CN107070517A - 一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，本发明在保证光通信的发射信号满足正实数约束与服务质量的前提下，以最大化和速率为目标，对个用户功率进行分配，成功的提高了通信性能；将NOMA技术用于可见光通信多用户多输入单输出(MISO)系统，与实际场景相符，使算法更具实用性。

Description

一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，尤其是一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法。
背景技术
可见光通信(VLC)系统是最具潜力的下一代高速无线通信系统之一，典型的VLC系统采用LED作为发射端。LED不仅具有低功耗、节能、环保等有点，也拥有切换快、灵敏度高和调制性能好等特点。
在无线通信中有很多关于多址技术优化问题的研究。在射频通信中，正交多址系统的研究已经相当成熟。常见的多址系统设计问题，一般会考虑系统的谱效率、可靠性和服务质量等问题。
近年来，非正交多址(NOMA)作为可能应用于第五代移动通信的新型多址技术，受到了越来越多的关注。与正交多址(OMA)技术相比，NOMA的关键优势在于对功率域资源进行了复用。具体来说，在时隙、频率、码字均相同时，系统在发射端通过叠加编码(SC)技术将不同用户的信息发射出去，接收端通过连续干扰抵消(SIC)技术可以根据发射功率的不同，将叠加的用户信息分离出来，完成多址接入。由于NOMA是功率域的多址技术，功率分配算法是影响系统性能的关键所在。对多用户多输入单输出(MISO)系统来说，预编码矩阵的设计方法将极大地影响系统性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，能够在发射信号满足正实数约束且系统满足服务质量的条件下，优化系统的预编码矩阵，使传输的和速率最大。
为解决上述技术问题，本发明提供一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，包括如下步骤：
(1)针对多用户MISO可见光通信系统的下行链路，求解出其和速率如下式：
其中，Rnk(W)为第n个用户检测第k个信息sk的速率；Rnk(W)为第n个用户检测第k个传输信息的速率，W为M×N预编码矩阵且为待优化变量，wn为W的第m个列向量；M为LED灯组数；N为用户数；hn为发射端LED到第n个用户的信道响应向量；aT表示向量a的转置；为噪声方差；
(2)使得系统通信的和速率最大，建立优化模型如下式：
(3)可见光通信的发射信号满足正实数约束且系统需满足服务质量约束，变量W需满足下列约束条件：
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC1M
Rnk(W)≥Rth,1≤k≤n≤N
其中，W为M×N预编码矩阵且为待优化变量，wn为W的第n个列向量；M为LED灯组数；N为用户数；Rnk(W)为第n个用户检测第k个传输信息的速率， hn为发射端LED到第n个用户的信道响应向量；aT表示向量a的转置；为噪声方差；IDC为发射端LED的直流偏置；1M为全一的M维列向量；Rth为各用户保证系统正常工作的最小速率；
(4)求解出优化模型的最优解。
优选的，步骤(1)中，求解和速率具体为：天花板固定有M个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，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j个LED灯到第n个用户的直流信道增益即所述信道响应hjn由下式确定：
其中，π为圆周率，m为朗伯阶数，θ1/为LED半角，djn为第j个LED灯与第n个用户的直达距离，φjn为入射角，为辐照角，A为光电二极管PD的接收面积，RP为PD的响应度，T(φjn)为光滤波器的增益，g(φjn)为聚光透镜的增益，β为聚光透镜的折射率，ΨFOV为PD的视场；
非正交多址技术的原理是发射端LED将各用户的信号sn叠加发射，发射信号记为x＝w1s1+w2s2+…wNsN，其中列向量wn为第n个用户的预编码向量，也是W的第n个列向量，x需满足正实数约束
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC1M
其中，IDC为发射端LED的直流偏置；1M为全一的M维列向量；用户在利用干扰抵消(SIC)技术对各自的信号进行检测，本例中第n个用户的接收信号为 其中zn为噪声，方差为
其中，q为一个电子所带的电荷量，取常数q＝1.6×10-19库仑；B为系统带宽；χamb为背景光电流；iamp为前置放大器的噪声电流密度；在该模型下，第n个用户检测第k个信息sk的速率为
和速率为
优选的，步骤(4)中，求解优化模型的最优解，具体包括如下步骤：
(1)令t＝1，并选取任一满足约束条件的可行解，作为初始值W(0)、U(0)；
(2)求解下列凸优化问题，记该优化问题的解为U(t)、r(t)、W(t)；
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDc工M
其中，表示U(t)的第n行第k列元素，表示W(t)的第k个列向量，U、r为辅助变量，unk表示矩阵的第n行第k列的元素，rk表示向量r的第k个元素；
(3)若|Rsum(W(t))-Rsum(W(t-1))|≤ε成立，则输出U(t)、r(t)、W(t)，最优预编码矩阵为W*＝W(t)，其中为收敛精度；否则，更新t＝t+1，并重复步骤(2)～(3)。
本发明的有益效果为：本发明在保证光通信的发射信号满足正实数约束与服务质量的前提下，以最大化和速率为目标，对个用户功率进行分配，成功的提高了通信性能；将NOMA技术用于可见光通信多用户多输入单输出(MISO)系统，与实际场景相符，使算法更具实用性。
附图说明
图1为本发明的应用场景示意图。
图2为本发明的方法流程示意图。
图3为本发明的NOMA和OMA技术的和速率随光功率的变化曲线示意图。
图4为本发明NOMA系统的最大和速率随最小速率门限的变化曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所针对的通信模型为多用户MISO可见光通信系统的下行链路，即天花板固定有M个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，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j个LED灯到第n个用户的直流信道增益即所述信道响应hjn由下式确定：
其中，π为圆周率，m为朗伯阶数，θ1/为LED半角，djn为第j个LED灯与第n个用户的直达距离，φjn为入射角，为辐照角，A为光电二极管(PD)的接收面积，RP为PD的响应度，T(φjn)为光滤波器的增益，g(φjn)为聚光透镜的增益，β为聚光透镜的折射率，ΨFOV为PD的视场。
非正交多址(NOMA)技术的原理是发射端LED将各用户的信号sn叠加发射，发射信号记为x＝w1s1+w2s2+…wNsN，其中列向量wn为第n个用户的预编码向量，也是W的第n个列向量，x需满足正实数约束
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC1M
其中，IDC为发射端LED的直流偏置；1M为全一的M维列向量。用户在利用干扰抵消(SIC)技术对各自的信号进行检测，本例中第n个用户的接收信号为 其中zn为噪声，方差为
其中，q为一个电子所带的电荷量，取常数q＝1.6×10-19库仑；B为系统带宽；χamb为背景光电流；iamp为前置放大器的噪声电流密度。在该模型下，第n个用户检测第k个信息sk的速率为
和速率为
本发明提供一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，为使得系统通信的和速率最大，建立如下优化问题：
s.t.|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC1M
Rnk(W)≥Rth，1≤k≤n≤N
其中，Rth为各用户保证系统正常工作的最小速率。
如图2所示，本发明所建立的优化问题引入辅助变量U、r，转化为：
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC1M
其中，unk表示矩阵的第n行第k列的元素，rk表示向量r的第k个元素。函数为凸函数，满足如下不等式：
进一步地，本发明提供一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，包括以下步骤得到优化问题的最优解：
1)令t＝1，并选取任一满足约束条件的可行解，作为初始值W(0)、U(0)；
2)求解下列凸优化问题，记该优化问题的解为U(t)、r(t)、W(t)；
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC1M
其中，表示U(t)的第n行第k列元素，表示W(t)的第k个列向量，U、r为辅助变量，unk表示矩阵U的第n行第k列的元素，rk表示向量r的第k个元素。
3)若|Rsum(W(t))-Rsum(W(t-1))|≤ε成立，则输出U(t)、r(t)、W(t)，最优预编码矩阵为W*＝W(t)，其中ε为收敛精度；否则，更新t＝t+1，并重复步骤2)～3)。
为了验证本优化方法的性能，进行了仿真实验。仿真实验结果如图3、图4，所涉及的参数如表1所示：
表1参数设置
参数 取值
LED灯组数 4
用户数 4
LED平面坐标 (±1.7m,±1.7m)
房间尺寸(长、宽、高) 5m、5m、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 1cm2
光滤波器增益 1
前置放大器噪声密度 5pA/Hz1/2
背景光电流 10.93A/m2/Sr
带宽 100MHz
图3为本发明所述预编码矩阵优化方法所得的NOMA和速率和OMA技术的和速率随光功率的变化曲线，参数如表1所示，四个用户随机分布在房间中，最小速率门限为0.51bps/Hz。由图可以看出利用本发明所提的预编码矩阵优化方法所得的NOMA用户和速率，比传统OMA技术的和速率更高，且和速率随着光功率的增加而增加，这与实际情况也相符。
图4为NOMA系统的最大和速率随最小速率门限的变化曲线，参数如表1所示，四个用户随机分布在房间中，光功率取20dBW。由图可以发现，和速率随最小速率门限的增加而减小，这是因为最小速率门限较高时，LED需牺牲一部分和速率以保证最小速率。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (3)

1.一种可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)针对多用户MISO可见光通信系统的下行链路，求解出其和速率如下式：
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其中，Rnk(W)为第n个用户检测第k个信息sk的速率；Rnk(W)为第n个用户检测第k个传输信息的速率，W为M×N预编码矩阵且为待优化变量，wn为W的第n个列向量；M为LED灯组数；N为用户数；hn为发射端LED到第n个用户的信道响应向量；aT表示向量a的转置；为噪声方差；
(2)使得系统通信的和速率最大，建立优化模型如下式：
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(3)可见光通信的发射信号满足正实数约束且系统需满足服务质量约束，变量W需满足下列约束条件：
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC 1M
Rnk(W)≥Rth,1≤k≤n≤N
W为M×N预编码矩阵且为待优化变量，wn为W的第n个列向量；M为LED灯组数；N为用户数；Rnk(W)为第n个用户检测第k个传输信息的速率， hn为发射端LED到第n个用户的信道响应向量；aT表示向量a的转置；为噪声方差；IDC为发射端LED的直流偏置；1M为全一的M维列向量；Rth为各用户保证系统正常工作的最小速率；
(4)求解出优化模型的最优解。
2.如权利要求1所述的可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，其特征在于，步骤(1)中，求解和速率具体为：天花板固定有M个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，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j个LED灯到第n个用户的直流信道增益即所述信道响应hjn由下式确定：
其中，π为圆周率，m为朗伯阶数，θ1/2为LED半角，djn为第j个LED灯与第n个用户的直达距离，φjn为入射角，为辐照角，A为光电二极管PD的接收面积，RP为PD的响应度，T(φjn)为光滤波器的增益，g(φjn)为聚光透镜的增益，β为聚光透镜的折射率，ΨFOV为PD的视场；
非正交多址技术的原理是发射端LED将各用户的信号sn叠加发射，发射信号记为x＝w1s1+w2s2+…wNsN，其中列向量wn为第n个用户的预编码向量，也是W的第n个列向量，x需满足正实数约束
|w1|+|w2|+…+|wN|≤IDC 1M
其中，IDC为发射端LED的直流偏置；1M为全一的M维列向量；用户在利用干扰抵消(SIC)技术对各自的信号进行检测，本例中第n个用户的接收信号为 其中zn为噪声，方差为
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和速率为
3.如权利要求1所述的可见光通信非正交多址系统预编码矩阵优化方法，其特征在于，步骤(4)中，求解优化模型的最优解，具体包括如下步骤：
(1)令t＝1，并选取任一满足约束条件的可行解，作为初始值W(0)、U(0)；
(2)求解下列凸优化问题，记该优化问题的解为U(t)、r(t)、W(t)；
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其中，表示U(t)的第n行第k列元素，表示W(t)的第k个列向量，U、r为辅助变量，unk表示矩阵U的第n行第k列的元素，rk表示向量r的第k个元素；
(3)若|Rsum(W(t))-Rsum(W(t-1))|≤ε成立，则输出U(t)、r(t)、W(t)，最优预编码矩阵为W*＝W(t)，其中ε为收敛精度；否则，更新t＝t+1，并重复步骤(2)～(3)。
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