考虑HPSA的IRS辅助室内VLC系统光源优化

何慧萌; 杨婷; 施会丽; 王平; 邴喆; 王星; 白勃

doi:10.19665/j.issn1001-2400.20240103

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考虑HPSA的IRS辅助室内VLC系统光源优化

信息与通信工程 | 更新时间：2024-06-03

- 考虑HPSA的IRS辅助室内VLC系统光源优化
- Optimization of light sources for the IRS-assisted indoor VLC system considering HPSA
- 角色： First author , 第一作者 ,
  
  机构：
  西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071
  
  邮箱： HuimengHe@stu.xidian.edu.cn
  
  简介： [ "何慧萌(2000—),女,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail:HuimengHe@stu.xidian.edu.cn; " ]
  
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  何慧萌
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  角色：
  
  机构：
  西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071
  
  邮箱： tingyang@stu.xidian.edu.cn
  
  简介： [ "杨婷(1997—),女,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:tingyang@stu.xidian.edu.cn; " ]
  
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  杨婷
  ，
  角色：
  
  机构：
  西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071
  
  邮箱： 13572431626@163.com
  
  简介： [ "施会丽(1998—),女,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail:13572431626@163.com; " ]
  
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  施会丽
  ，
  角色： Corresponding author , 通讯作者 ,
  
  机构：
  西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071
  
  邮箱： pingwang@xidian.edu.cn
  
  简介：王平(1977—),男,教授,博士,E-mail:pingwang@xidian.edu.cn
  
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  王平
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  邴喆
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  西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071
  
  邮箱： bbai@xidian.edu.cn
  
  简介： [ "白勃(1985—),男,副教授,博士,E-mail:bbai@xidian.edu.cn" ]
  
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  白勃
  ，
- 西安电子科技大学学报 2024年51卷第2期页码：46-55
- 作者机构：
  
  1. 西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071
  2. 中煤能源研究院有限责任公司,陕西西安 710000
- 作者简介：
  
  [ "何慧萌(2000—),女,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail:HuimengHe@stu.xidian.edu.cn; " ]
  [ "杨婷(1997—),女,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:tingyang@stu.xidian.edu.cn; " ]
  [ "施会丽(1998—),女,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail:13572431626@163.com; " ]
  王平(1977—),男,教授,博士,E-mail:pingwang@xidian.edu.cn
  [ "邴喆(1976—),男,副总工程师,E-mail:bingzhe@vip.163.com ; " ]
  [ "王星(1989—),女,工程师,E-mail:yigekongge@qq.com; " ]
  [ "白勃(1985—),男,副教授,博士,E-mail:bbai@xidian.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金面上项目(62071365);陕西省重点研发计划一般项目(2022GY-103)
- DOI：10.19665/j.issn1001-2400.20240103
  中图分类号： TN92
- 纸质出版日期：2024-4-20，
  
  网络出版日期：2024-1-31，
  
  收稿日期：2023-12-7，
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何慧萌, 杨婷, 施会丽, 等. 考虑HPSA的IRS辅助室内VLC系统光源优化[J]. 西安电子科技大学学报, 2024,51(2):46-55.

Huimeng HE, Ting YANG, Huili SHI, et al. Optimization of light sources for the IRS-assisted indoor VLC system considering HPSA[J]. Journal of Xidian University, 2024,51(2):46-55.
何慧萌, 杨婷, 施会丽, 等. 考虑HPSA的IRS辅助室内VLC系统光源优化[J]. 西安电子科技大学学报, 2024,51(2):46-55. DOI： 10.19665/j.issn1001-2400.20240103.

Huimeng HE, Ting YANG, Huili SHI, et al. Optimization of light sources for the IRS-assisted indoor VLC system considering HPSA[J]. Journal of Xidian University, 2024,51(2):46-55. DOI： 10.19665/j.issn1001-2400.20240103.

考虑HPSA的IRS辅助室内VLC系统光源优化

何慧萌 ; 杨婷 ; 施会丽 ; 王平 ; 邴喆 ; 王星 ; 白勃 ;

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摘要

针对可见光通信(VLC)系统中接收平面光功率分布不均匀的问题,提出了一种基于混合粒子群算法(HPSA)的智能反射面(IRS)辅助室内VLC系统光源优化设计方案。以16个发光二极管(LED)的矩形和混合型布局为例,设置接收光功率方差为适应度函数,将所提出的HPSA与IRS技术相结合,对LED的位置布局、半功率角以及IRS的偏航角与滚转角进行优化。仿真对比了初始的(未经优化)、基于HPSA优化的室内VLC系统,以及基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的性能。结果表明,在考虑一次反射链路的情况下,与初始的VLC系统相比,采用HPSA优化的系统在两种光源布局下的接收光功率以及信噪比波动都明显降低;基于HPSA优化的IRS辅助室内VLC系统在矩形布局下对接收光功率波动的改善与基于HPSA优化的VLC系统效果相当,其在混合型布局下明显低于仅采用HPSA优化的VLC系统的光功率波动。3种可见光通信系统中,基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的平均接收光功率最大。此外,上述3种VLC系统采用混合型布局的平均均方时延拓展性能均优于矩形布局。研究工作对室内可见光通信系统光源分布研究具有一定参考价值。

译

Abstract

Aiming at the problem of unevenness of optical power distribution on the receiving plane in a visible light communication(VLC) system,a light source optimization method for an intelligent reflecting surface(IRS)-assisted indoor VLC system based on the hybrid particle swarm algorithm(HPSA) is proposed.Taking the two layout schemes of rectangular and hybrid arrangements with 16 light-emitting diodes(LEDs) as examples,the variance of received optical power on the receiving plane is set as the fitness function,and the proposed HPSA is combined with the IRS technology to optimize the half-power angle and positional layout of LEDs as well as the yaw and roll angles of IRS.Subsequently,initial(unoptimized) optimization using the HPSA,and optimization using the HPSA for the IRS-aided VLC systems are simulated and compared.The results indicate that when considering the first reflection link,compared to the original VLC system,the fluctuations of received optical power and signal-to-noise ratio of the VLC system optimized with the HPSA significantly decrease for both light source layouts;the HPSA optimized IRS-aided indoor VLC system improves the received optical power fluctuations in the rectangular layout as well as the HPSA optimized VLC system,and its performance is significantly better than that of the HPSA optimized VLC system only in the hybrid layout for optical power fluctuations improvement.Among the three VLC systems,the IRS-aided VLC system based on HPSA optimization has the largest average received optical power.Besides,the average root mean square delay spread performance of the above three VLC systems using a hybrid layout is better than that of a rectangular layout.This work will benefit the study of light source distribution in indoor VLC systems.

译

关键词

可见光通信系统; 发光二极管; 光源优化; 混合粒子群算法; 智能反射面; 接收光功率; 信噪比

译

Keywords

visible light communication; light emitting diodes; light source optimization; hybrid particle swarm algorithm; intelligent reflecting surface; received optical power; signal to noise ratio

译

1 引言

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是一种极具潜力的无线通信技术,它利用发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)作为光源同时实现照明和通信两种功能。与其他无线通信技术相比,VLC具有成本低、抗电磁干扰、带宽使用无需申请、难以被窃听、对人体无损害等优点,具有十分广阔的应用前景^[

1]。针对通信用户而言,最重要的是服务的质量和公平性,处于同一平面的用户接收信号效果不能相差太多,更不能存在接收盲区^{[参考文献 2

百度学术

2]}。近年来,为了提升用户体验的公平性,研究人员针对室内VLC系统的光源优化设计进行了许多研究。文献[3]提出了一种改进粒子群算法对等差LED阵列的位置进行优化设计,结果表明优化后接收平面光照度的均匀性明显提升,但该工作中没有考虑非视距(Non-Line-Of-Sight,NLOS)链路的影响。文献[4]研究了室内VLC系统存在反射时的光源优化设计方案,仿真表明墙壁反射会影响接收光功率的分布。此外,同时优化LED的半功率角和接收机视场角可以使系统性能更优。

译

近些年来,智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)因其具有易于部署、低能耗等优点受到研究人员的广泛关注^[

5⇓-7]。IRS是一种由大量可重构低成本的无源反射单元组成的平面阵列,其中的每个单元由连接的智能控制器控制,通过控制反射单元可以改变信号路径,从而改善通信质量^{[参考文献 8

百度学术

8]}。在室内VLC系统中,通信性能主要受视距(Line-Of-Sight,LOS)链路的影响。当系统中存在因障碍物导致LOS链路阻塞等情况时,接收平面的功率分布会变得不均匀,从而严重限制了VLC系统在室内场景中的大规模部署。然而,新兴的IRS技术通过提高NLOS链路的传输性能减少系统对LOS链路的依赖,能显著增强室内VLC系统性能^{[参考文献 9

百度学术

9]}。近年来,研究人员开始将IRS应用于室内VLC系统并取得了一定的进展。文献[10]将智能反射面首次引入VLC系统,推导了智能反射面的辐照度表达式并研究了其聚焦能力。文献[11]提出了一种IRS辅助的VLC系统模型,仿真表明该系统能有效克服视线阻塞,具有较好的系统性能。文献[12]讨论了IRS辅助的VLC系统在扩大信号覆盖、降低照明要求和增强信号功率方面的优势,基于此提出了一种IRS辅助的人工智能VLC系统,并利用神经网络对其进行了优化。

译

基于上述分析,针对VLC系统光源的优化设计问题,笔者提出了一种混合粒子群算法(Hybrid Particle Swarm optimization Algorithm,HPSA)来优化IRS辅助的室内VLC系统光源分布,以减少接收平面的光功率波动,从而提升用户通信的公平性。文中首先给出了IRS辅助的室内VLC系统模型,紧接着提出了HPSA,将接收光功率方差作为适应度函数,对矩形和混合型两种布局下LED的位置、半功率角以及IRS的偏航角和滚转角进行优化。最后,对初始的VLC系统(未经优化)、基于HPSA优化的VLC系统,以及基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的接收光功率、信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)、均方(Root Mean Square,RMS)时延拓展进行了仿真和对比分析。

译

2 系统模型

2.1 IRS辅助的室内VLC系统模型

图1给出文中所建立的IRS辅助的室内VLC系统模型。该系统由LED、室内信道以及接收机组成。LED作为发射器放置在天花板上,光电探测器作为接收机水平放置在接收平面上,接收平面距离地面的高度为0.85 m。IRS阵列由多个反射单元组成,布局在房间四面墙面上。该VLC系统中包含LOS和NLOS两种链路。

译

图1 IRS辅助的室内VLC系统模型

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2.2 接收光功率

接收机和LED之间的LOS链路信道增益由朗伯辐射模型直接计算,表示为^[

13]

译

H_d(0)=

$\{\begin{array}{l} \frac{A (m + 1)}{2 π d^{2}} (c o s^{m} θ) T_{s} (φ) G (ϕ) c o s ϕ, & 0 \leq ϕ \leq F O V, \\ 0, & ϕ > F O V, \end{array}$

(1)

其中,A表示探测器的有效面积;d表示发射器与接收器之间的距离;m表示朗伯发射系数,可通过公式m=-ln 2/ln (cos θ_1/2)计算得到,其中θ_1/2代表LED的半功率角;T_s(ϕ)表示光滤波器增益;G(ϕ)表示聚光器增益;θ是发射器的出射角;ϕ是接收机的入射角;FOV为接收机视场角。

译

图2为VLC系统中IRS单位面积元示意图,图2(a)展示了IRS单位面积元模型,该IRS具备偏航角w和滚转角ϑ两个旋转方向的自由度。光源从LED发射,经过IRS反射到达接收端。该过程可以分为两部分:第一部分是光源从LED射出,经过1次LOS链路到达IRS阵列。第二步是将IRS反射单元作为点光源,经过1次LOS链路到达接收端。假设所有的IRS单位面积元采用相同的偏航角和滚转角,且来自LED的入射光线到达IRS反射阵列的单位面积元中心。

译

图2 VLC系统中IRS单位面积元示意图

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IRS辅助的VLC系统中接收机和LED之间的NLOS链路信道增益可表示为^[

14]

译

dH_IRS(0)=

$\{\begin{array}{l} \frac{(m + 1) A}{2 (π d_{1} d_{2})^{2}} ρ_{I R S} c o s^{m} θ c o s α (c o s β) T_{s} (ϕ) g (ϕ)) c o s ϕ) d A_{I R S}, & 0 \leq ϕ \leq F O V, \\ 0, & ϕ > F O V, \end{array}$

(2)

其中,ρ_IRS为IRS反射系数,d₁是发射端与IRS之间的距离,d₂是IRS与接收端之间的距离,dA_IRS表示IRS单元反射面积,α为LED光源到IRS的入射角,β为IRS到接收端的出射角。如图2(b)所示,α和β的大小均与IRS的偏航角和滚转角有关。从LED到IRS处的入射角α可以通过向量内积进行计算:

译

cos α=

$\frac{d_{I R S}^{A P} \cdot n_{I R S}}{d_{I R S}^{A P}}$ ,

(3)

其中, $d_{I R S}^{A P}$ 表示发射端与IRS之间的方向向量,n_IRS表示IRS的单位法向量,n_IRS表示为

译

n_IRS=

$[\begin{array}{l} c o s w s i n ϑ \\ c o s w c o s ϑ \\ s i n w \end{array}]$ ,

(4)

因此,LED到IRS入射角α的余弦值计算如下:

译

cos α=

$\frac{x_{A P} - x_{I R S}}{d_{1}}$ cos w sin ϑ+

$\frac{y_{A P} - y_{I R S}}{d_{1}}$ cos w cos ϑ+

$\frac{z_{A P} - z_{I R S}}{d_{1}}$ sin w,

(5)

同理可以得到IRS到PD的出射角β的余弦值:

译

cos β=

$\frac{x_{P D} - x_{I R S}}{d_{2}}$ cos w sin ϑ+

$\frac{y_{P D} - y_{I R S}}{d_{2}}$ cos w cos ϑ+

$\frac{z_{P D} - z_{I R S}}{d_{2}}$ sin w,

(6)

其中,(x_AP,y_AP,z_AP)、(x_PD,y_PD,z_PD)、(x_IRS,y_IRS,z_IRS)分别是发射端、接收端和IRS单位面积元的坐标。

译

根据上述分析,该IRS辅助的室内VLC系统总接收功率可以表示为^[

15]

译

P_r=

$\sum_{N_{L E D S}}$ {P_tH_d(0)+∫_IRSP_tdH_IRS(0)},

(7)

其中,P_t表示单个LED的发射功率,N_LEDS表示LED数量。

译

2.3 信噪比

在室内VLC系统中,信噪比是衡量通信质量的重要依据,它的计算方法为

译

SNR=

$\frac{(R P_{r}^{s i g n a l})^{2}}{σ_{t o t a l}^{2}}$ ,

(8)

其中,R表示接收机的响应度, $P_{r}^{s i g n a l}$ 为信号功率, $σ_{t o t a l}^{2}$ 表示噪声方差,主要由散粒噪声 $σ_{s h o t}^{2}$ 、热噪声 $σ_{t h e r m a l}^{2}$ 以及码间干扰噪声组成,表示为^[

16]

译

$σ_{t o t a l}^{2}$ =

$σ_{s h o t}^{2}$ +

$σ_{t h e r m a l}^{2}$ +

$(R P_{r}^{I S I})^{2}$ ,

(9)

$σ_{s h o t}^{2}$ =2qRP_rB+2qI_bgI₂B,

(10)

$σ_{t h e r m a l}^{2}$ =

$\frac{8 π κ T_{k}}{G}$ λAI₂B²+

$\frac{16 π^{2} κ T_{K} Γ}{g_{m}}$ λ²A²I₃B³,

(11)

其中,q表示电荷量,B是等效噪声带宽,I_bg表示暗电流,I₂和I₃为噪声带宽系数,κ是玻尔兹曼常数,T_K是绝对温度,λ是PD的内部电容,G、Γ、g_m分别表示场效应晶体管的开环电压增益、通道噪声因子以及跨导率, $P_{r}^{I S I}$ 为码间干扰功率。

译

系统的总接收功率包括信号功率和码间干扰功率两部分。当路径传输信号到达与最短路径到达的时间差小于等于码元周期的一半时,该路径的功率被视为信号功率 $P_{r}^{s i g n a l}$ ;否则,被视为码间干扰功率 $P_{r}^{I S I}$ 。

译

2.4 均方时延拓展

在室内VLC系统中,信号会在墙壁以及陈列物品等表面发生漫反射,导致多径效应,使得接收到的信号出现延迟拓展。均方时延D_RMS是衡量多径效应的重要参数,可以根据脉冲响应计算得到^[

17]:

译

D_RMS=(μ²-(μ)²)^1/2,

(12)

其中,μ为平均时延拓展,表达式为

译

μ=

$\frac{\overset{M}{\sum_{i = 1}} P_{d, i} t_{d, i} + \overset{N}{\sum_{l = 1}} P_{r e f, l} t_{r e f, l}}{P_{r}}$ ,

(13)

μ²=

$\frac{\overset{M}{\sum_{i = 1}} P_{d, i} t_{d, i}^{2} + \overset{N}{\sum_{l = 1}} P_{r e f, l} t_{r e f, l}^{2}}{P_{r}}$ ,

(14)

其中,M和N分别表示从光源到接收器的直射链路与反射链路数,t_d,i和P_d,i是经过第i条直射路径到达接收端的时间以及接收光功率,t_ref_,l和P_ref_,l是经过第l条反射路径到达接收端的时间以及接收光功率。

译

3 混合粒子群算法

粒子群算法收敛速度快且搜索能力较为高效,在多目标参数的情况下,可快速得到最优解,但存在易陷入局部最优的弊端;而遗传算法中的选择和突变操作可以有效避免算法陷入局部最优。文中基于遗传算法和粒子群算法提出了一种混合粒子群算法(具体流程见图3)。通过该算法对LED的位置、半功率角以及IRS的偏航角和滚转角进行优化,改善VLC系统中接收光功率分布的平坦性。针对IRS辅助的室内VLC系统模型,以矩形布局为例,采用混合粒子群算法进行光源布局优化的具体步骤如下。

译

图3 混合粒子群算法流程图

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(1) 初始化参数。在解空间中随机形成粒子群体,对于矩形布局需要优化的参数包括两个位置参数(LED与墙之间的距离及两个LED之间的距离)和16个LED的半功率角参数,以及IRS的偏航角和滚转角。设置优化维度D=20,学习因子c₁=0.29、c₂=1.49,惯性权重ω=0.9,变异概率为0.9,突变概率为0.1。

译

(2) 计算适应度值。文中的优化目标是尽可能实现接收光功率的均匀性,因此将光功率方差作为适应度函数,表示为

译

f(·)=

$\frac{\sum_{J} {(P}_{r} {(R}_{j} {) - \bar{P})}^{2}}{T_{L}}$ ,

(15)

其中,T_L表示位于接收平面的接收机总数,P_r(R_j)代表第j个接收机的接收光功率, $\bar{P}$ 代表所有接收机的平均接收光功率。根据适应度值的大小分别找出粒子群中的个体极值P_best和群体极值G_best。

译

(3) 更新粒子速度和位置。根据式(16)和式(17)更新种群中第k代第i个粒子的位置 $x_{i d}^{k}$ 和速度 $v_{i d}^{k}$ ,计算新个体的适应度值,并更新粒子群的P_best和G_best。

译

$v_{i d}^{k + 1}$ =ω

$v_{i d}^{k}$ +c₁r₁(

$P_{i d}^{k}$ -

$x_{i d}^{k}$ )+c₂r₂(

$P_{g d}^{k}$ -

$x_{i d}^{k}$ ),

(16)

$x_{i d}^{k + 1}$ =

$x_{i d}^{k}$ +

$v_{i d}^{k + 1}$ ,

(17)

其中,r₁和r₂是分布于[0,

1]区间的随机数;d=1,2,…,D,为优化维度;k为种群迭代次数;

$P_{i d}^{k}$ 为个体最优位置;

$P_{g d}^{k}$ 为群体最优位置。

译

(4) 交叉操作。随机选择两个位置,将个体与个体极值在第一个位置交叉后的结果与群体极值在第二个位置交叉更新,计算新个体的适应度值。如果新粒子的适应度值更优,则保留新的粒子;否则,放弃此次更新的粒子。

译

(5) 变异操作。按照设定的变异概率对个体进行变异操作,并计算变异后新粒子的适应度值。如果新粒子的适应度值优于原来的粒子,则被保留;否则,放弃此次更新的粒子,并更新粒子群的P_best和G_best。

译

(6) 判断是否达到最大迭代次数。如果满足则迭代停止,否则迭代次数加一并重复步骤(1)到步骤(5),直到满足迭代终止条件,最终输出群体最优值。

译

4 实验结果与分析

为了验证所提算法对IRS辅助的室内VLC系统中光源的优化作用,在5 m×5 m×3 m的房间中以16个LED为例,采用图4展示的矩形和混合型两种布局进行仿真分析。初始布局参数设计如下:矩形布局如图4(a)所示,S是LED与墙壁间的距离,L是每两个LED之间的距离,在初始情况下,设置S=1 m,L=1 m。混合型布局如图4(b)所示,r表示10个LED围成的圆形的半径,b是中间两个LED的距离,a代表4个角落上的LED与墙面之间的距离。初始情况下,设置r=1 m,a=1 m,b=1 m,其他相关的仿真参数如表1所示^[

2,14]。在两种不同的布局下,分别利用HPSA优化LED阵列位置参数、半功率角参数以及IRS偏航角和滚转角参数,从而降低接收光功率的波动。

译

图4 初始LED布局

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表1 仿真采用的相关参数

参数	符号	数值	参数	符号	数值
P_t/W	LED发射光功率	1	FOV/(°)	接收机视场角	90
A/cm²	接收机有效面积	1	T_s(ϕ)	滤波器增益	1
R/(A·W^-1)	光电转换效率	0.35	G_s(ϕ)	聚光器增益	1
ρ	墙面反射系数	0.8	dA_IRS/cm²	IRS单元反射面积	0.01
ρ_IRS	IRS反射系数	0.95	q/C	电荷量	1.6×10^-19
Γ	信道噪声因子	0.62	I_bg/mA	暗电流值	0.1
g_m/(m·s^-1)	跨导率	30	T/次	最大迭代次数	100

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图5分别给出了初始的、基于HPSA优化的室内VLC系统,以及基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统在矩形和混合型布局下的LED分布。图中圆形表示初始LED布局,菱形代表HPSA优化后的LED布局,星型代表HPSA优化后IRS辅助VLC系统的LED布局。可以看出,优化后的光源更加均匀地分布在发射平面。表2、表3分别给出了HPSA优化的IRS辅助VLC系统光源的矩形和混合型布局参数。

译

图5 优化前后LED的布局

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表2 HPSA优化的IRS辅助VLC系统的矩形布局参数

S/m	L/m	w/(°)	ϑ/(°)	θ $_{1 / 2}^{1}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{2}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{3}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{4}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{5}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{6}$ /(°)
0.1	1.6	17.18	15.47	32.63	37.45	39.62	30.46	41.76	43.22
θ $_{1 / 2}^{7}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{8}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{9}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{10}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{11}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{12}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{13}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{14}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{15}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{16}$ /(°)
40.08	37.73	36.53	42.39	45.52	42.28	34.56	35.56	38.22	31.11

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表3 HPSA优化的IRS辅助VLC系统的混合型布局参数

r/m	a/m	b/m	w/(°)	ϑ/(°)	θ $_{1 / 2}^{1}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{2}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{3}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{4}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{5}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{6}$
2.4	0.1	0.4	13.17	38.38	38.22	33.98	32.12	34.55	40.22	45.25
θ $_{1 / 2}^{7}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{8}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{9}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{10}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{11}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{12}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{13}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{14}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{15}$ /(°)	θ $_{1 / 2}^{16}$ /(°)
39.92	42.89	35.63	45.56	42.36	44.31	35.82	31.89	45.33	36.78

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图6给出了这3种室内VLC系统分别在矩形和混合型布局下的光功率分布。由图6(a)、(b)可以看出,初始条件下,矩形布局接收光功率约在-32.58 dBm到-24.82 dBm之间波动,混合型布局的接收光功率约在-33.13 dBm到-23.85 dBm之间波动,接收光功率从中心区域向四周逐渐递减并在房间四个角落达到最小值,这种情况对于室内边缘用户的通信质量极为不利。图6(c)、(d)是采用HPSA优化后的结果,矩形和混合型布局的平均光功率分别约为-26.41 dBm和-26.36 dBm。从图中可以明显观察到经HPSA优化后光功率的分布更加平坦,四个角落的光功率值明显提升。与初始的VLC系统相比,基于HPSA优化的矩形和混合型两种布局光功率波动分别降低了约84.92%和81.46%,由此说明HPSA对降低接收光功率的波动具有显著效果。图6(e)、(f)分别为IRS辅助的VLC系统经HPSA优化后的光功率分布,矩形布局光功率波动范围约为-27.02 dBm到-25.66 dBm,平均光功率约为-26.32 dBm;混合型布局光功率波动范围约为-26.91 dBm到-25.76 dBm,平均光功率约为-26.27 dBm。相比于初始的VLC系统,基于HPSA优化的IRS辅助室内VLC系统在矩形布局下对接收光功率波动的改善与基于HPSA优化的VLC系统效果相当,在混合型布局下其接收光功率的波动相较于初始的VLC系统降低了约87.61%,同时也明显低于采用HPSA优化的VLC系统的光功率。此外,在上述3种VLC系统中,基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统在两种布局下的平均光功率值均为最大。

译

图6 接收平面光功率分布

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图7给出了上述3种室内VLC系统分别在矩形和混合型布局下的信噪比(SNR)分布。由图7(a)、(b)可以看出在初始条件下接收平面的信噪比分布很不均匀,矩形布局接收信噪比约在4.52 dB到17.82 dB之间波动,平均信噪比约为12.36 dB;混合型布局的接收信噪比约在3.14 dB到20.31 dB之间波动,平均信噪比约为 13.02 dB。从图7(c)、(d)可以看出经过HPSA优化后的VLC系统在矩形布局下信噪比的波动范围约为15.59 dB到19.11 dB,平均信噪比约为17.34 dB;混合型布局下信噪比的波动范围约为15.36 dB到19.70 dB,平均信噪比约为17.48 dB。因此,与初始的VLC系统相比,采用HPSA优化后的系统平均信噪比增大,信噪比分布更加平坦,角落的接收信噪比性能改善明显,从而可以说明HPSA优化对VLC系统信噪比均匀性的提升效果显著。图7(e)、(f)是IRS辅助的室内VLC系统经HPSA优化后的结果。可以观察到,相较于初始条件,该IRS辅助的VLC系统在两种布局下经过优化后边缘的信噪比性能均有所提升,整体的接收信噪比波动变小。但由于多径效应会导致信号产生码间干扰,而IRS的引入增大了多径链路的影响,使得码间干扰功率增加,进而系统噪声功率也随之增加^[

18],从而导致基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的平均信噪比相较于仅采用HPSA优化的VLC系统有所下降。

译

图7 接收平面SNR分布

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图8给出了这3种室内VLC系统分别在矩形和混合型布局下接收平面的RMS时延拓展分布。从图8(a)、(b)可以看出,初始情况下矩形布局的时延拓展范围约为0.770 7 ns到2.161 1 ns,平均均方时延拓展约为1.455 7 ns;混合型布局的时延拓展范围约为0.398 6 ns到2.642 5 ns,平均均方时延拓展约为1.428 6 ns。另外,这两种布局下边缘位置的时延拓展均高于中心位置。由图8(c)、(d)可以看出,经过HPSA优化后,矩形布局时延拓展的波动范围约为0.33 ns到1.233 6 ns,平均均方时延拓展约为0.779 9 ns;混合型布局时延拓展的波动范围约为0.255 5 ns到1.174 4 ns,平均均方时延拓展约为0.711 6 ns。图8(e)、(f)是基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的时延拓展分布,可以看出矩形布局下平均均方时延拓展约为1.139 7 ns,混合布局下平均均方时延拓展约为1.066 6 ns。相比于采用HPSA优化的VLC系统,两种光源布局下基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的平均均方时延拓展均变大,同样地,这也与IRS的引入增大了多径链路的影响有关^[

9,11,19]。此外,这3种系统中混合型布局的平均均方时延拓展性能均优于矩形布局,且优化后两种布局下角落位置的时延拓展明显低于中心位置,因此混合型布局在改善VLC系统时延拓展性能方面具有更好的效果。

译

图8 接收平面RMS时延拓展分布

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5 结束语

文中提出了一种基于HPSA优化的IRS辅助室内VLC系统光源设计方案。具体地,首先建立了IRS辅助的室内VLC系统模型,然后将接收光功率的方差作为适应度函数,基于HPSA对LED的位置、半功率角以及IRS的偏转角和滚转角进行优化。随后,在矩形和混合型两种布局下对初始的、基于HPSA优化的室内VLC系统,以及基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统进行了仿真对比研究。结果表明,文中提出的HPSA可以有效改善系统的接收光功率以及信噪比波动,进而提升用户通信的公平性。同时,基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统在两种光源布局下均可以获得最大的平均接收光功率。此外,3种系统中混合型布局的平均均方时延拓展性能均优于矩形布局,因此在改善VLC系统时延性能方面,混合型布局具有更好的效果。

译

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摘要

针对可见光通信(VLC)系统中接收平面光功率分布不均匀的问题

提出了一种基于混合粒子群算法(HPSA)的智能反射面(IRS)辅助室内VLC系统光源优化设计方案。以16个发光二极管(LED)的矩形和混合型布局为例

设置接收光功率方差为适应度函数

将所提出的HPSA与IRS技术相结合

对LED的位置布局、半功率角以及IRS的偏航角与滚转角进行优化。仿真对比了初始的(未经优化)、基于HPSA优化的室内VLC系统

以及基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的性能。结果表明

在考虑一次反射链路的情况下

与初始的VLC系统相比

采用HPSA优化的系统在两种光源布局下的接收光功率以及信噪比波动都明显降低;基于HPSA优化的IRS辅助室内VLC系统在矩形布局下对接收光功率波动的改善与基于HPSA优化的VLC系统效果相当

其在混合型布局下明显低于仅采用HPSA优化的VLC系统的光功率波动。3种可见光通信系统中

基于HPSA优化的IRS辅助VLC系统的平均接收光功率最大。此外

上述3种VLC系统采用混合型布局的平均均方时延拓展性能均优于矩形布局。研究工作对室内可见光通信系统光源分布研究具有一定参考价值。

Abstract

Aiming at the problem of unevenness of optical power distribution on the receiving plane in a visible light communication(VLC) system

a light source optimization method for an intelligent reflecting surface(IRS)-assisted indoor VLC system based on the hybrid particle swarm algorithm(HPSA) is proposed.Taking the two layout schemes of rectangular and hybrid arrangements with 16 light-emitting diodes(LEDs) as examples

the variance of received optical power on the receiving plane is set as the fitness function

and the proposed HPSA is combined with the IRS technology to optimize the half-power angle and positional layout of LEDs as well as the yaw and roll angles of IRS.Subsequently

initial(unoptimized) optimization using the HPSA

and optimization using the HPSA for the IRS-aided VLC systems are simulated and compared.The results indicate that when considering the first reflection link

compared to the original VLC system

the fluctuations of received optical power and signal-to-noise ratio of the VLC system optimized with the HPSA significantly decrease for both light source layouts;the HPSA optimized IRS-aided indoor VLC system improves the received optical power fluctuations in the rectangular layout as well as the HPSA optimized VLC system

and its performance is significantly better than that of the HPSA optimized VLC system only in the hybrid layout for optical power fluctuations improvement.Among the three VLC systems

the IRS-aided VLC system based on HPSA optimization has the largest average received optical power.Besides

the average root mean square delay spread performance of the above three VLC systems using a hybrid layout is better than that of a rectangular layout.This work will benefit the study of light source distribution in indoor VLC systems.

关键词

可见光通信系统发光二极管光源优化混合粒子群算法智能反射面接收光功率信噪比

Keywords

visible light communicationlight emitting diodeslight source optimizationhybrid particle swarm algorithmintelligent reflecting surfacereceived optical powersignal to noise ratio

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