CN107342811B - 一种求可见光通信系统下行noma最小化功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法。本发明先建立了NOMA的系统模型，根据可见光通信系统中信号的特点，先推导出可见光通信中下行NOMA的用户速率闭式表达式，接着满足用户服务质量的同时最小化发射功率，以此满足移动通信技术中节能减排的要求。本发明相比于频分复用，可以实现用户和速率最大，此外能够消耗最小的发射功率保证用户的服务质量。

Description

一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法

技术领域

本发明属于可见光通信领域，尤其涉及一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法。

背景技术

随着智能终端的普及和移动新业务的发展，无线网络在各个应用领域的需求呈爆炸性增长，需要对现有的商用网络进行全面升级，于是新一代移动通信系统5G成为全球移动通信领域研究的热点。5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，其中系统容量在2020年要提高1000倍/，频谱效率相比4G需要提升5～15倍。业内提出在5G中采用新型多址接入技术，即非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)。与基于时域/频域/码域正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技术相比，NOMA技术可在不占用额外无线资源的前提下，大幅提高系统的频谱效率和用户容量。此外，为提高系统吞吐量，采用OMA 技术的无线系统优先接入信道质量较好的用户，难以保证用户接入的公平性。在NOMA技术中，系统可在相同无线资源上同时接入信道质量较好和较差的用户，可为信道质量较差的用户提供更多接入机会，降低了用户平均接入时延，进而满足5G技术超低时延、超高网络连通性的要求。

由于可见光通信中利用NOMA技术的用户可达速率的闭式表达式还是未知的，NOMA技术的关键步骤，如用户排序和功率分配等，都需要用户可达速率的闭式表达式。因此，用户可达速率的表达式是NOMA技术应用于可见光通信系统中的基础。传统的无线通信中基于NOMA 技术的用户可达速率表达式是按照输入是高斯分布推导得到的，而在可见光通信系统中输入要求是非负的，所以高斯分布的输入信号是不可行的，因此，传统的无线通信中NOMA技术的用户可达速率表达式不适用于可见光通信系统。所以我们根据可见光通信互信息来推出用户速率闭式表达式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是给出可见光通信NOMA的用户速率表达式并给出最小化功率的方法。由于可见光通信输入信号是非负的，高斯分布不满足要求，所以传统的香农公式不适用于可见光通信系统中。本发明给出用户速率表达式的下界，并给出在满足服务质量要求下的最小化发射功率的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法，具体包含如下步骤；

步骤1，设发射端有一个LED灯和k个光电检测器，则满足|s_k|≤A_k，E{|s_k|}＝0和其中，E{|s_k|}代表信号s_k的均值，E{|s_k|²}代表信号s_k的均方值，s_k代表第k个接收用户的信息符号，g_k代表发射端和第k个接收用户之间的信道增益，A_k为直流偏置，ε_K为目标平均电功率；k和K均为正整数；

将发射端的信道增益以升序排列，则|g₁|≤|g₂|≤...≤|g_K|，根据NOMA的原理，发射端发送K个信息通过重叠码技术发给用户，则LED灯的发射信号表达式如下：

式中，P_k是s_k的发射功率，且p_k∈R，b是LED灯的直流偏置，且b≥0；

步骤2，根据可见光通信中的信道增益表达式计算出每个接收用户的信道增益，具体如下：

式中，g_k是第k个接收用户的信道增益，d_k是LED灯和第k个用户之间的距离，m是朗勃发射阶数，m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，θ_1/2是半功率半角，η_c是电光转化效率，η_l是光电转化效率， G代表发射放大器增益，θ和ψ分别代表辐射角和入射角，ψ_FOV代表接收机视野区域，A_r为接收机物理区域，且

式中，n_r代表辐射指数，A_PD代表光电检测器面积；

步骤3，根据互信息推导出可见光通信下行NOMA中的用户速率闭式表达式：

式中，R_k，i代表第k个接收用户译第i个接收用户的信息的速率，p_i代表分配给第i个接收用户的功率，σ²为噪声功率，α_j，γ_j，ε_j分别为信道增益的参数，j随着i变化，且i≤j；

步骤4，得出可见光通信中考虑带宽的用户速率闭式表达式：

式中，B代表带宽；

步骤5，求解最小化发射功率目标函数，具体如下：

min Tr(p)

式中，Tr(P)为总发射功率，c_k，i为服务质量要求。

作为本发明一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法的进一步优选方案所述步骤3根据互信息推导出可见光通信下行NOMA中的用户速率闭式表达式，具体如下：

式中，n_k代表第k个用户的高斯白噪声。

作为本发明一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法的进一步优选方案所述步骤4得出可见光通信中考虑带宽的用户速率闭式表达式，具体推导过程如下：

假设可见光通信系统的带宽为B HZ，输入和输出都用样本1/2B秒分离，噪声功率谱密度为σ²watts/hertz，噪声功率是2σ²B，对于时间间隔[0，T]，有2BT个噪声样本，每一个样本的方差是，若信号的功率为p_i，每个样本的信号能量为则VLCNOMA 网络每个样本的容量为

由于每秒有2B个样本，则可见光通信中考虑带宽的用户速率闭式表达式：

作为本发明一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法的进一步优选方案所述步骤5求解最小化发射功率目标函数的具体过程如下：

假设有K个接收用户，接收用户的信道增益按升序排列|g₁|≤|g₂|≤...≤|g_K|

W＝ww^T

用W＝ww^T来表示功率，则最小化发射功率目标函数如下：

min||p||²

则，

作为本发明一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法的进一步优选方案，K 取值3。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明相比于频分复用，可以实现用户和速率最大，此外能够消耗最小的发射功率保证用户的服务质量；本发明先建立了NOMA的系统模型，根据可见光通信系统中信号的特点，先推导出可见光通信中下行NOMA的用户速率闭式表达式，接着满足用户服务质量的同时最小化发射功率，以此满足移动通信技术中节能减排的要求。

附图说明

图1是可见光通信下行NOMA信道系统模型；

图2(a)是用户1的速率和功率之间的关系示意图；

图2(b)是用户2的速率和功率之间的关系示意图；

图2(c)是用户3的速率和功率之间的关系示意图；

图2(d)是用户和速率与总功率之间的关系示意图；

图3(a)是三种技术速率门限和所需功率的关系对比示意图；

图3(b)是FDMA和NOMA的速率门限和所需功率的关系对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明针对可见光通信中的信道特点提出计算下行NOMA的用户速率闭式表达式并给出在满足服务质量要求下最小化发射功率的方法。

可见光通信下行NOMA信道系统模型，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：根据设计要求设置系统相关参数和输入信号。

对于第i个用户，未加入直流偏置A_i的发射信号为X_i，其参数如下：

峰值：|s_k|≤A_k；

均值：E{|s_k|}＝0；

均方值：E{|s_k|²}＝ε_K，ε_K为目标平均电功率；

我们考虑的是单输入单输出系统可见光通信中NOMA下行信道的模型，一个发射机有单一的LED灯和k个单一的光电检测器用户。其中，s_k代表第k个用户的信息符号，满足 |s_k|≤A_k，E{|s_k|}＝0和g_k代表发射机和第k个用户之间的信道增益，我们假设信道增益以升序排列，|g₁|≤|g₂|≤...≤|g_K|

根据NOMA的原理，发射机发送K个信息通过重叠码技术发给用户，从LED灯的发射信号是

p_k∈R是s_k的发射功率，b≥0是LED灯的直流偏置；

步骤2：给出可见光通信的信道增益表达式：

LED灯和第k个用户间的信道增益可以表示为

d_i是LED灯和第i个用户之间的距离，m是朗勃发射阶数m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，θ_1/2是半功率半角，η_c是电光转化效率，η_l是光电转化效率，G代表发射放大器增益，θ和ψ分别代表辐射角和入射角，ψ_FOV代表接收机视野区域，A_r接收机物理区域如下表示

n_r代表辐射指数，A_PD代表光电检测器面积，第k个用户接收到的信号如下：

n_k是第k个用户接收到的噪声，服从均值为0，方差为σ²的高斯分布；

步骤3：推导出可见光通信NOMA下行链路的用户速率表达式：

依照串行干扰消除方法，每个用户解码比自己更小的信道增益的用户的信息，特别的，对于用户k，它可以解码信号s_i(i＜k)，然后从接收到的信号中除去解码的信号。信道增益按升序排列，h₁≤h₂...≤h_i...≤h_k...≤h_K。VLC网络中NOMA系统的信道容量是未知的，R_k，i代表第k个用户解码信号s_i的最大可实现速率，给出速率的下界：

表示的是第k个用户译第i个用户的信息即用接收的信号减去前i-1个用户的信息，(5d)式用的是熵功率不等式，因为直接求解不出来，我们可以通过熵功率不等式得到它的下界。

给出VLC下行的NOMA的用户速率闭式表达式

在这里我们考虑两种情况，1≤i≤k≤K和i＝k＝K，前者不是最好的信道增益所以既有进行串行干扰消除也有一部分干扰，而当i＝k＝K时，信道增益最好可以完全译出其他用户的信息没有干扰

步骤4：推导有带宽的用户速率表达式

假设VLC系统的带宽为B HZ，输入和输出都可以用样本1/2B秒分离，噪声功率谱密度为σ²watts/hertz，噪声功率是2σ²B，对于时间间隔[0，T]，有2BT个噪声样本，每一个样本的方差是此外，如果信号的功率为p_i，每个样本的信号能量为因此， VLC网络中NOMA网络每个样本的容量为

每秒有2B个样本，VLC网络中NOMA系统的容量可以写成

步骤5：最小化发射功率：

本发明是在满足服务质量要求下，最小化发射功率。我们假设有三个用户，用户的信道增益按升序排列|g₁|≤|g₂|≤...≤|g_K|；

W＝ww^T (9e)

目标函数为最小化发射功率，约束条件为用户速率满足服务质量要求，这是一个非凸问题，由于对第i个之前的用户进行了串行干扰消除，所以可以用(10a)(10b)来表示，为了便于计算，我们用W＝ww^T来表示功率

min||p||² (10a)

根据(10a)(10b)的表示，所以上式又可以写成(11a)这样的形式

min Tr(p) (11a)

对于NOMA-SISO单小区下行链路模型，实验1对比了本发明技术方案和采用其他不同的技术各用户的速率图和与用户和速率的仿真图。三个用户的速率和功率之间的仿真图如下：2 (a)是用户1的速率和功率之间的关系示意图；图2(b)是用户2的速率和功率之间的关系示意图；图2(c)是用户3的速率和功率之间的关系示意图；图2(d)是用户和速率与总功率之间的关系示意图仿真实验所涉及的参数如表1所示；表1可见光通信下行NOMA分析仿真实验1参数；

实验2对比了本发明技术方案与其他存在的建模方法在满足用服务质量的需求下所需发射总功率，图3(a)是三种技术速率门限和所需功率的关系对比示意图；图3(b)是FDMA 和NOMA的速率门限和所需功率的关系对比示意图。仿真实验所涉及的参数如表2所示：表 2可见光通信下行NOMA分析仿真实验2参数；

对于NOMA-MISO单小区下行链路系统，相关参数如下：

表1

表2

Claims (5)

1.一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法，其特征在于：具体包含如下步骤；

步骤1，设发射端有一个LED灯和k个光电检测器，则满足|s_k|≤A_k，E{|s_k|}＝0和其中，E{|s_k|}代表信号s_k的均值，E{|s_k|²}代表信号s_k的均方值，s_k代表第k个接收用户的信息符号，g_k代表发射端和第k个接收用户之间的信道增益，A_k为直流偏置，ε_K为目标平均电功率；k和K均为正整数；

将发射端的信道增益以升序排列，则|g₁|≤|g₂|≤...≤|g_K|，根据NOMA的原理，发射端发送K个信息通过重叠码技术发给用户，则LED灯的发射信号表达式如下：

式中，P_k是s_k的发射功率，且p_k∈R，b是LED灯的直流偏置，且b≥0；

步骤2，根据可见光通信中的信道增益表达式计算出每个接收用户的信道增益，具体如下：

式中，g_k是第k个接收用户的信道增益，d_k是LED灯和第k个用户之间的距离，m是朗勃发射阶数，m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，θ_1/2是半功率半角，η_c是电光转化效率，η_l是光电转化效率，G代表发射放大器增益，θ和ψ分别代表辐射角和入射角，ψ_FOV代表接收机视野区域，A_r为接收机物理区域，且

式中，n_r代表辐射指数，A_PD代表光电检测器面积；

步骤3，根据互信息推导出可见光通信下行NOMA中的用户速率闭式表达式：

式中，R_k，i代表第k个接收用户译第i个接收用户的信息的速率，p_i代表分配给第i个接收用户的功率，σ²为噪声功率，α_j，γ_j，ε_j分别为信道增益的参数，j随着i变化，且i≤j；

步骤4，得出可见光通信中考虑带宽的用户速率闭式表达式：

式中，B代表带宽；

步骤5，求解最小化发射功率目标函数，具体如下：

min T_r(p)

式中，Tr(P)为总发射功率，c_k，i为服务质量要求。

2.根据权利要求1所述的一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法，其特征在于：所述步骤3根据互信息推导出可见光通信下行NOMA中的用户速率闭式表达式，具体如下：

式中，n_k代表第k个用户的高斯白噪声。

3.根据权利要求1所述的一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法，其特征在于：所述步骤4得出可见光通信中考虑带宽的用户速率闭式表达式，具体推导过程如下：

假设可见光通信系统的带宽为BHZ，输入和输出都用样本1/2B秒分离，噪声功率谱密度为σ²watts/hertz，噪声功率是2σ²B，对于时间间隔[0，T]，有2BT个噪声样本，每一个样本的方差是若信号的功率为p_i，每个样本的信号能量为则VLC NOMA网络每个样本的容量为

由于每秒有2B个样本，则可见光通信中考虑带宽的用户速率闭式表达式：

4.根据权利要求1所述的一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法，其特征在于：所述步骤5求解最小化发射功率目标函数的具体过程如下：

假设有K个接收用户，接收用户的信道增益按升序排列|g₁|≤|g₂|≤...≤|g_K|

W＝ww^T

用W＝ww^T来表示功率，则最小化发射功率目标函数如下：

min||p||²

则，

5.根据权利要求4所述的一种求可见光通信系统下行NOMA最小化功率的方法，其特征在于：K取值3。