CN108768519A - 一种可见光mimo系统收发机设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光MIMO系统收发机设计方法，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，针对可见光MIMO系统信号传输的特点，提出了信号的幅值约束和均值约束条件，在此基础上，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，本发明综合考虑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，基于最大信噪比准则的收发机设计方法。

Description

一种可见光MIMO系统收发机设计方法

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系统的收发机设计方法。

背景技术

在已有的工作中，对于MIMO-VLC的收发机的设计，Thilo Fath等人采用了无线通信中MIMO的技术对MIMO-VLC收发机进行了设计，包括重复编码、空间复用等技术，验证了MIMO技术可以为包含可视距信道的室内光通信系统提供增益。Ki-Hong Park等人则是将资源分配的方法应用到可见光系统中，设计了一种基于奇异值分解的空间复用系统。但是上述文章中所采用的技术并不是针对VLC系统而设计的，因此不能最大限度的利用MIMO技术的能力。Chen Gang根据VLC的特点，将调制方案限定为均值为零，并且幅度正负对称，通过将优化问题转化半正定规划进行求解，设计了专门适用于 VLC的收发机算法。但是由于附加了限制条件，因此影响了收发机的适用范围。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可见光MIMO系统的收发机设计方法，该方法适用范围更广。

技术方案：本发明所述的可见光MIMO系统的收发机设计方法包括：

(1)根据最大信噪比准则，采用光功率约束，建立设计可见光MIMO系统收发机的目标优化问题为：

式中，SNR表示信噪比，W表示预编码矩阵，G表示线性均衡器矩阵，表示发送信号向量s的均值，s＝[s₁,…,s_K]^T，K为发送数据流的个数，I_dc表示直流偏置，I_T表示预期光强所对应的一个平均电流值， 分别为对应调制符号s_k,j的幅度下限、上限；Ι_H和Ι_L分别为LED允许发送的最大和最小信号组成的向量，具体为

(2)计算信道矩阵H和噪声的自相关矩阵R_n，设定照明亮度参数和 分别为I_L、I_H的均值；设定和对W初始化得到W₀，W₀为N_t×K阶的单位阵，N_t为LED阵列的个数，K为发送数据流的个数；

(3)初始化迭代次数j＝0；

(4)固定W_j，更新G_j+1；其中，W_j表示第j次迭代时的W，G_j+1表示第j+1次迭代时的G；

(5)固定G_j+1，更新W_j+1；

(6)将j＝j+1，若此时||SNR_j-SNR_j-1||²<ε，SNR_j表示当前次迭代的信噪比，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W_j、G_j作为最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则返回执行步骤(4)；

(7)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，所述信噪比的计算公式为：

进一步的，步骤(4)具体包括：

(4-1)建立更新G_j+1的目标优化函数为：

(4-2)设置并将表示成单个列向量的形式，即

(4-3)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新G_j+1的目标优化函数转换形式为：

式中，为和R_n中的最大广义特征值；

(4-4)根据转换后的函数，得到的列向分量g_i的最优值为其中，γ_max为的最大特征值所对应的特征向量，a_i为不为0的幅度常数；

(4-5)根据的所有列向分量g_i的最优值按照以下公式计算得到G_j+1：

进一步的，步骤(5)具体包括：

(5-1)建立更新W_j+1的目标优化函数为：

s.t.tr(W^TW)＝1

(5-2)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新W_j+1的目标优化函数转换形式为：

式中，为中的最大特征值；

(5-3)根据转换后的函数，得到W_j+1的列向分量w_i的最优值为其中，δ_max为所对应的特征向量，β_i为不为0的幅度常数；

(5-4)根据W_j+1的所有列向分量的最优值按照以下公式计算得到W_j+1：

进一步的，步骤(5-3)中β_i的范围为：

式中，L_i通过幅度矩阵ω的表示形式得到，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：该方案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，且适用范围更广。

附图说明

图1是光功率约束下的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，发送用户和接收用户都是一个。

发送端包括N_t个LED阵列，将LED传输的多路数据表示成向量的形式，即表示为 s＝[s₁,…,s_j,…,s_K]^T，其中s_j表示第j路的数据，K为发送数据流的个数。发送端先对调制后的消息数据进行预编码处理，即数据乘以预编码矩阵，然后加上直流偏置来产生正值的信号供给LED发光，从而将K路消息数据发送到N_t个LED阵列上进行传输。

发射端发送的信号可以表示为

x＝Ws+I_dc (1)

式中，表示预编码矩阵，为直流偏置。

将发射端的第i个LED所发送的信号记为x_i，即

式中，w_i表示预编码矩阵W的第i行，w_ij是W中位于第i行第j列的元素。

在此对消息序列和预编码矩阵作归一化假设，即有

E{|s|²}＝1 (3)

tr(W^TW)＝1 (4)

假设调制符号s_j满足以下条件

将符号s_j与预编码矩阵的元素w_ij相乘，可以得到

再加上直流偏置分量，有

代入发送信号x_i，可以得到x_i的取值范围

其中，和可以表示为

由于LED只能工作在有限的线性区间I_L,i≤x_i≤I_H,i内，所以w_i和a必须满足以下条件

将上式改写成矩阵的形式，便可得到关于预编码矩阵W和直流偏置分量I_dc的约束条件

式中，Ι_H和Ι_L分别为LED允许发送的最大和最小信号组成的向量，具体为

此外，由于LED发光功率与驱动信号之间满足线性关系，即LED的亮度取决于驱动信号幅度的平均值。因此，为了使LED能够提供满足室内照明强度的光强，输入到 LED的信号的均值需要设定为一个能够达到预期光强的值，即

E{x}＝I_T (13)

其中，I_T表示预期光强所对应的一个平均电流值。

因此预编码矩阵W和直流偏置I_dc的选择还需要满足以下条件

式中，表示传输信息s的均值。

假设在接收端已经知道直流偏置量a和信道信息，那么除去直流偏置分量以后，接收信号可以表示为

y＝HWs+n (15)

其中，是从LED阵列到接收机的信道增益矩阵，表示加性高斯白噪声。

将接收信号通过线性均衡器就可以检测出原始发送的信息，将检测出的信息记为即

式中，d(·)为k维符号判决函数，表示判决后的信号。

那么，可以将信噪比定义为

2、技术方法

根据以上分析，可以根据最大信噪比准则，结合已经推导出的光功率约束条件，收发机的设计可以表述成下述优化问题：

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R_n，设定照明亮度参数和 分别为I_L、I_H的均值；设定和对W初始化得到W₀，W₀为N_t×K阶的单位阵，N_t为LED阵列的个数，K为发送数据流的个数。

B、设定迭代次数j＝0。

C、固定W_j，更新G_j+1。

在第j+1次迭代开始的时候，先将W_j代入式17，优化问题可以表示为

令那么目标函数可以表示为

将表示成单个列向量的形式，即所以可写成下面的形式

结合Rayleigh-Ritz不等式，有

式中，为和R_n中的最大广义特征值，该特征值所对应的特征向量为η_max。则可以得到

在此基础上，式21以进行以下变形

等号的成立条件为g_i＝a_iη_max，a_i为不为0的幅度常数。也就是说，想要获得最大的SNR，g_i需要正比于对应于的最大特征向量η_max。由于R_n是满秩的，所以的最大广义特征值也就等于的最大特征值，记的最大特征值所对应的特征向量为γ_max，那么的列向分量的最优值为

D、固定G_j+1，更新W_j+1

此时G_j+1为定值，因此SNR的大小只与W有关，那么根据公式17，可以知道，想要获得SNR的最大值，也就是需要SNR中分子的值最大，因此原先的优化问题就可以转化为

由于迹的性质tr(AA^T)＝tr(A^TA)，以及tr(W^TW)＝1，所以公式26的优化问题可以写成以下形式

假设

W_j+1＝(w₁,…,w_i,…,w_K) (28)

再次利用Rayleigh-Ritz不等式，可以得到，W_j+1的列向分量的最优值为

其中，δ_max为的最大特征值所对应的特征向量。β_i为非零的幅度常数。

下面根据公式27中约束条件对于β_i的取值范围进行讨论。

假设幅度矩阵β的形式如下所示

β＝[β₁,…β_i,…β_K] (31)

则有W_k,j+1＝δ_maxβ，所以公式27中的不等式条件可以写为

对于β_i而言，它所需要满足的条件为

式中分别对应各自向量的第i个量。所以β_i的范围为

再结合tr(W^TW)＝1的条件，即需要满足

||w₁||²+…+||w_i||²+…+||w_K||²＝1 (35)

再对34中的β_i进行取值上的调整。

E、将j＝j+1，若此时||SNR_j-SNR_j-1||²<ε，SNR_j表示当前次迭代的信噪比，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W_j、G_j作为最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则返回执行步骤C；

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系统的收发机设计方法，其特征在于该方法包括：

(1)根据最大信噪比准则，采用光功率约束，建立设计可见光MIMO系统收发机的目标优化问题为：

式中，SNR表示信噪比，W表示预编码矩阵，G表示线性均衡器矩阵，表示发送信号向量s的均值，s＝[s₁,…,s_K]^T，K为发送数据流的个数，I_dc表示直流偏置，I_T表示预期光强所对应的一个平均电流值， 分别为对应调制符号s_k,j的幅度下限、上限；Ι_H和Ι_L分别为LED允许发送的最大和最小信号组成的向量，具体为

(2)计算信道矩阵H和噪声的自相关矩阵R_n，设定照明亮度参数和I_T， 分别为I_L、I_H的均值；设定和对W初始化得到W₀，W₀为N_t×K阶的单位阵，N_t为LED阵列的个数，K为发送数据流的个数；

(3)初始化迭代次数j＝0；

(4)固定W_j，更新G_j+1；其中，W_j表示第j次迭代时的W，G_j+1表示第j+1次迭代时的G；

(5)固定G_j+1，更新W_j+1；

(6)将j＝j+1，若此时||SNR_j-SNR_j-1||²<ε，SNR_j表示当前次迭代的信噪比，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W_j、G_j作为最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则返回执行步骤(4)；

(7)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系统的收发机设计方法，其特征在于：所述信噪比的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的可见光MIMO系统的收发机设计方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：

(4-1)建立更新G_j+1的目标优化函数为：

(4-2)设置并将表示成单个列向量的形式，即

(4-3)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新G_j+1的目标优化函数转换形式为：

式中， 为和R_n中的最大广义特征值；

(4-4)根据转换后的函数，得到的列向分量g_i的最优值为其中，γ_max为的最大特征值所对应的特征向量，a_i为不为0的幅度常数；

(4-5)根据的所有列向分量g_i的最优值按照以下公式计算得到G_j+1：

4.根据权利要求1所述的可见光MIMO系统的收发机设计方法，其特征在于：步骤(5)具体包括：

(5-1)建立更新W_j+1的目标优化函数为：

s.t.tr(W^TW)＝1

(5-2)根据Rayleigh-Ritz不等式，将所述更新W_j+1的目标优化函数转换形式为：

式中， 为中的最大特征值；

(5-3)根据转换后的函数，得到W_j+1的列向分量w_i的最优值为其中，δ_max为所对应的特征向量，β_i为不为0的幅度常数；

(5-4)根据W_j+1的所有列向分量的最优值按照以下公式计算得到W_j+1：

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β_i的范围为：

式中，L_i通过幅度矩阵ω的表示形式得到，δ_max,i、分别对应各自向量的第i个分量。。