CN109412662B - 多输入多输出可见光通信系统能效优化方法 - Google Patents

多输入多输出可见光通信系统能效优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，包括以下步骤：设置多输入多输出可见光通信系统的参数，以最大化系统能量效率为目标优化；确定优化问题中功率、偏置和传输速率的关系，通过引入调制符号的距离向量进行统一表示；确定最优距离向量，得到功率、直流偏置和调制阶数的最优解。本发明方法不需要额外改变系统硬件等外部条件，仅通过简单的计算，就能大大提升系统效率性能，采用本优化方法得到的功率、偏置和调制阶数能够最大化系统能量效率；本发明优化方法收敛速度快，易于实现，结果精度高，鲁棒性高，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的能效值明显高于频谱效率优化系统的能效值。

Description

多输入多输出可见光通信系统能效优化方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，涉及一种多输入多输出可见光通信系统能效优化方法。
背景技术
可见光通信(VLC)是一种新兴的接入技术，兼顾了照明和通信，能满足高速数据业务，拥有包括成本低廉、绿色安全、保密性好、易于实现、电磁兼容性好在内的众多优势。随着可见光通信研究的不断深入，MIMO技术也在可见光通信系统研究中得到广泛关注，逐渐成为可见光通信系统设计中的关键技术。基于多光源的MIMO可见光通信系统可以为通信和照明提供无处不在的覆盖，可以提供更高的传输速率和更好的通信质量，为满足用眼安全准则所需的照明强度控制提供了灵活度。
在移动通信领域，用户对于数据流量的需求按照指数级快速增长，网络基础设施建设也跟着用户需求进行急剧的扩张。整个移动通信产业的快速发展必然会带来快速增长的能源消耗和可观的二氧化碳排放量，因此在无线通信网络中提高能源的利用率是一件意义重大且十分紧急的事项。
随着绿色通信的概念推广，作为未来室内通信的主要研究方向，可见光通信的能量效率问题也被逐渐提出。与传统射频无线通信不同的是，可见光通信使用强度调制直接检测(IM/DD)，即发射端用光强表示信号幅度，接收端检测光强来收取信号。由于发送信号载体为光强，因而要求发送信号必须是非负实数。因此，在射频系统中的能效优化设计不能直接应用到可见光通信系统。目前，现有技术中尚缺乏可应用在可见光通信系统中的能效优化方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种多输入多输出可见光通信系统的能量效率优化方法，能够给出最优的功率、直流偏置和调制阶数，从而最大化系统能量效率。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，包括如下步骤：
(1)设置多输入多输出可见光通信系统的参数，以最大化系统能量效率为目标优化；
(2)确定优化问题中功率、偏置和传输速率的关系，通过引入调制符号的距离向量d进行统一表示；
(3)确定最优距离向量d*，得到功率、直流偏置和调制阶数的最优解。
优选的，所述步骤(1)中设置的参数具体包括：信道参数、最大电功率预算、最大光功率预算、最小速率限制和最大误比特率限制。
进一步的，所述步骤(2)具体包括如下子步骤：
(21)根据可见光信号的非负性要求，得到偏置b和距离向量d的关系：
b＝PTabs(P)d
其中，P是预编码矩阵；
(22)根据链路的误比特率和传输速率的关系，得到在第i个子信道传输速率ki和符号距离di的关系：
Figure BDA0001819365050000021
其中，σn是噪声标准差，τii是信道矩阵的第i个最大奇异值，
Figure BDA0001819365050000022
BERT是最大误比特率限制；
(23)根据偏置、传输速率和距离向量的关系，得到电功率和Pele、光功率和Popt与距离向量d的关系：
Figure BDA0001819365050000023
Popt＝1Tabs(P)d
其中，Nt是LED的个数，1是一个全1列向量。
进一步的，步骤(3)中确定最优距离向量的过程具体包括如下步骤：
(31)构造函数：
Figure BDA0001819365050000024
其中，f1(d)是速率函数，f2(d)是功率函数，变量ξ是正实数，Ω是满足约束条件的距离向量的集合；
(32)固定变量ξ，得到F(ξ)＝0的解d*(ξ)；
(33)对变量ξ进行迭代，并更新d*(ξ)，ξ迭代收敛时得到原问题的距离向量最优值d*。
进一步的，所述步骤(32)具体包括如下步骤：
(322)构造等价约束问题的部分拉格朗日函数L(d,u1,u2,u3)，根据一阶最优化条件，得到等式：
Figure BDA0001819365050000025
其中，u1,u2,u3≥0是与约束相关的拉格朗日乘子；
(322)固定拉格朗日乘子u1,u2,u3，得到
Figure BDA0001819365050000031
的闭式解d*(ξ,u1,u2,u3)；
(323)对u1,u2,u3进行迭代，u1,u2,u3迭代收敛时得到固定ξ时距离向量最优值d*(ξ)。
优选的，所述步骤(323)中乘子u1,u2,u3的迭代方法采用次梯度下降法。
优选的，所述步骤(33)中参数ξ的迭代方法采用Dinkelbach法。
进一步的，所述参数ξ的迭代公式为：
Figure BDA0001819365050000032
其中，t是迭代次数，F'(·)表示函数F(·)的一阶导数。
进一步的，步骤(3)中功率最优解根据步骤(23)中的公式得到，偏置最优解根据步骤(21)中的公式得到，调制阶数最优解根据传输速率得到，传输速率根据步骤(22)中的公式得到。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明方法包括功率、直流偏置和调制阶数的联合优化，并且考虑功率、速率和误比特率的限制和信号非负性要求，具有非常强的实用价值，能够用于多输入多输出可见光通信系统的能效优化。
2.本发明方法通过对多输入多输出可见光通信系统建模，抽象出该能效最大化问题的数学形式，该问题是一个复杂的非凸多变量优化问题，本发明首先将多变量问题转换成单变量问题，再将非凸问题转化为等价凸问题并给出了具体算法，能够得到精确的最优解。
3.本发明不需要额外改变系统硬件等外部条件，仅通过简单的计算，就能大大提升系统性能，采用本优化方法得到的功率、直流偏置和调制阶数，能够最大化系统的能量效率。
4.本发明方法收敛速度快，易于实现，结果精度高，鲁棒性高，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的能效值明显高于频谱效率优化系统的能效值。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明的收敛曲线。
图3为本发明在不同场景下能量效率优化和频谱效率优化比较曲线图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供的多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：
(1)设置多输入多输出可见光通信系统的参数，包括信道参数、最大电功率预算、最大光功率预算、最小速率限制和最大误比特率限制，以最大化系统能量效率为目标优化；
(2)确定优化问题中功率、偏置和传输速率的关系，通过引入调制符号的距离向量d进行统一表示；
本步骤具体包括如下子步骤：
(21)根据可见光信号的非负性要求，得到偏置b和距离向量d的关系：
b＝PTabs(P)d
其中，P是预编码矩阵；
(22)根据链路的误比特率和传输速率的关系，得到第i个子信道传输速率ki和符号距离di的关系：
Figure BDA0001819365050000041
其中，σn是噪声标准差，τii是信道矩阵的第i个最大奇异值，
Figure BDA0001819365050000042
BERT是最大误比特率限制；
(23)根据偏置、传输速率和距离向量的关系，得到电功率和Pele、光功率和Popt与距离向量d的关系：
Figure BDA0001819365050000043
Popt＝1Tabs(P)d
其中，Nt是LED的个数，1是一个全1列向量。
(3)确定最优距离向量d*，得到功率、直流偏置和调制阶数的最优解，其中，功率根据步骤(23)中的公式得到，偏置根据步骤(21)中的公式得到，调制阶数根据传输速率得到，传输速率根据步骤(22)中的公式得到。
其中，确定最优距离向量的过程具体包括如下步骤：
(31)构造函数：
Figure BDA0001819365050000044
其中，f1(d)是速率函数，f2(d)是功率函数，变量ξ是正实数，Ω是满足约束条件的距离向量的集合；
(32)固定变量ξ，得到F(ξ)＝0的解d*(ξ)，具体包括如下步骤：
(323)构造等价约束问题的部分拉格朗日函数L(d,u1,u2,u3)，根据一阶最优化条件，得到等式：
Figure BDA0001819365050000051
其中，u1,u2,u3≥0是与约束相关的拉格朗日乘子；
(322)固定拉格朗日乘子u1,u2,u3，得到
Figure BDA0001819365050000052
的闭式解d*(ξ,u1,u2,u3)；
(323)对u1,u2,u3进行迭代，u1,u2,u3迭代收敛时得到固定ξ时距离向量最优值d*(ξ)，此处乘子u1,u2,u3的迭代方法优选采用次梯度下降法。
(33)对变量ξ进行迭代，并更新d*(ξ)，ξ迭代收敛时得到原问题的距离向量最优值d*。其中，参数ξ的迭代方法采用Dinkelbach法，即
Figure BDA0001819365050000053
其中t是迭代次数，F'(·)表示函数F(·)的一阶导数。
将本发明方法应用于多输入多输出可见光通信系统中，得到如图2所示的不同静态电路功率下的能效值收敛曲线。分别对比不同静态电路功率情况下最优值，可以得知，系统的能效最优值与静态电路功率值呈负相关。观察能效值的收敛速度，可以得知，本发明提出的方法收敛速度快，易于实现。
图3为本发明在不同场景中，能量效率优化和频谱效率优化比较曲线图。观察系统四发四收、三发三收、两发两收的场景下，能效优化和频谱效率优化后的能效值的对比曲线，可以得知，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的能效值明显高于频谱效率优化系统的能效值。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设置多输入多输出可见光通信系统的参数，包括信道参数、最大电功率预算、最大光功率预算、最小速率限制和最大误比特率限制，以最大化系统能量效率为目标优化；
(2)确定优化问题中功率、偏置和传输速率的关系，通过引入调制符号的距离向量d进行统一表示；具体包括如下子步骤：
(21)根据可见光信号的非负性要求，得到偏置b和距离向量d的关系：
b＝PTabs(P)d
其中，P是预编码矩阵；
(22)根据链路的误比特率和传输速率的关系，得到在第i个子信道传输速率ki和符号距离di的关系：
Figure FDA0002983687390000011
其中，σn是噪声标准差，τii是信道矩阵的第i个最大奇异值，
Figure FDA0002983687390000012
BERT是最大误比特率限制；
(23)根据偏置、传输速率和距离向量的关系，得到电功率和Pele、光功率和Popt与距离向量d的关系：
Figure FDA0002983687390000013
Popt＝1Tabs(P)d
其中，Nt是LED的个数，1是一个全1列向量；
(3)确定最优距离向量d*，得到功率、直流偏置和调制阶数的最优解。
2.根据权利要求1所述的多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定最优距离向量的过程具体包括如下步骤：
(31)构造函数：
Figure FDA0002983687390000014
其中，f1(d)是速率函数，f2(d)是功率函数，变量ξ是正实数，Ω是满足约束条件的距离向量的集合；
(32)固定变量ξ，得到F(ξ)＝0的解d*(ξ)；
(33)对变量ξ进行迭代，并更新d*(ξ)，ξ迭代收敛时得到原问题的距离向量最优值d*。
3.根据权利要求2所述的多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其特征在于，所述步骤(32)具体包括如下步骤：
(321)构造等价约束问题的部分拉格朗日函数L(d,u1,u2,u3)，根据一阶最优化条件，得到等式：
Figure FDA0002983687390000021
其中，u1,u2,u3≥0是与约束相关的拉格朗日乘子；
(322)固定拉格朗日乘子u1,u2,u3，得到
Figure FDA0002983687390000022
的闭式解d*(ξ,u1,u2,u3)；
(323)对u1,u2,u3进行迭代，u1,u2,u3迭代收敛时得到固定ξ时距离向量最优值d*(ξ)。
4.根据权利要求3所述的多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其特征在于，所述步骤(323)中乘子u1,u2,u3的迭代方法采用次梯度下降法。
5.根据权利要求2所述的多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其特征在于，所述步骤(33)中参数ξ的迭代方法采用Dinkelbach法。
6.根据权利要求5所述的多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其特征在于，所述参数ξ的迭代公式为：
Figure FDA0002983687390000023
其中，t是迭代次数，F'(·)表示函数F(·)的一阶导数。
7.根据权利要求1所述的多输入多输出可见光通信系统能效优化方法，其特征在于，步骤(3)中功率最优解根据步骤(23)中的公式得到，偏置最优解根据步骤(21)中的公式得到，调制阶数最优解根据传输速率得到，传输速率根据步骤(22)中的公式得到。
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