VLC網(wǎng)絡中兼顧QoS和公平性的協(xié)作子載波與功率分配算法

謝顯中，高龍龍，盧華兵

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院,重慶 400065; 2.計算機網(wǎng)絡與通信重慶市重點實驗室，重慶 400065)

0 引 言

可見光通信(visible light communication,VLC)利用發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)響應速度快、穩(wěn)定性強等特性，將信號調(diào)制到LED 上，通過可見光進行數(shù)據(jù)傳輸，并實現(xiàn)照明和通信結合[1-2]。該技術由于其超大帶寬、超高速率、布設方便、綠色健康的特點，在近幾年來得到迅猛發(fā)展，成為未來室內(nèi)無線通信及室外特定場景中一種極具潛力的通信解決方案[3-4]。VLC具備THz的通信帶寬，并且當今帶寬尚未授權，所以,VLC的下行速率可突破幾百兆bit/s，這種高速數(shù)據(jù)傳輸為將來6G、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)通信提供契機[5]，特別適用于小范圍內(nèi)的高效通信。VLC可以作為下行傳輸方式與WiFi[6]、蜂窩通信網(wǎng)絡、毫米波通信等組成異構通信網(wǎng)絡，進而提升數(shù)據(jù)通信的效率[7]。VLC技術已得到迅猛發(fā)展，但是由于單個接入點(access point,AP)可能為其覆蓋范圍內(nèi)的多個終端服務，單個終端可能接受來自多個AP 的視距光信號，這會導致相互干擾，故在組網(wǎng)時產(chǎn)生的同信道干擾(co-channel interference,CCI)或同頻干擾亟需得到解決，使得在滿足終端QoS的同時優(yōu)化網(wǎng)絡容量[8]。

目前，已有一些文獻開展降低或消除VLC中干擾的研究工作[9-15]。文獻[9]提出一種增進型的干擾消除算法，即一種基于降低終端誤比特率的閉環(huán)反饋式功率分配機制，從最終性能上看此算法能夠在滿足照明要求和干擾抑制的前提下最大程度降低功耗。文獻[10]提出一種用戶中心(user-centric，UC)的分組模式，根據(jù)終端與AP的相對位置，以最大化系統(tǒng)和速率為目的，動態(tài)地進行多用戶分組調(diào)度，其中采用貪婪算法將原來干擾處理的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為最大化加權匹配(maximum weighted matching，MWM)的子優(yōu)化問題。文獻[11]將用戶分組的思想用于基于NOMA(non orthogonal multiple access)的VLC網(wǎng)絡中，即根據(jù)終端之間的位置關系，AP將一些位于一個AP的覆蓋范圍或者若干個AP的交叉覆蓋范圍內(nèi)的終端分為一組，通過分配功率和負載調(diào)度的方式實現(xiàn)組內(nèi)的終端間的干擾抑制，實現(xiàn)了保證終端QoS前提下的速率最大化。文獻[12]采用協(xié)作波束賦形機制，多個AP共享信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI),以加權和均方誤差(weighted sum mean square error，WSMSE)優(yōu)化方法組合AP向終端協(xié)作傳輸信息。文獻[13]采用基于協(xié)作傳輸?shù)淖虞d波分配的干擾管理方式，提出基于圖論的BFM的子載波分配算法。文獻[14]采用基于OFDM的CoMP-JT(coordinated multipoint joint tran-smission)機制，協(xié)作傳輸?shù)脑瓌t是終端公平性。文獻[15]采用合作博弈方法，以優(yōu)化速率為博弈目標，不同AP自組織式地在時域或頻域組成集合實現(xiàn)干擾抑制，通過不斷迭代最終收斂得到最佳的合作狀態(tài)。

目前已有的針對VLC網(wǎng)絡的干擾管理算法的研究依然存在一些弊端。文獻[9]和文獻[11]是采用功率分配進行干擾抑制，能夠提升能效，但是沒有考慮頻譜效率。文獻[12]和文獻[15]僅僅在系統(tǒng)層次上實現(xiàn)了干擾抑制或干擾消除，而并沒有關注到終端通信滿意度和公平性。文獻[13]和文獻[14]雖然是以子載波分配和公平性為干擾管理的原則，但是卻忽視了網(wǎng)絡中終端的平均QoS與能效。文獻[9-10]和文獻[15]中這種動態(tài)的干擾管理算法，雖然干擾處理的效果較好，但是要達到收斂具有很大的計算量，會給下行鏈路帶來壓力。

針對以上分析和目前VLC中干擾管理算法存在的問題，本文提出一種兼顧QoS和公平性的協(xié)作子載波分配的干擾管理算法和基于改進注水法的3步優(yōu)化功率分配算法，本文主要貢獻如下。

將兼顧終端速率QoS與公平性的優(yōu)先級因子作為協(xié)作子載波分配的標準，即按照AP協(xié)作規(guī)則，每輪優(yōu)先級因子最大的終端獲得子載波。子載波分配過程中AP的發(fā)送功率是按照子載波數(shù)量均分的，為了充分利用AP的發(fā)送功率，以保證終端QoS為前提，加入公平性因子，對每個AP實施3步功率分配算法，達到避免由于終端所處位置引起的信道質(zhì)量差異影響，使得網(wǎng)絡能夠在保障終端基本公平性和QoS的同時最大化和速率的效果。通過仿真得到，本文相對于文獻[13-15]中的方法，在網(wǎng)絡終端平均QoS、公平性、頻譜效率和終端平均能效等性能上有明顯提升。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個VLC網(wǎng)絡中存在L個AP和K個終端，每個AP都有N個子載波可以分配，不同AP之間可能存在覆蓋范圍的交叉，即終端可能位于非交叉區(qū)域也可能位于s個AP的交叉覆蓋區(qū)域(2≤s≤L)。L=2和K=3的情況如圖1，終端u1和u3位于T1的覆蓋范圍，終端u2和u3位于T2的覆蓋范圍，u3位于T1和T2的交叉覆蓋區(qū)域。

圖1 2個AP和3個終端的VLC網(wǎng)絡模型Fig.1 VLC system model of two AP and three terminals

1)在T1向u1分配子載波n前提下，如果T2向u3同樣分配子載波n，那么u3會接收來自T1產(chǎn)生的干擾信號，但是T2可以向u2分配子載波n；

2)在T1向u3分配子載波n的前提下，T2向其覆蓋范圍內(nèi)除了u3外任意一個終端分配子載波n均會產(chǎn)生CCI，只有當T1和T2將子載波n均分配給u3時才不會產(chǎn)生CCI。

設定一個VLC通信網(wǎng)絡，第l個AP與第k終端間的LOS(line of sight)信道增益可以通過朗伯模型表示，其表達式為

(1)

(1)式中：A為接收光電檢測器的檢測面積；d為AP到終端的距離；ψ為發(fā)射角；ψ為接收角；m為朗伯輻射階數(shù)；ψc為光集中器視場角(FoV)；Tf(ψ)為濾光片增益；g(ψ)為光集中器增益。

2 兼顧QoS和公平性的協(xié)作子載波分配算法

采用AP協(xié)作的方式向終端分配子載波，即與交叉覆蓋范圍的終端相關的AP用相同的子載波向終端發(fā)送相同的信息，以此規(guī)避終端之間的干擾(假定終端接收協(xié)作AP的信號是同步的)。在整個VLC網(wǎng)絡中，在同一個時隙內(nèi)AP每次分配子載波，終端k在子載波n所屬的信道中的信干噪比為

(2)

(2)式中：β為終端光探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù);αl,k,n為信道連接指示系數(shù)，其含義如(3)式。終端k通過子載波n可得到的速率如(4)式。

因此，終端k通過已有子載波得到的速率為

(5)

進而得到網(wǎng)絡和速率R為

(6)

考慮到終端實際速率和公平性要求，設rk,th為終端能夠正常下載數(shù)據(jù)而不產(chǎn)生中斷的速率閾值(即最小可行通信速率)，εk為終端可達速率的相對比率，其含義表達式為

(7)

為了便于本文算法設計，將εk代表終端對速率的滿意度，并且定義其為終端k所獲得的QoS。

為了兼顧終端速率的QoS和公平性，提出子載波分配優(yōu)先級因子λk。

(8)

(8)式中，為終端k在前n個子載波上得到的平均速率。為了更好地保障子載波分配過程中存在由信道增益和終端位置引起較大速率差異情況下的相對公平性，表達式為

(9)

有(10)式規(guī)定

(10)

(10)式中：M為得到第1個子載波的終端數(shù)量。

為了在兼顧終端速率的QoS與公平性情況下，最大化系統(tǒng)和速率，每次為優(yōu)先級因子最大的終端分配子載波，如(11)式

(11)

(11a)

(11b)

(11a)—(11b)式表示每個AP分配給終端的子載波數(shù)量不能超過其子載波總數(shù)，以及AP給每個子載波信道上的功率是按子載波總數(shù)均分的(此階段參照文獻[13]中的功率分配方式)。其中，P為每個AP的額定發(fā)送功率；N為每個AP具有的子載波總數(shù)。規(guī)定子載波分配時每個AP的每個子載波只能分配給1個終端，但是每個終端可以同時接收多個子載波。

將AP和終端作為點，分別記為集合Vl和Vk，AP為終端分配的子載波即建立的信道作為邊，設dk為終端k的自由度，只有當dk>0時終端才能接受光發(fā)送器分配的子載波。算法(未功率分配算法)具體實現(xiàn)過程如下。

步驟1初始化Vl和Vk中的點隨機分布、dk和εk(所有光發(fā)送器的光輻射半徑相等，假設每個信道的發(fā)送功率為P/N)；

步驟2對每一個子載波，若n≠1，恢復所有已刪除的邊；

步驟3統(tǒng)計每個AP剩余子載波數(shù)量、每個終端得到子載波數(shù)量和速率。

3 最優(yōu)功率分配

在前面兼顧公平性和QoS的協(xié)作子載波分配過程中，每個AP的發(fā)送功率是按其所發(fā)送子載波數(shù)量均分的，子載波分配完成之后，終端的QoS會存在2種情況：①某些終端的下載速率已經(jīng)達到甚至超過其速率閾值；②有些終端的速率仍然低于其閾值，即QoS沒有達到通信需求。為了使網(wǎng)絡中更多終端能達到其QoS需求而不會產(chǎn)生通信中斷，需要在前期功率均分的基礎上對每個AP的功率進行精準分配，使網(wǎng)絡兼顧終端的QoS和公平性同時達到和速率最大化，提升網(wǎng)絡能效。

每個AP的功率分為滿足LED正常照明的最低功率Pmin和用于信息傳輸?shù)陌l(fā)送功率P，此部分的最優(yōu)功率分配是在保證每個AP具備正常照明的最低功率前提下處理其通信功率，即有效功率，并且功率分配之后的能效是按有效通信功率計算的，故在以下算法中不再考慮照明功率。本文的功率分配包括3步：收集富余功率、補齊差額功率與優(yōu)化剩余功率分配。

3.1 收集富余功率

首先，將每個終端在子載波分配后的下行速率與各自的速率閾值比較，得到速率差值，如(12)式。對于實際速率超過閾值的終端，將其超過閾值的速率轉(zhuǎn)換為對應其覆蓋的不同AP的功率收集起來，如(13)式

Δrk=εkrk,th=

(12)

其中，子載波n上的速率增量為

(13)

(14)

(13)式中，Δpl,k,n為l在子載波n上向終端k截取的富余發(fā)送功率，并且由于在子載波分配之后是協(xié)作傳輸，故不存在干擾。

為了便于分析，將(13)式轉(zhuǎn)換為

(15)

(15a)

為了便于計算每個AP在各個子載波上的富余功率，將(15)式轉(zhuǎn)換為線性表達式，即向量形式為

(16)

(16)式中：Lk為向終端k協(xié)作傳輸?shù)腁P的數(shù)量；等式左邊的第1個因子為Lk維行向量；第2個因子為Lk維列向量。由(16)式可以求得終端在子載波n上各個AP的富余功率。

在保證終端QoS與公平性的前提下，盡可能多地從每個終端獲取更多的富余功率，此優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為

(17)

(17a)

0≤αl,k,nΔpl,k,n≤αl,k,npl,k,n

(17b)

當信道增益越小的信道，截取的富余功率越多、信道增益越大的信道截取的富余功率越少時，AP收回的功率越多。每個AP收集的富余功率為

(18)

具體的實現(xiàn)過程如下。

步驟1確定截取功率步長μ，即每次在AP中截取的功率以及[0，P/N]；

步驟4找出下一個Δrk>0的終端，轉(zhuǎn)至步驟3，直到所有速率超過閾值的終端的相應AP的富余功率抽取完畢；

步驟5計算出每個AP中截取的功率為

3.2 補齊差額功率

由于在經(jīng)過協(xié)作子載波分配時，為了避免干擾，有些AP的子載波沒有分配出去，現(xiàn)在統(tǒng)計每個AP已經(jīng)分配的子載波數(shù)量，記為Nl。這樣可以計算得到各個子載波可能因為子載波沒有完全分配所剩余的功率，記為pl,s。

(19)

此時每個AP總共具有的剩余發(fā)送功率為

pl,rest=pl,s+Δpl

(20)

具有富余功率的AP向其對應覆蓋范圍內(nèi)未達到通信QoS需求的終端分配功率，對于速率低于閾值的終端，Δrk,n<0，則終端需要的補足功率分配情況如(21)式，并且進一步轉(zhuǎn)換為(23)式，Δ1pl,k,n為APl在子載波n需向終端k補足的發(fā)送功率。

(21)

(22)

(23)

(23a)

同理，為了便于分析與計算，將(23)式轉(zhuǎn)換為向量表達式為

(24)

(24)式中：等式的左邊的第1個因子為Lk維行向量；第2個因子為Lk維列向量。

在使更多終端達到QoS與公平性需求的前提下，要求所有AP的總補充功率最小，使信道增益越大的信道補充分配的功率越多，信道增益越小的信道補充分配的功率越少。

(25)

(25a)

0≤αl,k,nΔ1pl,k,n≤pl,rest

(25b)

(25c)

通過前面對AP富余功率的截取和AP對終端進行功率補足之后，計算出每個AP的結余功率為

(26)

具體的實現(xiàn)過程如下。

步驟1確定補充功率步長μ1，即每次在AP中補充的功率，以及信道補充功率[0，pl,rest]；

步驟4找出下一個Δrk<0的終端轉(zhuǎn)至步驟3，直至所有速率低于閾值的終端相應的信道功率補充完畢；

步驟5計算出每個AP剩余的發(fā)送功率為

3.3 優(yōu)化剩余功率分配

經(jīng)過前面的富余功率回收與差額功率補足之后終端的QoS已經(jīng)最大程度得到保證，但還有一部分剩余功率，為了充分利用剩余功率即用于整個網(wǎng)絡和速率的最大化，同時不會使終端間公平性惡化，現(xiàn)在將剩余功率進行最優(yōu)化分配。

首先給出網(wǎng)絡期望的公平性取值FE與可容忍的誤差fe，并且計算出每個AP與相應終端之間的信道增益比為

(27)

更新各個AP覆蓋范圍內(nèi)終端的實際速率rk和平均速率rl,mean，進而計算出每個終端分得功率的公平性因子τl,k

(28)

由于功率分配必須考慮網(wǎng)絡公平性，在所有AP新一輪分配功率之前，先檢查得到的網(wǎng)絡公平度是否在期望值的誤差之內(nèi)，即為

|F-FE|≤fe

(29)

(29)式中，其中網(wǎng)絡公平性F由(35)式得到。

若網(wǎng)絡公平度達到要求，則直接按線性比例將剩余功率分配，即(pl>0)

Δ2pl,k=Gl,kpl

(30)

否則，按照每個AP包含的信道增益大小降序原則，每次為每個終端分配功率的規(guī)則為

Δ2pl,k=Gl,kτl,kpl

(31)

每個AP為每個終端分配功率之后要進行剩余功率更新，并且檢驗剩余功率是否大于0，若是，準備繼續(xù)分配，否則該AP的功率分配完畢。功率更新方式為

pl=pl-Δ2pl,k

(32)

最終每個AP在每個子載波上向每個終端分配的功率為

(33)

(33)式中，rl,k為APl分配給終端k的子載波數(shù)量。

上述具體的功率分配實現(xiàn)過程如下。

步驟1初始化每個終端的速率rk、每個AP覆蓋范圍內(nèi)終端平均速率rl,mean、每個AP為相應終端分配的功率Δ2pl,k(均為0)以及每個AP的剩余功率pl，依次計算出每個AP與其覆蓋范圍內(nèi)每個終端之間的信道增益比Gl,k(假設信道增益不變)，確定網(wǎng)絡期望的公平性取值FE與可容忍的誤差fe；

步驟2對每個AP，當pl>0，若|F-FE|≤fe，Δ2pl,k=Gl,kpl。否則，進入步驟3；

步驟4更新每個終端的速率rk和每個AP覆蓋范圍內(nèi)終端平均速率rl,mean，l=l+1，返回步驟2；

步驟5所有AP逐個將剩余功率分配給對應覆蓋范圍內(nèi)具有信道的終端，計算得到pl,k,avg。

4 仿真分析

在典型的5 m×5 m×3 m室內(nèi)VLC場景，網(wǎng)絡中有20個隨機分布的終端，9個AP是固定不動的，它們發(fā)出光的覆蓋半徑為1.35 m，所有的終端都處于0.85 m的高度。為了便于本文方案與文獻[13-15]進行性能比較，其他仿真參數(shù)設置如表1。

表1 主要仿真參數(shù)列表

整個VLC網(wǎng)絡的平均終端QoS可以表示為

(34)

本文考慮終端速率比例公平性，設整個網(wǎng)絡的平均終端公平度為F，其表達式為

(35)

設Pe為整個VLC網(wǎng)絡中所有AP消耗的總有效功率，整個VLC網(wǎng)絡的能效χ為

(36)

為了使用香農(nóng)公式計算容量，本文仿真在IM/DD(intensity modulated/direct detection)可見光通信系統(tǒng)中使用ACO-OFDM(antisymmetric clipped optic- al-orthogonal frequency division multiplexing)的信號調(diào)制方法[16-17]。

為了驗證本文算法在網(wǎng)絡頻譜效率和能效上的提升，仿真得出不同干擾管理方案下網(wǎng)絡頻譜效率與終端數(shù)量的關系曲線(如圖2)以及不同干擾管理方案下網(wǎng)絡平均能效與終端數(shù)量的關系(如圖3)。從圖2和圖3可以看出，隨著網(wǎng)絡中終端數(shù)量變化，本文方案得到的頻譜效率明顯比文獻[13-14]以及沒有經(jīng)過3步優(yōu)化功率分配的算法(未功率分配算法)大。這主要是因為本文方案中，首先通過有效的協(xié)作子載波消除了終端間干擾，所以網(wǎng)絡和速率提升，進而通過精準的最優(yōu)化功率分配，有效解決了文獻[13]和文獻[14]中的功率浪費問題，并且相比未功率分配算法中僅進行子載波分配，使得所有AP的發(fā)送功率被充分利用，進而網(wǎng)絡的頻譜效率和能效有了很大提升。圖2、圖3很好地說明了本文的功率分配算法對于干擾管理產(chǎn)生的網(wǎng)絡性能起著極大的鞏固和提升作用。

圖2 不同干擾管理方案下網(wǎng)絡頻譜效率與終端數(shù)量的關系Fig.2 Relation betweenspectrum efficiency andterminal number in different interferencemanagement schemes

圖3 不同干擾管理方案下網(wǎng)絡平均能效與終端數(shù)量的關系Fig.3 Relation between averagepower efficiency andterminal number in different interferencemanagement schemes

圖4為不同干擾管理算法下網(wǎng)絡平均QoS與終端數(shù)量的關系曲線。從圖4中可以看出，通過本文方案得到的網(wǎng)絡平均QoS相比文獻[13-14]以及未采取功率分配算法具有明顯優(yōu)勢。首先，本文采取的協(xié)作子載波分配算法是基于終端QoS實施的，所以能夠基本保障由干擾消除產(chǎn)生的QoS效果，再加上通過進一步的最優(yōu)化功率分配，使得每一個AP的發(fā)送功率得到充分利用，因此，終端獲得更大的下行速率和QoS，最終網(wǎng)絡平均QoS能夠極大提升。這表明進行功率分配之后終端會有更好的通信體驗，換言之，優(yōu)化功率分配能夠在保障終端實現(xiàn)正常通信的基礎上增強終端的通信體驗。另外，從圖4中可以看出，隨著網(wǎng)絡中終端數(shù)量的增加，網(wǎng)絡平均QoS呈現(xiàn)遞減的趨勢，這是由于在一個帶寬和頻譜資源受限的VLC網(wǎng)絡中，終端數(shù)量增加整體上會導致每個終端分得的資源減少，因此，終端得到的下行速率會降低，進而網(wǎng)絡平均QoS會呈現(xiàn)降低趨勢。

圖4 不同干擾管理方案下網(wǎng)絡平均QoS與終端數(shù)量的關系Fig.4 Relation between average QoS and terminal numberin different interference management schemes

圖5仿真得到不同干擾管理方案下網(wǎng)絡公平性與終端數(shù)量的關系曲線。從圖5中可以看出，本文方案得到的網(wǎng)絡公平性在大小和穩(wěn)定性方面相比文獻[13-14]方案具有明顯的優(yōu)勢，這是因為本文方案中協(xié)作子載波分配方案就是基于終端的速率公平性實現(xiàn)干擾消除的，之后的精準最優(yōu)化功率分配算法在最大化網(wǎng)絡和速率的同時也考慮到公平性，所以網(wǎng)絡能在優(yōu)化公平性的前提下增大終端下行速率。然而本文經(jīng)過功率分配之后相比只進行子載波分配的算法(未功率分配算法)產(chǎn)生的網(wǎng)絡公平性略微較低，這主要是由于雖然精準功率分配加入公平性因子，但是基本原則是基于信道增益的線性分配，所以當信道增益的影響力強于公平性影響因子時，某些質(zhì)量較差的信道會分得很少的功率，進而導致相應終端的速率相對較低，這樣也就對網(wǎng)絡公平性帶來不利影響。另外，從圖5中可以看出，在終端數(shù)量取某值時，得到的網(wǎng)絡公平性相比其他點會出現(xiàn)略微波動，這是由于當增加的終端所處信道質(zhì)量與其他終端的信道質(zhì)量相差較小，所以網(wǎng)絡終端的速率差距較小，因此網(wǎng)絡公平性升高；但是當增加的終端所處信道質(zhì)量較差時，其得到的速率相比其他終端會更小，這會拉低網(wǎng)絡公平性，因此，網(wǎng)絡公平性會受到終端位置的影響。

圖5 不同干擾管理方案下終端公平性與終端數(shù)量的關系Fig.5 Relation betweenterminal fairness and terminalnumber in different interference management schemes

圖6和圖7分別給出不同干擾管理方案下網(wǎng)絡頻譜效率與每個AP擁有子載波數(shù)量關系曲線以及網(wǎng)絡平均能效與每個AP擁有子載波數(shù)量關系曲線。從圖6中可以看出，隨著AP的子載波數(shù)量增多(仿真時取對數(shù)，并且每個AP的子載波數(shù)量相等)，在終端數(shù)量不變的前提下，網(wǎng)絡的頻譜效率逐漸降低，但是采用本文方案相比其他3種仍然具有優(yōu)勢，這是由于隨著子載波數(shù)量增多，消耗的帶寬增多，但是信道增益不變，所以速率的增長趕不上帶寬消耗的增加，這就導致頻譜效率降低。然而由于本文方案經(jīng)過精準的功率分配，所以對功率更有效的利用會使速率增加更大，因此本文方案得到的網(wǎng)絡頻譜效率更高。從圖7看出，隨著子載波數(shù)量增多，網(wǎng)絡平均能效會呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，同樣通過本文方案產(chǎn)生的網(wǎng)絡平均能效相比其他方案大很多，這是由于AP的發(fā)送功率不變，隨著子載波數(shù)量增多，信道傳輸?shù)男畔⒘吭龆?，終端的下載速率會增大，因而網(wǎng)絡能效會增大，并且本文方案經(jīng)過精準的功率分配之后，功率利用更加充分，能效會更大。

圖6 不同干擾管理方案下網(wǎng)絡頻譜效率與每個AP擁有子載波數(shù)量的關系Fig.6 Relation betweenspectrum efficiency andsubcarrier number of every AP in differentinterference management schemes

圖7 不同干擾管理方案下網(wǎng)絡平均能效與每個AP擁有子載波數(shù)量的關系Fig.7 Relation betweenpower efficiency andsubcarrier number of every AP in differentinterference management schemes

圖8給出不同干擾管理方案下網(wǎng)絡平均QoS與每個AP擁有子載波數(shù)量的關系曲線?？梢钥闯?，隨著子載波數(shù)量的增多，網(wǎng)絡平均QoS相應增大，這是由于當AP的子載波數(shù)量增多時，發(fā)送的信息量會增加，相同數(shù)量的終端會得到更大的數(shù)據(jù)量，在終端速率閾值不變的前提下，終端的QoS也就會相應提升。并且本文方案產(chǎn)生的網(wǎng)絡平均QoS相比文獻[13-14]以及未經(jīng)過最優(yōu)化功率分配的算法明顯大很多，這主要是因為本文結合基于QoS的子載波分配算法與精準功率分配算法后，終端速率會更加增大，故相應QoS會更大。另外，可以注意到當每個AP擁有16個子載波時，網(wǎng)絡平均QoS均小于0，說明存在終端未能正常通信的情況，這是由于AP的子載波數(shù)量太少，使得有些終端由于所處位置導致不滿足協(xié)作條件(不在交叉覆蓋區(qū)域)或信道增益較差的原因不能得到足夠的數(shù)據(jù)量，因此下載速率達不到能夠正常通信的最低速率閾值，故QoS會小于0，但是隨著子載波數(shù)量增多，終端下載速率增大，網(wǎng)絡平均QoS逐漸增大。

圖8 不同干擾管理方案下平均QoS與每個AP擁有子載波數(shù)量的關系Fig.8 Relation betweenaverage QoS and subcarriernumber of every AP in different interferencemanagement schemes

為了分析AP中LED的光集中器視場角(FoV)對網(wǎng)絡頻譜效率的影響，仿真參數(shù)全部設置與[15]中一致，得到不同干擾管理方案下網(wǎng)絡頻譜效率與FoV的關系曲線，如圖9?？梢钥闯?，文獻[13]中的干擾管理方法對于AP的FoV的變化十分敏感，隨著FoV不斷增大，網(wǎng)絡頻譜效率會變小。然而本文的干擾管理方案隨著AP的FoV的變化，網(wǎng)絡頻譜效率不僅變化狀態(tài)更加平穩(wěn)，并且當FoV大于45度時，本文方案占有明顯優(yōu)勢，這是因為當FoV增大時，邊緣區(qū)域的終端會減少，在交叉覆蓋區(qū)域的終端會增多，所以在本文干擾管理方案下，終端通信時的信道會增多，所以速率會增大，故網(wǎng)絡頻譜效率更高。但是，交叉覆蓋區(qū)域的終端數(shù)量增多，但是分得的子載波數(shù)量不會增加太多，所以頻譜效率比較平穩(wěn)。

通過仿真結果可以看出，本文提出的方案有效提高了整個網(wǎng)絡性能，由于本文方案是基于功率受限的，即發(fā)送功率不得超過額定功率，根據(jù)性能優(yōu)化需求，結合優(yōu)化子載波分配和功率分配機制，充分利用帶寬與功率分配資源，所以相對于其他資源分配和多用戶接入機制能產(chǎn)生更好的性能。但是由于本文是將子載波分配與功率分配分開先后進行，這會導致稍微更大的計算量。

圖9 不同干擾管理方案下網(wǎng)絡頻譜效率與FoV的關系Fig.9 Relation betweenspectrum efficiencyandFoV in different interference management schemes

5 結 論

VLC作為一種極具潛力的通信方式有著極大的應用前景，為了提升室內(nèi)VLC網(wǎng)絡的性能，高效的干擾管理機制是必需的。本文提出一種兼顧QoS和公平性的協(xié)作子載波分配的干擾管理算法，可以有效消除CCI，使一部分終端的速率達到其正常通信的閾值并且保證了終端速率公平性；為了充分利用每個AP的發(fā)送功率，提出了基于改進注水思想的3步優(yōu)化功率分配算法，使更多終端達到其相應的QoS要求，在兼顧公平性同時最大化網(wǎng)絡和速率。通過仿真數(shù)據(jù)可以看出，本文方案在網(wǎng)絡頻譜效率、能效、公平性和平均終端QoS的性能上有著明顯優(yōu)勢，尤其是最優(yōu)化功率分配方案對于干擾管理之后的性能提升具有重要影響。另外，本文僅涉及到終端能夠正常下載數(shù)據(jù)而不產(chǎn)生中斷的速率、網(wǎng)絡期望的公平性取值等參數(shù)，下一步將對其進行大數(shù)據(jù)客觀分析，同時還需要搭建系統(tǒng)進行實測。