CN105099554A - 一种室内可见光通信中多用户收发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内可见光通信中多用户收发方法，针对室内可见光通信的特点，建立光功率约束下的多用户发送和接收算法，以抑制多用户干扰，提升系统的性能。本发明针对传统的无线电收发算法应用于可见光通信中存在的问题，建立了信号的光功率约束，该约束综合考虑了光信号非负性、LED非线性和照明稳定性等要求，在此基础上，提出了一种多用户收发方法，以最小化了用户的最大均方误差为目标，保证了系统的性能和用户间的通信公平性。仿真结果表明，本发明提出的收发方法比起基于伪逆的迫零收发算法，有效地提高了系统的误码性能。

Description

一种室内可见光通信中多用户收发方法

技术领域

本发明属于无线光通信领域，涉及一种适用于室内可见光通信系统中多用户收发方法。

背景技术

基于LED的可见光通信是一种重要的无线通信技术，具有保密性好、成本低、传输速率高、没有电磁辐射等诸多优点，已经引起了国内外学术界广泛的研究兴趣，可见光通信未来可以为人口密集区域，如机场、车站等，提供大容量、可靠的通信网络覆盖，且在一些无线电磁设备严苛的场合，如飞机、医院、矿场等，具有特别的应用优势。

可见光通信系统一般需要同时服务多个用户，由于用户可以接收多个LED发送的光信号，发送给某个特定用户的光信号会干扰其他用户的通信，从而导致多用户干扰，降低了通信系统的性能，因此，需要采用多用户收发方法来抑制不同用户间的干扰，提升系统的性能。在传统的无线电通信中，多用户收发方法已得到了深入的研究，但无法将这些技术直接推广至可见光通信中，因为可见光通信系统建立在LED照明系统基础上，可见光通信不能破坏系统原有的照明功能，而无线电通信中的多用户收发方法通常是建立在传统电功率约束下的方法，直接应用于可见光通信中无法保证室内照明的要求。

室内照明要求LED的亮度随时间保持恒定，由于人眼对光强高速变化的光线不敏感，只能感受到平均强度的变化，因此，照明亮度恒定要求LED发送的光信号的平均强度随时间保持不变。此外，由于LED是一种非线性器件，其输入电流与输出光强在有限范围内保持线性关系，因而，为防止LED非线性失真和潜在的发光效率的退化，需要发送的光信号满足LED线性动态范围的要求。以上LED照明和有限线性动态范围的要求说明可见光通信中多用户收发方法需满足特殊的光功率约束，而非传统意义上的电功率约束。综上所述，传统的无线电中的多用户收发方法无法直接推广至可见光通信，可见光通信需研究专门的多用户收发方法。

发明内容

技术问题：本发明主要针对现有的收发方法应用于室内可见光通信存在的问题，提出一种适用于室内可见光通信的多用户收发方法，以抑制多用户干扰，提升系统的性能，同时保证通信不影响室内照明。

技术方案：本发明的室内可见光通信中多用户收发方法，包括如下步骤：

步骤1：结合对以下室内可见光通信中多用户收发优化问题的求解，利用二分法获取最优预编码发送矩阵：

是否存在可行的W，同时满足下列条件：

$\left|\right|\begin{array}{c}{W}^T{h}_i\\ {\mathrm{\σ}}_i\end{array}|{|}_2\≤\sqrt{\frac{u^4}{u^2-\mathrm{\ϵ}}}{h}_i^T{w}_i,i=1,...,M,$

-d_k≤W^Te_k≤d_k,

1^Td_k≤min{P_k,P_max-P_k},k＝1,…N，

其中，M为用户的数目，N为LED的数目，W为预编码发送矩阵，(·)^T表示矩阵的转置操作，向量h_i表示LED发送阵列到第i个用户的信道增益，σ_i为第i个用户的接收机噪声的方差，向量w_i为预编码发送矩阵W的第i列，表示第i个用户的预编码发送向量，u为发送的脉冲幅度调制信号的方差，ε为正实数，向量d_k为引入的辅助优化变量，e_k表示第k个位置的元素为1、其它位置的元素为零的列向量，1为元素全部为1的列向量，P_k表示第k个LED的直流偏置量，P_max为LED的最大允许发光功率，min{}表示取最小值操作，所述室内可见光通信中多用户收发优化问题为二阶锥规划问题；

具体计算步骤如下：

a.设置ε取值范围[ε₁,ε₂]和计算精度η＞0，计算ε＝(ε₁+ε₂)/2；

其中ε₁、ε₂取值需满足：ε₁＞0和ε₂＞0，且ε取ε₁时，求解所述室内可见光通信中多用户收发优化问题的结果为不存在可行的预编码发送矩阵W，ε取ε₂时，求解所述室内可见光通信中多用户收发优化问题的结果为存在可行的预编码发送矩阵W；

b.采用cvx凸优化工具箱求解所述的室内可见光通信中多用户收发优化问题，判断是否存在可行的预编码发送矩阵W，当不存在可行的预编码发送矩阵W时，令ε_min＝ε，否则，令ε_max＝ε；

c.如果ε_max-ε_min＞η，则令ε＝(ε_max-ε_min)/2，返回步骤b，否则输出迭代运算中最后一次得到的可行的W作为最优预编码发送矩阵W^*，即W^*＝W；

步骤2：根据下式计算最优接收机参数

$c_i^{*}=\frac{u^2{h}_i^T{w}_i^{*}}{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{u}^2{\left(h_i^T{w}_j^{*}\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_i^2},$

其中，和分别为W^*的第i和j列；

步骤3：将第i个用户的脉冲幅度调制信号表示为s_i，其中s_i∈[-1，1]，其均值为零，根据下式计算第k个LED发出的光信号x_k：

$x_k=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{w}_{ki}^{*}{s}_i+P_k,k=1,...N,$

其中，为W^*中第k行第i列的元素；

然后将光信号x_k，k＝1,…N，输入到对应的LED，完成光信号的发送，在接收端，将第i个用户的接收到的光信号记为y_i，将输入到对应的解调器中，完成用户信息的接收。

进一步的，本发明方法中，所述步骤1中的室内可见光通信中多用户收发优化问题是在以下光功率约束基础上得到的：

-d_k≤W^Te_k≤d_k,

1^Td_k≤min{P_k,P_max-P_k},k＝1,…N.

其中，第k个LED上的直流偏置量P_k的值随时间保持恒定。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明方法充分地考虑了室内可见光通信的特点，收发方法建立在光功率约束基础上，光功率约束综合考虑了LED的线性工作区域和室内照的要求，因而，收发方法在抑制多用户干扰的同时，兼顾了室内照明的要求以及LED器件的发光特点，而现有的收发方法通常基于电功率约束，在设计过程中仅考虑能量损耗的问题，直接应用于可见光通信中会影响原有的照明功能，因此，本发明方法比起现有方法，更适合应用于室内可见光通信系统。

本发明方法以最小化用户的最大均方误差为优化目标，这一优化目标保证了不同用户具有相同的均方误差，因此，收发方法在提升系统性能的同时，可以保证不同用户间通信的公平性。

在本发明方法中，关于预编码发送矩阵的收发优化问题为拟凸的，可以借助二分法获得全局最优的预编码发送矩阵，最优接收机参数也可以通过闭式解求解。在最优预编码发送矩阵和最优接收机参数下，用户可以获得最小的均方误差，因此，本发明方法的性能为最优的，现有方法不是建立在全局最优解基础上，如基于伪逆的迫零预编码收发方法，其性能均差于本发明提出的收发方法。

附图说明

图1为室内多用户可见光通信系统示意图。

图2为室内可见光通信系统的多用户收发方法原理图。

图3为室内可见光通信系统的多用户收发方法的误码率曲线。

图4为室内可见光通信中用户在接收面的位置分布图。

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，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

本发明提出了一种适用于室内可见光通信系统的多用户收发方法，收发方法充分考虑了可见光通信的特点，保证了通信不影响原有的照明功能。图1给出了室内多用户可见光通信系统示意图，系统的发送阵列由位于天花板的9个照明LED构成，LED发送阵列同时服务多个位于接收面的用户，用户可以接收来自不同LED的光信号，因此，不同用户间存在通信干扰。

图2给出了室内可见光通信系统的多用户收发方法的原理图，系统在发送端首先采用预编码发送技术抑制多用户干扰，然后加入直流偏置获得非负性的信号，用户在接收端接收到光信号后检测获得最终的发送信息。下面结合多用户收发方法的原理图，给出本发明方法的具体实施过程，如下：

步骤1：求解室内可见光通信中多用户收发优化问题，获取最优预编码发送矩阵。

首先发送信号需满足LED的线性工作区域，将LED的线性发光区域记为[0，P_max]，其中P_max为LED的最大允许发光功率。则LED发送的光信号，记为x，应满足条件0≤x≤P_max。另外，根据照明亮度稳定性的要求，LED的平均光功率应随时间保持不变，记LED的平均光功率记为P_max，其中P_avg＝E(x)，因此，光信号x的均值应随时间保持不变。将预编码发送矩阵表示为W＝[w₁,…w_i,…w_M]，其中M表示用户的数目，w_i为W的第i列，表示第i个用户的预编码发送向量。用户均采用脉冲幅度调制，将发送给第i个用户的脉冲幅度调制符号记为s_i，其中E(x)＝0，同时将s_i规格化到范围[-1，1]中，s_i的方差表示为u，第k个LED发出的光信号表示为x_k，x_k可以计算为：

$x_k=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{w}_{ki}{s}_i+P_k,k=1,...N,---\left(1\right)$

其中N表示LED的数目，P_k表示第k个LED上的直流偏置量，w_ki为预编码发送矩阵W的第k行第i列个元素，由于s_i∈[-1,1]，则x_i的动态范围可以确定为因此，要使x_i要满足LED的线性发光区域，则x_i的动态范围应在[0，P_max]，因而收发方法满足的光功率约束为：

$\left|\right|W^T{e}_k|{|}_1=|\left|w_k\right|{|}_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|w_{ki}\right|\≤min\{P_k,P_{\max }-P_k\},k=1,...,N,---\left(2\right)$

其中||·||₁表示向量的L1范数，e_k为第k个位置为1，其它位置为零的列向量，根据L1范数的性质，所述的光功率约束可以等价地表示为：

-d_k≤W^Te_kd_k，

(3)

1^Td_k≤min{P_k，P_max-P_k}，k＝1，...，N.

其中向量d_k为引入的辅助优化变量，1为元素全部为1的列向量，同时根据LED照明亮度稳定性的要求，由于直流偏置量P_k需随时间保持恒定。

将第i个用户接收到的光信号表示为y_i，y_i计算为其中，n_i表示第i个用户接收端的噪声，向量h_i＝[h_i1,…h_ik…h_iN]^T表示LED发送阵列到第i个用户的信道增益，h_ik表示第k个LED到第i个用户的信道增益，用户接收到的信号与原始发送信号的均方误差可以计算为

${\mathrm{MSE}}_i=E\left\{{(c_i{y}_i-s_i)}^2\right\}=c_i^2\[\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(h_i^T{w}_j\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_i^2\]-2c_i{h}_i^T{w}_i+1,---\left(4\right)$

其中c_i为接收机参数，h_i和σ_i等参数的值由接收端反馈给发送端。在光功率约束的基础上，以最小化用户的最大均方误差为准则，可将多用户收发的优化问题描述为：选择c_i和W，使得MSE_i到达最小，其中W满足(3)所述的光功率约束，MSE_i表示所有用户中最大的均方误差。根据所述的(4)中用户的均方误差是关于c_i的二次函数，因此，要使用户的均方误差达到最小，最优接收机参数需满足下列等式：

$c_i^{*}=\frac{h_i^T{w}_i}{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(h_i^T{w}_j\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_i^2},---\left(5\right)$

将最优接收机参数代入所述的均方误差中，获得最优接收机参数下的均方误差，表示为

${\stackrel{\‾}{MSE}}_i=1-\frac{{\left(h_k^T{w}_k\right)}^2}{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{\left(h_k^T{w}_j\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_k^2},---\left(6\right)$

其中表示最优接收机参数下的第i个用户的均方误差，所述的多用户收发优化问题可以重新表述为：

选择W，使得达到最小，W满足下列条件：

-d_k≤W^Te_k≤d_k，(7)

1^Td_k≤P,k＝1,…,N。

所述(7)中的多用户收发优化问题为拟凸的，可以采用二分法结合下列二阶锥规划形式的收发优化问题进行求解：

是否存在可行的W，满足下列条件：

$\left|\right|\begin{array}{c}{W}^T{h}_i\\ {\mathrm{\σ}}_i\end{array}|{|}_2\≤\sqrt{\frac{u^4}{u^2-\mathrm{\ϵ}}}{h}_i^T{w}_i,i=1,...,M,---\left(8\right)$

-d_k≤W^Te_k≤d_k，

1^Td_k≤min{P_k,P_max-P_k},k＝1,…N。

具体计算步骤如下：a.设置ε取值范围[ε₁,ε₂]和计算精度η＞0，计算ε＝(ε₁+ε₂)/2；

其中ε₁、ε₂取值需满足：ε₁＞0和ε₂＞0，且ε取ε₁时，求解所述室内可见光通信中多用户收发优化问题的结果为不存在可行的预编码发送矩阵W，ε取ε₂时，求解所述室内可见光通信中多用户收发优化问题的结果为存在可行的预编码发送矩阵W；

b.采用cvx凸优化工具箱求解所述的室内可见光通信中多用户收发优化问题，判断是否存在可行的预编码发送矩阵W，其中，cvx凸优化工具箱是由斯坦福大学的StephenBoyd教授开发的基于Matlab的凸优化建模系统。当不存在可行的预编码发送矩阵W时，令ε_min＝ε，否则，令ε_max＝ε；

c.如果ε_max-ε_min＞η，则令ε＝(ε_max-ε_min)/2，返回步骤b，否则输出迭代运算中最后一次得到的可行的W作为最优预编码发送矩阵W^*，即W^*＝W；

由于在求解过程中设置了ε取值范围为[ε₁,ε₂]，且ε＝ε₂时，收发优化问题存在可行的W，因此，在计算精度η足够小的情况下，上述迭代运算最后总是可以输出可行的W。

步骤2：根据最优预编码发送矩阵W^*和所述(5)中的最优接收机参数满足的等式，可以计算为：

$c_i^{*}=\frac{u^2{h}_i^T{w}_i^{*}}{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{u}^2{\left(h_i^T{w}_j^{*}\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_i^2},---\left(9\right)$

其中，和分别为W^*的第i和j列。

步骤3：将第i个用户的脉冲幅度调制信号表示为s_i，其中s_i∈[-1，1]，其均值为零，将第k个LED发出的光信号表示x_k，x_k根据下式计算：

$x_k=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{w}_{ki}^{*}{s}_i+P_k,k=1,...N,---\left(10\right)$

其中，为W^*中第k行第i列的元素；

然后将光信号x_k，k＝1,…N，输入到相应的N个LED，完成光信号的发送，在接收端，将第i个用户的接收到的光信号记为y_i，将输入到相应的解调器中，完成用户信息的接收。

图3给出了N＝9和M＝8的室内多用户可见光通信系统的收发方法的误码性能仿真图，其中8个用户在接收面的坐标位置如图4所示。从仿真结果可以得出，本发明给出的收发方法充分地抑制了多用户干扰，其误码性能随着平均光强的增大而提高，与传统的基于伪逆的迫零收发方法相比，本发明方法有效地提升了系统的误码性能。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种室内可见光通信中多用户收发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：结合对以下室内可见光通信中多用户收发优化问题的求解，利用二分法获取最优预编码发送矩阵：

是否存在可行的W，同时满足下列条件：

$\left|{|}_{{\mathrm{\σ}}_i}^{W^T{h}_i}\right|{|}_2\≤\sqrt{\frac{u^4}{u^2-\mathrm{\ϵ}}}{h}_i^T{w}_i,i=1,...,M,$

-d_k≤W^Te_k≤d_k,

1^Td_k≤min{P_k,P_max-P_k},k＝1,…N，

其中，M为用户的数目，N为LED的数目，W为预编码发送矩阵，(·)^T表示矩阵的转置操作，向量h_i表示LED发送阵列到第i个用户的信道增益，σ_i为第i个用户的接收机噪声的方差，向量w_i为预编码发送矩阵W的第i列，表示第i个用户的预编码发送向量，u为发送的脉冲幅度调制信号的方差，ε为正实数，向量d_k为引入的辅助优化变量，e_k表示第k个位置的元素为1、其它位置的元素为零的列向量，1为元素全部为1的列向量，P_k表示第k个LED的直流偏置量，P_max为LED的最大允许发光功率，min{}表示取最小值操作，所述室内可见光通信中多用户收发优化问题为二阶锥规划问题；

具体计算步骤如下：

a.设置ε取值范围[ε₁,ε₂]和计算精度η＞0，计算ε＝(ε₁+ε₂)/2；

其中ε₁、ε₂取值需满足：ε₁＞0和ε₂＞0，且ε取ε₁时，求解所述室内可见光通信中多用户收发优化问题的结果为不存在可行的预编码发送矩阵W，ε取ε₂时，求解所述室内可见光通信中多用户收发优化问题的结果为存在可行的预编码发送矩阵W；

b.采用cvx凸优化工具箱求解所述的室内可见光通信中多用户收发优化问题，判断是否存在可行的预编码发送矩阵W，当不存在可行的预编码发送矩阵W时，令ε_min＝ε，否则，令ε_max＝ε；

c.如果ε_max-ε_min＞η，则令ε＝(ε_max-ε_min)/2，返回步骤b，否则输出迭代运算中最后一次得到的可行的W作为最优预编码发送矩阵W^*，即W^*＝W；

步骤2：根据下式计算最优接收机参数

$c_i^{*}=\frac{u^2{h}_i^T{w}_i^{*}}{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{u}^2{\left(h_i^T{w}_j^{*}\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_i^2},$

其中，和分别为W^*的第i和j列；

步骤3：将第i个用户的脉冲幅度调制信号表示为s_i，其中s_i∈[-1，1]，其均值为零，根据下式计算第k个LED发出的光信号x_k：

$x_k=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{w}_{ki}^{*}{s}_i+P_k,k=1,...N,$

其中，为W^*中第k行第i列的元素；

然后将光信号x_k，k＝1,…N，输入到对应的LED，完成光信号的发送，在接收端，将第i个用户的接收到的光信号记为y_i，将输入到对应的解调器中，完成用户信息的接收。

2.根据权利要求1中所述的一种室内可见光通信中多用户收发方法，其特征在于，所述步骤1中的室内可见光通信中多用户收发优化问题是在以下光功率约束基础上得到的：

-d_k≤W^Te_k≤d_k,

1^Td_k≤min{P_k,P_max-P_k},k＝1,…N.

其中，第k个LED上的直流偏置量P_k的值随时间保持恒定。