CN103648154B - 无线光cdma系统总功率约束下的多用户功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线光CDMA系统总功率约束下的多用户功率分配方法，优化设计的目标是在所有LED接入点总功率约束下使得多用户系统总容量最大化。不同于传统移动通信多用户多接入点容量问题，在无线光系统中，多用户容量最大化问题在已知的信道信息下是一个准凸优化问题。本发明针对此优化问题，在所有LED接入点总功率约束场景下，通过拉格朗日乘数法可以直接得到所有用户的最优功率分配结果。

Description

无线光CDMA系统总功率约束下的多用户功率分配方法

技术领域

本发明属于无线光通信的技术领域，涉及一种基于CDMA多点多用户无线光通信在所有接入点总功率约束下的功率分配方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，人们对生活的品质的要求也越来越高，在通信领域，开始追求一种“绿色的”和“高速率的”通信技术，所以无线光通信技术逐渐成为科学家们研究的热点问题。无线光通信技术利用激光器件或者白光LED器件，通过对光照强度的调制来实现信息高速传输，实现了日常工作照明的同时，也满足了人们对信息高速传输的要求，而且具有丰富频谱资源、高保密性、绿色安全等诸多优点，正好弥补了传统无线通信技术的缺点。无线光通信技术可以分为两种，一种是室外自由光通信技术，另一种是室内可见光通信技术。因使用光而非无线调频传输信号，可见光通信技术的成本仅为Wi-Fi的十分之一。另外，可见光通信技术可安全地用于飞机上；整合进医疗设备中以及可用于禁止Wi-Fi使用的医院内；甚至还可用于Wi-Fi的表现并不是那么好的水下，对应于Wi-Fi，无线光通信在业界也称为Li-Fi类通信技术。

CDMA技术是多用户系统重要的多址接入技术之一，广泛用于3G移动通信系统中，抗干扰能力强，系统容量大。而且在无线光通信系统中很容易利用LED阵列系统实现CDMA扩频调制，如果每个码道是二进制调制，那么可以利用LED阵列系统中的每个LED使用OOK调制发送每个码道数据，最后通过光的空间合成产生基于CDMA扩频调制的多码道数据流，如果每个码道是多进制调制，那么可以给每个码道分配多个LED，最后同样可以利用光的空间合成多码道数据流。这种实现方案不仅简单，而且使得多码道数据流分离，大大降低了系统的峰均比，对功率放大器的线性度要求大大降低。另外CDMA技术给系统引入了一个新的正交码域，使得系统能够容纳更多的用户。另外CDMA系统各个码分用户在时间上是复用，所以可以给不同的用户分配不同的功率。更值得一提的是，在无线光通信系统中，可以利用扩频增益来提高系统抗遮挡能力。

目前，在无线光CDMA多接入点多用户系统中所有接入点总功率约束下，没有方法对系统功率资源利用效率进行提升，通常是对所有的用户分配相同的功率资源，但在无线光CDMA多接入点多用户系统中用户在时域上是复用的，所以可以根据用户不同的信道环境来给不同的用户分配不同功率资源，这样就可以提升功率资源利用效率和系统容量。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种可以使得无线光多用户通信系统容量最大化的无线光CDMA系统总功率约束下的多用户功率分配方法。

技术方案：本发明的无线光CDMA系统总功率约束下的多用户功率分配方法，包括以下步骤：

1)系统参数初始化：将所有LED接入点对所有用户的功率分配初始化为零；

2)根据下式，对所有LED接入点分别进行功率分配优化：

$p_{ki}=\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{p_E}{\mathrm{\ξ}}_i{S}_{ki}^2,$

其中p_E表示所有LED接入点的总功率约束，p_ki为经过总功率约束p_E归一化后，第k个LED接入点分配给第i个用户的归一化功率，ξ_i为过渡变量，根据如下公式计算得到：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}\left(\frac{1}{N}\right(1+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\θ}}_i{p}_E})-\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}),$

其中N表示总用户数，表示第i个用户接收机噪声方差，它与接收机接收到的总光强有关，θ_i为所有接入点信道相关变量，根据如下公式计算得到：

${\mathrm{\θ}}_i=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_{ki}^2,$

其中M表示总的LED接入点数量，S_ki为第k个接入点信道相关变量，根据如下公式计算得到：

$S_{ki}=\frac{(m+1)A}{2{\mathrm{\πd}}_{ki}^2}{\cos }^m\left({\mathrm{\φ}}_{ki}\right)T_s\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right)g\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right)cos\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right),$

其中，φ_ki表示第k个LED接入点到第i个用户的光源辐射角，ψ_ki表示第k个LED接入点到第i个用户的光源入射角，T_s(·)表示光学滤波器增益函数，g(·)表示光学滤波器和聚光器增益函数，m表示光源辐射指数，A表示用户接收机接收面积，d_ki表示第k个LED接入点到第i个用户接收机的直射距离；

3)将所有的功率分配p_ki作为最优的功率分配解。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下的优点：

1.本优化功率分配方案可以使得无线光多用户通信系统在所有接入点总功率约束下容量最大化。由于以往均匀功率分配方案没有考虑各个用户所处位置的信道环境，而是对所有用户同等对待，不管每个用户的信噪比好坏都对每个用户分配相同的功率，这样信道环境好的用户就没有利用信道优势获取更多的信息，而信道环境差的用户却一直在接收错误信息而浪费功率资源，所以整个系统就没有充分利用无线光系统各个LED接入点的功率资源，最终导致系统容量表现一般，而本发明根据系统用户的信道环境的好坏来实时优化分配所有LED接入点的功率，给信道环境好的用户以及用户所处的LED接入点分配较多的功率，发送更多信息，而给信道环境差的用户以及所处的LED接入点分配较少的功率，这样系统就可以充分利用系统功率资源，从而使得系统容量最大化。

2.在所有LED接入点总功率约束场景下本优化算法无需迭代，可实时得到最优的功率分配结果。

3.在所有LED接入点总功率约束场景下本优化算法的核心思想就是对系统中有较好信道条件的用户可以获得更多的功率分配，但是本发明没有对系统中每个LED接入点的功率做约束，而是对他们的总功率做约束，所以在优化过程中离信道条件较好的用户较近的LED接入点也会占有总功率较多比例的功率，所以相比于每个LED接入点功率分别约束下，本发明在系统容量上会取得更优的性能。

附图说明

图1为基于CDMA的LED阵列无线光通信系统模型说明图。

图2为本发明优化算法流程图。

图3为无线光多用户通信系统测试环境说明图。

图4本发明方法在为每个LED接入点功率约束场景下对各个用户的功率分配分布图。

图5为不同输入功率约束下本发明的系统频谱效率性能和均匀功率分配方案下的性能对比示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，在无线光通信技术中，可以通过LED阵列方式来实现基于CDMA多用户通信。在多点多用户通信系统下，每个LED接入点可以由多个LED组成的LED阵列实现，引入多个D/A变换器主要是为了使得系统功率资源能够得到连续分配。如果CDMA系统每个码道是二进制调制，那么可以利用LED阵列系统中的每个LED使用OOK调制发送每个码道数据，最后通过光的空间合成产生基于CDMA扩频调制的多码道数据流，如果每个码道是多进制调制，那么可以给每个码道分配多个LED，最后同样可以利用光的空间合成产生多码道数据流。这种实现方案可以大大降低整个系统多用户叠加数据的峰均比，降低系统对功率放大器的线性度要求。本系统主要是利用光的空间合成原理，使得多用户多码道数据可以从电域上叠加转换到光域上叠加。本系统实现的调制方式都是基于DCO的调制，也即在用户调制数据上叠加一个直流电平使得信号非负。

如图2所示，本发明的无线光CDMA系统总功率约束下的多用户功率分配方法，包括以下步骤：

1)系统参数初始化：将所有LED接入点对所有用户的功率分配初始化为零；

2)如图3所示，考虑5m×5m×3m的室内空间，4个LED接入点为对称分布，4个用户位置分布随机产生。对所有LED接入点进行功率分配优化，也即解决下述优化问题：

并同时满足下述约束条件：

其中p_ie为接收总功率，可以根据如下公式计算得到：

$p_{ie}={\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{p_{ki}\·p_E}\frac{(m+1)A}{2{\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^m\right({\mathrm{\φ}}_{ki}\left)T_s\right({\mathrm{\ψ}}_{ki}\left)g\right({\mathrm{\ψ}}_{ki}\left)cos\right({\mathrm{\ψ}}_{ki}\left)\right)}^2,$

r(·)表示系统容量函数，可以通过拉格朗日乘数法解决此优化问题，拉格朗日乘数法是在数学最优化问题中最常用的求解变量受到条件约束的多元函数的极值的一种方法，他引入了一种新的标量未知数，即拉格朗日乘数，将一个有l个变量和t个约束条件的最优化问题转换为一个有l+t个变量的方程组的极值问题。引入拉格朗日乘数λ，可得到下述拉格朗日函数：

$f(p_{ki},\mathrm{\λ})=-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\log }_2(1+\frac{p_{ie}}{{\mathrm{\σ}}_i^2})-\mathrm{\λ}\·(1-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{p}_{ki})$

由KKT条件可得到：

$p_{ki}={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_i{\mathrm{\γ}}_i{S}_{ki}}{\sqrt{p_E}}\right)}^2---\left(1\right)$

，其中γ_i和β_i为过渡变量，可以通过如下公式计算得到：

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{{\mathrm{\β}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i\mathrm{\λ}},{\mathrm{\β}}_i=\frac{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{p_{ki}\·p_E}{S}_{ki}\right)/{\mathrm{\σ}}_i^2}{1+{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{p_{ki}\·p_E}{S}_{ki}\right)}^2/{\mathrm{\σ}}_i^2},$

再令ξ_i＝(γ_i)²，又则可将上述变量重新代入原优化问题可得到新的优化问题为：

并同时满足下述约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{p_E}{\mathrm{\ξ}}_i{\mathrm{\θ}}_i=1$

现在只需针对未知变量ξ_i解决此新的优化问题即可，再次引入拉格朗日乘数κ，可得到新的拉格朗日函数为：

$f({\mathrm{\ξ}}_i,\mathrm{\κ})=-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_i{\mathrm{\θ}}_i^2)-\mathrm{\κ}(1-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{p_E}{\mathrm{\ξ}}_i{\mathrm{\θ}}_i),$

则又KKT条件可得：

将其代入约束条件可得拉格朗日乘数κ满足：

再将其代入式(2)可得：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}\left(\frac{1}{N}\right(1+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\θ}}_i{p}_E})-\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i})$

根据式(1)，并将ξ_i代入式(1)，最终可得所有LED接入点优化的功率分配：

$p_{ki}=\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{p_E}{\mathrm{\ξ}}_i{S}_{ki}^2,$

其中p_ki为第k个LED接入点分配给第i个用户的归一化功率，

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}\left(\frac{1}{N}\right(1+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\θ}}_i{p}_E})-\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}),$

${\mathrm{\θ}}_i=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_{ki}^2,S_{ki}=\frac{(m+1)A}{2{\mathrm{\πd}}_{ki}^2}{\cos }^m\left({\mathrm{\φ}}_{ki}\right)T_s\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right)g\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right)cos\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right),$

3)将所有的功率分配p_ki作为最优的功率分配解。

如图4所示，经过本发明的功率分配后，在所有LED接入点总功率约束下，信道条件好的用户会获得较多的功率，并且相应的LED接入点也会占有较多的功率。

如图5所示，本发明的优化功率分配方法所取得的系统平均频谱效率性能要显著优于均匀功率分配方案，大大提升了系统功率资源利用效率。

Claims (1)

1.一种无线光CDMA系统总功率约束下的多用户功率分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)系统参数初始化：将所有LED接入点对所有用户的功率分配初始化为零；

2)根据下式，对所有LED接入点分别进行功率分配优化：

$p_{ki}=\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{p_E}{\mathrm{\ξ}}_i{S}_{ki}^2,$

其中p_E表示所有LED接入点的总功率约束，p_ki为经过总功率约束p_E归一化后，第k个LED接入点分配给第i个用户的归一化功率，ξ_i为过渡变量，根据如下公式计算得到：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}\left(\frac{1}{N}\right(1+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\θ}}_i{p}_E})-\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_i}),$

其中N表示总用户数，表示第i个用户接收机噪声方差，它与接收机接收到的总光强有关，θ_i为所有接入点信道相关变量，根据如下公式计算得到：

${\mathrm{\θ}}_i=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_{ki}^2,$

其中M表示总的LED接入点数量，S_ki为第k个接入点信道相关变量，根据如下公式计算得到：

$S_{ki}=\frac{(m+1)A}{2{\mathrm{\πd}}_{ki}^2}{\cos }^m\left({\mathrm{\φ}}_{ki}\right)T_s\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right)g\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right)cos\left({\mathrm{\ψ}}_{ki}\right),$

其中，φ_ki表示第k个LED接入点到第i个用户的光源辐射角，ψ_ki表示第k个LED接入点到第i个用户的光源入射角，T_s(·)表示光学滤波器增益函数，g(·)表示光学滤波器和聚光器增益函数，m表示光源辐射指数，A表示用户接收机接收面积，d_ki表示第k个LED接入点到第i个用户接收机的直射距离；

3)将所有的功率分配p_ki作为最优的功率分配解。