确保在室内任意位置都有足够的接收光照度和接收光功率。不同的LED光源参数和位置坐标，会引起同一平面上不同的接收光功率和接收光照度分布。而室内光照度和接收光功率的波动又会影响室内人员感官的舒适度和通信的公平性，所以有必要对LED的参数和位置坐标进行研究，使室内光照度和接收光功率分布的更加均匀。

300lx-1500lx是室内需要满足的光照度要求范围。在整个室内VLC系统中，单个LED发出的光照度较小，无法满足国际照明需求，因此一般需要多个LED光源组成阵列分布于室内天花板上。与此同时，如果室内光照度满足所要求范围，还需要考虑接收平面光照度的分布均匀性。因为均匀分布的光照度有利于照明，也有利于室内人员的视觉感受。接收光功率是影响VLC系统性能的重要因素，均匀分布的接收光功率既可以保证为同一接收平面上不同用户提供同等的服务质量又能够提高系统的通信质量。一个合适的LED光源位置可以为室内提供波动较小的光照度分布和光功率分布，从而提高接收平面的照明质量和通信质量。在可见光光源LED的位置布局中，一般需要考虑两个影响因素，一个影响因素是LED光源在室内天花板排布的整体方式，另一个影响因素是各个LED光源之间相隔的距离以及边缘LED与墙壁之间的距离。此外，LED光源的半功率角也影响VLC系统的接收光照度和接收光功率。一般而言，为了实现均匀的照明范围，所有的LED光源均使用相同宽的半功率角。然而在通信系统中，由于来自远距离的LED的光信号在接收端入射角较大，因此可能会降低信号功率，从而引起系统性能下降。所以为了解决这个问题，有必要考虑优化LED光源的半功率角。

据报道，已有许多工作研究了有关VLC系统的光源优化问题。然而目前的问题在于：

1)有些光源优化方法没有考虑反射的影响；

2)有些光源优化需要进行二次优化；

考虑到VLC技术使用白光LED作为发射端，其在满足照明的需求时还可以提供便利、快捷、环保和节能的通信服务，所以LED光源对VLC系统意义重大。而LED光源的位置和参数会影响通信系统的接收光照度和接收光功率分布。不同的LED光源参数和位置会引起接收平面上不同的光功率和光照度分布。在室内VLC系统中，分布不均匀的光功率和光照度会导致同一平面上不同用户不能享受同样的服务质量，从而影响通信的公平性。因此研究优化VLC系统的信号分布，为室内不同用户提供同等的服务质量势在必行。

发明内容

本发明的目的在于所以提出了一种基于改进蝙蝠算法的室内可见光通信系统光源优化方法，通过研究光源优化技术，以提高VLC系统平面上接收光照度和接收光功率的分布均匀性。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于蝙蝠算法的室内可见光通信系统光源优化方法，包括下述步骤：

1)构建可见光通信系统模型，分别得到接收机和发射机之间的信道直流增益H_los(0)、反射信道增益H_nlos(0)和接收机接收到的光照度E_r及光功率P_r；

2)利用蝙蝠算法优化LED光源的位置和半功率角，改善室内可见光通信系统平面上接收光照度和光功率的分布均匀性；具体的：

2a)初始化蝙蝠种群，初始化和定义与每个蝙蝠个体相关的参数；

2b)构建关于光功率P_r的适应度函数fitness，计算每只蝙蝠的适应度值，找到具有最小适应度值的蝙蝠个体并记录其当前位置；

2c)对传统蝙蝠算法的速度更新公式进行重新定义，按照重新定义的蝙蝠个体速度更新公式，搜索脉冲频率公式和位置公式，更新蝙蝠个体参数；

2d)对传统蝙蝠算法的局部搜索公式进行重新定义，生成随机数rand，确定蝙蝠n的脉冲率r_n，如果rand＞r_n，按照重新定义的局部搜索公式生成新的位置x_new，然后转到下一步；

2e)确定蝙蝠n的脉冲响度A_n，以及分别确定新位置x_new和原位置x_n的适应度函数fitness(x_new)和fitness(x_n)，如果rand＜A_n并且fitness(x_new)＜fitness(x_n)，那么就接受步骤2d)生成的新的位置x_new；然后更新脉冲率和脉冲响度；

2f)对所有蝙蝠的适应度值进行排序，找到最小值并记录其位置；判断算法是否满足终止条件，如果满足终止条件，则输出全局最优解；否则，返回步骤2c)。

本发明具有以下优点：

本发明提出了一种基于改进蝙蝠算法的室内可见光通信系统光源优化方法，本发明方法不仅考虑了墙面的一次反射，同时不需要进行二次优化。为了验证所提算法的有效性和普适性，分别对LED光源矩形布局模型和混合型布局模型进行仿真实验，仿真结果表明本发明方法性能表现良好。

附图说明

图1为LOS链路示意图；

图2为NLOS链路示意图；

图3a)为LED光源原始矩形布局图，图3b)为LED光源原始混合型布局图；

图4为矩形布局下原始光照度分布图；

图5为矩形布局下原始接收光功率分布图；

图6为优化前与优化后光源矩形布局示意图；

图7为光源优化后矩形布局下光照度分布图；

图8为光源优化后矩形布局下接收光功率分布图；

图9为混合型布局下原始光照度分布图；

图10为混合型布局下原始接收光功率分布图；

图11为优化前与优化后LED光源混合型布局示意图；

图12为光源优化后混合型布局下光照度分布图；

图13为光源优化后混合型布局下接收光功率分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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发明的原理性说明，不代表对本发明的任何限制。

本发明提出的一种基于改进蝙蝠算法的室内可见光通信系统光源优化方法，包括下述步骤：

步骤1，构建可见光通信系统模型，分别得到接收机和发射机之间的信道的直流增益H_los(0)、反射信道增益H_nlos(0)和接收机接收到的光照度E_r及光功率P_r。

在室内可见光通信系统模型中，将LED光源作为发射机，将光电探测器作为接收机。根据光信号的传输方式，VLC系统的通信链路有直射链路(Line-of-Sight，LOS)和漫射链路(Non-Line-of-Sight,NLOS)，漫射链路也叫做非直射链路。在LOS链路中，接收机和发射机之间的直射信道增益可以如下表示：

其中，S为接收机的有效面积,d为接收机和发射机之间的距离,m为朗伯系数，其中，θ_1/2为LED的半功率角，θ为相对于LED垂直轴的发射角,ψ为接收机的接收角,FOV为接收机视场角,T_s为光滤波器增益,G_s为光学聚光器增益。rect(x)为矩形函数模型，可定义为：

在NLOS链路中，接收机和发射机之间的反射信道增益如下：

其中，D₁为是光源到墙壁反射点的距离，D₂是反射点到PD的距离，ρ是墙壁的反射系数，dA_wall是反射面的微小面元,α是光线在墙壁反射点上的入射角，β是反射点的发射角。

在VLC系统中，接收机接收到的光照度E_r为：

其中，E_los是LOS链路贡献的光照度，E_nlos设是NLOS链路贡献的光照度，I₀指的是LED光源中心发光强度，d为接收机和发射机之间的距离,m为朗伯系数，其中，θ_1/2为LED光源的半功率角，θ为相对于LED光源垂直轴的发射角,ψ为接收机的接收角，D₁为是光源到墙壁反射点的距离，D₂是反射点到接收机的距离，ρ是墙壁的反射系数，dA_wall是反射面的微小面元,α是光线在墙壁反射点上的入射角，β是反射点的发射角。

在VLC系统中，接收机接收到的光功率P_r为：

其中，P_los是LOS链路贡献的光功率，P_nlos是NLOS链路贡献的光功率,P_t是LED光源发射光功率，H_los(0)和H_nlos(0)分别指的是接收机和发射机之间的直流信道增益和反射信道增益。

通过分析光源优化的问题，指出LED光源的位置和半功率角是影响信号分布的重要因素，因此需要对其进行优化。

步骤2，利用蝙蝠算法优化LED光源的位置和半功率角，改善室内可见光通信系统平面上接收光照度和光功率分布均匀性。

其中，光源优化主要是通过优化LED光源的位置和半功率角，使得同一接收平面上接收机接收到的光照度和光功率尽可能满足下式：

其中，E_r(R_j)指的是接收平面上第j个接收机接收到的光照度，P_r(R_j)指的是接收平面上第j个接收机接收到的光功率。

其中，利用改进的蝙蝠算法优化LED光源的位置和半功率角是通过下述步骤得到的：

2a)初始化蝙蝠种群，应该初始化和定义与每个蝙蝠个体相关的参数。这些参数是蝙蝠的数量N、搜索脉冲频率范围[Q_min,Q_max]、解的维数D、脉冲幅度A、脉冲率r、脉冲幅度衰减系数a、脉冲频率增强因子b、最大迭代次数T、蝙蝠位置坐标x_n和蝙蝠速度v_n。

2b)在光源优化中，优化目标是得到在室内环境下均匀分布的接收光照度和接收光功率。换句话说，希望同一接收平面上的所有接收光照度和接收光功率波动最小。在数学中，方差可以衡量样本的波动程度，因此将接收光功率的方差设定为算法的适应度函数；计算每只蝙蝠的适应度值，找到蝙蝠的最佳位置。

本发明中的适应度函数定义为：

其中，J表示接收平面接收机的总数；

代表接收平面的平均接收光功率；j指的是接收平面上第j个接收机，P_r(R_j)指的是接收平面上第j个接收机接收到的光功率。

2c)更新蝙蝠的参数。传统蝙蝠算法的蝙蝠个体速度，搜索脉冲频率和位置的更新公式定义为：

Q_n＝Q_min-(Q_max-Q_min)β (9)

其中，K为当前迭代次数，β为[0,1]中均匀分布的随机数。

分别为蝙蝠n在t和t+1时刻的位置，Q_n为蝙蝠n的搜索脉冲频率，Q_n属于[Q_min,Q_max]，

分别为蝙蝠n在t和t+1时刻的速度，x_best为目前为止发现的全局最佳位置(解决方案)，它是在比较所有N个蝙蝠个体后获得的解决方案。

在我们的实验中，我们根据问题的类型令Q_min＝0，Q_max＝2。为了加快算法的搜索速率，提高系统的性能，将速度更新公式重新定义为：

2d)：生成随机数rand，确定蝙蝠n的脉冲率r_n，如果rand＞r_n，按照重新定义的局部搜索公式生成新的位置x_new，然后转到下一步。传统蝙蝠算法的局部搜索更新公式定义为：

x_new＝x_best+ζA^t (12)

其中，x_best为全局最佳位置，x_new表示进行局部搜索后得到的新位置，ζ∈[-1,1]是随机数，A^t指的是t时刻种群的平均响度。为了应对待优化变量的增加，重新定义蝙蝠个体局部搜索更新公式：

其中，K为当前迭代次数，T表示最大迭代次数。

2e)：确定蝙蝠n的脉冲响度A_n，以及分别确定新位置x_new和原位置x_n的适应度函数fitness(x_new)和fitness(x_n)，如果rand＜A_n并且fitness(x_new)＜fitness(x_n)，那么就接受步骤2d)生成的新解决方案，然后根据以下公式更新脉冲率和脉冲响度：

其中，a是脉冲幅度衰减系数，b为脉冲频率增强因子，具体来说，a类似于模拟退火中的冷却时间表的冷却系数。

为初始时刻的蝙蝠n的脉冲率，为蝙蝠n在t+1时刻的脉冲率，

分别为蝙蝠n在t时刻和t+1时刻的脉冲响度。对于任何0＜a＜1,b＞0，方程(14)和方程(15)具有以下趋势：

其中，为蝙蝠n在t时刻的脉冲率。这里a＝0.9,b＝0.9。

2f)：首先，对所有蝙蝠的适应度值进行排序，找到最小值并记录其位置；其次，判断算法是否满足终止条件，如果满足终止条件，则输出全局最优解；否则，返回步骤2c)。

为了验证所提算法的有效性和普适性，分别对LED光源矩形布局模型和混合型布局模型进行仿真实验。

本发明的正确性和优点可通过以下理论结果对比进一步说明：

本发明方法中，通过MATLAB进行模拟仿真验证。

首先，介绍室内VLC系统的信道模型，分析光源优化的问题，指出LED光源的位置和半功率角会影响系统的信号分布均匀性，因此需要对这两个因素进行优化；然后，在LED光源矩形布局模型中仿真研究所提算法的性能；最后，在LED光源混合型布局模型中仿真研究所提算法的性能。

理论和仿真结果

图1给出了LOS链路示意图；图2给出了NLOS链路示意图；图3a)-图3b)给出了LED光源原始矩形布局图和混合型布局图。图3a)中，c表示LED光源与墙壁之间的距离，l表示LED光源之间的间隔。图3b)中,R表征环形LED光源的半径，g表征四个角上的LED光源到墙壁的距离，e表示中间两个LED光源相距的距离。表1给出了系统仿真的参数；表2给出了LED光源矩形布局优化后参数；表3给出了LED光源混合型布局优化后参数。

表1系统仿真参数表

表2 LED光源矩形布局优化后参数

表3 LED光源混合型布局优化后参数

设置c＝1m和l＝1m分别是优化前光源矩形布局下LED与墙壁之间的距离和LED之间的间隔。图4是矩形布局下原始光照度分布图。从图中可以看出，原始接收光照度在426.25lx到1931.48lx之间变化，峰值和谷值两者之间的差为1505.23lx。由图可知该布局下接收平面上光照度分布的波动非常大，并且光照度最大值超过了国际照明组织规定的数值1500lx。图5是矩形布局下原始接收光功率分布图。在图5中，接收平面上的光功率在-5.89dBm到0.67dBm之间波动，平均接收功率是-1.56dBm，接收功率方差为2.1871dBm。从仿真结果可知，接收平面上接收光功率分布很不均匀，从房间中心到四周功率值逐渐下降。图6给出了优化前与优化后光源矩形布局示意图，图中蓝色圆圈代表原始LED阵列布局，红色圆圈代表优化后LED阵列布局。图7给出了光源优化后矩形布局下光照度分布图。在图7中，经过改进的蝙蝠算法优化后的接收光照度分布在489.81lx到829.79lx之间，谷值和峰值之间相差339.98lx。优化后接收光照度在国际照明组织规定的300lx-1500lx标准之内。图8给出了光源优化后矩形布局下接收光功率分布图。在图8中，经过所提算法优化后的接收光功率在-2.56dBm与-1.69dBm之间波动，功率的平均值是-2.03dBm，接收功率的方差为0.0280dBm。综上分析可知，经过改进的蝙蝠算法优化LED光源的位置和半功率角后，平面上接收光照度和接收光功率的波动显著减小，即优化后系统可以实现更均匀的信号分布。图9是混合型布局下原始光照度分布图。在原始混合型光源布局模型中，LED光源的半径R＝1m，角落上的LED与墙壁的距离g＝1m，中间两个LED光源相距的距离e＝1m。在图9中，接收平面的光照度变化的范围为398.51lx～2417.96lx之间，照度最大值与最小值相差2019.45lx。接收光照度最大值远超过了国际照明组织要求的范围，且波动非常大。图10是混合型布局下原始接收光功率分布图。在图10中，平面上接收光功率在-6.18dBm和1.65dBm间变化，接收功率的平均值是-1.46dBm，接收功率的方差是3.3021dBm。由这些数据分析可知，在原始混合型布局模型下，系统接收平面上光照度和接收光功率分布波动非常大，不利于室内人员的感官舒适度和系统通信的公平性。图11给出了优化前与优化后LED光源混合型布局示意图，其中蓝色圆圈代表原始的布局，红色圆圈代表优化后的布局。图12给出了光源优化后混合型布局下光照度分布图。在图12中，光源经过改进的蝙蝠算法优化后接收光照度波动的范围为544.08lx～870.51lx，波动的谷值和峰值之间相差326.43lx。与未优化前相比，优化后接收光照度在国际照明组织要求的范围之内，且波动的范围明显的减小。图13给出了光源优化后混合型布局下接收光功率分布图。在图13中，光源经过优化后平面上接收到的光功率在-2.63dBm与-1.63dBm之间变化，平均值是-2.06dBm，方差为0.0333dBm。根据以上分析可知，LED光源的位置和半功率角经过所提算法优化后，平面上接收光功率的数值变得更加集中，分布变得更加平坦，角落与房间中心的功率偏差得到显著改善。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。