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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

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. doi: 10.11999/JEIT240710
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. doi: 10.11999/JEIT240710
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. doi: 10.11999/JEIT240710
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. 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,本科生,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${s_0}$、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 episode$ \in $episodes do:
     3.  从Replay Buffer中随机抽取初始状态${s_t}$,若Replay
       Buffer未准备好则采用${s_0}$;初始化set=0;
     4.  For t$ \in $Max steps do:
     5.   根据当前的状态${s_t}$,Actor网络基于当前的策略
        $\pi ({s_t},{a_t})$输出动作${a_t}$
     6.   if set < 0:
         选择高斯噪声${N_1}(0,\sigma _1^2)$,与动作${a_t}$叠加
         ${a_t}^\prime = {a_t} + {N_1}$
          else:
         选择高斯噪声${N_2}(0,\sigma _2^2)$,与动作${a_t}$叠加
         ${a_t}^\prime = {a_t} + {N_2}$
     7.  根据动作${a_t}^\prime $,与环境交互,获得奖励${r_t}$、下一时刻状态
        ${s_{t + 1}}$
     8.  if ${r_t}$< 0,以概率$\varsigma $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
        $({s_t},{a_t},{s_{t + 1}},{r_t})$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$({s_t},{a_t},{s_{t + 1}},{r_t})$。
     10.  软更新target-Actor网络参数、target-Critic网络的参数
     11.  计算近$\eta $次与环境交互获得的奖励$\bar r$,$set = \bar r$
     12.  ${s_t} = {s_{t + 1}}$
     13. end for
     14. end for
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    表  2  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 ${\text{FoV}} = {70^ \circ }$
    PD个数 $ N = 5 $ 增益函数 $g = 1$
    调制IRS个数 $ 0 \le M' \le M $ 内部反射常数 ${n_r} = 1.5$
    调制IRS个数 $ 0 \le K' \le K $ 频带宽度 $W = 2 \times {10^8}\;{\text{Hz}}$
    PD面积 $ 1\;{\text{c}}{{\text{m}}^2} $ 调光功率 $A = 5$
    最大反射系数 $\alpha = 0.9$ 调光系数 $\xi = 0.5$
    噪声功率 ${\sigma ^2} = 1 \times {10^{ - 21}}$ PD响应率 $\rho = 0.5$
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    表  3  DDPG-O算法参数设置

    参数 参数
    BufferSize 100 000 噪声系数1 ${\sigma _1} = 0.15$
    Batchsize $ B = 32 $ 噪声系数2 ${\sigma _2} = 0.08$
    隐藏层神经元数目1 $ {H_1} = 880 $ 价值衰减常数 $\gamma = 0.98$
    隐藏层神经元数目2 $ {H_2} = 600 $ 策略网络学习率 ${l_{Policy}} = 1 \times {10^{ - 3}}$
    策略网络深度 $ {D_P} = 1 $ 价值网络学习率 ${l_{Critic}} = 1 \times {10^{ - 2}}$
    值网络深度 ${D_C} = 2$ 软更新常数 $\tau = 0.000\;01$
    丢弃率 $\zeta = 0.85$ 仿真周期 $E = 1\;000$
    噪声切换长度 $\eta = 6$ 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

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