CN108039912B - 一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，该方法结合CSK星座图的特点和PDNOMA的基本思想，将CSK的单层星座图扩展为多层，提出MLCSK调制方案。每层星座点供单个用户终端使用且每层星座点的功率的分配根据各用户终端的信道条件所决定，以实现具有信道自适应的多用户VLC通信系统，从而可增大系统总体的吞吐率。

Description

一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法

技术领域

本发明涉及面向可见光通信(Visible Light Communication，VLC)领域，提出了一种具有信道自适应特性并可实现非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)、增大系统容量的多层色移键控(Multi-Layer Color and Shift Keying，MLCSK)调制方法。

背景技术

在如今信息化时代，人们对高速宽带多媒体通信的需求正呈现几何级数增长，稀缺的频谱资源与用户对数据流量的巨大需求之间的矛盾日益突出[1]。面对这样的背景下，基于发光二极管(Light-emitting Diode，LED)的VLC技术逐渐受到各方关注，学术界与工业界对其展开了广泛研究。

VLC技术是一种能在保证LED照明功能前提下，实现信息高速传输的通信技术。它主要通过强度调制(Intensity Modulation，IM)和直接检测(Direct Detection，DD)技术，利用人眼不可察觉的快速光强变化来实现信息的传输，做到同时支持照明和通信。它具有高速率、宽频谱且无需授权，高安全性、低成本以及无电磁干扰的特性[2]。

在应用于VLC的调制方式中，色移键控(Color and Shift Keying，CSK)是在IEEE802.15.7标准中提出的调制方式，适合应用于高速率单用户传输的应用场景中[3]。不同于使用单光源的开关键控(On-Off keying，OOK)调制和变脉冲位置调制(Variable Pulse-Position Modulation，VPPM)方式，CSK调制是一种使用红、绿、蓝(Red、Green、Blue，RGB)三色LED光源，通过控制在三个颜色带宽上的光强以及三种颜色光成分的组合比例来实现信息传输的调制方式，调制过程中通过控制三色光的瞬时总强度不变，避免产生影响照明体验的灯光闪烁效应。另外，CSK调制使用的是RGB-LED作为发射光源，它相比传统用于VLC系统的荧光粉LED光源具有更高的调制带宽，能以更高的频率实现光强的变化[4]。由于CSK的光功率约束条件，CSK的星座点被限制在一个三维平面上，其高阶星座图性能受限。另一方面星座图平面的高度以及大小取决于系统发射的总功率，因此在不改变色度映射规则的前提下通过设定总功率即能生成一个单层CSK星座图。

非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技术是为满足第五代(The Fifth-generation，5G)无线网络中低延时、高稳定、大规模互联、公平、高吞吐量所提出的多址接入技术。其核心思想是在相同的资源块上，如时隙、子载波或扩频码，实现多个用户的信息传输。考虑到用户终端信道的特殊性，同一时间段内不同用户终端的信道特性可能会出现较大差异，当一个信道条件很差的用户终端由于公平性因素而必需被服务时，在应用传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技术由于资源块只被该用户终端占用，必然会导致系统频谱效率以及系统总体吞吐率的下降。然而在这个场景下，使用NOMA不仅能满足信道条件差的用户终端的通信服务，同时也能支持信道条件优良的用户终端的通信。可以证明，在用户终端公平性保证的前提下，NOMA系统的总体吞吐量相比于OMA系统有较大的提升[5]。在NOMA技术中，功率域(Power-Domain，PD)NOMA是高效频谱利用率的一种实现方式，它通过对不同用户终端的发射功率进行合理分配，利用不同用户终端所分配的功率不同这一特性对各用户终端的信息加以区分，从而实现在同一时隙上同时服务多个用户终端[6]，以提高系统整体的吞吐率。

然而，NOMA技术在VLC领域的应用十分有限，仍未找到一种合适应用于NOMA技术的VLC调制方案，因此本发明结合CSK星座图的特点和PDNOMA的基本思想，将CSK的单层星座图扩展为多层，提出了多层色移键控(Multi-Layer Color Shift Keying，MLCSK)的调制方案。每层星座点供单个用户使用且每层星座点的功率的分配根据各用户终端的信道条件所决定，以实现具有信道自适应的多用户VLC通信系统，从而可增大系统总体的吞吐率。

发明内容

本发明的发明目的在于结合CSK星座图的特点和PDNOMA的基本思想，将CSK的单层星座图扩展为多层，提出了多层色移键控的调制方法，使得NOMA技术能够适用于VLC调制领域。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：包括有以下步骤：

(一)假设一个发射机服务的用户终端数量为K，第k个用户终端的二进制比特数据携带N_b＝log₂M比特信息进入M-CSK调制模块，所述M-CSK调制模块表示调制阶数为M的色移键控调制模块，其中所述M均表示调制阶数，经过颜色编码映射成色度坐标

k＝1,2,…,K，p＝1,2,…,M；然后利用式(1)实现色度域到光强域的变换，得到光强符号

其中(x_r,y_r)，(x_g,y_g)和(x_b,y_b)表示色度域中三基色光源波长对应的色度坐标,P_opt为设定的总光功率，所述M-CSK调制模块表示调制阶数为M的色移键控调制模块，其中所述M均表示调制阶数；

(二)根据PDNOMA的基本原理，对每个符号s_k分配一个功率因子a_k，a_k由各个用户终端的信道质量所决定；最终由LED发射的符号x＝[x_r,x_g,x_b]^T可以表示为：

此时在强度域中，符号映射的星座图为单层CSK星座图符号的K层扩展，符号x生成后，经过数模转换，形成电流信号并通过电光转换控制三个颜色对应的LED光强，最终由LED发出的符号经过信道到达各用户终端；

(三)假设K个用户终端的信道质量满足：h₁≤…≤h_K；其中h_k表示在VLC信道中，LED与第k个用户终端LoS链路的直流信道增益，表示为：

其中，m是朗博系数，为m＝-1/log₂(cos(Φ_1/2))，Φ_1/2是LED的半功率角，d_k为LED和第k个用户终端之间的欧氏距离，φ_k和ψ_k分别为LED向第k个用户终端辐射的辐射角和第k个用户终端处的入射角，A和R_p分别表示第k个用户终端光电检测器的接收面积和响应因子，T(ψ_k)表示第k个用户终端的前端滤波器增益，g(ψ_k)则表示第k个用户终端的聚光器增益，由下式给出：

其中n是聚光器的反射指数，Ψ_FoV是光电检测器的视野角；

(四)则第k个用户终端接收的信号表示为：

其中

为零均值实值高斯噪声向量；

利用串行干扰消除方法去除y_k中信道质量较第k个用户终端差的前k-1个用户终端的信息信号，然后对第k个用户终端的信息信号进行解调，得到符号

将符号

送入M-CSK解调模块，进行CSK调制的逆过程，最终恢复出该用户终端的N_b比特信息；所述CSK表示色移键控。

优选地，

保证在通信过程中不产生闪烁。

优选地，所述符号x是由a_is_i叠加而成的，为保证在接收端使用串行干扰消除方法的稳定性，要求第k个用户终端的信息信号在叠加了第k+1个用户终端的信息信号后仍能被复原，即第k个用户终端的符号在叠加第k+1个用户终端的符号后不能超越第k个用户终端符号的判决范围，该要求的数学表达为：

||a_k+1s^(β)||≤||a_ks^(α)+a_k+1s^(β)-a_ks^(γ)||，α≠γ，α,β,γ＝1,2,...,M(3)

其中s^(ξ)∈S_M，S_M为M-CSK符号全集，根据色度映射规则和式(1)确定；s^(ξ)是S_M中的第ξ个符号，ξ＝1,2，…,M，||·||表示向量取模运算。

优选地，所述步骤(二)采用满足用户终端服务质量下的最大化系统容量准则为每个符号s_k分配一个功率因子a_k，该准则对应的优化问题可表示为：

其中

为满足第k个用户终端服务质量的最低速率，R_k为第k个用户终端服务质量的理论可达速率，表示如下：

其中

表示发射信号的电信噪比，

表示信号平均电功率，N₀为双边带噪声的功率谱密度，B是信号带宽；通过求解式(10)的优化问题，可以获得一组分配因子a_k。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

本发明结合CSK星座图的特点和PDNOMA的基本思想，将CSK的单层星座图扩展为多层，提出MLCSK调制方案。每层星座点供单个用户使用且每层星座点的功率的分配根据各用户终端的信道条件所决定，以实现具有信道自适应的多用户VLC通信系统，从而可增大系统总体的吞吐率。

附图说明

图1：MLCSK发射机系统框图

图2：用户终端数为2时的归一化MLCSK星座图

图3：室内VLC下行通信系统模型

图4：第k个用户终端的接收解调框图

图5：用户终端数为2，采用SRMQoS时的NOMA与OMA系统理论系统容量对比图

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明是如何实施的。

本发明考虑室内多用户VLC数据下行应用场景，图1给出了采用本发明提出的MLCSK发射机系统框图。假设一个发射机服务的用户终端数量为K，第k个(k＝1,2,…,K)用户终端的二进制比特数据携带N_b＝log₂M比特信息首先进入M-CSK调制模块，经过颜色编码映射成色度坐标

p＝1,2,…,M。色度符号的映射规则可见文献[7]。然后利用式(1)实现色度域到光强域变换，得到光强符号

其中(x_r,y_r)，(x_g,y_g)和(x_b,y_b)表示色度域中三基色光源波长对应的色度坐标，同时也是生成其他色度坐标的三个顶点，P_opt为设定的总光功率。根据PDNOMA的基本原理，对每个符号s_k分配一个功率因子a_k，a_k由各个用户终端的信道质量所决定。最终由LED发射的符号x＝[x_r,x_g,x_b]^T可以表示为

其中为保证通信过程不产生闪烁，要求

符号映射的星座图为单层CSK星座图符号的K层扩展，如K＝2时的星座图如图2所示，其中展示的三种星座图分别采用4，8，16-CSK。由于NOMA系统的解调过程中使用串行干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)，为保证其稳定性，要求第k个用户终端的信息信号在叠加了第k+1个用户终端的信息信号后仍能被复原，即第k个用户终端的符号在叠加第k+1个用户终端的符号后不能超越第k个用户终端的符号的判决范围。该要求的数学表达为：

||a_k+1s^(β)||≤||a_ks^(α)+a_k+1s^(β)-a_ks^(γ)||，α≠γ，α,β,γ＝1,2,...,M(3)

其中s^(ξ)∈S_M，S_M为M-CSK符号全集，根据色度映射规则和式(1)确定。s^(ξ)是S_M中的第ξ个符号，ξ＝1,2，…,M，||·||表示向量取模运算。通过计算可得，采用不同调制阶数时的功率分配因子需满足的条件如表1所示。

表1功率分配因子满足条件

根据式(2)可得到发射信号总光功率为

其中sum{·}表示向量元素求和，E[·]表示求期望。符号生成后，经过数模转换，形成电流信号并通过电光转换控制三个颜色对应的LED光强，最终由LED发出的符号经过信道到达各用户终端。考虑室内VLC下行通信场景，如图3所示，单个LED被安装在天花板上，同时K个用户终端正态分布在LED照射覆盖的半径为r_e的圆形区域内。不失一般性，同时考虑视距(Line of Sight，LoS)传输条件，假设K个用户终端的信道质量满足：

h₁≤…≤h_K (5)

其中h_k表示在VLC信道中，发射机和第k个用户终端LoS链路的直流信道增益，表示为[8]

其中，m是朗博系数，为m＝-1/log₂(cos(Φ_1/2))，Φ_1/2是LED的半功率角，d_k为LED和第k个用户终端之间的欧氏距离，φ_k和ψ_k分别为LED向第k个用户终端辐射的辐射角和第k个用户终端处的入射角，A和R_p分别表示第k个用户终端光电检测器的接收面积和响应因子，T(ψ_k)表示第k个用户终端的前端滤波器增益，g(ψ_k)则表示第k个用户终端的聚光器增益，由下式给出：

其中n是聚光器的反射指数，Ψ_FoV是光电检测器的视野角。

根据PDNOMA的基本原理，信道质量越差的用户终端将会分配到更多的信号能量，即a₁≥…≥a_K。第k个用户终端的接收信号表示为

其中

为零均值实值高斯噪声向量，噪声总功率为

N₀为双边带噪声的功率谱密度，B是信号带宽。同时

(m＝{r,g,b})的功率为

第k个用户终端的接收解调框图如图4所示。对于解调第k个用户终端接收的信息，先使用SIC去除其他信道质量较第k个用户终端差的前k-1个用户终端的信息信号，然后解调出第k个用户终端的信息，其中解调出信号

可有多种实现方式，如采用最大似然解调器，即

将解调得到的第k个用户终端的符号

送入M-CSK解调模块，进行CSK调制的逆过程，最终恢复出该用户终端的N_b比特信息。

上述方案中，采用满足用户终端服务质量下的最大化系统容量准则为每个符号s_k分配一个功率因子a_k，该准则可表示为：

其中

为满足第k个用户终端服务质量的最低速率，R_k为满足第k个用户终端服务质量的理论可达速率，表示如下：

其中

表示发射信号的电信噪比，

表示信号平均电功率，N₀为双边带噪声的功率谱密度，B是信号带宽；通过求解式(10)的优化问题，可以获得一组分配因子a_k。另一方面由于系统容量与当前各个用户终端的信道增益h_k有关，假设在理想信道估计的前提下，该方法具有自适应信道的特点，同时在满足各个用户终端的服务质量的前提下最大化系统的容量。

以两个用户终端，K＝2为具体例子对分配方案作进一步说明。式(10)的优化问题简化为

以上优化问题虽然是非凸问题，但在给定以下条件2＜A₁＜Γ₁+1，

时，

最优解可求解到为

其中

以上条件可以保证SIC解调的稳定性。实际上因为

A₁＞2可以保证

即保证

否则可计算验证当A₁＜2时，

不恒成立，这会导致问题的最优解变为

即SIC解调失效。同时A₁＜Γ₁+1和

是保证了

有解，满足该条件意味着不会出现当用户终端1的信道出现深衰落时，即使系统全部能量都分配给用户终端1都不能满足

的情况。当

时，此时将有

意味着信道质量较差的用户终端将被分配功率以满足服务需求的最低速率，剩下的功率则分配给信道更好的用户终端来使系统容量最大。K>2时的功率分配原则也与K＝2时类似。

为更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合仿真分析及结果，进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。仿真过程中使用归一化发射总光功率，即P_opt＝1W，考虑典型室内可见光LoS信道，房间大小为5*5*3m³。发射LED被安装在房间中央，其中Φ_1/2＝60°，Ψ_FoV＝85°。最后考虑两个用户终端随机分布。

图5为采用式(12)的分配标准下，在能满足

前提下，NOMA与OMA系统容量的对比。其中OMA理论系统容量为

由图5可见，当发射功率固定的前提下，噪声功率下降时，由于接收端信噪比增大，系统总体容量在增大。同时对比NOMA和OMA系统的系统容量曲线可知，采用NOMA技术的系统容量会比OMA系统要大，这体现了本发明所述方案所实现NOMA系统的优越性。

最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

参考文献：

[1]Cisco white paper:Cisco Visual Networking Index:Global Mobile DataTraffic Forecast Update,2016-2021,Feb.2017

[2]D.O”Brien,L.Zeng,H.Le-Minh,G.Faulkner,J.Walewski,and S.Randel,Visible light communications:Challenges and possibilities,in PIMRC,Cannes,France,2008,pp.1-5

[3]IEEE standard for local and metropolitanarea networks-part 15.7:Short-range wireless optical communication using visible light[S],Sept.2011

[4]J.M.L-Rivera,C.S-Rpdriguez,V.Guerra,R.P-Jimenez,J.R-Borges,andJ.R-Torres,Low-complexity colour-shift keying-based visible lightcommunications system[J],IET Optoelectronics,vol.9,no.5,2015,pp.191-198

[5]Z.Ding,P.Fan,and H.V.Poor,Impact of user pairing on5Gnonorthogonal multiple-access downlink transmissions[J],IEEETrans.Veh.Technol.vol.65,no.8,Aug.2016,pp.6010-6023

[6]J.Choi,Power allocation for max-sum rate and max-min rateproportional fairness in NOMA,IEEE communication letter,vol.20,no.10,Oct.2016,pp.2055-2058

[7]A.Yokoi,J.Son,and T.Bae,CSKconstellation in all color bandcombinations[S],Mar.2011

[8]J.Kahn and J.Barry,Wireless Infrared Communications[J],Proc.IEEE,vol.85,no.2,Feb.1997,pp.265-298

Claims (4)

1.一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：包括有以下步骤：

(一)假设一个发射机服务的用户终端数量为K，第k个用户终端的二进制比特数据携带N_b＝log₂M比特信息进入M-CSK调制模块，经过颜色编码映射成色度坐标

然后利用式(1)实现色度域到光强域的变换，得到光强符号

其中(x_r,y_r)，(x_g,y_g)和(x_b,y_b)表示色度域中三基色光源波长对应的色度坐标,P_opt为设定的总光功率，所述M-CSK调制模块表示调制阶数为M的色移键控调制模块，其中M均表示调制阶数；

(二)根据PDNOMA的基本原理，对每个符号s_k分配一个功率因子a_k，a_k由各个用户终端的信道质量所决定；最终由LED发射的符号x＝[x_r,x_g,x_b]^T可以表示为：

此时在强度域中，符号映射的星座图为单层CSK星座图符号的K层扩展，符号x生成后，经过数模转换，形成电流信号并通过电光转换控制三个颜色对应的LED光强，最终由LED发出的符号经过信道到达各用户终端；

(三)假设K个用户终端的信道质量满足：h₁≤…≤h_K；其中h_k表示在VLC信道中，LED与第k个用户终端LoS链路的直流信道增益，表示为：

其中，m是朗博系数，为m＝-1/log₂(cos(Φ_1/2))，Φ_1/2是LED的半功率角，d_k为LED和第k个用户终端之间的欧氏距离，φ_k和ψ_k分别为LED向第k个用户终端辐射的辐射角和第k个用户终端处的入射角，A和R_p分别表示第k个用户终端光电检测器的接收面积和响应因子，T(ψ_k)表示第k个用户终端的前端滤波器增益，g(ψ_k)则表示第k个用户终端的聚光器增益，由下式给出：

其中n是聚光器的反射指数，Ψ_FoV是光电检测器的视野角；

(四)则第k个用户终端接收的信号表示为：

其中

为零均值实值高斯噪声向量；

利用串行干扰消除方法去除y_k中信道质量较第k个用户终端差的前k-1个用户终端的信息信号，然后对第k个用户终端的信息信号进行解调，得到符号

将符号

送入M-CSK解调模块，进行CSK调制的逆过程，最终恢复出该用户终端的N_b比特信息；所述CSK表示色移键控。

2.根据权利要求1所述的可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：

保证在通信过程中不产生闪烁。

3.根据权利要求2所述的可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：所述符号x是由a_is_i叠加而成的，为保证在接收端使用串行干扰消除方法的稳定性，要求第k个用户终端的信息信号在叠加了第k+1个用户终端的信息信号后仍能被复原，即第k个用户终端的符号在叠加第k+1个用户终端的符号后不能超越第k个用户终端符号的判决范围，该要求的数学表达为：

||a_k+1s^(β)||≤||a_ks^(α)+a_k+1s^(β)-a_ks^(γ)||，α≠γ，α,β,γ＝1,2,...,M (3)

其中s^(ξ)∈S_M，S_M为M-CSK符号全集，根据色度映射规则和式(1)确定；s^(ξ)是S_M中的第ξ个符号，ξ＝1,2，…,M，||·||表示向量取模运算。

4.根据权利要求1～3任一项所述的可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：所述步骤(二)采用满足用户终端服务质量下的最大化系统容量准则为每个符号s_k分配一个功率因子a_k，该准则对应的优化问题可表示为：

其中

为满足第k个用户终端服务质量的最低速率，R_k为第k个用户终端服务质量的理论可达速率，表示如下：

其中

表示发射信号的电信噪比，

表示信号平均电功率，N₀为双边带噪声的功率谱密度，B是信号带宽；通过求解式(10)的优化问题，可以获得一组分配因子a_k。

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