本发明属于可见光通信，尤其是涉及一种基于改进正余弦算法的室内irs-vlc系统最大可达速率优化方法。
背景技术：
1、可见光通信（visible light communication, vlc）是一种利用可见光频段进行无线通信的技术，通过发光二极管（light emitting diode，led）产生波长为390 nm-780nm的可见光进行通信。由于vlc不以电磁波作为传输介质，其不会产生电磁干扰，因此适用于电磁敏感环境，可与无线射频(radio frequency，rf)通信技术协同工作,互补优势。vlc具有以下几种优势：1.频谱资源丰富,可提供高达gbps级的数据传输速率。2.光信号不会穿透墙壁,具有较好的隔离性，同时增强了保密性。3.可见光通信可以同时兼具照明功能，对部分通信与照明要求高的环境有更好的应用性。vlc虽然有许多优势,但也存在一些技术缺点和挑战。在复杂的通信环境下，可见光易受到人或物的阻挡，导致系统通信链路阻塞，限制了移动性和覆盖范围。此外，可见光的传输距离有限，通常在几米到几十米之间，远距离通信受限于光功率和信号衰减等因素。目前可见光通信标准尚未完全统一,不同厂商间的兼容性较差，这限制了可见光通信的规模化应用和产业化。
2、传统的室内可见光通信系统的通信速率受信道可用性的影响很大。室内可见光通信系统，在发射端上通过led将电信号转换为光信号，在接收端上使用光电二极管(photodiode，pd)将光信号转换为电信号。伴随通信空间中可能存在的阻塞视距链路的人或物，系统的通信速率会急剧降低，甚至导致通信链路不可用，这在实际应用中是一大难题。近年来在解决射频通信方面存在的信号弱、干扰强以及信道利用等问题上兴起了一种新的技术手段——智能反射表面（intelligent reflection surface，irs）。在可见光通信系统中引入irs，能够提供除视距通信链路以外的非视距通信链路，提高了信道增益，解决视距通信链路被阻塞时信道不可用的问题，在无阻塞的情况下具有更快的通信速率，更高的传输效率，在实际中的应用将更为广泛。
3、正余弦优化算法是一种较为新颖的基于种群的优化算法，其灵感来源于三角正弦余弦函数。在正余弦算法机制中，初始生成各种随机解，优化过程中使用基于正弦和余弦函数的数学模型转向最佳解。该算法中存在各种随机和自适应变量，以此控制算法在搜索空间中的探索和利用。由于种群搜索是通过更新随机解来达到最优解，在这一搜索过程容易陷入局部最优解，甚至无法通过增加迭代次数来解决该问题，导致最终生成错误的解。
4、针对以上存在的问题，本发明提出一种基于改进正余弦算法的室内irs-vlc系统最大可达速率优化方法。该方法可以避免在使用传统正余弦优化算法中容易发生的陷入局部最优解问题，对优化结果进行对比验证高效快速的找到系统最大可达的通信速率下对应的参数。该方法也可以在通信系统接收端发生空间上的状态信息变动时，通过快速优化迭代，达到系统最大可达通信速率，提高系统通信链路的可用性。
技术实现思路
1、本发明致力于解决基于反射镜阵列的irs实现室内可见光通信系统通信速率最大化问题，对此提出了一种基于改进正余弦算法的室内irs-vlc系统最大可达速率优化方法。该方法能够有效提高基于反射镜阵列的irs辅助的室内可见光通信系统通信系统性能，在室内空间中接收端位置状态发生变化时，使系统的通信速率达到最优。
2、本发明采用的技术方案是：建立基于反射镜阵列的irs辅助室内可见光通信系统的数学模型。根据香农定理，系统收发端上的信息参数以及信道带宽建立系统通信速率的数学模型，得到影响系统通信速率的因素参数，引入本发明提出的一种改进正余弦算法对通信系统的最大可达速率目标函数进行优化，求解基于反射镜阵列的irs辅助室内可见光通信系统最大可达速率下的因素参数。具体包括以下步骤：
3、步骤1：根据基于反射镜阵列的irs辅助室内可见光通信系统的信道状态信息，包括发射端的室内led空间向量位置、基于反射镜阵列的irs空间向量位置和接收端的空间向量位置，接收端上符合拉普拉斯分布的极角和符合均匀分布的方位角，发射端上的发射功率，基于反射镜阵列的irs的滚动角、偏转角、面积、数量和反射系数，光电二极管的接收面积、响应度和视场，系统中存在视距通信链路和非视距通信链路，一并构建系统通信的数学模型；根据香农定理，系统收发端上的信息参数以及信道带宽建立系统通信速率的数学模型；根据系统最大可达速率构建优化问题模型；建立优化问题模型的约束条件。
4、步骤2：对优化问题模型在约束条件下的最小化作为优化目标，通过具有二次迭代机制的改进正余弦算法进行优化求解，得到优化后系统最大可达通信速率下的基于反射镜阵列的irs的滚动角和偏转角。
5、步骤3：在接收端的空间向量位置发生改变后，通过步骤1、步骤2得到优化后的基于反射镜阵列的irs的滚动角、偏转角，并建立基于反射镜阵列的irs辅助室内可见光通信系统的视距通信链路和非视距通信链路，使系统在接收端位置变化后保持通信链路稳定。
6、步骤1所述的改进正余弦算法优化求解中具体过程如下：
7、初始化第一次迭代中的搜索代理数量，最大迭代次数，优化变量的上界和下界，定义维度；初始化正余弦算法中的参数、、、、，其中由和控制；初始搜索代理定义为：
8、
9、其中，表示当前迭代次数，表示在第维第次迭代时搜索代理中的第个代理的空间解向量，表示在第次迭代时搜索代理中的第个代理空间解向量的基于反射镜阵列的irs偏转角度，表示在第次迭代时搜索代理中的第个代理空间解向量的基于反射镜阵列的irs滚动角度。
10、步骤2：开始第一次迭代，更新算法参数，随机变量，，算法参数，实数变量是随机取值于（0、1）之间的一个数，随机变量，；参数和参数具体表达式如下：
11、
12、
13、其中， 为常数，为第一次迭代的最大迭代次数。
14、步骤3：第一次迭代中，对进行迭代更新，算法根据实数变量的取值进行正弦余弦变换，当时，算法在正弦下进行更新计算，当时，算法在余弦下进行更新计算，具体表达式如下：
15、
16、其中，表示在第次迭代时搜索代理的位置，表示在第次迭代时搜索代理的位置，表示在第次迭代时最优的搜索代理，即在次迭代时适应度值最小的代理。
17、步骤4：所有搜索代理完成在第一次迭代的次更新后，输出最优代理，计算其适应度值，并将作为在第一次迭代的结果输入到第二次迭代的初始值，令。
18、步骤5：初始化第二次迭代中的参数，保持搜索代理数量、变量的上界和下界、维度，令最大迭代次数为；初始化第二次迭代算法中的参数、。
19、步骤6：在第二次迭代中，对搜索代理进行迭代更新，算法具体表达式如下：
20、
21、
22、其中，表示在第次迭代时搜索代理的位置，为第个第维上的搜索代理，是搜索代理在第二次迭代中第次迭代时移动状态，是在(0,1)之间的一个加权系数，即，是搜索代理在第二次迭代中第次迭代时的搜索移动状态，是一个可控系数，令，是在(0,1)之间的一个随机数，是在第二次迭代中第次迭代时的最优搜索代理，是在第一次迭代中得到的最优解。
23、步骤7：在第二次迭代更新过程中，算法更新当前最优代理，计算其适应度值，并与第一次迭代得到的最优搜索代理的适应度值进行比较，保持算法中不变。
24、步骤8：所有搜索代理完成在第二次迭代的次更新后，输出最优代理，即最优解，表示在最大可达速率下的基于反射镜阵列的irs的偏转角，表示在最大可达速率下的基于反射镜阵列的irs的滚动角，并输出在最优解下的适应度值，即系统的最大可达通信速率。
25、本发明与现有技术相比主要有以下技术优势：
26、本发明改进了传统的正余弦算法。针对传统的正余弦算法存在的易陷入局部最优问题，引入二次迭代算法机制对传统正余弦算法的全局搜索能力进行改进。在第一次迭代后得到的最优解作为第二次迭代的初始解，取消第二次迭代随机搜索代理取值，降低计算的复杂度，根据给出的迭代更新公式进行第二次迭代优化求解，能够修正在第一次迭代中陷入局部最优的解，也能够作为验证机制检验解是否为全局最优解，能够有效提高算法的收敛速度和收敛精度。
27、本发明在系统通信空间中接收端位置状态发生变化的情况下，使用改进的正余弦算法对当前通信系统可达的最大通信速率进行优化求解，进而调节基于反射镜阵列的irs，使得接收端位置状态发生变化后仍保持稳定的通信链路状态，提高系统的可用性。
1.一种基于改进正余弦算法的室内irs-vlc系统最大可达速率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于改进正余弦算法的室内irs-vlc系统最大可达速率优化方法，其特征在于，步骤1所述的改进正余弦算法优化求解中具体过程如下：
