CN106788769B - 一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法，将NOMA技术引入可见光通信系统的下行链路中，为保证接收机干扰抵消的有效性，NOMA系统要求为信道好的用户分配低功率，信道差的用户分配高功率，在发射信号满足正实数约束的条件下，优化不同用户的所分配的功率，使各用户达到最小速率时所消耗的总功率最小。本发明在保证系统服务质量的前提下，以最小化总功率为目标，对各用户功率进行分配，有效地减少了功率消耗，并且直接给出了功率分配的闭式解，极大地降低了计算复杂度，利于实现。

Description

一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法。

背景技术

随着移动设备和多媒体应用的井喷式增长，无线网络对频谱利用率的要求越来越高。可见光通信(VLC)系统作为最具潜力的下一代高速无线通信系统之一，无论是在学术界还是工程界都得到了广泛的研究。

通信中，承载用户信息的资源主要有，频域、时域、空域、码域和功率域。前3种有子载波正交等成熟技术保障多用户多址接入的独立性，后两种只能通过串行干扰抵消来区分多用户信息。几乎所有针对射频(RF)通信系统的多址技术都可应用到VLC系统，比如常见的时分多址、频分多址、码分多址、空分多址等，均有学者将其应用到VLC系统中。

为进一步提高通信系统的频谱利用率，日本DoCoMo公司首先提出的非正交多址接入(NOMA)技术，已成为下一代5G系统多址技术的备选方案之一。NOMA与时域、频域、空域、码域等正交多址(OMA)方式不同，所有的NOMA用户可共享相同的时频资源，利用串行干扰抵消(SIC)技术，在接收端将叠加的用户信号分离。由于NOMA采用的是多个用户信号功率域的简单线性叠加，对现有的其它成熟的多址技术影响不大，可与已有多址技术简单结合使用，增加有限资源下的用户连接数，目前NOMA技术已在移动通信领域引起了广泛关注。然而学术界对VLC系统的NOMA的研究还处在起步阶段。事实上，NOMA技术在VLC系统中同样适用，且比其在RF系统中更为简单。NOMA在发射端进行叠加编码时需已知系统的信道响应，而在VLC系统中，短时间内设备固定，信道响应时不变，比RF信道更容易估计。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配的方法，即在发射信号满足正实数约束的条件下，优化不同用户的所分配的功率，使各用户达到最小速率时所消耗的总功率最小。

技术方案：为实现上述目的，本发明基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配，将NOMA技术引入可见光通信系统的下行链路中，为保证接收机干扰抵消的有效性，NOMA系统要求为信道好的用户分配低功率，信道差的用户分配高功率，建立如下基于服务质量(QoS)的优化问题：

本发明提供一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法，将N个用户的传输速率分别表示为N个用户所消耗的最小总功率表示为：

其中，N为总的用户数，P_k为第k个用户所分配的功率且为待优化变量，所述P_k满足以下约束条件：

0≤P_N≤…≤P₁ (c)

其中，第k个用户的传输速率I_DC为发射端的直流偏置；h_k为LED灯到第k个用户的信道响应；为噪声方差；π、e分别为圆周率和自然常数。

进一步地，本发明提供的一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法，包括以下具体步骤得到基于QoS的优化问题的闭式解：

1)按照用户信道响应从小到大的顺序，将各个用户分别标记为用户1，用户2，……，用户N，求解第N个用户分配的功率

2)求解第k个用户分配的功率

其中，函数y＝max{x₁，x₂}的定义为y取x₁，x₂中的较大值；

3)检验所得的用户分配的功率是否满足约束条件(b)，如果满足，则所得结果即为QoS优化问题的最优解，则执行输出最优功率分配；如果不满足，说明在所给直流偏置的约束下，系统无法令各个用户达到所给的传输速率要求，则请求上层调节参数，直至所得的用户分配的功率满足约束条件(b)。

本发明中约束条件(a)为QoS约束；约束条件(b)为可见光通信的正实数约束；约束条件(c)为NOMA的系统约束。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明在保证系统服务质量的前提下，以最小化总功率为目标，对各用户功率进行分配，有效地减少了功率消耗；

2)本发明直接给出了功率分配的闭式解，极大地降低了计算复杂度，利于实现。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明考虑的可见光通信系统下行链路模型示意图；

图3为NOMA技术的示意图；

图4为NOMA和OMA技术所消耗的总功率对比图；

图5为OMA和NOMA所消耗的总功率之差与NOMA总功率的比值(功率节省比例)随近端用户所处位置变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配，将NOMA技术引入可见光通信系统的下行链路中，为保证接收机干扰抵消的有效性，NOMA系统要求为信道好的用户分配低功率，信道差的用户分配高功率，建立如下基于服务质量(QoS)的优化问题：

本发明提供一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法，将N个用户的传输速率分别表示为N个用户所消耗的最小总功率表示为：

其中，N为总的用户数，P_k为第k个用户所分配的功率且为待优化变量，所述P_k满足以下约束条件：

0≤P_N≤…≤P₁ (c)

其中，第k个用户的传输速率I_DC为发射端的直流偏置；h_k为LED灯到第k个用户的信道响应；为噪声方差；π、e分别为圆周率和自然常数。

本发明提供的一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法，包括以下具体步骤得到基于QoS的优化问题的闭式解：

1)按照用户信道响应从小到大的顺序，将各个用户分别标记为用户1，用户2，……，用户N，求解第N个用户分配的功率

2)求解第k个用户分配的功率

其中，函数y＝max{x₁，x₂}的定义为y取x₁，x₂中的较大值；

3)检验所得的用户分配的功率是否满足约束条件(b)，如果满足，则所得结果即为QoS优化问题的最优解，则执行输出最优功率分配；如果不满足，说明在所给直流偏置的约束下，系统无法令各个用户达到所给的传输速率要求，则请求上层调节参数，直至所得的用户分配的功率满足约束条件(b)。

本发明中约束条件(a)为QoS约束；约束条件(b)为可见光通信的正实数约束；约束条件(c)为NOMA的系统约束。

实施例2：

如图2所示，本发明所针对的通信模型为可见光通信系统的下行链路，即天花板有一个发光二极管(LED)作为发射端，下方随机分布N个用户，LED服从近朗伯辐射模型，该链路的传输信息满足[-1,1]的均匀分布，有研究表明，VLC系统的视距信号能量远远大于反射信号，考虑信道模型时，只考虑视距信息即可。第k个用户的直流信道增益即所述信道响应h_k由下式确定：

其中，m为朗伯阶数，θ_1/2为LED半角，d_k为第k个用户与

LED的直达距离，φ_k为入射角，为辐照角，A为光电二极管(PD)的接收面积，R_P为PD的响应度，T(φ_k)为光滤波器的增益，g(φ_k)为聚光透镜的增益，

n为聚光透镜的折射率，Ψ_FOV为PD的视场，不失一般性，假设h₁≤h₂≤…≤h_N。

实施例3：

如图3所示，本发明中所述非正交多址技术的原理是在发射端LED处将各用户的信号s_i叠加发射，即根据不同用户的信道响应，分配不同的功率，为信道好的用户分配低功率，信道差的用户分配高功率，即用户再在接收端利用干扰抵消(SIC)技术对各自的信号进行检测。本实施例中各用户的信号s_i满足[-1,1]的均匀分布，方差N为总的用户数；I_DC为直流偏置，以保证光信号的正实数要求。基于此，第k个用户的接收信号为，

其中n_k为噪声，方差为在该模型下，各用户传输速率的下确界为

各用户所需满足的服务质量(QoS)是指它们的传输速率分别至少达到则结合以上对系统的描述，基于QoS的优化问题用数学公式表示为

P_k满足以下约束条件：

0≤P_N≤…≤P₁ (c)

约束条件(a)为QoS约束；约束条件(b)为可见光通信的正实数约束；约束条件(c)为NOMA的系统约束。

利用以下具体步骤得到基于QoS的优化问题的闭式解：

1)按照用户信道响应从小到大的顺序，将各个用户分别标记为用户1，用户2，……，用户N，求解第N个用户分配的功率

2)求解第k个用户分配的功率

其中，函数y＝max{x₁，x₂}的定义为y取x₁，x₂中的较大值；

3)检验所得的用户分配的功率是否满足约束条件(b)，如果满足，则所得结果即为QoS优化问题的最优解，则执行输出最优功率分配；如果不满足，说明在所给直流偏置的约束下，系统无法令各个用户达到所给的传输速率要求，则请求上层调节参数，直至所得的用户分配的功率满足约束条件(b)。

实施例4：

为了验证本发明算法性能，进行了仿真实验。仿真实验结果如图4和图5所示，所涉及的参数如表1所示：

参数	取值
		用户数	2
天花板与接收平面的垂直距离	3m
		PD响应度	0.4A/W
PD视场(FOV)(半角)	62°
		LED半角	47.5°
聚光透镜的折射率	1.5
		PD面积	1cm<sup>2</sup>
光滤波器增益	1
		噪声方差	10<sup>-3</sup>W
直流偏置	2A

表1

图4为本发明所述基于QoS的NOMA功率分配方法所得的总功率与OMA技术所消耗的总功率对比图，采用图2所示信道，参数如表1所示，用户2处在LED正下方，用户1与用户2的距离为3m；由图4可以看出当用户满足相同的传输速率要求时，NOMA技术所需消耗的总功率比OMA要小得多。

图5为两个用户工作时，本发明所述基于QoS的NOMA功率分配方法所得的总功率相应于OMA技术所节省的功率与NOMA消耗总功率的比值(功率节省比例)随近端用户所处位置变化的曲线，采用图2所示信道，参数如表1所示，速率门限为0.5bps/Hz。由图5可以发现，相应于OMA技术，当两用户的水平距离固定时，随着近端用户距LED中心距离的增加，NOMA的总功率增益呈现先增大后减小的趋势。此外，我们发现，两用户的距离越远(信道响应相差越大)，NOMA相较于OMA所取得的增益越大，也就是说用户信道差距越大，NOMA性能越好，这都和NOMA在射频系统的性质相一致。

Claims (1)

1.一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法，其特征在于：将N个用户的传输速率分别表示为N个用户所消耗的最小总功率表示为：

其中，N为总的用户数，P_k为第k个用户所分配的功率且为待优化变量，所述P_k满足以下约束条件：

0≤P_N≤…≤P₁ (c)

其中，第k个用户的传输速率I_DC为发射端的直流偏置；h_k为LED灯到第k个用户的信道响应；为噪声方差；π、e分别为圆周率和自然常数，包括以下具体步骤得到基于QoS的优化问题的闭式解：

1)按照用户信道响应从小到大的顺序，将各个用户分别标记为用户1，用户2，……，用户N，求解第N个用户分配的功率

2)求解第k个用户分配的功率

其中，函数y＝max{x₁，x₂}的定义为y取x₁，x₂中的较大值；

3)检验所得的用户分配的功率是否满足约束条件(b)，如果满足，则所得结果即为QoS优化问题的最优解，则执行输出最优功率分配；如果不满足，说明在所给直流偏置的约束下，系统无法令各个用户达到所给的传输速率要求，则请求上层调节参数，直至所得的用户分配的功率满足约束条件(b)。