CN108736971B - 一种可见光mimo系统中多用户收发机设计方法 - Google Patents

一种可见光mimo系统中多用户收发机设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可见光MIMO系统多用户收发机设计方法，属于可见光通信技术领域。本发明在发射光功率受限的条件下，多用户MIMO‑VLC系统中，用户间存在相互干扰的问题，对于发射预编码矩阵和接收均衡矩阵进行联合优化，从而使得系统的信漏噪比达到最大。首先，在发射端进行发射预编码，以降低信道相关性，然后在接收端进行接收均衡以进行恢复出所发射的数据。与现有技术相比，本发明综合设计发射端的预编码和接收端的接收均衡，提出了一种发射信号在光功率受限情况下，基于最大信漏噪比准则的收发机设计方法。

Description

一种可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法
技术领域
本发明涉及可见光MIMO技术，尤其涉及一种可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法。
背景技术
在已有的工作中，对于多用户MIMO-VLC的收发机的设计，Jian Chen等人先提出了利用块对角化算法来消除多用户MIMO-VLC系统的多用户干扰的方案，然后，对于性能更优的THP算法进行了研究，分别对于传统的THP算法和THP优化方案进行了性能分析。LiBaolong等人结合VLC系统中光信号非负、最大光强度受限等特点设计了最佳收发机，将收发信号之间的最大均方误差作为优化目标，通过求解凸二阶锥的方法找到了这个最优解。并且根据迫零预编码方案提出了一个简化的收发机设计。
已有的对于VLC中多用户收发机的工作主要是基于ZF(Zero-Forcing)和BD(BlockDiagonalization)预编码的收发算法，它们大都将采用的调制方式限制为零均值调制，因此适用范围较窄。此外，在对于预编码矩阵的优化时，一般在接收端都采用了匹配滤波器，这对接收矩阵也就进行了限定。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种的可见光MIMO系统多用户收发机设计方法，适用范围更宽泛。
技术方案：本发明所述的可见光MIMO系统多用户收发机设计方法包括：
(1)根据最大化SLNR准则，采用光功率约束，建立设计可见光MIMO系统多用户收发机的目标优化问题为：
Figure GDA0001734475980000011
式中，SLNRk表示第k个用户的信漏噪比；tr()为求迹函数；Wk表示第k个用户的预编码矩阵；T和K分别为发送阵列和接收用户的数目；
Figure GDA0001734475980000021
表示发送机发送的信息s的均值，其中，
Figure GDA0001734475980000022
sk,j表示发送机发送到第k个用户的第j个调制符号；Idc为直流偏置量；IT表示预期光强所需达到的一个平均电流值；其中，
Figure GDA00017344759800000224
分别为对应调制符号sk,j的幅度下限、上限；IH、IL分别为LED允许发送的最大和最小信号组成的向量；Gk表示第k个用户的线性均衡器矩阵；
(2)计算信道矩阵H和噪声的自相关矩阵Rn，设定照明亮度参数
Figure GDA0001734475980000026
和IT，
Figure GDA0001734475980000027
Figure GDA0001734475980000028
分别为IL、IH的均值；设定
Figure GDA0001734475980000029
和
Figure GDA00017344759800000210
初始化
Figure GDA00017344759800000225
Figure GDA00017344759800000211
为T×Lk阶的单位阵，T为发送阵列的个数，Lk为第k个用户接收到的数据流的个数；
(3)设定迭代次数d＝1；
(4)固定
Figure GDA00017344759800000212
更新
Figure GDA00017344759800000213
其中，
Figure GDA00017344759800000214
表示第d-1次迭代时的Wk，
Figure GDA00017344759800000215
表示第d次迭代时的Gk；
(5)固定
Figure GDA00017344759800000216
更新
Figure GDA00017344759800000217
(6)若此时 表示当前次迭代用户k的信噪比，ε表示设定门限，或迭代次数达到预设最大次数，则停止迭代，并将此时的
Figure GDA00017344759800000226
作为用户k的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则将d＝d+1，返回执行步骤(4)；
(7)按照(3)-(6)计算得到所有用户的的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵，并按照最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵分别设计发送机、接收机。
进一步的，所述信漏噪比的计算公式为：
Figure GDA00017344759800000222
其中：
Figure GDA00017344759800000223
E3＝||Gknk||2，Hk表示信道矩阵H的第k行，nk表示第k个用户上的加性高斯白噪声。
进一步的，步骤(4)具体包括：
(4-1)建立更新
Figure GDA0001734475980000031
的目标优化函数为：
Figure GDA0001734475980000032
式中，
Figure GDA0001734475980000033
表示表示第k个用户上接收到的噪声的自相关矩阵；
(4-2)设置
Figure GDA0001734475980000034
并将
Figure GDA0001734475980000035
表示成单个列向量的形式，即
Figure GDA0001734475980000036
(4-3)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新
Figure GDA0001734475980000037
的目标优化函数转换形式为：
Figure GDA0001734475980000038
式中，
Figure GDA0001734475980000039
为和
Figure GDA00017344759800000311
中的最大广义特征值；
(4-4)根据转换后的函数，得到
Figure GDA00017344759800000321
的列向分量gi的最优值为
Figure GDA00017344759800000312
其中，γmax为
Figure GDA00017344759800000313
的最大特征值所对应的特征向量，σi为不为0的幅度常数；
(4-5)根据的所有列向分量gi的最优值按照以下公式计算得到
Figure GDA00017344759800000315
Figure GDA00017344759800000316
进一步的，步骤(5)具体包括：
(5-1)建立更新
Figure GDA00017344759800000317
的目标优化函数为：
式中，
Figure GDA00017344759800000319
nk表示第k个用户上的加性高斯白噪声，Hk表示信道矩阵H的第k行，
Figure GDA00017344759800000320
(5-2)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新
Figure GDA0001734475980000041
的目标优化函数转换形式为：
Figure GDA0001734475980000042
式中，
Figure GDA0001734475980000043
I表示单位矩阵，
Figure GDA00017344759800000414
为R1和R2+cI中的最大广义特征值；
(5-3)根据转换后的函数，得到
Figure GDA0001734475980000044
的列向分量wi的最优值为
Figure GDA0001734475980000045
其中，δmax为(R2+cI)-1R1的最大特征值所对应的特征向量，ωi为不为0的幅度常数；
(5-4)根据的所有列向分量的最优值按照以下公式计算得到
Figure GDA0001734475980000049
Figure GDA00017344759800000410
进一步的，步骤(5-3)中ωi的范围为：
Figure GDA00017344759800000411
式中，Li通过幅度矩阵ω的表示形式
Figure GDA00017344759800000412
得到，δmax,i、
Figure GDA00017344759800000413
分别对应各自向量的第i个分量。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明将对于发射预编码矩阵和接收均衡矩阵的设计相结合，改善了系统的性能，应用更广泛。
附图说明
图1是光功率约束下的多用户MIMO-VLC收发机系统模型图。
具体实施方式
下面采用具体实施例对本发明进行详细描述。
1、技术问题分析
技术问题存在的场景如下：系统中具有若干个LED灯，若干个分布式PD接收机。其中LED灯置于室内天花板上，兼具照明与数据传输的功能。如图1所示，假设发送阵列和接收用户的数目为T和K，且将第k个用户所包含的PIN管数目记为Nk，总的PIN管数目为Nsum。
发送阵列能够同时传输多路数据信息，将发送到第k个用户的信息表示为其中，Lk表示第k个用户接收到数据流的个数，sk,j表示调制符号，由于在实际发射过程中，调制符号的幅度是受限的，即满足以下条件
Figure GDA0001734475980000052
式中，
Figure GDA0001734475980000053
和
Figure GDA0001734475980000054
表示由调制方式所决定的调制符号上下限值。进而可以用向量的形式来集中表示发送到所有用户的符号信息，将其记为
Figure GDA0001734475980000055
在发送端，采用预编码的方式来处理发送数据s，再加上直流偏置量来产生正值信号以驱动LED发光，所以，发送信号可以表示为
Figure GDA0001734475980000056
式中，
Figure GDA0001734475980000057
为预编码矩阵，
Figure GDA0001734475980000058
表示接收端数据流的总个数，
Figure GDA0001734475980000059
为第k个用户的预编码矩阵，为直流偏置量，而Wk与W的关系可以表示为
W＝[W1,…,Wk,…,WK] (3)
在此，也对消息序列和预编码矩阵作归一化假设，有
E{|sk|2}＝1 (4)
Figure GDA00017344759800000511
由于调制符号sk,j满足以下条件
Figure GDA00017344759800000512
将和表示成向量的形式，有
Figure GDA00017344759800000515
则可以得到以下关于预编码矩阵W和直流偏置分量Idc的约束条件
Figure GDA00017344759800000516
式中
Figure GDA00017344759800000517
而ΙH和ΙL分别为LED允许发送的最大和最小信号组成的向量，具体为
Figure GDA0001734475980000061
此外，预编码矩阵W和直流偏置Idc的选择还需要满足LED调光的均值约束，即
Figure GDA0001734475980000062
其中，
Figure GDA0001734475980000063
表示发射端发送的信息s的均值，IT表示预期光强所需达到的一个平均电流值。
在接收端，PIN管将光信号转化为电信号，再去除直流偏置分量之后，将第k个用户所接收的信号表示为
Figure GDA0001734475980000064
式中，
Figure GDA0001734475980000065
为从LED阵列到第k个用户的信道矩阵，
Figure GDA0001734475980000066
表示第k个用户上的加性高斯白噪声。第一项是对于第k个用户有用的所需信号，第二项是其他用户对于第k个用户所产生的干扰信号，第三项是噪声分量。
将接收信号yk通过线性均衡器
Figure GDA0001734475980000067
可以检测出发射端所发送的信息。将检测出的信息记为
Figure GDA0001734475980000068
即
Figure GDA0001734475980000069
式中，d(·)为k维符号判决函数，
Figure GDA00017344759800000610
表示判决后的信号。
记总的信道矩阵和总的线性均衡矩阵为
Figure GDA00017344759800000611
和
Figure GDA00017344759800000612
分别表示为
Figure GDA00017344759800000613
Figure GDA00017344759800000614
在第k个用户上，该用户上接收到信号功率可以表示为
Figure GDA0001734475980000071
泄露出去的信号功率可以表示为
Figure GDA0001734475980000072
噪声功率表示为
其中，可以将(17)转化为下面的形式
Figure GDA0001734475980000074
式中
Figure GDA0001734475980000075
Figure GDA0001734475980000076
那么，对于第k个用户，其信漏噪比表示为
Figure GDA0001734475980000077
2、技术方法介绍
基于以上分析，根据最大化SLNR准则，结合已经提出的光功率约束，收发机的设计可以表述成下述优化问题：
Figure GDA0001734475980000081
求解过程为如下步骤：
A、计算信道矩阵H和噪声的自相关矩阵Rn，设定照明亮度参数
Figure GDA0001734475980000082
和IT，
Figure GDA0001734475980000083
分别为IL、IH的均值；设定
Figure GDA0001734475980000085
和
Figure GDA0001734475980000086
初始化
Figure GDA00017344759800000816
Figure GDA0001734475980000087
为T×Lk阶的单位阵，T为发送阵列的个数，Lk为第k个用户接收到的数据流的个数。
B、设定迭代次数d＝1。
C、固定
Figure GDA0001734475980000088
更新
Figure GDA0001734475980000089
可以转化为求解下列优化问题
令
Figure GDA00017344759800000811
Figure GDA00017344759800000812
将
Figure GDA00017344759800000813
表示成单个列向量的形式，即
根据Rayleigh-Ritz不等式，目标函数可进行如下变换
Figure GDA00017344759800000815
式中，
Figure GDA0001734475980000091
为
Figure GDA0001734475980000092
和
Figure GDA0001734475980000093
中的最大广义特征值。再结合
Figure GDA0001734475980000094
是满秩的，可以得到，
Figure GDA0001734475980000095
的列向分量的最优值为
其中，γmax为
Figure GDA0001734475980000097
的最大特征值所对应的特征向量，σi为不为0的幅度常数。
D、固定
Figure GDA0001734475980000098
更新
Figure GDA0001734475980000099
此时
Figure GDA00017344759800000910
为定值，E3相对于所需要优化的
Figure GDA00017344759800000911
为定值，设为c。
就是以下优化问题的最优解
Figure GDA00017344759800000913
令
Figure GDA00017344759800000914
Figure GDA00017344759800000915
由于
则
Figure GDA00017344759800000917
套用Rayleigh-Ritz不等式，假设
Figure GDA00017344759800000918
其中，λmax[R1,(R2+cI)]为R1和R2+cI中的最大广义特征值。再结合R2+cI是满秩的，可以得到，
Figure GDA0001734475980000101
的列向分量的最优值为
Figure GDA0001734475980000102
其中，δmax为(R2+cI)-1R1的最大特征值所对应的特征向量。ωi为非零的幅度常数。下面需要根据两个不等式条件对于ωi的取值范围进行讨论。
假设幅度矩阵ω的形式如下所示
Figure GDA0001734475980000103
那么，
Figure GDA0001734475980000104
所以不等式条件可以写为
Figure GDA0001734475980000105
对于ω1而言，它所需要满足的条件为
Figure GDA0001734475980000106
式中δmax,i、分别对应各自向量的第i个分量。因此，ω1的范围为
Figure GDA0001734475980000108
ω中的其他分量可以按上述方法类似的得出。
E、若此时
Figure GDA0001734475980000109
Figure GDA00017344759800001010
表示当前次迭代用户k的信噪比，ε表示设定门限，或迭代次数达到预设最大次数，则停止迭代，并将此时的
Figure GDA00017344759800001011
作为用户k的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则将d＝d+1，返回执行步骤C；
按照A-E计算得到所有用户的的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵，并按照最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵分别设计发送机、接收机。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法，其特征在于该方法包括：
(1)根据最大化SLNR准则，采用光功率约束，建立设计可见光MIMO系统多用户收发机的目标优化问题为：
Figure FDA0001674930350000011
W＝[W1,…,Wk,…,WK]
Figure FDA0001674930350000013
式中，SLNRk表示第k个用户的信漏噪比；tr()为求迹函数；Wk表示第k个用户的预编码矩阵；T和K分别为发送阵列和接收用户的数目；
Figure FDA0001674930350000016
表示发送机发送的信息s的均值，其中，
Figure FDA0001674930350000017
sk,j表示发送机发送到第k个用户的第j个调制符号；Idc为直流偏置量；IT表示预期光强所需达到的一个平均电流值；
Figure FDA0001674930350000018
其中，
Figure FDA00016749303500000110
分别为对应调制符号sk,j的幅度下限、上限；IH、IL分别为LED允许发送的最大和最小信号组成的向量；Gk表示第k个用户的线性均衡器矩阵；
(2)计算信道矩阵H和噪声的自相关矩阵Rn，设定照明亮度参数
Figure FDA00016749303500000111
和IT，
Figure FDA00016749303500000112
分别为IL、IH的均值；设定
Figure FDA00016749303500000114
和初始化
Figure FDA00016749303500000116
Figure FDA00016749303500000125
为T×Lk阶的单位阵，T为发送阵列的个数，Lk为第k个用户接收到的数据流的个数；
(3)设定迭代次数d＝1；
(4)固定
Figure FDA00016749303500000117
更新
Figure FDA00016749303500000118
其中，
Figure FDA00016749303500000119
表示第d-1次迭代时的Wk，
Figure FDA00016749303500000120
表示第d次迭代时的Gk；
(5)固定
Figure FDA00016749303500000121
更新
Figure FDA00016749303500000122
(6)若此时
Figure FDA00016749303500000124
表示当前次迭代用户k的信噪比，ε表示设定门限，或迭代次数达到预设最大次数，则停止迭代，并将此时的
Figure FDA00016749303500000218
作为用户k的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则将d＝d+1，返回执行步骤(4)；
(7)按照(3)-(6)计算得到所有用户的的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵，并按照最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵分别设计发送机、接收机。
2.根据权利要求1所述的可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法，其特征在于：所述信漏噪比的计算公式为：
Figure FDA0001674930350000021
其中：E1＝||GkHkWksk||2，E3＝||Gknk||2，Hk表示信道矩阵H的第k行，nk表示第k个用户上的加性高斯白噪声。
3.根据权利要求1所述的可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：
(4-1)建立更新
Figure FDA0001674930350000023
的目标优化函数为：
式中，表示第k个用户上接收到的噪声的自相关矩阵；
(4-2)设置并将
Figure FDA0001674930350000027
表示成单个列向量的形式，即
Figure FDA0001674930350000028
(4-3)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新
Figure FDA0001674930350000029
的目标优化函数转换形式为：
Figure FDA00016749303500000210
式中，
Figure FDA00016749303500000211
Figure FDA00016749303500000212
为
Figure FDA00016749303500000213
和
Figure FDA00016749303500000214
中的最大广义特征值；
(4-4)根据转换后的函数，得到
Figure FDA00016749303500000215
的列向分量gi的最优值为其中，γmax为
Figure FDA00016749303500000217
的最大特征值所对应的特征向量，σi为不为0的幅度常数；
(4-5)根据
Figure FDA0001674930350000031
的所有列向分量gi的最优值按照以下公式计算得到
Figure FDA0001674930350000032
Figure FDA0001674930350000033
4.根据权利要求1所述的可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法，其特征在于：步骤(5)具体包括：
(5-1)建立更新
Figure FDA0001674930350000034
的目标优化函数为：
Figure FDA0001674930350000035
Figure FDA0001674930350000036
Figure FDA0001674930350000037
式中，
Figure FDA0001674930350000038
nk表示第k个用户上的加性高斯白噪声，Hk表示信道矩阵H的第k行，
Figure FDA0001674930350000039
(5-2)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新
Figure FDA00016749303500000310
的目标优化函数转换形式为：
Figure FDA00016749303500000311
式中，
Figure FDA00016749303500000312
I表示单位矩阵，λmax[R1,(R2+cI)]为R1和R2+cI中的最大广义特征值；
(5-3)根据转换后的函数，得到
Figure FDA00016749303500000313
的列向分量wi的最优值为
Figure FDA00016749303500000314
其中，δmax为(R2+cI)-1R1的最大特征值所对应的特征向量，ωi为不为0的幅度常数；
(5-4)根据
Figure FDA00016749303500000315
的所有列向分量的最优值
Figure FDA00016749303500000316
按照以下公式计算得到
Figure FDA00016749303500000317
Figure FDA00016749303500000318
5.根据权利要求4所述的可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法，其特征在于：步骤(5-3)中wi的范围为：
式中，Li通过幅度矩阵ω的表示形式
Figure FDA00016749303500000320
得到，δmax,i、
Figure FDA0001674930350000041
分别对应各自向量的第i个分量。
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