CN105119698B

CN105119698B - 非平坦信道下dco‑ofdm直流偏置和功率联合优化方法

Info

Publication number: CN105119698B
Application number: CN201510582818.3A
Authority: CN
Inventors: 王家恒; 凌昕彤; 梁霄; 赵春明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2035-09-14
Also published as: CN105119698A

Abstract

本发明公开了一种非平坦信道下可见光通信DCO‑OFDM系统的直流偏置和子载波功率联合优化方法。优化设计的目的是在一定的光功率限制或电功率限制下通过调节直流偏置和子载波功率最大化系统数据速率。所述方法包括：（1）初始化信道参数、限制条件、初始子载波功率分配等相关参数；（2）固定子载波功率分配，优化直流偏置大小和有效功率；（3）固定直流偏置大小和有效功率，优化子载波功率；（4）反复执行步骤（2）和（3）直至收敛，输出最终直流偏置大小和子载波功率。本发明可以在光功率受限，电功率受限等多种情况下，精确得到最佳的直流偏置大小和子载波功率分配方案，并且优化方法收敛速度快，易于实现，结果精度高等优点。

Description

非平坦信道下DCO-OFDM直流偏置和功率联合优化方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，具体而言涉及一种一般的非平坦可见光信道下DCO-OFDM(Direct-Current-Biased Optical Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)通信系统直流偏置和子载波功率的联合优化方法。

背景技术

可见光通信(VLC)是一种新兴的接入技术，兼顾了照明和通信，能满足高速数据业务，拥有包括成本低廉，绿色安全，保密性好，易于实现，电磁兼容性好在内的众多优势。和传统射频无线通信不同的是，可见光通信使用强度调制直接检测(IM/DD)，即发射端用光强表示信号幅度，接收端检测光强来收取信号。发射端通过LED将电信号转变为光信号，通过信道传播后，在接收端通过光电二极管将光信号转换为电信号，用于解调电路处理。由于发送信号载体为光强，因而要求发送信号必须是非负实数。

为了达到更高的速率，目前可见光系统使用越来越宽的频带。在实际系统中由于光器件的特性，信道一般不平坦，具有明显的低通特性。在单载波通信系统中信道均衡需要巨大的计算量，实现成本高。因而大量宽带可见光通信系统采用正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)作为有效解决方案。将多载波技术和可见光通信技术相结合，使其兼备了可见光通信和多载波技术的优势，是一种具有较高研究意义和实用价值的技术。但是由于发送信号必须为非负实数，传统射频中的多载波技术需要改进才能应用到可见光通信领域。直流偏置正交频分复用多载波技术(Direct-Current-Biased Optical OFDM，简称DCO-OFDM)作为诸多改良方案中的一种，相比于其他方案具有频谱效率高的优势。DCO-OFDM在发送信号上叠加了直流分量，将叠加后仍小于零的部分削去，从而使得双极性信号变成了单极性信号，以满足可见光通信中信号非负性的条件。

在DCO-OFDM系统中，直流偏置可以调节，但并不传输信号。过大的直流偏置会浪费能量；而过小会导致信号严重畸变。因而存在一个最合适的直流偏置。考虑到可见光通信系统常常工作在非平坦信道下，发明提出了一种适用于一般非平坦可见光信道的直流偏置B_dc和子载波功率{p_k}联合优化方法。优化后的系统性能大大提升。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于一般非平坦信道下的可见光通信中DCO-OFDM系统直流偏置和子载波功率联合优化方法，能够给出最大化系统速率的直流偏置和子载波功率。

技术方案：为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种非平坦信道下DCO-OFDM直流偏置和功率联合优化方法，其中，DCO-OFDM系统共有2K个子载波，该方法包括以下步骤：

(1)设置优化方法初始参数值，包括信道参数、最大光功率或电功率、初始子载波功率分配最大允许误差和初始迭代次数n＝1；

(2)固定子载波功率分配以系统数据速率最大为目标优化直流偏置大小和有效功率

(3)固定直流偏置大小和有效功率优化子载波功率

(4)反复执行步骤(2)和(3)直至两次迭代计算得到的系统数据速率差值在最大允许误差范围之内，最后输出直流偏置大小和子载波功率

进一步地，所述步骤(2)中，具体包括：

(2.1)为各子载波建立系统功率限制条件相关方程，记为f_k(x)＝0，并分别求解方程得到根x_k，(k＝1,...,K-1)；

(2.2)根据公式和(j＝1,...K-2)，计算得到中间变量B_U(j)和B_L(j)，其中SNDR_k(x)是第k个信道的功率噪声畸变比，κ是与系统所要求误比特率、调制方式和编码有关的参数；

(2.3)找到所有满足B_U(j)＞0和B_L(j)＜0的元素j构成集合θ＝{j₁,j₂,....,j_M}，对于每个元素j∈θ，分别在区间[x_j,x_j+1]中使用线性搜索法找到使得系统数据速率最大的y_j；

(2.4)令集合θ中对应速率最大的y_j等于即并根据求得的计算本轮迭代的最优有效功率和最优直流偏置进一步地，所述步骤(2.4)中计算最优有效功率的公式为：在光功率限制下，在电功率限制下，

计算最优直流偏置的公式为：

其中，P_o,max为最大光功率，P_e,max为最大电功率，p_o(x)＝g(x)-xQ(x)，p_e(x)＝-xg(x)+(1+x²)Q(x)，Q(x)和g(x)分别为Q函数和正态分布的概率密度函数。

进一步地，所述步骤(2.1)中求解方程f_k(x)＝0的根x_k具体包括：

(2.1.1)设置计算精度ε,初始化迭代次数n＝0，方程根的迭代初始值

(2.1.2)根据公式更新方程根；

(2.1.3)如果则否则，令n＝n+1，进入步骤(2.1.2)。

进一步地，所述步骤(3)中，具体包括：

(3.1)根据公式计算得到中间变量q_k，并令q_K＝+∞；

(3.2)找到包含1的区间[q_Q-1,q_Q]，输出正数Q，Q≥1；

(3.3)计算注水平面

(3.4)计算归一化子载波功率其中(·)⁺＝max{0,·}。

进一步地，所述步骤(2.1)中f_k(x)的表达式为：在光功率限制下，其中P_o,max为系统最大光功率，H_k为第k个子信道系数，为噪声功率；在电功率限制下，其中P_e,max为系统最大电功率，Q(x)和g(x)分别为Q函数和正态分布的概率密度函数。

有益效果：相比与现有技术，本发明方法的具有如下优点：

1)本优化方法用于联合优化直流偏置大小B_dc和每个子载波功率大小{p_k}，并且考虑多种实际中可能出现的情况，包括光功率限制和电功率限制的情况。因而本发明具有非常强的实用价值。

2)本发明的优化方法通过对DCO-OFDM系统及其中的非线性过程建模，抽象出该问题的数学形式。该问题是一个复杂的高度非线性的非凸优化问题，可能存在多个局部极大值。本发明基于对该问题的等价变换给出了具体算法，能够得到精确的最优解。

3)而本优化方法不需要额外改变系统硬件等外部条件，仅通过简单的计算，就能大大提升系统性能。采用本优化方法得到的直流偏置大小B_dc和子载波功率大小{p_k}能够最大化系统的数据速率。

4)当系统的最大光功率受限时，优化后的系统光强能够保持恒定，可以兼顾照明。

5)本发明优化方法收敛速度快，易于实现，结果精度高。

附图说明

图1为DCO-OFDM系统的发射器框图。

图2为DCO-OFDM系统的接收器框图。

图3为本发明方法的简易流程图。

图4为在误比特率为10^-5时光功率受限的优化系统与未优化系统的数据速率对比示意图。可以看到优化后系统的数据速率高于未优化的系统。

图5为在误比特率为10^-5时电功率受限的优化系统与未优化系统的数据速率对比示意图。可以看到优化后系统的数据速率高于未优化的系统。

具体实施方式

为了更清楚了解本发明的技术内容，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明。

图1为本发明实施例中的DCO-OFDM系统的发射器框图，如图1所示，DCO-OFDM发射机工作过程如下：DCO-OFDM系统共有2K个子载波，每个子载波调制并且进行功率分配得到符号S_k，每个子载波上功率为p_k＝E[|S_k|²]。由于光通信要求输出信号为实数，因而信号需要满足和S₀＝S_K＝0。由于带来的对称性，只考虑子载波k＝1,...,K-1的功率。经过快速离散傅立叶反变换(IFFT)得到时域信号s_n。然后在时域信号s_n上叠加大小为B_dc的直流分量得到s_dc,n＝s_n+B_dc，并将信号叠加直流分量后仍然小于零的部分削去以满足非负性要求，即s_clip,n＝s_clip,nu(s_clip,n)，其中u(·)是单位阶跃函数。最后，数字信号s_clip,n通过数字模拟转化器(D/A)和LED得到信号s_dc(t)。而s_dc(t)的光功率和电功率都是受限的。认为输出信道的光功率大小为P_o＝E[s_dc(t)]，电功率大小为而实际中由于受硬件，能量效率和人眼安全等限制，光功率和电功率都受限，即P_o＝E[s_dc(t)]≤P_o,max和

图2为本发明实施例中的DCO-OFDM系统的接收器框图，如图2所示，DCO-OFDM接收机工作过程如下：接收到的光信号通过光电二极管(Photodiode,简称PD)和低噪声放大器(LNA)得到电信号。将信道中所有噪声等效到低噪放之后，记作n(t)，认为n(t)是方差为的高斯随机过程。通过抗混叠滤波器和模拟数字转化器(A/D)得到数字信号。接着，通过快速离散傅立叶变换(FFT)得到每个子载波上的信号。结合发射端每个子载波功率大小，直流偏置大小和信道系数，通过单载波均衡技术将每个子载波的符号解调得到接收比特。

下面结合上述给定的具体参数对本发明实施例公开的一种非平坦信道下DCO-OFDM直流偏置和功率联合优化方法作进一步说明。分别将常用的Q函数和正态分布的概率密度函数记作：和

对于可见光通信系统中光功率限制的情况，如图3所示，本发明方法的具体实施步骤如下：

(1)初始化参数，主要包括：已知信道{H_k}，最大光功率P_o,max，信道噪声第k个子载波的光信噪比为初始子载波功率分配初始迭代次数n＝1，最大允许误差为ε_max；

(2)固定子载波功率分配优化直流偏置大小和有效功率主要步骤包括：

a)建立方程f_k(x)＝0，求解方程根x_k，(k＝1,...,K-1)，f_k(x)为与系统功率限制条件相关的函数，此时(即在光功率限制下)

b)计算和(j＝1,...K-2)，其中κ是与系统所要求误比特率、调制方式和编码有关的参数，SNDR_k(x)是第k个信道的功率噪声畸变比，此时

c)找到所有满足B_U(j)＞0和B_L(j)＜0的元素j构成集合θ＝{j₁,j₂,....,j_M}，对于每个元素j∈θ，分别在区间[x_j,x_j+1]中使用线性搜索法找到使得系统数据速率最大的y_j；

d)令集合θ中对应速率最大的y_j等于即输出最优有效功率和最优直流偏置

(3)固定直流偏置大小和有效功率优化子载波功率主要步骤包括：

a)定义中间变量并令q_K＝+∞；

b)找到包含1的区间[q_Q-1,q_Q]，输出正数Q≥1；

c)计算注水平面

d)计算归一化子载波功率其中(·)⁺＝max{0,·}。

(4)若则令n＝n+1，继续调回步骤(2)；反之，则认为系统数据速率收敛，停止迭代，输出直流偏置大小和子载波功率

算法中，p_clip(x)＝(1+x²)Q(x)-(1+x²)Q²(x)+2xg(x)Q(x)-xg(x)-g²(x)，κ的取值取决于具体场景，对于编码系统κ＝1，对于使用矩形QAM调制的未编码系统κ＝-1.5/log(5BER)，其中BER是系统要求达到的误比特率。

对于电功率受限的情况，系统最大容忍电功率为P_e,max。只需要将上述算法进行如下改动即可。第k个子载波的电信噪比为步骤(2)中d)输出的最优子载波功率

图4和图5分别反映了在误比特率为10^-5下仅存在光功率和仅存在电功率限制下最佳直流偏置相对于固定直流偏置的系统性能。仿真信道采用实测信道。从图中可以看到优化后系统的数据速率均高于未优化的系统。由于在高信噪比下，最佳子载波功率分配会趋于平均功率分配，因而在图中可以看到高信噪比时，两者性能接近，但是在低信噪比下，最佳功率分配仍具有优势。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种非平坦信道下DCO-OFDM直流偏置和功率联合优化方法，其中，DCO-OFDM系统共有2K个子载波，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(3)固定直流偏置大小和有效功率优化子载波功率

所述步骤(2)中，具体包括：

(2.1)为各子载波建立系统功率限制条件相关方程，记为f_k(x)＝0，并分别求解方程得到根x_k，k＝1,...,K-1；

(2.2)根据公式和j＝1,...K-2，计算得到中间变量B_U(j)和B_L(j)，其中SNDR_k(x)是第k个信道的功率噪声畸变比，κ是与系统所要求误比特率、调制方式和编码有关的参数；

(2.3)找到所有满足B_U(j)＞0和B_L(j)＜0的元素j构成θ＝{j₁,j₂,....,j_M}，对于每个元素j∈θ，分别在区间[x_j,x_j+1]中使用线性搜索法找到使得系统数据速率最大的y_j；

(2.4)令集合θ中对应速率最大的y_j等于即并根据求得的计算本轮迭代的最优有效功率和最优直流偏置

其中，中计算最优有效功率的公式为：在光功率限制下，在电功率限制下，

计算最优直流偏置的公式为：

2.根据权利要求1所述的直流偏置和功率联合优化方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中求解方程f_k(x)＝0的根x_k具体包括：

(2.1.2)根据公式更新方程根；

(2.1.3)如果则否则，令n＝n+1，进入步骤(2.1.2)。

3.根据权利要求1所述的直流偏置和功率联合优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中，具体包括：

(3.1)根据公式计算得到中间变量q_k，并令q_K＝+∞；

(3.2)找到包含1的区间[q_Q-1,q_Q]，输出正数Q，Q≥1；

(3.3)计算注水平面

(3.4)计算归一化子载波功率其中(·)⁺＝max{0,·}。

4.根据权利要求1所述的直流偏置和功率联合优化方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中f_k(x)的表达式为：在光功率限制下，其中P_o,max为系统最大光功率，H_k为第k个子信道系数，为噪声功率；在电功率限制下，其中P_e,max为系统最大电功率，Q(x)和g(x)分别为Q函数和正态分布的概率密度函数。

5.根据权利要求1所述的直流偏置和功率联合优化方法，其特征在于，对于编码系统κ＝1，对于使用矩形QAM调制的未编码系统κ＝-1.5/log(5BER)，其中BER是系统要求达到的误比特率。

6.根据权利要求4所述的直流偏置和功率联合优化方法，其特征在于，SNDR_k(x)表达式如下：在光功率限制下，在电功率限制下，其中

p_clip(x)＝(1+x²)Q(x)-(1+x²)Q²(x)+2xg(x)Q(x)-xg(x)-g²(x)，

p_o(x)＝g(x)-xQ(x)，p_e(x)＝-xg(x)+(1+x²)Q(x)。