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可调制光学IRS辅助无蜂窝VLC网络的接入资源管理算法

贾林琼 冯事成 乐淑娟 施唯 束锋

梅魁志, 郑南宁, 刘跃虎, 姚霁, 黄宇, 王勇. 一种高效流水低存储的JPEG2000编码芯片设计[J]. 电子与信息学报, 2006, 28(4): 741-746.
引用本文: 贾林琼, 冯事成, 乐淑娟, 施唯, 束锋. 可调制光学IRS辅助无蜂窝VLC网络的接入资源管理算法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(2): 397-408. doi: 10.11999/JEIT240710
Mei Kui-zhi, Zheng Nan-ning, Liu Yue-hu, Yao Ji, Huang Yu, Wang Yong. An Efficient Pipeline Design of JPEG2000 Encoder with Low Memory[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2006, 28(4): 741-746.
Citation: JIA Linqiong, FENG Shicheng, LE Shujuan, SHI Wei, SHU Feng. Joint Resource Management for Tunable Optical IRS-aided Cell-Free VLC Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(2): 397-408. doi: 10.11999/JEIT240710

可调制光学IRS辅助无蜂窝VLC网络的接入资源管理算法

doi: 10.11999/JEIT240710
基金项目: 国家自然科学基金(62301257),江苏省基础研究计划(自然科学基金)(BK20200488)
详细信息
    作者简介:

    贾林琼:女,博士,副教授,研究方向为可见光通信、智能反射面和人工智能

    冯事成:男,研究方向为可见光通信和人工智能

    乐淑娟:女,研究方向为可见光通信

    施唯:女,研究方向为可见光通信

    束锋:男,博士,教授,研究方向为无线通信、物理层安全和新一代智慧网络等

    通讯作者:

    贾林琼 jialinqiong@njust.edu.cn

  • 中图分类号: TN926

Joint Resource Management for Tunable Optical IRS-aided Cell-Free VLC Networks

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62301257), The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20200488)
  • 摘要: 该文研究了一种基于新型光学可调制智能超表面(IRS)辅助的无蜂窝可见光通信(VLC)网络接入方案,其中IRS可以为收发端提供额外的反射信道,也可以利用反射系数可调制的特性,直接为网络用户提供无线接入。该文建立了可调制IRS辅助的无蜂窝VLC接入网络的系统模型,推导了网络吞吐量与发光二极管(LED)照明通信设备的工作模式、IRS的工作模式和用户接入关联之间的关系,并提出以最大化网络吞吐量为目标的接入优化问题。该优化问题分两步求解:(1) 当调制模式的LED数和调制模式的IRS数给定时,基于深度确定性策略梯度(DDPG)的深度强化学习(DRL)算法可以得到最优的接入点工作模式和用户接入关联策略;(2) 遍历可能的调制LED数和调制IRS元件数即可得到优化问题的解。仿真结果表明,联合优化接入点的工作模式和用户接入关联矩阵可以提高IRS辅助无蜂窝VLC网络的吞吐量。
  • 图  1  可调制IRS辅助无蜂窝VLC 网络示意图

    图  2  可调制IRS辅助无蜂窝VLC 网络系统模型图

    图  3  基于DDPG的接入资源分配算法示意图

    图  4  DDPG-O和DDPG-N算法的收敛图

    图  5  不同的调制LED数对应的最大吞吐量

    图  6  不同IRS元件数对应的网络最大吞吐量

    图  7  接入方案分析

    1  DDPG-O:基于DRL的可调制IRS辅助无蜂窝VLC网络接入参数优化

     1. 初始化:Actor网络、Critic网络、target-Actor网络、target-
     Critic网络的参数和梯度
     初始输入:状态s0、用于调制的LED数目M、用于反射的
     IRS数目K
     输出:系统用户的和速率及对应的最优策略{L,I,G,F}
     2. For episodeepisodes do:
     3.  从Replay Buffer中随机抽取初始状态st,若Replay
       Buffer未准备好则采用s0;初始化set=0;
     4.  For t Max steps do:
     5.   根据当前的状态st,Actor网络基于当前的策略
        π(st,at)输出动作at
     6.   if set < 0:
         选择高斯噪声N1(0,σ21),与动作at叠加
         at=at+N1
        else:
         选择高斯噪声N2(0,σ22),与动作at叠加
         at=at+N2
     7.  根据动作at,与环境交互,获得奖励rt、下一时刻状态
        st+1
     8.  if rt< 0,以概率ς将其储存到Replay Buffer;else 直接存
        入Replay Buffer
     9.  若Replay Buffer准备好,抽取Batch size个元组
        (st,at,st+1,rt)使智能体进行学习,通过梯度反向传播
        更新Actor网络和Critic网络的参数;若未准备好则只存储
        本次获得的元组(st,at,st+1,rt)
     10.  软更新target-Actor网络参数、target-Critic网络的参数
     11.  计算近η次与环境交互获得的奖励ˉrset=ˉr
     12.  st=st+1
     13. end for
     14. end for
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    表  1  系统模型仿真参数列表

    参数 参数
    LED个数 M=4 朗伯系数 m=1
    IRS个数 K=16 PD视场角 FoV=70
    PD个数 N=5 增益函数 g=1
    调制LED个数 0MM 内部反射常数 nr=1.5
    调制IRS个数 0KK 频带宽度 W=2×108Hz
    PD面积 1cm2 调光功率 A=5
    最大反射系数 α=0.9 调光系数 ξ=0.5
    噪声功率 σ2=1×1021 PD响应率 ρ=0.5
    下载: 导出CSV

    表  2  DDPG-O算法参数设置

    参数 参数
    BufferSize 100 000 噪声系数1 σ1=0.15
    Batchsize B=32 噪声系数2 σ2=0.08
    隐藏层神经元数目1 H1=880 价值衰减常数 γ=0.98
    隐藏层神经元数目2 H2=600 策略网络学习率 lPolicy=1×103
    策略网络深度 DP=1 价值网络学习率 lCritic=1×102
    值网络深度 DC=2 软更新常数 τ=0.00001
    丢弃率 ζ=0.85 仿真周期 E=1000
    噪声切换长度 η=6 最大步数 s=100
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-15
  • 修回日期:  2024-12-27
  • 网络出版日期:  2025-01-09
  • 刊出日期:  2025-02-28

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