室內(nèi)自由小區(qū)VLC協(xié)作的用戶接入和功率動態(tài)調(diào)整方法

劉煥淋 楊 帥 陳 勇 黃美娜 陳浩楠 陳 科 袁夕淋

①(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

②(重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院 重慶 400065)

1 引言

未來的6G網(wǎng)絡(luò)將為陸、海、空、天、地等多種復(fù)雜場景提供高速數(shù)據(jù)互聯(lián)服務(wù)，而無線通信的頻譜資源難以滿足飛速增長的帶寬需求[1]。通信與照明深度耦合的可見光通信(Visible Light Communication, VLC)技術(shù)利用其豐富的光譜資源，可以有效地分擔(dān)室內(nèi)無線通信的數(shù)據(jù)流量，解決現(xiàn)有的無線頻譜的短缺問題。相比于無線射頻通信技術(shù)，VLC技術(shù)具有諸多優(yōu)點，如抗電磁輻射干擾、超大帶寬、綠色健康等[2]。因此，VLC將在6G網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任重要的角色[3]。

然而，單個VLC接入點(Access Point, AP)的通信覆蓋范圍較小，難以實現(xiàn)通信全覆蓋，而多個VLC AP組網(wǎng)中小區(qū)邊緣用戶能接收到多個VLC AP發(fā)送的信號，小區(qū)間干擾導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量變差[4]。同時，用戶設(shè)備(User Equipment,UE)在移動時或者信道鏈路較差時在VLC AP之間頻繁切換，影響用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)體驗。為了解決上述問題，文獻(xiàn)[5-7]提出了室內(nèi)cell-free VLC的組網(wǎng)方式，同傳統(tǒng)的小區(qū)通信相比，cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)取消小區(qū)劃分，即VLC小區(qū)沒有明確的小區(qū)邊界；此外，UE可同時接收在視場角(Field of View, FoV)內(nèi)多個VLC AP的協(xié)作服務(wù)，避免了UE在AP之間的頻繁切換，還能提高邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量。但是，VLC AP的密集部署、用戶數(shù)目增加和用戶位置的隨機(jī)性影響小區(qū)的協(xié)作傳輸，使UE接入多AP策略和功率分配問題變得更加復(fù)雜。

針對用戶接入VLC AP的問題，文獻(xiàn)[8]提出在室內(nèi)VLC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合收、發(fā)端需求的用戶接入算法，該算法采用萬有引力理論折中用戶與多個指標(biāo)度量的AP匹配性能。文獻(xiàn)[9]針對室內(nèi)VLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計基于QoS的AP關(guān)聯(lián)(QoS-Driven AP Association, QDAA)方法，該方法均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和用戶速率需求，但是，采用單小區(qū)接入的QDAA導(dǎo)致用戶的信干噪比(Signal to Interference Ratio, SINR)較低。文獻(xiàn)[10]提出基于二部圖的多用戶對多VLC AP關(guān)聯(lián)(Many-to-Many Association base on Bipartite Graph, MMABG)方法，該方法將用戶與AP關(guān)聯(lián)關(guān)系建模成多對多匹配模型，并根據(jù)設(shè)置的閾值控制協(xié)作VLC AP小區(qū)數(shù)目以提高系統(tǒng)吞吐量。基于上述文獻(xiàn)分析，多小區(qū)接入方式有效地提高用戶SINR，但是用戶接入的小區(qū)數(shù)目過多，使VLC AP小區(qū)間干擾劣化，限制了系統(tǒng)吞吐量和資源利用率的提高。

針對功率分配問題，文獻(xiàn)[6]提出用戶連接VLC AP的時間分配和連續(xù)凸逼近的功率控制方法為關(guān)聯(lián)VLC AP的用戶分配時間和功率資源，以降低VLC AP小區(qū)間干擾(Inter Cell Interference, ICI)。文獻(xiàn)[11]根據(jù)各個VLC AP中服務(wù)用戶和干擾用戶的信道增益比值，并對強(qiáng)干擾的VLC AP進(jìn)行休眠處理，降低ICI，提高用戶接入VLC AP的可達(dá)速率。文獻(xiàn)[12]針對VLC異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提出基于殘余干擾抑制的控制發(fā)射功率系數(shù)，通過降低VLC AP的無效發(fā)射功率，緩解ICI影響。文獻(xiàn)[6,11,12]以系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化VLC AP的發(fā)射率，忽略室內(nèi)照明均勻度的要求。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization, ISO)照明標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)照明均勻度應(yīng)高于最小照明均勻度閾值，滿足人眼的視覺舒適性[13,14]；此外，照明不均勻可能使分布在房間內(nèi)不同位置的用戶難以享受到公平的服務(wù)質(zhì)量，甚至導(dǎo)致通信中斷。因此，有效的功率分配方法不僅需要考慮系統(tǒng)吞吐量，而且需兼顧VLC室內(nèi)照明的質(zhì)量。

文獻(xiàn)[15]提出了改進(jìn)遺傳模擬退火算法優(yōu)化發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)陣列的AP功率調(diào)節(jié)因子，提高了接收平面的照明均勻度，但是，該算法忽略了用戶的通信需求。文獻(xiàn)[16]分析了AP發(fā)射功率的優(yōu)化對用戶SINR和室內(nèi)照明均勻度的影響，并提出了低復(fù)雜度的SINR優(yōu)先方法(SINR First Approach, SFA)和照明均勻度優(yōu)先方法(Uniformity First Approach, UFA)，SFA先為所有AP分配最大功率，再根據(jù)服務(wù)用戶和干擾用戶的距離比值，調(diào)整部分AP的發(fā)射功率，以降低ICI和提高系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)；而UFA先采用二分法和凸優(yōu)化方法求解照明均勻度的AP發(fā)射功率，再根據(jù)用戶之間的距離，調(diào)整AP發(fā)射功率，以滿足室內(nèi)照明均勻度需求。隨著用戶數(shù)增加，用戶之間距離變小，用戶之間的干擾加重，導(dǎo)致用戶的SINR和系統(tǒng)的吞吐量下降。

綜上所述，本文提出聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的VLC協(xié)作用戶接入和功率動態(tài)調(diào)整(VLC Cooperative User Access and Dynamic Power Adjustment,VCUA-DPA)方法。所提VCUA-DPA包括2部分：首先是考慮AP負(fù)載均衡、用戶速率需求和協(xié)作小區(qū)數(shù)目約束，設(shè)計基于用戶需求的VLC協(xié)作用戶接入(VLC Cooperating User Access, VCUA)算法；然后，設(shè)計聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的AP動態(tài)功率調(diào)整(Dynamic Power Adjustment, DPA)算法，降低ICI，提高系統(tǒng)吞吐量和滿足室內(nèi)照明均勻度需求。

2 系統(tǒng)模型與問題建模

2.1 室內(nèi)cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道

室內(nèi)cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。VLC APs部署在天花板上，負(fù)責(zé)室內(nèi)照明和下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，VLC APs之間通過電力線連接到中央控制單元(Central Control Unit, CCU)，CCU負(fù)責(zé)收集用戶請求、鏈路信息和執(zhí)行VLC資源分配。設(shè)VLC APs集合和用戶集合分別記為NA={1,2,..., N}和MU={1,2,..., M}。信號經(jīng)過調(diào)制并驅(qū)動VLC APs發(fā)出光信號，再經(jīng)過VLC信道到達(dá)隨機(jī)分布在房間的用戶，用戶的PD將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，則輸出電流信號為[9,10]

圖1 室內(nèi)cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)模型

式中，xi,j為AP j傳輸?shù)接脩鬷的光信號；Pj為AP j發(fā)射功率；γ為PD光電轉(zhuǎn)換效率；ni為加性高斯白噪聲；hi,j為AP j到用戶 i信道增益。本文僅考慮LED視距鏈路，則AP j到用戶i信道增益為[9,10]

式中，APD為光接收面積；di,j為AP j與用戶i的直線距離；朗伯輻射系數(shù)為m=-ln2/ln[cos(?1/2)]，?1/2為VLC AP半功率角；VLC AP發(fā)射角為?；光接收機(jī)視場角為ψc；光接收機(jī)的入射角為ψ。

室內(nèi)cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)采用多AP密集部署方式，存在重疊覆蓋區(qū)域，位于重疊覆蓋區(qū)域的多個用戶復(fù)用相同頻段，容易產(chǎn)生ICI。若AP j使用頻段f為用戶i提供服務(wù)，AP j+1也使用相同頻段f為用戶 i+1提供服務(wù)，且AP j在用戶i+1的FoV內(nèi)，則用戶i和用戶i+1存在同頻干擾。為了降低干擾，本文采用協(xié)作傳輸方式，即每個用戶選擇接入在FoV內(nèi)的多個AP，則用戶i的SINR為

式中，若用戶i接入AP j，接入因子ai,j=1，否則，ai,j=0；Bi為AP分配給用戶的帶寬；Ni為用戶i的協(xié)作AP集合；n0為加性高斯白噪聲功率譜密度，室內(nèi)取值為 1×10-21[12]。則用戶i可達(dá)速率為[9,17]

2.2 室內(nèi)Cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)的照明指標(biāo)

根據(jù)ISO規(guī)定，室內(nèi)照明強(qiáng)度范圍為300～1500 lx，且室內(nèi)最小可接受照明均勻度應(yīng)大于0.7[14]。由于LED光源按朗伯輻射模型向外發(fā)射光信號，則第s個接收平面接收點的水平照明強(qiáng)度為[9,16]

式中，Es為第s個接收平面接收點的水平照明強(qiáng)度，δ為LED的發(fā)射光功率和光通量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

照明均勻度μ為最小照明強(qiáng)度與平均照明強(qiáng)度的比值[14,16]，式(6)中的S為接收平面接收點的數(shù)目。

2.3 室內(nèi)cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)的照明和吞吐量問題模型

在室內(nèi)Cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)中，聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的優(yōu)化問題可表示為

式中，A為 用戶接入因子矩陣；為各AP發(fā)射功率集合；Di為用戶i的速率需求；Emin和Emax分別為室內(nèi)最小和最大照明強(qiáng)度；Pmin和Pmax分別為AP最小和最大發(fā)射功率。目標(biāo)O1為最大化系統(tǒng)吞吐量；O2為最大化室內(nèi)照明均勻度。約束條件C1表示QoS速率需求約束，Di為用戶最小速率需求；C2表示室內(nèi)照明強(qiáng)度約束；C3表示各VLC AP的發(fā)射功率約束；約束條件C4表示用戶是否關(guān)聯(lián)VLC AP。式(7)表示的聯(lián)合優(yōu)化用戶接入和功率分配的優(yōu)化目標(biāo)是非凸問題，無法直接采用凸優(yōu)化方法求解[6,18]。本文提出聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的VLC協(xié)作用戶接入和功率動態(tài)調(diào)整(VCUADPA)方法。

3 聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的VLC協(xié)作用戶接入和功率動態(tài)調(diào)整方法

VCUA-DPA方法包括VLC協(xié)作用戶接入(VCUA)算法和動態(tài)功率調(diào)整(DPA)算法，在VCUA算法中，設(shè)計考慮用戶速率需求、信道增益和AP負(fù)載的算法，實現(xiàn)用戶關(guān)聯(lián)協(xié)作的VLC AP，抑制ICI和提高系統(tǒng)吞吐量；在DPA算法中，首先采用Dinkelback算法[6,16]求解最大化照明均勻度為目標(biāo)的各VLC AP的基準(zhǔn)發(fā)射功率，然后，設(shè)計考慮用戶速率、用戶數(shù)目和ICI影響的提高系統(tǒng)吞吐量的動態(tài)功率調(diào)整策略，調(diào)整部分AP的發(fā)射功率，旨在滿足室內(nèi)照明均勻度最小閾值前提下提高系統(tǒng)吞吐量。

3.1 基于用戶需求的VLC協(xié)作用戶接入算法(VCUA)

根據(jù)用戶速率需求，首先為每個用戶分配初始帶寬，由式(7)約束條件C1得用戶i初始帶寬為

式中，Bmin=B/|Yj*|為AP給候選用戶i分配的最小帶寬，AP j*為用戶i信道條件最好的AP，B為AP最大通信帶寬，Yj*為AP中滿足信道增益閾值要求的候選用戶集合，Xi為用戶i的候選AP集合。

根據(jù)用戶速率需求和用戶在VLC中獲得可達(dá)速率，用戶i的需求權(quán)重因子為

由式(9)知，隨著協(xié)作VLC AP數(shù)增加，用戶i在VLC中的可達(dá)速率Ri增加，則用戶的資源需求權(quán)重因子下降。AP j為用戶i提供帶寬資源的供應(yīng)權(quán)重因子可表示為

式中，wi,j越大，用戶i的優(yōu)先級越高，表明用戶i的需求越大或者AP j為用戶i提供服務(wù)更有利于提高系統(tǒng)吞吐量。基于用戶需求的VLC協(xié)作用戶接入算法見算法1。

算法1 基于用戶需求的VLC協(xié)作用戶接入(VCUA) 算法

3.2 聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的動態(tài)功率調(diào)整算法(DPA)

本文所提的DPA算法先采用Dinkelbach算法求解最大化照明均勻度的各VLC AP的基準(zhǔn)發(fā)射功率；然后，在滿足用戶速率需求、室內(nèi)照明強(qiáng)度和室內(nèi)最小照明均勻度條件下，動態(tài)調(diào)整部分AP發(fā)射功率。

3.2.1 基于Dinkelbach算法優(yōu)化照明均勻度的AP基準(zhǔn)功率分配

為了優(yōu)化室內(nèi)Cell-free VLC照明均勻度，根據(jù)式(7)，滿足C2和C3約束條件的最大化室內(nèi)照明均勻度的優(yōu)化目標(biāo)O2可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為最大最小化各VLC AP的室內(nèi)照明強(qiáng)度問題O3[16]

本文采用Dinkelbach算法將優(yōu)化目標(biāo)O3的分式形式轉(zhuǎn)換為等效的減法形式[6]，再通過更新迭代以確定照明均勻度的VLC AP的最優(yōu)發(fā)射功率[11,13]。優(yōu)化目標(biāo)O3的最大照明均勻度表示為

式中，Γ為優(yōu)化目標(biāo)O3的約束條件C2和C3的可行域，為優(yōu)化目標(biāo)O3的最優(yōu)解集合。

對式(13)的分式形式進(jìn)行等價轉(zhuǎn)換[6]，其表達(dá)式為

式中，當(dāng)F(μ*)=[0時，獲得最優(yōu)解μ*和]Pl*。引入變量，則O3轉(zhuǎn)換為

式中，給定μ值，目標(biāo)函數(shù)和約束條件都是線性函數(shù)，因此，優(yōu)化目標(biāo)O3'為線性規(guī)劃問題，可由Dinkelbach單純形法[6,16]求解，從而得到滿足照明均勻度的優(yōu)化的AP基準(zhǔn)功率。

3.2.2 基于動態(tài)功率調(diào)整策略的聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的動態(tài)功率調(diào)整

本文的動態(tài)功率調(diào)整策略的優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)換為：在滿足最小照明均勻度的約束下，優(yōu)化AP發(fā)射功率以提高SINR，增加系統(tǒng)吞吐量，則式(7)的功率分配優(yōu)化問題O1轉(zhuǎn)換為

式中，μmin為最小照明均勻度閾值，μ≥μmin表示室內(nèi)照明均勻度不小于最小照明均勻度閾值。

為了衡量VLC AP的基準(zhǔn)發(fā)射功率增加ΔP后，該小區(qū)內(nèi)服務(wù)用戶的吞吐量增加收益和對小區(qū)外周圍用戶增加干擾造成的吞吐量損失，VLC AP j的吞吐量增益的計算公式為

同理，為了衡量VLC AP的基準(zhǔn)發(fā)射功率減少ΔP后小區(qū)內(nèi)服務(wù)用戶的吞吐量損失和小區(qū)外干擾用戶的吞吐量收益，VLC AP j的吞吐量增益的計算公式為

基于各個VLC AP的吞吐量增益，在滿足照明均勻度的約束下，動態(tài)功率調(diào)整策略有選擇性地調(diào)整部分VLC AP的基準(zhǔn)發(fā)射功率，以提高系統(tǒng)吞吐量。DPA步驟見算法2。

4 仿真分析

4.1 仿真環(huán)境及評價指標(biāo)

本文使用蒙特卡羅法對本文所提VCUA-DPA方法的子算法VCUA和DPA的性能進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。在圖1所示的室內(nèi)Cell-free VLC網(wǎng)絡(luò)中，5 m×5 m×3 m的房間布置有9個VLC AP和50×50個接收點。為了驗證VCUA算法的有效性，QDAA[9]和MMABG[10]算法作為VCUA算法的對比算法。同時，為了消除功率分配對系統(tǒng)性能的影響，VCUA算法和對比的QDAA, MMABG算法都使用本文所提的DPA算法分配和調(diào)整AP的發(fā)射功率；為了驗證DPA算法的功率調(diào)整的有效性，本文將SFA[16]和UFA[16]作為DPA算法的對比算法，而且，這3種功率分配算法的用戶接入策略都采用用戶滿意度閾值ρth=0.8的VCUA算法。用戶的速率需求隨機(jī)取值為Di ∈{10,20,30}Mbit/s。本文對各算法的系統(tǒng)吞吐量、用戶滿意度[12]和照明均勻度3個性能指標(biāo)進(jìn)行仿真和分析。

表1 仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖2展示了QDAA-DPA, MMABG-DPA和本文所提VCUA-DPA算法的系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)目的變化情況。3種算法的系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)目增加均呈現(xiàn)上升趨勢，而本文VCUA-DPA算法的系統(tǒng)吞吐量優(yōu)于2種對比算法。QDAA-DPA算法采用單小區(qū)接入方式，小區(qū)邊緣用戶容易受到ICI影響，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量較低；MMABG-DPA算法采用多小區(qū)接入方式，但是MMABG算法沒有考慮各VLC AP負(fù)載均衡的問題，致使各VLC AP資源不充分利用，因而系統(tǒng)吞吐量提升值較小。本文VCUADPA算法考慮用戶側(cè)速率需求和網(wǎng)絡(luò)側(cè)AP的負(fù)載均衡，優(yōu)化用戶和多VLC AP協(xié)作的雙向選擇，提高各VLC AP資源利用率，其系統(tǒng)吞吐量優(yōu)于2種對比算法。其次，本文的VCUA-DPA算法結(jié)合用戶滿意度閾值ρth和AP的剩余資源情況自適應(yīng)地控制協(xié)作小區(qū)數(shù)目，當(dāng)用戶數(shù)較少時，VLC AP資源競爭小，若用戶滿意度閾值較小時，可協(xié)作的小區(qū)數(shù)目較多，有利于提高系統(tǒng)吞吐量，而當(dāng)用戶滿意度閾值較大時，可協(xié)作小區(qū)數(shù)目減少，限制了系統(tǒng)吞吐量的增加；當(dāng)用戶數(shù)目持續(xù)增加時，由于VLC AP的帶寬資源有限，即使用戶滿意度閾值減小，協(xié)作小區(qū)數(shù)目也難繼續(xù)增加，3種滿意度閾值ρth獲得的系統(tǒng)吞吐量差距越來越小。

算法2 聯(lián)合優(yōu)化照明和吞吐量的動態(tài)功率調(diào)整 (DPA) 算法

圖2 系統(tǒng)吞吐量與用戶數(shù)目關(guān)系

圖3展示了QDAA-DPA, MMABG-DPA和VCUA-DPA算法的用戶滿意度隨用戶數(shù)目的變化情況。3種算法的用戶滿意度隨用戶數(shù)目增加均呈現(xiàn)下降趨勢，因為用戶數(shù)目增加，AP的帶寬資源競爭更加激烈，導(dǎo)致部分用戶不能滿足請求的速率需求，則用戶的滿意度下降。QDAA-DPA算法根據(jù)用戶速率需求確定用戶接入優(yōu)先級，高速率需求的用戶優(yōu)先選擇性能更優(yōu)AP，但是，邊緣用戶受到ICI影響大且因為不支持多VLC AP協(xié)作傳輸?shù)臋C(jī)制，使邊緣用戶的用戶滿意度較低。MMABGDPA算法采用固定閾值控制協(xié)作AP小區(qū)數(shù)目，且沒有區(qū)分用戶接入VLC AP的優(yōu)先級，因此，需求速率有差異的中、高速率用戶的用戶滿意度下降。而本文VCUA-DPA算法既考慮用戶側(cè)的用戶速率需求設(shè)計接入VLC AP和帶寬分配的優(yōu)先級，又考慮AP的負(fù)載均衡，并根據(jù)用戶滿意度閾值和AP資源剩余情況控制協(xié)作小區(qū)數(shù)目，所以本文VCUA-DPA算法的用戶滿意度普遍優(yōu)于對比算法。此外，當(dāng)用戶數(shù)較多時，資源比較緊缺，VLC將更多AP協(xié)作資源分配給不滿足用戶速率需求的用戶，有利于提高用戶的滿意度。

圖3 平均用戶滿意度與用戶數(shù)目關(guān)系

圖4展示了用戶數(shù)目M=10的條件下，本文VCUADPA算法中DPA優(yōu)化后的系統(tǒng)吞吐量和照明均勻度隨迭代次數(shù)增加的變化情況。其中，在各VLC AP的發(fā)射功率優(yōu)化前，照明強(qiáng)度范圍為460.90～880.36 lx，照明均勻度為0.611。如圖4所示，隨著迭代次數(shù)增加，系統(tǒng)吞吐量先增加后開始變平緩，而照明均勻度持續(xù)下降到最小照明均勻度閾值，且優(yōu)化后的室內(nèi)照明強(qiáng)度范圍為316.62～506.24 lx，照明均勻度為0.708，高于優(yōu)化前的室內(nèi)照明均勻度，滿足室內(nèi)照明需求。這是因為DPA策略先根據(jù)每個VLC AP的吞吐量增益值大小調(diào)整滿足照明約束條件的VLC AP的發(fā)射功率以增加系統(tǒng)吞吐量，剛開始時候，VLC AP可調(diào)整的功率幅度ΔP值較大，系統(tǒng)吞吐量增加較為明顯；隨著迭代次數(shù)增加，各AP發(fā)射功率偏離最優(yōu)化照明均勻度確定的基準(zhǔn)發(fā)射功率越來越遠(yuǎn)，照明均勻度越來越接近最小的照明均勻度閾值，導(dǎo)致VLC AP可調(diào)整的功率幅度ΔP值越來越小，由于各VLC AP的發(fā)射功率受限，所以系統(tǒng)吞吐量增加的速度越來越慢，并最終趨于平穩(wěn)。

圖4 系統(tǒng)吞吐量和照明均勻度與迭代次數(shù)關(guān)系(M = 10)

圖5展示了本文所提VCUA-DPA算法與對比的VCUA-UFA和VCUA-SFA算法采用不同功率分配策略對系統(tǒng)吞吐量與用戶數(shù)目關(guān)系的影響。3種算法的功率分配策略都使系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)目增加均呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)用戶數(shù)目為10時，相比SFA算法，本文VCUA-DPA算法獲得的系統(tǒng)吞吐量降低了8.1%，VCUA-UFA降低了18.5%，而本文VCUADPA算法較VCUA-UFA算法的系統(tǒng)吞吐量提高了9.5%。這是因為：SFA算法以系統(tǒng)吞吐量為主要目標(biāo)，能協(xié)調(diào)各AP的發(fā)射功率，在滿足用戶速率需求的前提下，以犧牲照明均勻度為代價最大限度地提高系統(tǒng)吞吐量。相比SFA算法，本文VCUA-DPA算法在損失部分吞吐量的代價下，兼顧了照明均勻度和提高系統(tǒng)吞吐量兩個目標(biāo)。而對比的VCUAUFA通過測量用戶間的距離調(diào)整各VLC AP的發(fā)射功率最優(yōu)化室內(nèi)的照明均勻度，UFA策略沒有考慮用戶之間的干擾和不同速率需求用戶所需的AP發(fā)射功率對系統(tǒng)吞吐量影響，因此，隨著用戶數(shù)目增加，VCUA-UFA的系統(tǒng)吞吐量增加值較小；相比UFA算法，本文的DPA算法先根據(jù)照明均勻度和系統(tǒng)吞吐量目標(biāo)優(yōu)化各VLC AP的基準(zhǔn)發(fā)射功率，并采用動態(tài)功率調(diào)整策略，有選擇地調(diào)整滿足吞吐量增益的VLC AP的發(fā)射功率，設(shè)計功率調(diào)整幅度迭代衰減的方法，使其系統(tǒng)吞吐量提升效果優(yōu)于VCUA-UFA。

圖5 系統(tǒng)吞吐量受用戶數(shù)目的影響

5 結(jié)束語

為了優(yōu)化自由小區(qū)VLC的系統(tǒng)吞吐量和滿足室內(nèi)照明均勻度需求，本文設(shè)計基于用戶需求和VLC AP資源約束的多VLC AP協(xié)作用戶接入算法和動態(tài)調(diào)整VLC AP發(fā)射功率方法，實現(xiàn)了室內(nèi)Cell-free VLC的聯(lián)合優(yōu)化室內(nèi)照明均勻和提高系統(tǒng)吞吐量的目標(biāo)。隨著寬帶室內(nèi)移動接入需求和移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，本文所提方法能促進(jìn)VLC系統(tǒng)在滿足室內(nèi)照明舒適需求的同時，為室內(nèi)高速數(shù)據(jù)傳輸提供較為理想的綠色無線傳輸方式。