CN107911166B - 一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法 - Google Patents

一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法 Download PDF

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CN107911166B CN201711119484.1A CN201711119484A CN107911166B CN 107911166 B CN107911166 B CN 107911166B CN 201711119484 A CN201711119484 A CN 201711119484A CN 107911166 B CN107911166 B CN 107911166B
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Abstract

本发明涉及一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，应用于可见光/射频通信的用户协作传输系统，该系统包括LED光源及用户群，离所述LED光源较近的区域所在的用户为近用户；用户群中其它用户为远用户；包括：(1)第一阶段T时间内，近用户将接收到的LED光源发出的光信号转化为电能，进行存储；第二阶段1‑T时间内，近用户接收LED光源发出的光信号，并解调LED光源发出的光信号，解调出近用户的信息和远用户的信息；(2)近用户通过存储的电能，将解调出的远用户的信息通过射频信号发送给远用户。本发明提出的通信方法同时考虑了用户设备的能量消耗问题，增加了能量收割模块，绿色环保又兼顾公平。

Description

一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协 作通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，属于通信系统技术领域。
背景技术
可见光通信(VLC)由于具有频谱资源丰富、能量损耗低、信息容量大、安全性高等优势，近年来越来越受到学术界和工业界的广泛关注。无处不在的发光二极管(LED)照明设备和其与生俱来的可见光频谱资源，让系统成为短距离高速数据传输的极具吸引力和竞争力的解决方案。但另一方面，VLC也有其自身的局限性，LED光源只能局限在一小片区域，且易受障碍物阻隔。而射频(RF)信号能提供稳健的无处不在的传输，因此VLC和RF的结合能形成良好的优势互补。
在移动通信系统中，多址接入技术是满足多个用户同时进行通信的必要手段。非正交多址技术(NOMA)作为一种多址接入技术，从多用户信息论的角度来看，不仅能进一步增强频谱效率，也是逼近多用户信道容量界的有效手段。NOMA的基本思想是在发送端采用分配用户发射功率的非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰消除(SIC)接收机消除干扰，实现正确解调。
现今有一些关于可见光通信与正交多址或者非正交多址相结合的研究，但是皆未考虑可见光容易受阻隔的局限性。另外也有少数考虑射频通信和可见光通信相结合的研究，但未考虑多用户协作通信的情况，更未考虑到网络通信中许多设备能量受限的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法；同时加入了无线能量收割技术来解决用户设备能量受限的问题。
本发明定义距LED光源较近的用户为近用户，距LED光源较远不能与LED进行通信的用户为远用户，近用户和远用户采用非正交多址接入方式。LED光源与近用户之间采用可见光通信，近用户充当解调/转发中继，解调信息后通过射频信号将信息转发给远用户。近用户转发信息需要消耗一部分能量，为解决近用户能量受限问题，在近用户端同时采用了信息和能量同时传输技术(SWIPT)。
术语解释：
1、信干噪比，是指信号的能量与干扰能量和加性噪声能量的和的比值；
本发明的技术方案为：
一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，应用于可见光/射频通信的用户协作传输系统，该系统包括LED光源及用户群，将该用户群的用户分为近用户、远用户两类，离所述LED光源较近的区域所在的用户为近用户；用户群中其它用户为远用户；离所述LED光源较近的区域是指：以LED光源垂直射在用户群所在的平面的点为圆点，以a为半径所在的区域，a的取值范围为0～6m；每个所述近用户设有近用户信号接收机，用于接收信号，所述近用户信号接收机包括光学检测器；包括：
(1)所述近用户通过可见光通信方式接收LED光源发出的混合信息，所述混合信息为近用户和远用户的混合信息，并对混合信息进行解调，近用户和远用户的混合信息即近用户的调制信号和远用户的调制信号的线性叠加信号，包括：
A、第一阶段T时间内，0<T<1，设定第一阶段时间、第二阶段时间合计为一个时间周期1；所述近用户将接收到的LED光源发出的光信号转化为电能，进行存储；考虑到接下来近用户转发信息需要消耗掉自身一部分能量，而往往很多近用户设备又能量受限，因此进行能量存储以进行下阶段的转发。
B、第二阶段1-T时间内，所述近用户接收LED光源发出的光信号，并通过串行干扰消除技术解调LED光源发出的光信号，解调出近用户的调制信号和远用户的调制信号；
(2)所述近用户通过步骤A存储的电能，将步骤B解调出的远用户的调制信号，通过射频信号发送给远用户。
根据本发明优选的，所述步骤(1)，所述近用户通过可见光通信方式接收所述LED光源发出的混合信息，包括：
LED光源通过可见光信道将混合信号p1x1+p2x2+IDc发送给所述近用户，x1为近用户的调制信号，x2为远用户的调制信号，p1为近用户的功率分配系数，p2为远用户的功率分配系数，根据NOMA的原则，复用用户中，信道条件较差的用户分得的功率大于信道较好的用户，因此设定p1<p2且p1+p2＝1；IDC为直流-偏置电流，用来保证发送信号的非负性。近用户接收信号如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0001467007180000021
式(Ⅰ)中，
Figure BDA0001467007180000022
为LED光源的发送功率，zn为高斯白噪声服从均值为0方差为
Figure BDA0001467007180000023
正态分布，hsn为可见光信道的信道增益，hsn的表达式如式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0001467007180000024
式(Ⅱ)中，M为LED光源的辐射模式，L为LED光源到近用户信号接收机的垂直距离，r为LED光源到近用户信号接收机的水平距离，D为光学检测器的检测范围，φ为发射角，
Figure BDA0001467007180000025
为入射角，
Figure BDA0001467007180000031
为光学系统增益，Rp是光学检测器的灵敏度，
Figure BDA00014670071800000315
为光滤波增益，M(φ)是指朗伯辐射系数；
变量r的概率密度函数服从均匀分布
Figure BDA0001467007180000032
re为近用户的活动区域半径，如图1所示。利用Liang Yin等人在2016年IEEE Transactions on Communication论文中的change of variable方法可以得到：|hsn|2的概率密度函数如式(Ⅲ)所示：
Figure BDA0001467007180000033
式(Ⅲ)中，
Figure BDA0001467007180000034
x的取值范围为
Figure BDA0001467007180000035
Figure BDA0001467007180000036
对式(Ⅲ)积分得到|hsn|2的累积分布函数如式(IV)所示：
Figure BDA0001467007180000037
根据本发明优选的，所述步骤A，第一阶段T时间内为能量收割阶段，此阶段收割的能量如式(V)所示：
Figure BDA0001467007180000038
式(V)中，′为能量转换效率。
根据本发明优选的，所述步骤B，第二阶段1-T时间内为信号解调阶段，根据NOMA的思想，信号的接收端采用串行干扰消除技术，即近用户接收LED光源发出的光信号，先将自己的信息x1即所述近用户的调制信号当作干扰信息，解调出远用户的调制信号x2，再解调出自己的调制信号x1；近用户的信干噪比
Figure BDA0001467007180000039
远用户的信干噪比
Figure BDA00014670071800000310
分别为：
Figure BDA00014670071800000311
Figure BDA00014670071800000312
根据本发明优选的，所述步骤(2)，包括：近用户解调出远用户的调制信号x2后，利用收割到的能量将其转发给远用户；
则远用户的接收信号如式(VIII)所示：
Figure BDA00014670071800000313
式(VIII)中，设定收割到的能量足以用来转发信息，hnf为近用户和远用户通信的信道增益，zf为高斯白噪声服从均值为0方差为
Figure BDA00014670071800000314
的正态分布，G为路径损耗；
本发明中射频通信的信道服从Nakagami分布，因此|hnf|2的概率密度函数如式(IX)所示：
Figure BDA0001467007180000041
式(IX)中，μ为Nakagami参数表征信道的衰落严重程度，Γ()为伽马函数，y≥0，对(IX)进行积分，得到|hnf|2的累积分布函数式如式(X)所示：
Figure BDA0001467007180000042
射频通信中远用户的信干噪比如式(XI)所示：
Figure BDA0001467007180000043
根据本发明优选的，所述步骤B中，近用户的中断概率Pn如式(XII)所示：中断概率是指，当链路容量不满足所要求的速率时，就会产生中断事件，这个事件呈概率分布；假设解调出近用户的调制信号x1、远用户的调制信号x2要求的最小速率分别为R1、R2，则导致近用户产生中断的情况有两种，一种是近用户不能解调出远用户的调制信号x2，另一种是近用户解调出远用户的调制信号x2但是解不出近用户的调制信号x1；
Figure BDA0001467007180000044
式(XII)中，Pr是指发生某件事情的概率；
根据本发明优选的，远用户的中断概率Pf如式(XIII)所示：当近用户能解调出远用户的调制信号x2且远用户也能解调出远用户的调制信号x2时，远用户不会中断，
Figure BDA0001467007180000045
根据本发明优选的，所述用户协作传输系统的中断概率Psystem为近用户的中断概率与Pn远用户的中断概率Pf之和，如式(XIV)所示：
Psystem＝Pn+Pf (XIV)。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种基于非正交多址NOMA的可见光/射频混合协作通信方法，扩大了通信范围同时能保证高速而稳健的数据传输。
2、本发明提出的通信方法同时考虑了用户设备的能量消耗问题，增加了能量收割模块，绿色环保又兼顾公平。
3、本发明分析了用户的中断概率，以及存在最优的时间分割T使用户的中断概率最小。
附图说明
图1是本发明用户协作传输系统的系统模型图；
图2是本发明用户协作传输系统的系统的结构框图；
图3是本发明用户协作传输系统中断概率随时间T变化的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例
一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，应用于可见光/射频通信的用户协作传输系统，可见光/射频通信的用户协作传输系统的模型如图1所示，该系统包括1个LED光源、2个用户，一个用户随机坐落在离LED光源较近的区域定义为近用户，另一个用户随机坐落在里LED光源较远的区域定义为远用户，远用户由于距LED光源较远无法实现和LED光源的正常通信。近用户设有近用户信号接收机，用于接收信号，近用户信号接收机包括光学检测器；包括：
(1)近用户通过可见光通信方式接收LED光源发出的混合信息，混合信息为近用户和远用户的混合信息，并对混合信息进行解调，近用户和远用户的混合信息即近用户的调制信号和远用户的调制信号的线性叠加信号，包括：LED光源通过可见光信道将混合信号p1x1+p2x2+IDc发送给近用户，x1为近用户的调制信号，x2为远用户的调制信号，p1为近用户的功率分配系数，p2为远用户的功率分配系数，根据NOMA的原则，复用用户中，信道条件较差的用户分得的功率大于信道较好的用户，因此设定p1<p2且p1+p2＝1；IDC为直流-偏置电流，用来保证发送信号的非负性。近用户接收信号如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0001467007180000051
式(Ⅰ)中，
Figure BDA0001467007180000052
为LED光源的发送功率，zn为高斯白噪声服从均值为0方差为
Figure BDA0001467007180000053
正态分布，hsn为可见光信道的信道增益，hsn的表达式如式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0001467007180000054
式(Ⅱ)中，M为LED光源的辐射模式，L为LED光源到近用户信号接收机的垂直距离，r为LED光源到近用户信号接收机的水平距离，D为光学检测器的检测范围，φ为发射角，
Figure BDA0001467007180000061
为入射角，
Figure BDA0001467007180000062
为光学系统增益，Rp是光学检测器的灵敏度，
Figure BDA0001467007180000063
为光滤波增益，M(φ)是指朗伯辐射系数；
变量r的概率密度函数服从均匀分布
Figure BDA0001467007180000064
re为近用户的活动区域半径，如图1所示。利用Liang Yin等人在2016年IEEE Transactions on Communication论文中的change of variable方法可以得到：|hsn|2的概率密度函数如式(Ⅲ)所示：
Figure BDA0001467007180000065
式(Ⅲ)中，
Figure BDA0001467007180000066
x的取值范围为x2[xmin；xmax]，
Figure BDA0001467007180000067
Figure BDA0001467007180000068
对式(Ⅲ)积分得到|hsn|2的累积分布函数如式(IV)所示：
Figure BDA0001467007180000069
包括：
A、第一阶段T时间内，0<T<1，设定第一阶段时间、第二阶段时间合计为一个时间周期1；近用户将接收到的LED光源发出的光信号转化为电能，进行存储；考虑到接下来近用户转发信息需要消耗掉自身一部分能量，而往往很多近用户设备又能量受限，因此进行能量存储以进行下阶段的转发。第一阶段T时间内为能量收割阶段，此阶段收割的能量如式(V)所示：
Figure BDA00014670071800000610
式(V)中，′为能量转换效率。
B、第二阶段1-T时间内，近用户接收LED光源发出的光信号，并通过串行干扰消除技术解调LED光源发出的光信号，解调出近用户的调制信号和远用户的调制信号；第二阶段1-T时间内为信号解调阶段，根据NOMA的思想，信号的接收端采用串行干扰消除技术，即近用户接收LED光源发出的光信号，先将自己的信息x1即所述近用户的调制信号当作干扰信息，解调出远用户的调制信号x2，再解调出自己的调制信号x1；近用户的信干噪比
Figure BDA00014670071800000611
远用户的信干噪比
Figure BDA00014670071800000612
分别为：
Figure BDA00014670071800000613
Figure BDA00014670071800000614
(2)近用户通过步骤A存储的电能，将步骤B解调出的远用户的调制信号，通过射频信号发送给远用户。包括：近用户解调出远用户的调制信号x2后，利用收割到的能量将其转发给远用户；
则远用户的接收信号如式(VIII)所示：
Figure BDA0001467007180000071
式(VIII)中，设定收割到的能量足以用来转发信息，hnf为近用户和远用户通信的信道增益，zf为高斯白噪声服从均值为0方差为
Figure BDA0001467007180000072
的正态分布，G为路径损耗；
本发明中射频通信的信道服从Nakagami分布，因此|hnf|2的概率密度函数如式(IX)所示：
Figure BDA0001467007180000073
式(IX)中，μ为Nakagami参数表征信道的衰落严重程度，Γ()为伽马函数，y≥0，对(IX)进行积分，得到|hnf|2的累积分布函数式如式(X)所示：
Figure BDA0001467007180000074
射频通信中远用户的信干噪比如式(XI)所示：
Figure BDA0001467007180000075
图2为可见光/射频通信的用户协作传输系统的框图，Photo detector是指光学检测器；SIC receiver是指串行干扰消除接收机；Energy harvester是指能量收割机；X2decoding是指解调X2；X1 decoding是指解调X1；RF transmiter是指射频信号发送器；横坐标是时间t和频率f，纵坐标是功率power，由图2可知，采用NOMA技术的多用户之间共享频率和时间资源，但是用户之间功率不一样。
光学检测器接收LED光源发出的混合信息；第一阶段T时间内，通过能量收割机将接收到的LED光源发出的光信号转化为电能并进行存储；第二阶段1-T时间内，近用户接收LED光源发出的光信号，并通过串行干扰消除接收机解调LED光源发出的光信号，解调出近用户的调制信号x1和远用户的调制信号x2；先将近用户的调制信号x1当作干扰信息，解调出远用户的调制信号x2，再解调出自己的调制信号x1；近用户通过存储的电能，将解调出的远用户的调制信号x2通过射频信号发送器发送给远用户。
步骤B中，近用户的中断概率Pn如式(XII)所示：中断概率是指，当链路容量不满足所要求的速率时，就会产生中断事件，这个事件呈概率分布；假设解调出近用户的调制信号x1、远用户的调制信号x2要求的最小速率分别为R1、R2，则导致近用户产生中断的情况有两种，一种是近用户不能解调出远用户的调制信号x2，另一种是近用户解调出远用户的调制信号x2但是解不出近用户的调制信号x1；
Figure BDA0001467007180000081
式(XII)中，Pr是指发生某件事情的概率；
远用户的中断概率Pf如式(XIII)所示：当近用户能解调出远用户的调制信号x2且远用户也能解调出远用户的调制信号x2时，远用户不会中断，
Figure BDA0001467007180000082
用户协作传输系统的中断概率Psystem为近用户的中断概率与Pn远用户的中断概率Pf之和，如式(XIV)所示：
Psystem＝Pn+Pf (XIV)。
由式(XII)、(XIII)可见，远用户和近用户的中断概率皆是关于时间T的函数，因此系统的中断概率Psystem也是关于时间T的函数。通过Matlab仿真得到系统中断概率随时间T的仿真效果图如图3。从图3可以看出随着时间T的增加，系统的中断概率先减小后增加，其中存在某一个时间点能使系统中断概率最小。从图3还可以看出当时间T到达某一个点之后系统的中断概率将大于1，这说明当时间T到达某个值之后，系统肯定会中断。
本发明提出的基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，既可以扩大通信范围，也可以提供稳定高速的数据传输，还可以自给自足提供能量。同时再联合时间T的分配，提升通信的服务质量，使通信系统的中断概率最小化。

Claims (6)

1.一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，其特征在于，应用于可见光/射频通信的用户协作传输系统，该系统包括LED光源及用户群，将该用户群的用户分为近用户、远用户两类，离所述LED光源较近的区域所在的用户为近用户；用户群中其它用户为远用户；离所述LED光源较近的区域是指：以LED光源垂直射在用户群所在的平面的点为圆点，以a为半径所在的区域，a的取值范围为0～6m；每个所述近用户设有近用户信号接收机，用于接收信号，所述近用户信号接收机包括光学检测器；包括：
(1)所述近用户通过可见光通信方式接收LED光源发出的混合信息，所述混合信息为近用户和远用户的混合信息，并对混合信息进行解调，近用户和远用户的混合信息即近用户的调制信号和远用户的调制信号的线性叠加信号，包括：
A、第一阶段T时间内，0<T<1，设定第一阶段时间、第二阶段时间合计为一个时间周期1；所述近用户将接收到的LED光源发出的光信号转化为电能，进行存储；所述步骤A，第一阶段T时间内为能量收割阶段，此阶段收割的能量如式(V)所示：
Figure FDA0002237722190000011
式(V)中，η为能量转换效率；Ps是指LED光源的发送功率；
B、第二阶段1-T时间内，所述近用户接收LED光源发出的光信号，并通过串行干扰消除技术解调LED光源发出的光信号，解调出近用户的调制信号和远用户的调制信号；
所述步骤(1)，所述近用户通过可见光通信方式接收所述LED光源发出的混合信息，包括：
LED光源通过可见光信道将混合信号p1x1+p2x2+IDc发送给所述近用户，x1为近用户的调制信号，x2为远用户的调制信号，p1为近用户的功率分配系数，p2为远用户的功率分配系数，设定p1<p2且p1+p2＝1；IDC为直流-偏置电流，近用户接收信号如式(I)所示：
Figure FDA0002237722190000012
式(I)中，
Figure FDA0002237722190000013
是指LED光源的发送功率的开方，表征信号幅值；zn为高斯白噪声服从均值为0方差为
Figure FDA0002237722190000014
正态分布，hsn为可见光信道的信道增益，hsn的表达式如式(Ⅱ)所示：
Figure FDA0002237722190000015
式(Ⅱ)中，M为LED光源的辐射模式，L为LED光源到近用户信号接收机的垂直距离，r为LED光源到近用户信号接收机的水平距离，D为光学检测器的检测范围，φ为发射角，
Figure FDA0002237722190000016
为入射角，
Figure FDA0002237722190000021
为光学系统增益，Rp是光学检测器的灵敏度，
Figure FDA0002237722190000022
为光滤波增益，M(φ)是指朗伯辐射系数；
变量r的概率密度函数服从均匀分布
Figure FDA0002237722190000023
re为近用户的活动区域半径，|hsn|2的概率密度函数如式(Ⅲ)所示：
Figure FDA0002237722190000024
式(Ⅲ)中，
Figure FDA0002237722190000025
x的取值范围为x∈[xmin；xmax]，
Figure FDA0002237722190000026
Figure FDA0002237722190000027
对式(Ⅲ)积分得到|hsn|2的累积分布函数如式(IV)所示：
Figure FDA0002237722190000028
(2)所述近用户通过步骤A存储的电能，将步骤B解调出的远用户的调制信号，通过射频信号发送给远用户。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，其特征在于，所述步骤B，第二阶段1-T时间内为信号解调阶段，近用户接收LED光源发出的光信号，先将自己的信息x1即所述近用户的调制信号当作干扰信息，解调出远用户的调制信号x2，再解调出自己的调制信号x1；近用户的信干噪比
Figure FDA0002237722190000029
远用户的信干噪比
Figure FDA00022377221900000210
分别为：
Figure FDA00022377221900000211
Figure FDA00022377221900000212
3.根据权利要求1所述的一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，其特征在于，所述步骤(2)，包括：近用户解调出远用户的调制信号x2后，利用收割到的能量将其转发给远用户；
则远用户的接收信号如式(VIII)所示：
Figure FDA00022377221900000213
式(VIII)中，设定收割到的能量足以用来转发信息，hnf为近用户和远用户通信的信道增益，zf为高斯白噪声服从均值为0方差为
Figure FDA00022377221900000214
的正态分布，G为路径损耗；
|hnf|2的概率密度函数如式(IX)所示：
Figure FDA0002237722190000031
式(IX)中，μ为Nakagami参数表征信道的衰落严重程度，Γ()为伽马函数，y≥0，对(IX)进行积分，得到|hnf|2的累积分布函数式如式(X)所示：
Figure FDA0002237722190000032
式(X)中，γ()函数是指下不完全伽马函数；
射频通信中远用户的信干噪比如式(XI)所示：
Figure FDA0002237722190000033
4.根据权利要求2所述的一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，其特征在于，所述步骤B中，近用户的中断概率Pn如式(XII)所示：中断概率是指，当链路容量不满足所要求的速率时，就会产生中断事件，这个事件呈概率分布；假设解调出近用户的调制信号x1、远用户的调制信号x2要求的最小速率分别为R1、R2，则导致近用户产生中断的情况有两种，一种是近用户不能解调出远用户的调制信号x2，另一种是近用户解调出远用户的调制信号x2但是解不出近用户的调制信号x1；
Figure FDA0002237722190000034
式(XII)中，Pr是指发生某件事情的概率；
5.根据权利要求4所述的一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，其特征在于，远用户的中断概率Pf如式(XIII)所示：
Figure FDA0002237722190000035
6.根据权利要求5所述的一种基于无线能量收割与非正交多址的可见光/射频混合协作通信方法，其特征在于，所述用户协作传输系统的中断概率Psystem为近用户的中断概率与Pn远用户的中断概率Pf之和，如式(XIV)所示：
Psystem＝Pn+Pf(XIV)。
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