CN108270485B - 可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，涉及可见光通信技术，用于解决目前许多研究者将约束松弛为峰值功率约束和平均光功率约束来寻找最优发射信号的近似，但是这种方法并不能实用。对于可见光通信，点对点信道的容量以及多用户信道的可达速率域依然是一个开放问题，研究者目前致力于寻找足够优良的估计方法和上界与下界。它提供一种针对SISO点对点以及SISO多用户的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。这种发射信号产生方法具有闭式表达式，并且满足可见光通信对于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均电功率的约束，能够在理论上证明这种方法优于其他方法，形式简单易于应用。

Description

可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术，具体来说，是可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。

背景技术

可见光通信是一种新型无线通信技术，相比于现有的射频无线通信技术，可见光通信技术具有传输速率高，带宽资源丰富且无须授权，能耗低，没有无线电电磁干扰，保密性好等诸多有点，因此各国学术界与工业界都在这一领域投入大量人力物力，并取得了一定的阶段性成果。未来可见光通信技术可以在人流密集区域，如机场、车站和商城等，以及一些电磁辐射要求严苛的场所，如矿井、医院和飞机等，提供高速可靠的无线网络覆盖，因而可见光通信技术也被认为是5G移动通信系统的关键构成技术之一。

目前，可见光通信主流的系统框架是强度调制/直接检测(IM/DD)，基本原理如图1所示，首先将携带有原始信息的电信号进行基带调制，然后使用发光二极管(LED)作为发射装置，利用基带调制后的电信号控制发光二极管产生强度高频变化的光信号，经过无线光信道之后，使用光电检测器(PD)作为接收装置进行直接检测，将光信号还原为电信号，从而恢复出原始信息。

可见光通信通常建立在LED照明系统的基础上，首先要保证室内照明的相关要求。因此，与建立在有限平均电功率约束下的射频无线通信系统不同，可见光通信为了保证人眼安全与舒适度要求以及照明亮度要求，还需要满足有限峰值功率约束和有限平均光功率约束，同时为了满足LED与光学器件的性能要求，有限平均电功率约束也与射频无线通信有着一定不同之处。

发射信号产生方法和信道容量分析是通信信息处理与编码、功率分配优化以及资源调度优化的重要基础之一。射频无线通信最优发射信号为满足平均电功率约束的高斯分布，这一发射信号产生方法并不满足可见光通信的约束条件。根据既有研究表明，满足可见光通信三个约束的最优发射信号是一个有限的离散分布，但是分布中随机变量取值和概率大小都只能通过穷举搜索的方法得到，无法求解处闭式表达式，导致这种方法难以应用于功率分配和资源调度等重要领域。

目前许多研究者将约束松弛为峰值功率约束和平均光功率约束来寻找最优发射信号的近似，但是这种方法并不能实用。对于可见光通信，点对点信道的容量以及多用户信道的可达速率域依然是一个开放问题，研究者目前致力于寻找足够优良的估计方法和上界与下界。

发明内容

本发明目的是旨在提供了一种针对SISO点对点以及SISO多用户的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。

提供一种闭式表达式，并且满足可见光通信对于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均电功率的约束的计算方法。

在本发明的提出的发射信号产生方法的基础上，本发明利用信息论相关理论进一步提出了一种对于可见光通SISO点对点信道上界与下界以及SISO多用户广播信道可达速率域内界的估计方法，形式简单，准确度高于常用方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可见光通SISO点对点信道发射信号产生方法以及信道容量上界与下界估计方法，一个典型的可见光SISO点对点通信系统模型如图2所示，首先根据凸优化和信息论相关理论和方法求解满足可见光三种约束，以最大化为信源熵为目标函数的优化模型；然后根据信息论相关理论，得到信道容量的上界与下界，具体步骤如下：

步骤1：设置未加入直流偏置的发射信号为X，信源电信号幅度范围、均值和平均电功率为：

-A≤X≤A

设置加入直流偏置的发射信号为X^LED，其平均光功率为Po，平均电功率为Pe，直流偏置为A，则

X^LED＝X+A

步骤2：设置未加入直流偏置的发射信号服从连续概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：

步骤3：上述凸优化问题经过求解，可以得到如下结果：

解得最优解为

其中参数α，β和γ为如下方程组的解：

该方程组可以根据步骤1给定的参数值，通过数值计算的方法得到满足条件的解，得出未加入直流偏置的发射信号概率密度函数的闭式表达式，并将该分布命名为ABG分布；

步骤4：根据步骤3计算得到ABG分布，产生未加直流偏置的X；

步骤5：加入直流偏置，得到发射信号X^LED＝X+A；

步骤6：根据信息论相关理论，可以得到可见光SISO点对点通信系统信道容量CSISO的上界与下界；

信道容量上界为

其中σ²为服从零均值高斯分布的信道噪声功率；

信道容量下界为

其中h(X)为未加入直流偏置的发射信号的所采用的概率分布对应信源熵，此处发射信号必须为连续函数；

易证

为h(X)的增函数，因此根据步骤2所建立凸优化模型，在步骤3所求出的未加入直流偏置的发射信号模型，即ABG分布，可以得到最紧的下界；可求得ABG分布的信源熵为

将根据ABG分布得出的可见光SISO点对点通信系统信道容量的下界命名为ABG下界，即

在上述技术方案的基础上，还可以得到一种SISO多用户广播信道发射信号产生方法与可达速率域内界计算方法。一种典型的可见光SISO多用户广播通信系统模型如图3所示，首先给定系统发射信号参数；然后对用户进行功率分配，按照分配结果计算每一个用户发射信号的参数；然后按照每一个用户的参数计算相应的ABG分布；最后计算可达速率域的内界，具体包括如下步骤：

步骤1：设置用户数量为N，第i个用户的未加入直流偏置的发射信号为Xi，其中i＝1，2，...，N，则未加入直流偏置的发射信号

直流偏置为A，则未加入直流偏置的发射信号峰值、均值和均方值为-A≤X≤A

设置加入直流偏置的发射信号的平均光功率

与平均电功率

为

步骤2：设置第i个用户的平均光功率分配比例为μi，平均电功率分配比例为vi，并且μi，vi∈[0，1]，

因此，第i个用户未加入直流偏置的原始信号的峰值、均值和均方值为：

-Ai≤Xi≤Ai

Ai＝μiA

步骤3：根据步骤1和步骤2得到的参数，求解第i个用户的ABG分布，对应的概率密度函数为：

其中参数αi，βi和γi为如下方程组的解：

步骤4：根据步骤3计算得到每一个用户对应ABG分布，产生各自对应的未加直流偏置的Xi，相加计算未加入直流偏置的发射信号

步骤5：加入直流偏置，得到发射信号X^LED＝X+A；

步骤6：设置SISO多用户广播通信系统信道噪声服从方差为σ²的零均值高斯分布，可达速率域为

其中

为第i个用户为最大可达速率，则

的一个下界为

因此，一个可达速率域

为

将各自用户对应得ABG分布信源熵代入，得

这一可达速率域为可见光SISO广播通信系统的一个内界，将其命名为ABG可达速率域。

进一步限定，其中，ABG分布的计算方法，包括如下步骤：

S1，已知可见光通信系统对于经过基带调制后电信号参数要求：

-A≤X≤A

则满足要求且具有最大信源熵的信号的概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：

S2，经过求解，可以解得最优解为

其中参数α，β和γ为如下方程组的解：

进一步限定，其中，可见光SISO点对点通信系统信道容量的上界与下界的计算方法，其步骤包括：

已知系统噪声功率为σ²，发射信号平均电功率为ε以及信源熵h(X)，则信道容量的上界

与下界

为

进一步限定，其中，可见光SISO广播通信系统可达速率以及可达速率域内界计算方法，其步骤包括：已知系统噪声功率为σ²，发射信号总体平均电功率为ε，第i个用户的平均电功率分配比例vi，信源熵h(Xi)，则：

第i个用户的最大可达速率max

为

系统的可达速率域内界

为

本发明相比现有技术，这种发射信号产生方法具有闭式表达式，并且满足可见光通信对于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均电功率的约束，能够在理论上证明这种方法优于其他方法，形式简单易于应用。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为可见光通信基本原理示意图；

图2为可见光SISO点对点通信系统示意图；

图3为可见光SISO多用户广播通信系统示意图；

图4为具体实施中可见光SISO点对点通信系统发射信号产生流程图；

图5为具体实施中可见光SISO多用户广播通信系统信号产生流程图；

图6为可见光SISO点对点通信系统仿真对比实验1结果；

图7为可见光SISO点对点通信系统仿真对比实验2结果；

图8为可见光SISO多用户广播通信系统仿真对比实验3结果；

图9为可见光SISO多用户广播通信系统仿真对比实验4结果；

图10为可见光SISO多用户广播通信系统仿真对比实验5结果；

图11为可见光SISO多用户广播通信系统仿真对比实验6结果；

图12为可见光SISO多用户广播通信系统仿真对比实验7结果。

具体实施方式

本发明针对可见光通信SISO点对点通信系统的发射信号产生方法和信道容量估计方法，以及SISO多用户广播通信系统的发射信号产生方法和可达速率域计算方法，分别提出了一种新的方法，利用凸优化方法和信息论方法进行求解，得出了满足可见光三个基本约束的发射信号闭式表达式，并以此为基础了提出一种更紧的可见光通信系统SISO信道最大可达速率的计算方法，可以方便的求解通信系统功率优化、资源调度、信道容量分析以及可达速率域分析等基本问题。

可见光SISO点对点通信系统发射信号产生方法及其信道容量估计方法，包括如下步骤，

步骤1：设置未加入直流偏置的发射信号为X，信源电信号幅度范围、均值和平均电功率为：

-A≤X≤A

设置加入直流偏置的发射信号为X^LED，其平均光功率为Po，平均电功率为Pe，直流偏置为A，则

X^LED＝X+A

步骤2：设置未加入直流偏置的发射信号服从连续概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：

步骤3：上述凸优化问题经过求解，可以得到如下结果：

解得最优解为

其中参数α，β和γ为如下方程组的解：

该方程组可以根据步骤1给定的参数值，通过数值计算的方法得到满足条件的解，得出未加入直流偏置的发射信号概率密度函数的闭式表达式，并将该分布命名为ABG分布；

步骤4：根据步骤3计算得到ABG分布，产生未加直流偏置的X；

步骤5：加入直流偏置，得到发射信号X^LED＝X+A；

步骤6：根据信息论相关理论，可以得到可见光SISO点对点通信系统信道容量CSISO的上界与下界；

信道容量上界为

其中σ²为服从零均值高斯分布的信道噪声功率；

信道容量下界为

其中h(X)为未加入直流偏置的发射信号的所采用的概率分布对应信源熵，此处发射信号必须为连续函数；

易证

为h(X)的增函数，因此根据步骤2所建立凸优化模型，在步骤3所求出的未加入直流偏置的发射信号模型，即ABG分布，可以得到最紧的下界；可求得ABG分布的信源熵为

将根据ABG分布得出的可见光SISO点对点通信系统信道容量的下界命名为ABG下界，即

可见光SISO点对点通信系统发射信号产生方法及其信道容量估计方法，包括如下步骤，

步骤1：设置用户数量为N，第i个用户的未加入直流偏置的发射信号为Xi，其中i＝1，2，...，N，则未加入直流偏置的发射信号

直流偏置为A，则未加入直流偏置的发射信号峰值、均值和均方值为-A≤X≤A

设置加入直流偏置的发射信号的平均光功率

与平均电功率

为

步骤2：设置第i个用户的平均光功率分配比例为μi，平均电功率分配比例为vi，并且μi，vi∈[0，1]，

因此，第i个用户未加入直流偏置的原始信号的峰值、均值和均方值为：

-Ai≤Xi≤Ai

Ai＝μiA

步骤3：根据步骤1和步骤2得到的参数，求解第i个用户的ABG分布，对应的概率密度函数为：

其中参数αi，βi和γi为如下方程组的解：

步骤4：根据步骤3计算得到每一个用户对应ABG分布，产生各自对应的未加直流偏置的Xi，相加计算未加入直流偏置的发射信号

步骤5：加入直流偏置，得到发射信号X^LED＝X+A；

步骤6：设置SISO多用户广播通信系统信道噪声服从方差为σ²的零均值高斯分布，可达速率域为

其中

为第i个用户为最大可达速率，则

的一个下界为

因此，一个可达速率域

为

将各自用户对应得ABG分布信源熵代入，得

这一可达速率域为可见光SISO广播通信系统的一个内界，将其命名为ABG可达速率域。

其中，ABG分布的计算方法，包括如下步骤：

S1，已知可见光通信系统对于经过基带调制后电信号参数要求：

-A≤X≤A

则满足要求且具有最大信源熵的信号的概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：

S2，经过求解，可以解得最优解为

其中参数α，β和γ为如下方程组的解：

其中，可见光SISO点对点通信系统信道容量的上界与下界的计算方法，其步骤包括：

已知系统噪声功率为σ²，发射信号平均电功率为ε以及信源熵h(X)，则信道容量的上界

与下界

为

其中，可见光SISO广播通信系统可达速率以及可达速率域内界计算方法，其步骤包括：已知系统噪声功率为σ²，发射信号总体平均电功率为ε，第i个用户的平均电功率分配比例vi，信源熵h(Xi)，则：

第i个用户的最大可达速率max

为

系统的可达速率域内界

为

需要说明的是，图4显示了采用本发明技术方案的可见光SISO点对点通信系统发射信号产生的基本流程，可见光SISO点对点通信系统如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤1：根据设计要求设置系统相关参数和约束。

对于未加入直流偏置的发射信号为X，其参数如下：

峰值：-A≤X≤A；

均值：

均方值：

直流偏置：A；

对于加入直流偏置的发射信号X^LED＝X+A，其参数如下：

峰值光功率：0≤X^LED≤2A；

平均光功率：

平均电功率：

步骤2：求解方程组

得到满足条件的ABG分布的概率密度函数

步骤3：根据步骤2得到的ABG概率密度函数，产生对应的未加入直流偏置的发射信号X

步骤4：加入直流偏置A，产生用以LED发射的信号，即计算X^LED＝X+A

步骤5：求解信道容量的上界

与下界

即计算

图5显示了采用本发明技术方案的可见光SISO点对点通信系统发射信号产生的基本流程，可见光SISO多用户广播通信系统如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤1：根据设计要求设置系统相关参数和约束。

对于未加入直流偏置的发射信号为X，其参数如下：

峰值：-A≤X≤A；

均值：

均方值：

直流偏置：A；

对于加入直流偏置的发射信号X^LED＝X+A，其参数如下：

峰值光功率：0≤X^LED≤2A；

平均光功率：

平均电功率：

对于第i个用户，未加入直流偏置的发射信号Xi，其参数如下：

平均光功率分配比例：μi∈[0，1]且

平均电功率分配比例：vi∈[0,1]且

峰值光功率：-Ai≤Xi≤Ai，Ai＝μiA且

平均光功率：

平均电功率：

步骤2：对于第i个用户，求解方程组

得到满足条件的ABG分布的概率密度函数

计算所有用户的各自对应的ABG分布；

步骤3：根据步骤2得到的ABG概率密度函数，产生第i个用户对应的未加入直流偏置的信号Xi；

步骤4：求出未加入直流偏置的发射信号，即计算

步骤5：加入直流偏置A，产生LED发射的信号，即计算X^LED＝X+A

步骤6：求解第i个用户的最大可达速率

即计算

将每个用户各自ABG分布的信源熵代入，得

步骤7：求解系统的可达速率域内界

即计算

将每个用户各自ABG分布的信源熵代入，得

为了验证本发明效果，与现有主流方法进行了仿真对比实验。

对于可见光SISO点对点通信系统，相关参数计算公式如下：

信噪比(dB)：

峰均功率比：

给定信噪比SNR与峰均功率比

的情况下，

平均电功率：

平均光功率：

实验1和实验2分别按照如表1和表2所示给定的仿真实验参数，对比了本发明技术方案与主流方案的随信噪比变化的可达速率。

需要指出的是，归一化噪声功率σ2是对于外部环境的假设描述，所有实验都是采用这一个值。峰均功率比

是对应所有相关附图中的“φ＝4”，

以附图6为例，即实验1，同一SNR，比如SNR＝6时，除了“UpperBound”之外，各个对应的“Rate”越大表示对应的方法性能越好，其中“UpperBound”是理论上界，不代表一种信号产生方法，“Non-uniformDistribution”是代表一种理论上性能很好，但是由于没有闭式解析表达式，无法实际应用于工程的方法。实验2，实验3，实验4，实验5，实验6，实验7相关解释同实验1。

术语翻译：

UpperBound：上界

ABGLowerBound：ABG下界(大写，ABG是一个缩写，是对发明中信号产生方法的命名)

Non-uniformDistribution：非均匀分布

TruncatedGaussian和truncatedgaussian：截断高斯分布

Uniformdistribution：均匀分布

表1可见光SISO点对点通信系统仿真实验参数(实验1)

表2可见光SISO点对点通信系统仿真实验参数(实验2)

对于可见光SISO多用户广播通信系统，实验3和实验4在不同参数下，在给定总体信噪比与平均光功率分配比例，平均电功率分配比例发生变化时，对比了本发明技术方案与截断高斯分布方法的可达速率域，仿真实验所涉及的参数如表3和表4所示；实验5和实验6在不同参数，对比了在给定总体信噪比与平均电功率分配比例，平均光功率发生变化时，本发明技术方案与截断高斯分布方法的所有用户和速率，仿真实验所涉及的参数如表5和表6所示；实验7在给定平均光功率与平均电功率分配比例，信噪比变换时，对比了本发明技术方案与截断高斯分布方法的所有用户和速率。

对于可见光SISO多用户广播通信系统，相关参数计算公式如下：

总体信噪比(dB)：

总体峰均功率比：

给定信噪比SNR与峰均功率比

的情况下，

总体平均电功率：

总体平均光功率：

对于第i个用户，给定平均光功率分配比例μi和平均电功率分配比例vi，平均光功率：A_i＝μ_iA；

平均电功率：ε_i＝v_iε；

峰均功率比：

表3可见光SISO多用户广播通信系统仿真参数(实验3)

表4可见光SISO多用户广播通信系统仿真参数(实验4)

表5可见光SISO多用户广播通信系统仿真参数(实验5)

表6可见光SISO多用户广播通信系统仿真参数(实验6)

表7可见光SISO多用户广播通信系统仿真参数(实验7)

以上对本发明提供的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。

Claims (5)

1.可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，可见光SISO点对点通信系统发射信号产生方法及其信道容量估计方法，包括如下步骤，

步骤1：设置未加入直流偏置的发射信号为X，信源电信号幅度范围、均值和平均电功率为：

-A≤X≤A

设置加入直流偏置的发射信号为X^LED，其平均光功率为Po，平均电功率为Pe，直流偏置为A，则

X^LED＝X+A

步骤2：设置未加入直流偏置的发射信号服从连续概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：

步骤3：上述凸优化问题经过求解，可以得到如下结果：

解得最优解为

其中参数α，β和γ为如下方程组的解：

该方程组可以根据步骤1给定的参数值，通过数值计算的方法得到满足条件的解，得出未加入直流偏置的发射信号概率密度函数的闭式表达式，并将该分布命名为ABG分布；

步骤4：根据步骤3计算得到ABG分布，产生未加直流偏置的X；

步骤5：加入直流偏置，得到发射信号X^LED＝X+A；

步骤6：根据信息论相关理论，可以得到可见光SISO点对点通信系统信道容量CSISO的上界与下界；

信道容量上界为

其中σ²为服从零均值高斯分布的信道噪声功率；

信道容量下界为

其中h(X)为未加入直流偏置的发射信号的所采用的概率分布对应信源熵，此处发射信号必须为连续函数；

易证

为h(X)的增函数，因此根据步骤2所建立凸优化模型，在步骤3所求出的未加入直流偏置的发射信号模型，即ABG分布，可以得到最紧的下界；可求得ABG分布的信源熵为

将根据ABG分布得出的可见光SISO点对点通信系统信道容量的下界命名为ABG下界，即

2.根据权利要求1所述的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，可见光SISO广播通信系统可达速率以及可达速率域内界计算方法，包括如下步骤：

步骤1：设置用户数量为N，第i个用户的未加入直流偏置的发射信号为Xi，其中i＝1，2，...，N，则未加入直流偏置的发射信号

直流偏置为A，则未加入直流偏置的发射信号峰值、均值和均方值为

-A≤X≤A

设置加入直流偏置的发射信号的平均光功率

与平均电功率

为

步骤2：设置第i个用户的平均光功率分配比例为μi，平均电功率分配比例为vi，并且μi，vi∈[0，1]，

因此，第i个用户未加入直流偏置的原始信号的峰值、均值和均方值为：

-Ai≤Xi≤Ai

Ai＝μiA

步骤3：根据步骤1和步骤2得到的参数，求解第i个用户的ABG分布，对应的概率密度函数为：

其中参数αi，βi和γi为如下方程组的解：

步骤4：根据步骤3计算得到每一个用户对应ABG分布，产生各自对应的未加直流偏置的Xi，相加计算未加入直流偏置的发射信号

步骤5：加入直流偏置，得到发射信号X^LED＝X+A；

步骤6：设置SISO多用户广播通信系统信道噪声服从方差为σ²的零均值高斯分布，可达速率域为

其中

为第i个用户为最大可达速率，则

的一个下界为

因此，一个可达速率域

为

将各自用户对应得ABG分布信源熵代入，得

这一可达速率域为可见光SISO广播通信系统的一个内界，将其命名为ABG可达速率域。

3.根据权利要求1或2所述的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，ABG分布的计算方法，包括如下步骤：

S1，已知可见光通信系统对于经过基带调制后电信号参数要求：

-A≤X≤A

则满足要求且具有最大信源熵的信号的概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：

S2，经过求解，可以解得最优解为

其中参数α，β和γ为如下方程组的解：

4.根据权利要求3所述的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，可见光SISO点对点通信系统信道容量的上界与下界的计算方法，其步骤包括：

已知系统噪声功率为σ²，发射信号平均电功率为ε以及信源熵h(X)，则信道容量的上界

与下界

为

5.根据权利要求3所述的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，可见光SISO广播通信系统可达速率以及可达速率域内界计算方法，其步骤包括：已知系统噪声功率为σ²，发射信号总体平均电功率为ε，第i个用户的平均电功率分配比例vi，信源熵h(Xi)，则：

第i个用户的最大可达速率

为

系统的可达速率域内界

为

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