CN106027146B - 一种dco-ofdm直流偏置和子载波功率的优化方法 - Google Patents

一种dco-ofdm直流偏置和子载波功率的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种DCO‑OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，适用于非平坦信道，该方法针对非平坦信道下DCO‑OFDM的三种受限情况：光功率受限、电功率受限及光功率和电功率均受限，分别提出一个与直流偏置和子载波有效功率相关的中间变量；根据中间变量得到优化的直流偏置和子载波有效功率，之后通过优化的直流偏置和子载波有效功率进一步优化归一化子载波功率，形成迭代模型。根据非平坦信道下DCO‑OFDM系统要求的通信质量设置最大迭代次数N，满足最大迭代次数时终止迭代过程，得到最优直流偏置和最优子载波功率。本发明能够在减少运算量的前提下，得到非常接近全局最优算法优化后的DCO‑OFDM性能，且能适用于多种受限情况，实用性较高。

Description

一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，尤其是一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，该方法适用于非平坦信道。
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的频带越来越宽。而由于实际光电器件的特性，信道往往不平坦，一般具有明显的低通特性。在单载波通信系统中，接收端的信道均衡需要巨大的计算量，实现成本较高。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OFDM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。
在非平坦信道下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，导致系统功率利用率降低；而过小会导致信号严重畸变。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法。
技术方案：本发明提出的技术方案为：一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，该方法适用于非平坦信道，包括以下步骤：
步骤1：根据非平坦信道下DCO-OFDM系统要求的通信质量设置最大迭代次数N；设子载波总数为2K，归一化子载波功率为其中k＝[1，2，...，K]，n＝1；
步骤2：求解归一化子载波功率对应的最优直流偏置和最优有效功率
步骤3：根据步骤2中得到的最优直流偏置和最优有效功率优化归一化子载波功率，得到优化后的归一化子载波功率令n＝n+1，判断n＞N是否成立；若判断结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率并根据得到子载波功率为：
若判断结果为否，则返回步骤(2)。
进一步的，所述步骤2中求解归一化子载波功率对应的最优直流偏置和最优有效功率的方法为：
(2-1)判断非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率受限、电功率受限还是电功率和光功率均受限，根据判断结果定义一个中间变量y＝x-f(x)/f′(x)并构建迭代模型，所述迭代模型的迭代步骤为：
(a)计算y＝x-f(x)/f′(x)；
(b)令x＝0，求取x＝0时y的值；给定计算精度ε，计算|y-x|，如果|y-x|＜ε，进入步骤(d)，否则，进入步骤(c)；
(c)令x＝y，返回步骤(a)；
(d)输出y；
(2-2)根据y计算最优直流偏置和最优有效功率
进一步的，根据步骤(2-1)的判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的方法为：
(3-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率受限，则获取DCO-OFDM的最大光功率Po，max，并令：
其中，γo，A为非平坦信道下DCO-OFDM在光功率受限情况下的有效光信噪比，m为有效子载波数，为DCO-OFDM噪声功率，{Hk}为DCO-OFDM信道系数，g(x)为正态分布函数：Q(x)为Q函数：
(3-2)将代入y＝x-f(x)/f′(x)进行迭代并输出y；
(3-3)根据步骤(3-2)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
其中，po(x)＝g(x)-xQ(x)。
进一步的，根据步骤(2-1)的判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的方法为：
(4-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于电功率受限，则获取非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受限时的最大电功率Pe，max，并令
其中，γe，A为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受 限情况下的有效电信噪比，m为有效子载波数，为DCO-OFDM噪声功率，{Hk}为DCO-OFDM信 道系数，g(x)为正态分布函数：Q(x)为Q函数：
(4-2)将代入y＝x-f(x)/f′(x)进行迭代并输出y；
(4-3)根据步骤(4-3)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
其中，pe(x)＝-xg(x)+(1+x2)Q(x)。
进一步的，根据步骤(2-1)的判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的方法为：
(5-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率和电功率均受限，则获取非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限时的最大光功率和最大电功率
(5-2)令
其中，γo，eo为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限情况下的有效光信噪比；m为有效子载波数，为DCO-OFDM噪声功率，{Hk}为DCO-OFDM信道系数，g(x)为正态分布函数：Q(x)为Q函数：
将代入y＝x-f(x)/f′(x)进行迭代并输出y，令
(5-3)令
其中，γe，eo为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限情况下的有效电信噪比；
将代入y＝x-f(x)/f′(x)进行迭代并输出y，令
(5-4)计算yint＝argxfeo(x)＝0，其中，
po(x)＝g(x)-xQ(x)
pe(x)＝-xg(x)+(1+x2)Q(x)
根据yint、和得到光功率和电功率均受限情况下迭代模型的输出变量y为：
(5-5)根据步骤(5-4)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
优选的，所述步骤3中根据步骤2中得到的最优直流偏置和最优有效功率优化归一化子载波功率的方法为：注水功率分配法或等功率分配法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明能够快速计算出最优直流偏置和每个子载波功率大小，并且考虑多种实际中可能出现的情况，包括：仅存在光功率限制，仅存在电功率限制和两者同时存在的情况，因而本发明具有较强的实用价值。
2、本发明通过对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和合理近似，设计了相应的算法大大减小了计算量，而系统性能接近最优。
3、本发明不需要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。采用本快速优化算法得到的直流偏置大小和子载波功率大小能够达到接近于采用全局最优解的性能。
附图说明
图1为实施例中DCO-OFDM系统的发射器框图；
图2为实施例中DCO-OFDM系统的接收器框图；
图3为在误比特率为10-5、光功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算法(暴力搜索)以及未优化系统的数据速率对比示意图；
图4为在误比特率为10-5、电功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算法(暴力搜索)以及未优化系统的数据速率对比示意图；
图5为在误比特率为10-5、光功率和电功率同时受限的情况下，发明提供的方法与全局最优算法(暴力搜索)以及未优化系统的数据速率对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例：图1为DCO-OFDM系统的发射器框图。设本实施例中DCO-OFDM系统中子载波总数为2K，归一化子载波功率的初始值为{μk}，设第k个子载波通过本发明所提供的方法进行调制并且进行功率分配得到符号Sk，该子载波上功率为E[|Sk|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＝SK＝0。由于带来的对称性，所以在本实施例中只考虑子载波Sk，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sn。然后在时域信号sn上叠加大小为Bdc的直流分量得到sdc，n＝sn+Bdc，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sclip，n＝sclip，nu(sclip，n)，其中u(sclip，n)是单位阶跃函数。最后，数字信号sclip，n通过数字模拟转化器(D/A)和LED得到信号sdc(t)。而sdc(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Po＝E[sdc(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Po＝E[sdc(t)]≤Po，max和
图2所示为DCO-OFDM系统的接收器框图。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，即为非平坦信道下DCO-OFDM系统的噪声功率。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。
下面结合上述较优实施例和给定具体参数对本发明作进一步说明。
(一)以可见光通信系统中较常见的光功率受限为例，以系统速率最大化为目标，计算最优的直流偏置Bdc (n)和子载波功率
具体实施步骤如下：
(1)参数设置：根据非平坦信道下DCO-OFDM系统要求的通信质量设置最大迭代次数N；归一化子载波功率为其中k＝[1，2，...，K]，n＝1；获取DCO-OFDM系统在光功率受限时的最大光功率Po，max，系统的噪声功率定义标准正态分布函数和中间传递函数
(2)计算y＝x-f(x)/f′(x)，其中，
式中，γo，A为非平坦信道下DCO-OFDM在光功率受限情况下的有效光信噪比；
(3)令x＝0，求取x＝0时y的值；给定计算精度ε，计算|y-x|，如果|y-x|＜ε，进入步骤(5)，否则，进入步骤(4)；
(4)令x＝y，返回步骤(2)；
(5)输出y，并根据y计算最优直流偏置和最优有效功率
其中，po(x)＝g(x)-xQ(x)。
(6)根据步骤(5)中得到的最优直流偏置和最优有效功率通过注水功率分配法或等功率分配法优化归一化子载波功率，得到优化后的归一化子载波功率令n＝n+1，判断n＞N是否成立；若判断结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率并根据得到子载波功率为：
若判断结果为否，则返回步骤(2)。
图3为在误比特率为10-5、光功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算法(暴力搜索)以及未优化系统的数据速率对比示意图。可以得知，在光功率受限的情况下，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的数据速率明显高于未优化的系统，优化后的系统性能非常接近于全局最优算法。而使用暴力搜索等算法得到的全局最优解，其计算量远远大于本发明所提出的方法。
(二)以可见光通信系统中较电功率受限为例，以系统速率最大化为目标，计算最优直流偏置和子载波功率
具体实施步骤如下：
(1)获取非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受限时的最大电功率Pe，max；
(2)计算y＝x-f(x)/f′(x)，其中，
式中，γe，A为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受限情况下的有效电信噪比；
(3)令x＝0，求取x＝0时y的值；给定计算精度ε，计算|y-x|，如果|y-x|＜ε，进入步骤(5)，否则，进入步骤(4)；
(4)令x＝y，返回步骤(2)；
(5)输出y，并根据y计算最优直流偏置和最优有效功率
其中，pe(x)＝-xg(x)+(1+x2)Q(x)。
(6)利用步骤(5)求出的最优直流偏置和最优有效功率通过注水功率分配法或等功率分配法优化归一化子载波功率得到优化后的归一化子载波功率令n＝n+1，判断n＞N是否成立；若判断结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率并根据得到子载波功率为：
若判断结果为否，则返回步骤(2)。
图4为在误比特率为10-5、电功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算法(暴力搜索)以及未优化系统的数据速率对比示意图。在电功率受限的情况下，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的数据速率明显高于未优化的系统，优化后的系统性能非常接近于全局最优算法。
(三)以可见光通信系统中电功率和光功率均受限为例，以系统速率最大化为目标，计算最优直流偏置Bdc (n)和子载波功率
具体步骤为：
(1)获取非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限时的最大光功率和最大电功率
(2)计算y＝x-f(x)/f′(x)，其中，
式中，γo，eo为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限情况下的有效光信噪比；
令x＝0，求取x＝0时y的值；给定计算精度ε，计算|y-x|，如果|y-x|＜ε，输出y，并令否则，令x＝y，带入y＝x-f(x)/f′(x)进行下一轮计算；
(3)令
其中，γe，eo为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限情况下的有效电信噪比；
令x＝0，求取x＝0时y的值；给定计算精度ε，计算|y-x|，如果|y-x|＜ε，输出y，并令否则，令x＝y，带入y＝x-f(x)/f′(x)进行下一轮计算；
(4)计算yint＝argxfeo(x)＝0，其中，
po(x)＝g(x)-xQ(x)
pe(x)＝-xg(x)+(1+x2)Q(x)
根据yint、和得到光功率和电功率均受限情况下迭代模型的输出变量y为：
(5)根据步骤(4)得到的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
(6)利用步骤(5)求出的最优直流偏置和最优有效功率通过注水功率分配法或等功率分配法优化归一化子载波功率，得到优化后的归一化子载波功率令n＝n+1，判断n＞N是否成立；若判断结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率并根据得到子载波功率为：
若判断结果为否，则返回步骤(2)。
图5所示为在误比特率为10-5、光功率和电功率同时受限的情况下，发明提供的方法与全局最优算法(暴力搜索)以及未优化系统的数据速率对比示意图。由图可知，在光功率和电功率均受限的情况下，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的数据速率明显高于未优化的系统，优化后的系统性能非常接近于全局最优算法。
以上所述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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，适用于非平坦信道，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据非平坦信道下DCO-OFDM系统要求的通信质量设置最大迭代次数N；设子载波总数为2K,归一化子载波功率为其中k＝[1,2,...,K]，n＝1；
步骤2：求解归一化子载波功率对应的最优直流偏置和最优有效功率包括步骤(2-1)至(2-2)：
(2-1)判断非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率受限、电功率受限还是电功率和光功率均受限，根据判断结果定义一个中间变量y＝x-f(x)/f '(x)，f(x)的取值为：
若判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率受限，则：
其中，γo,A为非平坦信道下DCO-OFDM在光功率受限情况下的有效光信噪比，g(x)为正态分布函数：Q(x)为Q函数：
若判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于电功率受限，则：
其中，为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受限情况下的有效电信噪比；
若判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于电功率和光功率均受限，则：
其中，γo,eo为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限情况下的有效光信噪比；
构建迭代模型，所述迭代模型的迭代步骤为：
(a)计算y＝x-f(x)/f '(x)；
(b)令x＝0，求取x＝0时y的值；给定计算精度ε，计算|y-x|，如果|y-x|＜ε，进入步骤(d)，否则，进入步骤(c)；
(c)令x＝y，返回步骤(a)；
(d)输出y；
(2-2)根据y计算最优直流偏置和最优有效功率
步骤3：根据步骤2中得到的最优直流偏置和最优有效功率优化归一化子载波功率，得到优化后的归一化子载波功率令n＝n+1，判断n＞N是否成立；若判断结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率并根据得到子载波功率为：
若判断结果为否，则返回步骤2。
2.根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在于，根据判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的方法为：
(3-1)当步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率受限时，则获取DCO-OFDM的最大光功率Po,max，并令：
其中，m为有效子载波数，为DCO-OFDM噪声功率，Hk为DCO-OFDM信道系数；
(3-2)将代入y＝x-f(x)/f '(x)进行迭代并输出y；
(3-3)根据步骤(3-2)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
其中，po(x)＝g(x)-xQ(x)。
3.根据权利要求2所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在于，根据判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的方法为：
(4-1)当步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于电功率受限时，则获取非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受限时的最大电功率Pe,max，并令
其中，m为有效子载波数，为DCO-OFDM噪声功率，Hk为DCO-OFDM信道系数；
(4-2)将代入y＝x-f(x)/f '(x)进行迭代并输出y；
(4-3)根据步骤(4-3)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
其中，pe(x)＝-xg(x)+(1+x2)Q(x)。
4.根据权利要求2所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在于，根据判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的方法为：
(5-1)当步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率和电功率均受限时，则获取非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限时的最大光功率和最大电功率
(5-2)令
其中，m为有效子载波数，为DCO-OFDM噪声功率，Hk为DCO-OFDM信道系数；
将代入y＝x-f(x)/f '(x)进行迭代并输出y，令
(5-3)令
其中，γe,eo为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限情况下的有效电信噪比；
将代入y＝x-f(x)/f '(x)进行迭代并输出y，令
(5-4)计算yint＝argx feo(x)＝0，yint为中间变量，argx feo(x)＝0表示求取使feo(x)等于0的x的值，arg为求值符号，其中，
po(x)＝g(x)-xQ(x)
pe(x)＝-xg(x)+(1+x2)Q(x)
根据yint、和得到光功率和电功率均受限情况下迭代模型的输出变量y为：
(5-5)根据步骤(5-4)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
5.根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在于，所述步骤3中根据步骤2中得到的最优直流偏置和最优有效功率优化归一化子载波功率的方法为：注水功率分配法或等功率分配法。
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