一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法与流程

1.本发明应用于可见光信号传输技术领域，特别涉及一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法。


背景技术：

2.目前，计量系统内部通信流量不断增加，计量站点内部局域网络通信日益成为重点服务区域。现有的毫米波、小小区等覆盖增强技术虽然可用于提升站内局部网络的服务质量，但它们都具有较高的复杂度和昂贵的实现成本，不适用于电能计量系统这样对可靠性有较高要求的应用场景。可见光通信技术具有可利用带宽大、传输数据快、安全性高、抗电磁干扰以及不同区域用户间无干扰等优点，在改善计量站点站内通信质量方面具有独特优势，但可见光容易被障碍物所阻挡，容易造成通信不畅。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法，通过室内可见光辅助中继传输的方式，能够解决突发情况下计量自动化系统通信链路易被阻塞问题，且可以通过优化算法对源端和中继端的功率进行优化分配以优化系统性能。
4.本发明的一方面，提供一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法，其至少包括如下步骤：
5.步骤101，分析计量站点室内可见光通信链路，确定计量站点室内节点数量、位置以及障碍物高度信息，获得室内可见光通信链路的分析结果；
6.步骤102，根据室内可见光通信链路的分析结果，在室内天花板上均匀设置用于进行可见光通信的光源，将其中一部分确定为源端，另一部分确定为中继端，并对相邻源端与中继端之间的距离以及每一光源的发射角度进行约束；并确定各源端及中继端至相应节点之间的直射链路，以及中继端至相应节点之间的转发链路；
7.步骤103，各源端及中继端采用直射链路与相应节点之间进行通信；当源端到节点的直射链路被遮挡时，利用中继终端接收来自源端的信号并通过转发链路转发给被遮挡节点。
8.优选地，在所述步骤s102中，所述并对相邻源端与中继端之间的距离以及每一光源的发射角度进行约束的步骤进一步包括：
9.选择一个光源作为源端，选择距离该源端最近的另一个光源作为中继端，为保证中继端能够和与所述源端进行直射链路通信的节点进行通信，采用下式(5)计算所述源端与中继端之间的间距d1：
[0010][0011]
通过下式(6)计算出顶灯最小的照射角度
[0012][0013]
其中，h为室内高度，hd为所述节点的水平高度，r0为障碍物与所述节点的距离，h为障碍物的高度。
[0014]
优选地，所述步骤103中，所述当源端到节点的直射链路被遮挡时，利用中继终端接收来自源端的信号并通过转发链路转发给被遮挡节点的步骤进一步包括：
[0015]
在第1时隙，源端对源信号采用直流偏置光正交频分复用调制方式进行调制，并广播发送到相应的中继端；
[0016]
在第2时隙，源端保持沉默，中继端采用非对称削波直流偏置光正交频分复用调制方式，将来自于源端的信号与自身需要发送的信号进行复用，并采用中继链路发送到被遮挡节点，同时采用直射链路发送给其对应的节点上。
[0017]
优选地，在第2时隙中，所述中继端将来自源端的信号调制到复合信号的奇数载波上，将自身需要发送的信号调制到复合信号的偶数载波上。
[0018]
优选地，进一步包括：
[0019]
步骤104，当系统发生链路阻塞时，通过改进的遗传算法对中继端的中继传输的奇偶载波信号进行功率分配，获得最优的奇数载波和偶数载波的功率分配系数，并根据所述功率分配系数分别传送所述复合信号，以使得系统整体误码率达到最小值。
[0020]
优选地，所述步骤s104中，通过改进的遗传算法对中继端的中继传输的奇偶载波信号进行功率分配的步骤进一步包括：
[0021]
将中继的传输功率分为两部分，预设奇数载波和偶数载波的功率分配系数，计算获得奇偶载波信号的平均误码率，从而获得中继传输信号的平均误码率；
[0022]
利用遗传算法求解优化功率分配，根据误码率最小的优化目标，将遗传算法适应度函数定义为中所述继传输信号的平均误码率的倒数，以使得具有较低的中继传输信号的平均误码率的染色体将得到更高的适应度值；
[0023]
进行种群的多次迭代，在判断达到固定的迭代次数或最高适应度已达到平稳期，获得最优的奇数载波和偶数载波的功率分配系数。
[0024]
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0025]
本发明提供一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法。可以提升计量系统对链路阻塞等通信受阻情况的应对能力。本发明通过分析计量主站站内可见光通信存在链路阻塞时，室内光源在屋顶的位置约束关系，通过利用站内可用光源(顶灯、应急灯等)作为信号光源和中继，采用非对称削波直流偏置光正交频分复用实现辅助中继的信号复用，保证了遮挡信号中继传输的同时，保持与其目的终端之间的通信。
[0026]
在本发明实施例中，同时利用遗传算法对源端和中继端的功率进行优化分配以优化系统性能，可以进一步提高计量主站站内可见光通信辅助中继方法的通信效率。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其它的附图。
[0028]
图1为本发明提供的一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法的一个实施例的主流程示意图；
[0029]
图2为本发明涉及的源端(中继端)的覆盖范围示意图；
[0030]
图3为图2中被障碍物遮挡的示意图；
[0031]
图4为本发明中源端与中继端之间确定距离及照射角度的原理示意图；
[0032]
图5为本发明涉及的源端与中继端的信号传输的示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
如图1所示，示出了本发明提供的一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法的一个实施例的主流程示意图。一并结合图2至图5所示，在本实施例中，所述方法至少包括如下步骤：
[0035]
步骤101，分析计量站点室内可见光通信链路，确定计量站点室内节点数量、位置以及障碍物高度信息，获得室内可见光通信链路的分析结果；
[0036]
由于光源辐射遵循朗伯辐射，为了满足室内光照的条件，可见光通信的发射光源要对发射角度进行约束。请参照图2所示，其中，h表示房屋的高度；s表示位于屋顶的一个简化光源；d表示接收器，位于具有特定高度为hd的水平平面上；φ表示信号源s发送信号的发射角度，在接收平面上对应的通信范围以rc为半径的圆面。当遮挡物体的高度为h，接收器距离遮挡物体的最小距离为r0时，为了避免遮挡信号源端发送信号的最大发射角度为φ
′
，同时对应的覆盖半径为r。
[0037]
由于物体的移动，通信链路易被遮挡，光源覆盖范围被遮挡的示意图如图3所示。为了使信号可以直接从源端发送到终端，信号源端发送信号的最大发射角度φ
′
应满足:
[0038][0039]
光源覆盖可分成两部分：一部分通信链路被遮挡，如图3中阴影区域所示。当接收器在该区域中时，无法收到光源发射的信号，需要利用中继实现对信号的转发来保证通信。其中源端发射角度为φ时，整个光源覆盖范围的半径为:
[0040]
rc＝(h-hd)tanφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0041]
另一部分为通信链路未被遮挡区域，如图3中白色区域所示，其半径为
[0042]
r＝(h-hd)tanφ
′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0043]
步骤102，根据室内可见光通信链路的分析结果，在室内天花板上均匀设置用于进行可见光通信的光源，将其中一部分确定为源端，另一部分确定为中继端，并对相邻源端与中继端之间的距离以及每一光源的发射角度进行约束；并确定各源端及中继端至相应节点之间的直射链路，以及中继端至相应节点之间的转发链路；
[0044]
可见光具有覆盖范围有限、链路易被遮挡等特点，广泛应用于室内短距离通信。本发明依据ieee标准的办公室场景设计光源布局。办公室可见光通信小区房屋的经典尺寸为5m
×
5m
×
3m，该场景内主要包括用户、办公桌以及天花板灯3部分，其中光源(包括中继)均匀地排列在天花板上，光源间的间距为d1。为满足室内照明及通信的范围，需要对光源间的距离及光源的最大发射角度进行约束。本发明提出利用顶灯作为辅助中继对信号的转发，可选择一个顶灯(光源)作为源端，选择距离该顶灯最近的一个顶灯作为中继端，分别记为s和r，提出的辅助中继系统模型如图4所示。
[0045]
为保证中继端能够和节点1(d1)进行通信，其最大覆盖范围至少应与光源无阻塞覆盖范围相切，根据图4中的几何关系，可得光源整个覆盖范围半径rc的表达式为：
[0046]
rc＝(2
1/2
+1)r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
其中，r为无阻塞通信覆盖范围半径。并结合式(1)～(4)推导出两灯的间距d1为：
[0048][0049]
结合式(3)和式(4)，可以计算出顶灯最小的照射角度
[0050][0051]
其中，h为室内高度，hd为所述节点的水平高度，r0为障碍物与所述节点的距离，h为障碍物的高度。
[0052]
对于一个5m
×
5m
×
3m的办公室，当h＝1.8m,hd＝0.7m,r0＝0.5m时，由上述公式计算得，光源无阻塞通信的最大发射角为24
°
，对应的通信覆盖范围的半径为1.02m。
[0053]
当满足图4所示的位置关系时，两个光源的间距为3.49m，两个光源的最小发射角度为48
°
，因此辅助中继系统应设置灯源为(2,2)阵列,当遮挡物的高度分别为1.8m、1.5m时，根据公式可算出两个光源的间距d1分别为3.49m、2.61m，两个光源的最小发射角度(半功率角)分别为48
°
、56.5
°
。
[0054]
步骤103，各源端及中继端采用直射链路与相应节点之间进行通信；当源端到节点的直射链路被遮挡时，利用中继终端接收来自源端的信号并通过转发链路转发给被遮挡节点。
[0055]
室内可见光通信中继辅助系统模型如图5所示。节点1(d1)和节点2(d2)是终端节点，节点1与源端进行通信，节点2与中继端进行通信。当不存在遮挡时，光源和中继分别与自己的目的终端进行数据传送。当源端到节点1的直射链路被遮挡时，利用中继终端收到来自源端的信号，并通过使用半双工正交协作协议将其转发到节点1。
[0056]
更具体地，所述步骤103中，在所述当源端到节点的直射链路被遮挡时，利用中继终端接收来自源端的信号并通过转发链路转发给被遮挡节点的步骤中，传输过程中需要广播和中继两个阶段分别由两个独立的时隙完成。
[0057]
在第1时隙内为广播阶段，源端对源信号采用直流偏置光正交频分复用调制方式进行调制，并广播发送到相应的中继端；源端采用直流偏置光正交频分复用调制方式将源信号发送到中继端和节点1，此时节点1由于遮挡无法收到来自源端的信号；
[0058]
在第2时隙，源端保持沉默，中继端采用非对称削波直流偏置光正交频分复用调制方式，将来自于源端的信号与自身需要发送的信号进行复用，并采用中继链路发送到被遮
挡节点，同时采用直射链路发送给其对应的节点上。此时，所述中继端将来自源端的信号调制到复合信号的奇数载波上，将自身需要发送的信号调制到复合信号的偶数载波上。
[0059]
可以理解的是，正交频分复用由于具有高带宽效率，较强的抗干扰能力和抗衰落能力，以及较高的传输速率等优点。在可见光通信中，传输的信号必须是非负的实值信号，需要将信号进行一定的变换，以适用系统。非对称削波直流偏置光正交频分复用结合了非对称限幅光正交频分复用和直流偏置光正交频分复用的优点，在奇数载波采用非对称限幅光正交频分复用调制，在偶数载波上利用直流偏置光正交频分复用调制，具有比非对称限幅光正交频分复用系统更高的带宽利用率和比直流偏置光正交频分复用系统更高功率的利用率。
[0060]
步骤104，当系统发生链路阻塞时，通过改进的遗传算法对中继端的中继传输的奇偶载波信号进行功率分配，获得最优的奇数载波和偶数载波的功率分配系数，并根据所述功率分配系数分别传送所述复合信号，以使得系统整体误码率达到最小值。
[0061]
优选地，所述步骤s104中，通过改进的遗传算法对中继端的中继传输的奇偶载波信号进行功率分配的步骤进一步包括：
[0062]
步骤s501，将中继的传输功率分为两部分，预设奇数载波和偶数载波的功率分配系数，计算获得奇偶载波信号的平均误码率，从而获得中继传输信号的平均误码率；
[0063]
具体地，第1时隙中继收到的来自于光源的信号：y
sr
(t)＝x
dco
(t)h
sr
(t)h
sr
+v
sr
(t)，其中h
sr
(t)表示sr之间的信道脉冲响应，h
sr
表示sr之间的信道增益，v
sr
(t)表示加性高斯白噪声，并服从均值为0、方差为的高斯分布。设源端和中继之间的总的电功率为2e，源端的功率分配系数为ks，在源端处的功率为2eks，中继端功率为2e(1-ks)。中继接收到信号的信噪比ρ
sr
为：
[0064][0065]
对于采用正交幅度调制(mqam)，中继端接收到的信号的误码率β
sr
为:
[0066][0067]
其中，m为调制指数，(1/2)lbm为每条载波上的数据位数。
[0068]
辅助中继采用非对称削波直流偏置光正交频分复用方式对信号进行调制、转发，假设系统采用n点傅里叶变换，收到的转发信号调制到奇数载波上，此时需要转发的信号为：x
aco
＝[x
aco，1
，x
aco，2
，...，x
aco，n/2-1
]；中继本身需发送的信号被调制到偶数载波上，需要转发的信号为：x
dco
＝[x
dco，1
，x
dco，2
，...，x
dco，n/2-2
]；最终中继端发送的信号：x＝[x
aco，1
，x
dco，1
，x
aco，2
，x
dco，2
，
…
，x
aco，n/2-1
，x
dco，n/2-2
]进行厄米尔对称后的发送信号：
[0069]
对中继传输的奇偶载波信号进行功率分配，将中继的传输功率分为两部分。设用于奇数载波的功率分配系数为kr，即分配给用于传输奇数载波上信号的功率e
r，dco
＝(1-ks)2ekr，经过中继转发的信号到节点1的接收信号：y
rd1
(t)＝grx
aco
(t)h
rd1
(t)h
rd1
+v
rd1
(t)，其
中，gr表示电域中的中继终端处的缩放因子：
[0070][0071]
x
aco
(t)表示收到的转发信号调制到奇数载波响应，h
rd1
(t)表示rd1之间的信道脉冲响应，h
rd1
表示rd1之间的信道增益，v
rd1
(t)表示加性高斯白噪声。
[0072]
节点2接收的信号：y
rd2
(t)＝grx
aco
(t)h
rd2
(t)h
rd2
+v
rd2
(t)，根据式(7)和式(9)，可得出接收到信号的信噪比分别为ρ
r，aco
和ρ
r，dco
，即
[0073][0074][0075]
由式(8)可以得出奇数载波以及偶数载波信号的平均误码率为：
[0076][0077][0078]
在单载波条件下mqam调制的平均误码率可表示为：
[0079][0080]
其中，pb(k)为第k位的误码率。
[0081]
在mqam调制方案中将串行数据序列转换为(1/2)lbm位数据，其中，第k位错误概率可以表示为pe(k)。本发明辅助中继采用非对称削波直流偏置光正交频分复用方式对信号进行调制、转发，假设系统采用n点傅里叶变换，收到的转发信号调制到奇数载波上，记为x
aco
；r本身需发送的信号被调制到偶数载波上，记为x
dco
；r最终需发送的组合信号为x。由于采用正交幅度调制，因此，每条载波上的数据位数为(1/2)lbm，进行厄米尔对称后的传输信号为x
ado
，该传输信号所占载波数为n，其中有效信号所占载波为n/2-1。当采用不同阶数的正交幅度调制的情况下，奇数载波所占载波数为n/4，传输的码元个数为：
[0082][0083]
偶数载波除零载波外，有效信号位所占载波数为：n/4-1，传输的码元个数为：
[0084]
[0085]
因此，传输的总数据为：
[0086][0087]
已知奇偶载波信号的平均误码率分别为β
r,aco
和β
r,dco
，则信号的总体误码个数为：
[0088][0089]
因此，信号平均误码率为：
[0090][0091]
步骤s502，利用遗传算法求解优化功率分配，根据误码率最小的优化目标，将遗传算法适应度函数定义为中所述继传输信号的平均误码率的倒数，以使得具有较低的中继传输信号的平均误码率的染色体将得到更高的适应度值；
[0092]
在本发明实施例中，利用遗传算法求解优化功率分配，根据误码率最小的优化目标，将遗传算法适应度函数定义为β
r,ado
的倒数，以使得具有较低的β
r,ado
的染色体将得到更高的适应度值：
[0093][0094]
步骤s503，进行种群的多次迭代，在判断达到固定的迭代次数或最高适应度已达到平稳期，获得最优的奇数载波和偶数载波的功率分配系数。
[0095]
进化过程完成即可获得最佳的功率分配系数，得到最小的误码率。在一个个例子中，优化算法步骤如下：
[0096]
①
将种群中的个体编码为二进制编码，并且每个个体对应的十进制数应属于变量空间{k0,k1,k2,
…
,k
m-1
,km}；
[0097]
②
选择遗传运算所需要的参数：种群规模s、量化参数m、交叉概率p
cross
、突变概率p
mutation
和迭代次数；
[0098]
交叉可以增加算法的搜索范围，但是随着适应度逐渐升高，以及迭代次数逐渐增加，算法逐渐靠近最优解，不需要扩大太多搜索范围，即交叉概率需要逐渐减小，所以本发明中的交叉概率定义方式为式(20)-(22)。
[0099][0100]
p
cross,l
＝max(p'
cross,l
,0.1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0101]
p
cross,0
＝0.5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0102]
其中，p
cross,0
为初始交叉概率，l为当前迭代次数，p
cross,l
为第l次迭代的交叉概率，表示第l次迭代种群中所有个体的最大适应度值，表示第l次迭代所有个体的平均适应度值。
[0103]
变异为遗传算法增加了随机性，如果到达局部最优时需要为算法提供一些随机个体，帮助算法跳出局部最优。在本发明中变异概率定义如式(23)，(24)。
[0104][0105]
p
mutation,l
＝max(p'
mutation,l
,0.1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0106]
其中p
mutation,l
表示第l次迭代的变异概率，p
cross,l
为第l次迭代的交叉概率，l表示最大迭代次数，l为当前迭代次数，表示第l次迭代种群中所有个体的最大适应度值，表示第l次迭代种群中所有个体的最小适应度值，表示第l次迭代种群中所有个体的平均适应度值。
[0107]
③
随机产生一组满足
①
中约束条件的初始群体，并代入式(19)中计算对应的适应度值，根据蒙特卡洛选择法保留此种群适应度较高的个体作为父代个体，淘汰适应度低的个体；
[0108]
④
每对父代个体按照交叉概率pc随机选择个体染色体中相同位置的若干基因进行互换，以产生新的个体。
[0109]
⑤
按照突变概率pm对父代个体中某一基因座上的基因进行改变，以保持种群的多样性。
[0110]
⑥
将
④
和
⑥
中产生的新的种群代入式(19)中计算新的适应度，保存适应度最高的个体，并判断是否已达到固定的迭代次数或最高适应度已达到平稳期，若不满足则返回
④
；否则，输出结果，即获得最优的奇数载波和偶数载波的功率分配系数。
[0111]
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0112]
本发明提供一种计量站点室内可见光辅助中继传输方法。可以提升计量系统对链路阻塞等通信受阻情况的应对能力。本发明通过分析计量主站站内可见光通信存在链路阻塞时，室内光源在屋顶的位置约束关系，通过利用站内可用光源(顶灯、应急灯等)作为信号光源和中继，采用非对称削波直流偏置光正交频分复用实现辅助中继的信号复用，保证了遮挡信号中继传输的同时，保持与其目的终端之间的通信。
[0113]
在本发明实施例中，同时利用遗传算法对源端和中继端的功率进行优化分配以优化系统性能，可以进一步提高计量主站站内可见光通信辅助中继方法的通信效率。
[0114]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的权利要求范围内。