CN110855314A - 一种聚合型vlc-rf系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚合型VLC‑RF系统，包括发射机和接收机；所述发射机包括N个发光二极管LED和M个RF发射天线；所述接收机包括一个光电二极管PD和一个RF接收天线；所述系统通过VLC链路和RF链路同时传输信息。本发明在峰值光功率、平均光功率和电力功率的约束下，建立了可达速率表达式。在此基础上，提出了同时满足调光控制和功率约束的最优功率分配方案。给出了单LED和多LED在非活动调光控制下的最优解。当调光控制处于活动状态时，进一步采用SDR技术将最佳波束成形向量的设计问题松弛为凸SDP，利用内点法可以有效地解决该问题。

Description

一种聚合型VLC-RF系统

技术领域

本发明涉及一种聚合型VLC-RF系统。

背景技术

当前，高清流媒体视频、云服务等无线设备和物联网应用的迅猛发展，无线网络在第五代(5G)及以后将面临射频频谱稀缺危机。因此，学术界和工业界都在寻找替代方案以减少来自射频(RF)无线网络的沉重流量负载。

可见光通信VLC(Visible Light Communication)以其巨大的未授权带宽实现了高数据率和高能效的数据传输，而不会对现有的射频通信系统造成干扰；另一方面，可见光通信容易被阻塞，而射频(RF)提供了更多的覆盖和可靠的通信。为了充分利用可见光通信和射频通信的优点，目前已经有了一些研究VLC和RF共存系统的工作，大致有两种方法：混合型VLC-RF(可见光通信和射频)系统和聚合型VLC-RF系统。在混合型VLC-RF系统中，信号是通过切换方案，由可见光通信或射频通信进行传输，而在聚合型VLC-RF系统中，信号同时由可见光通信和射频通信进行传输。

研究表明，可见光通信信道的可达容量分布在有限的点集上是离散的，而准确的容量不是一个封闭的表达式。因此，经典的香农(Shannon)容量不能准确地表述VLC系统的性能。然而，现有的研究认为经典的香农(Shannon)容量是VLC系统的可达速率表达。此外，这些工作都没有考虑到调光控制，这是可见光通信的基本功能之一。考虑可见光通信和射频通信的优点，与混合型VLC-RF系统相比，聚合型VLC-RF系统可以提供更高的数据速率和更可靠的通信。然而，由于可见光通信的独特特性，聚合型VLC-RF系统的可达速率仍然未知。研究者目前致力于研究聚合型VLC-RF系统的基本原理：最优功率分配方案和能效问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种聚合型VLC-RF(可见光通信和射频)系统，包括发射机和接收机；

所述发射机包括N个发光二极管LED和M个RF射频发射天线；

所述接收机包括一个光电二极管PD和一个RF射频接收天线；

所述系统通过VLC可见光通信链路和RF射频链路同时传输信息。

令A表示系统传输的消息集，所述消息集分别编码为VLC可见光通信链路和RF射频链路的两个符号流s₁和s₂，其中|s₁|≤A，s₂～CN(0,1)，即s₁的均值为0，s₁的平均电功率为ε，ε是平均电功率约束，

为求均值，s₂服从标准复高斯分布。

令x₁和x₂分别表示VLC可见光通信链路和RF射频链路的传输信号，发射端的发射信号写成如下的矢量形式：

其中

和

分别是VLC可见光通信链路的发射波束成形矢量和RF射频链路的发射波束成形矢量，

和分别是第N个VLC可见光通信链路的发射波束成形标量和第M个RF射频链路的发射波束成形标量；I_DC＝I_DC1_N是直流偏置矢量，且I_DC是标量，表示的是每个发光二极管LED的直流偏置，1_N是元素都为1的N×1的矩阵。

p₁的分量必须满足以下条件：

其中N是发光二极管LED的总数。

令g₁＝[g_1,1,...,g_1,N]^T表示VLC可见光通信链路信道增益向量，其中g_1,i表示第i个发光二极管LED和光电二极管PD之间的信道增益，g_1,i表示为：

其中，m是朗伯辐射的阶数，即m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，θ_1/2是半功率角；A₁为接收端的光电二极管PD的检测区域；d_1,i是第i个发光二极管LED和光电二极管PD之间的距离；φ_i和

分别是第i个VLC可见光通信链路的辐射角和入射角；Ψ_c是VLC可见光通信链路接收端的视场；

令g₂＝[g_2,1,...,g_2,N]^T表示RF射频链路信道增益向量，其中g_2,k表示第k个RF射频链路发射天线与接收天线之间的信道增益，g_2,k表示为：

其中j是虚数单位，a～CN(0,1)，即a是一个服从复高斯分布的随机变量，无实际物理意义，ψ_k是RF射频链路到达或者离开的角度，K是莱斯K因子，L(d_2,k)表示RF射频链路信道的路径损耗，路径损耗L(d_2,k)写成：

其中，d_2,k是用户与第k个发射天线之间的距离；L_σ～CN(0,σ²)是阴影衰落；d_B是断点距离；L_F(d_2,k)＝20log₁₀(d_2,k)+20log₁₀(f_c)-147.5是自由空间损耗，f_c是中心载波频率；

则所述系统的接收信号表示为：

其中y₁和y₂分别表示VLC可见光通信链路接收到的信号和RF射频链路接收到的信号，

是VLC可见光通信链路接收到的实高斯噪声，

则是RF射频链路接收到的复高斯噪声；是RF射频链路的功率谱密度(PSD)，且

其中k_B是玻耳兹曼常数，T是环境温度。

对系统的可达速率进行求解：I(x₁；y₁)和I(x₂；y₂)分别表示VLC可见光通信链路的互信息量和RF射频链路的互信息量，h(·)为对应随机变量的微分熵，设C_VLC-RF为所考虑的系统的信道容量，则它表示为：

其中f_x1(x₁)表示的是关于发射信号x₁的函数，不等式(7c)由熵权不等式(EPI)得到；(7d)式成立是因为s₁服从ABG(因为ABG分布为研究中推导得出的，而非一种常用概率分布，因此名称就是α-β-γ三个变量的英文首字母)分布，其中参数α，β和γ是下列等式的解：

T(A)-T(-A)＝e^1+α, (8a)

β(e^A(β-γA)-e^-A(β+γA)-e^1+α)＝0, (8b)

e^A(β-γA)((β-2γA)e^-2Aβ-β-2γA)+(β²+2γ)e^1+α＝4γ²εe^1+α, (8c)

其中

s为随机变量，erf(·)为高斯误差函数；

令B₁和B₂分别表示VLC可见光通信链路的带宽和RF射频链路的带宽，所述系统的可达速率R_VLC-RF表示成：

采用如下方法对系统进行调光控制：

多LED的平均光功率

必须满足：

其中，I_DC是每个发光二极管LED的直流偏置。

调光水平定义为平均光功率

与最大光功率

之比，其中参数τ决定了调光水平：

参数τ满足0＜τ≤1；

结合(10)(11)得到：

因为

是第i个VLC可见光通信链路的发射波束成形标量，令I_H为LED最大允许电流，即：

因此，传输功率P_1,i需要满足：

由(2)(12)和(13)得到第i个VLC可见光通信链路的传输功率P_1,i满足：

令R_VLC和R_RF分别表示VLC可见光通信链路的可达速率和RF射频链路的可达速率，聚合型VLC-RF(可见光通信和射频)系统的照明速率区域表示为：

其中u₁和u₂分别表示发光二极管LED发射功率放大器的效率和RF射频链路发射天线的效率；P_T是所述系统的总功率阈值。

对所述系统的可达速率最大化问题进行求解，具体包括如下步骤：

步骤a1，所述系统的可达速率最大化问题表述为：

其中

是为了简化表述而加入的辅助变量，e_i是单位向量；

最佳波束成形向量p₂与信道g₂方向一致，因此，最佳波束成形向量p₂写成：

其中v≥0表示最佳波束成形向量p₂的功率；

步骤a2，当N＝1时，向量p₁退化为实数，

其中P₁≥0；利用式(17)中的最佳波束成形向量，将式(16a)、(16b)、(16c)改写为如下公式：

P₁≥0,v≥0 (18d)

因为log₂(x)是一个凹函数，所以对于最优解至少有一个约束是有效的，当取最优解时，(18b)和(18c)中至少有一个约束是确定的，即

或

当

时，约束(18b)也是有效的，因为(18a)中的第二个函数对于v是凹的，因此约束(18b)总是有效的，即

接下来，根据约束(18c)是否有效来进行分析：

当

时，约束(18c)是无效的，即问题(17)重新表述为：

P₁≥0,v≥0 (19c)

将

代入问题((19a)、(19b)、(19c)，得到：

其中

是为了简化表述而引入的辅助变量，

令P₁ ^opt,1表示问题(20a)、(20b)的最优解，表示聚合型VLC-RF(可见光通信和射频)系统的最大速率，由

得到一个稳定点P₁ ^sta：

其中参数

当0≤P₁≤P_T时，有：

否则，有：

当

时，约束(18c)可能有效也可能无效，即

或

当约束(18c)无效时，最大速率与

时的情形相同；当约束(18c)有效时，问题(20a)、(20b)的最优解是

并且所述系统相应的最大速率

为：

此外，在这种情况下，令P₁ ^opt,2表示问题(20a)、(20b)的最优解，

表示聚合型VLC-RF(可见光通信和射频)系统的最大速率，得到：

步骤a3，当N≥2时，对

和

这两种状态下的最佳波束成形向量p₁和v进行分析：

约束(16c)无效，最佳波束成形向量p₁与信道g₁有相同的方向，即：

其中ρ≥0是最佳波束成形向量p₁的功率；

将(26)代入(17)，则问题(16a)、(16b)、(16c)重新写为：

P₁≥0,v≥0 (27c)

令ρ^opt和v^opt表示问题(27a)、(27b)、(27c)的最优解，即最佳波束成形向量p₁和p₂的功率，

表示问题(27a)、(27b)、(27c)的最大速率；因为

问题等价地重新表述为：

其中

是为了简化表述而引入的辅助变量；

令

有驻点ρ_sta如下：

其中参数

因此，如果

则有：

否则，有：

利用SDR技术将问题(16a)、(16b)、(16c)松弛为凸SDP问题，具体地，通过使用下面的等价关系：

忽略非凸秩约束rank(P₁)＝1，将问题(16a)、(16b)、(16c)松弛为：

P₁≥0 (33d)

问题(16a)、(16b)、(16c)是一个凸SDP问题，因此利用内点算法求解最优解P₁ ^opt和v^opt，P₁ ^opt和v^opt分别表示矩阵的最优解P₁ ^opt和最佳波束成形向量p₂的功率v^opt，情况复杂度为

其中ζ＞0是一个给定的解精度；

当rank(P₁ ^opt)＞1时，采用高斯随机化方法，得到问题(16)的一个波束成形向量p₁；而当rank(P₁ ^opt)＝1时，将特征值分解最大化，得到最优波束成形矩阵P₁ ^opt。

对系统的能效最大化问题进行求解，具体包括如下步骤：

步骤b1，发射机的总功耗P_total为：

其中P_cir是系统的电路功耗，P_cir＝NP_cir,VLC+MP_cir,RF是由VLC链路的N路功耗和RF链路的M路功耗组成的功耗，其中P_cir,VLC为VLC链路部分的电路功耗，包括DAC功耗和LED驱动器功耗；P_cir,RF表示RF链路部分的电路功耗，包括DAC功耗和滤波器功耗；

和

分别表示的是矩阵

和

的迹；

步骤b2，根据式(34)和可达速率表达式(9)，所述系统的能效EE(p₁,p₂)定义为：

在最低速率要求、总功率阈值约束和调光控制下，所述系统的能效最大化问题表述为：

其中r≥0是最低速率要求；

通过引入两个新矩阵

和

公式(35)写成：

然后，利用如下性质：

去掉非凸秩约束，问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)松弛为：

P₂≥0,P₁≥0. (38e)

定义一个新的函数F(P₁,P₂,λ)，其中λ是一个实变量：

然后，问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解可通过在约束(38b)、(38c)和(38d)下，以尽可能大的参数λ，寻找方程F(P₁,P₂,λ)＝0的根来得到，给定参数λ，求问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解表示为：

s.t.(38b),(38c),(38d),(38e)

对于一个固定的λ，问题(40)是P₁和P₂的凸优化问题，利用内点法获得最优的波束成形矩阵P₁和P₂，然后采用Dinkelbach型算法来解决问题(40)；

步骤b3，如果

通过特征值分解得到问题(38a)、(38b)、(38c)、(38d)、(38e)的最优波束成形矩阵P₁ ^opt和P₂ ^opt；如果

采用高斯随机化方法，得到问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的一个可行解p₁ ^opt和p₂ ^opt。

有益效果：

本发明在峰值光功率、平均光功率和电力功率的约束下，建立了可达速率表达式。在此基础上，提出了同时满足调光控制和功率约束的最优功率分配方案。给出了单LED和多LED在非活动调光控制下的最优解。当调光控制处于活动状态时，进一步采用SDR技术将最佳波束成形向量的设计问题松弛为凸SDP，利用内点法可以有效地解决该问题。数值结果表明，与射频系统相比，采用功率分配方案的VLC-RF系统能够显著提高可达速率。此外，研究了调光控制下的VLC-RF系统的能量效率，在最小速率要求、传输功率约束和调光控制考虑的情况下，将能量效率最大化。还通过数值计算揭示了总功率阈值、调光电平、带宽、LED数量和射频发射天线等关键参数对VLC-RF系统能效的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明系统原理图。

图2a分别展示了有调光控制和没有调光控制的VLC-RF系统的速率区域。

图2b为照明速率区域。

图3a显示了可达速率R_VLC-RF，R_RF以及发射功率P_VLC，与单LED总功率阈值P_T之间的关系。

图3b显示了可达速率R_VLC-RF，R_RF以及发送功率P_VLC，P_RF，与单LED调光水平τ之间的关系。

图4a绘制了可达速率R_VLC-RF和发送功率P_VLC，P_RF，与多LED的总功率阈值P_T的关系图。

图4b显示了可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与多LED的最大光发射功率P_o的对比。

图5a给出了当RF链路的带宽B₂＝10MHz时，可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与VLC链路的带宽B₁的关系。

图5b给出了当VLC链路的带宽B₁＝20MHz时，可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与RF链路的带宽B₂的关系。

图6a显示了可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与LED数目N的关系。

图6b说明了可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与RF链路发送天线数目M之间的关系。

图7a显示了能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与速率要求r之间的关系。

图7b为速率要求r＝0时，能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与总功率阈值P_T之间的关系。

图7c为能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与最大光发射功率P_o之间的关系。

图8a展示了能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与LED的数目N之间的关系。

图8b是当M＝3、N＝3时，能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与速率要求r之间的关系。

具体实施方式

本发明提供了一个用于室内下行通信的聚合的VLC-RF系统，如图1所示(Transmitter即发射端，Receiver即接收端)。所述系统包括发射机和接收机；

接收机就是由光电二极管PD和RF射频接收天线组成的；

设定发射机包括N个发光二极管LED，M个RF发射天线，接收机同时包括一个光电二极管PD和一个RF射频接收天线。这个聚合系统可以通过VLC链路和RF链路同时传输信息。令A表示系统传输的消息集，所述消息集分别编码为VLC链路和RF链路的两个符号流s₁和s₂，其中s₁≤A，

s₂～CN(0,1)，即s₁的均值为0，s₁的平均电功率为ε，ε是平均电功率约束，

为求均值，s₂服从标准复高斯分布。在接收端，对估计的符号流

和

进行联合解码。注意到，发送的符号流s₁和s₂里的消息可能相同，也可能不同，而是否相同则取决于多样性和多路复用的权衡。

1、可达速率

注意到，聚合型VLC-RF系统的信道容量仍然未知。接下来，给出了它的信道容量的一个下界。设C_VLC-RF为所考虑的系统的信道容量。聚合型VLC-RF系统的可达速率R_VLC-RF表示成前文所述的公式(9)。

2、调光控制

调光控制是VLC链路的一个特殊性质，它既保证了眼睛的安全性，又满足了实际的照明约束。具体来说，第i个VLC链路的传输功率P_1,i满足前文所述的公式(14)。

3、照明速率区域

为此，得到了以可达速率和调光控制作为传输功率函数的显式表达式，分别在式(9)和式(14)中给出。此外，还介绍了一个聚合型VLC-RF系统的照明速率区域，其特征是：照明水平、VLC链路的可达速率和在给定的发射功率限制下的RF链路的可达速率。聚合型VLC-RF系统的照明速率区域表示为前文所述的公式(15)。

图2a分别展示了有调光控制和没有调光控制的VLC-RF系统的速率区域，其中发射机配备了单个LED和单个RF发射天线。结果表明，与传统的RF多输入多输出系统不同的是，该聚合系统的速率区域是不对称的。此外，调光控制也限制了VLC链路的速率R_VLC。

当总功率阈值P_T固定时，图2b为照明速率区域。从图中可以看出，随着P_o ^ave的增加，VLC链路的速率R_VLC单调增加，而RF链路的速率R_RF保持不变。在一定的照明水平范围内，P_o ^ave越高，就可以将更多的功率分配给VLC链路。在低照明水平时，当R_RF增加时，R_VLC保持不变。而对于高照明水平，随着R_RF增加，R_VLC先保持不变，然后降低。这是因为：

具体来说，在高照明水平下，

和

都高于

所以

决定P₁的值。因此，随着R_RF的增加，P₂增加，

减小，从而导致了R_VLC的减小。

二、VLC-RF聚合系统的可达速率最大化

基于上述系统模型，VLC-RF聚合系统的可达速率最大化问题表述为前文所述的公式(16a)～(16c)。最佳波束成形向量p₂与信道g₂方向一致，这可以用反证据法证明。因此，最优波束成形向量p₂写成前文所述的公式(17)。

1、单个LED情况

首先考虑单个LED情形(N＝1)。具体分析过程参考前文的发明内容。

2、多LED情况

此时考虑多LED场景，即N≥2。具体分析过程参考前文的发明内容。

三、聚合型VLC-RF系统的能效

对于本发明给出的系统，发射机的总功耗P_total为：

问题的表述：

根据式(34)和可达速率表达式(9)，聚合型VLC-RF系统的能效EE(p₁,p₂)定义为：

接下来，本发明研究了在最低速率要求、总功率阈值约束和调光控制下的能效最大化问题，该问题表述为：

通过引入两个新矩阵和

公式(35)写成：

然后，利用如下性质：

去掉非凸秩约束，问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)松弛为：

P₂≥0,P₁≥0. (38e)

然而，问题(38a)、(38b)、(38c)、(38d)、(38e)仍然是非凸的，而它是一个凹线性分式问题。这里采用Dinkelbach型算法，在每个迭代中最大化相同的辅助子问题来计算最优解，这样它可以解决问题(38a)、(38b)、(38c)、(38d)、(38e)。

首先，定义一个新的函数F(P₁,P₂,λ)，其中λ是一个实变量：

然后，问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解可以通过在约束(38b)、(38c)和(38d)下，以尽可能大的λ，寻找方程F(P₁,P₂,λ)＝0的根来得到。给定一些λ，求问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解表示为：

s.t.(38b),(38c),(38d),(38e)

对于一个固定的λ，问题(40)是P₁和P₂的凸优化问题。因此，利用内点法可以有效地获得最优的波束成形矩阵P₁和P₂。然后，采用Dinkelbach型算法来解决问题(40)。

但是，由于SDR，P₁ ^opt和P₂ ^opt的秩可能不是1。如果

通过特征值分解得到问题(38a)、(38b)、(38c)、(38d)、(38e)的最优波束成形向量P₁ ^opt和P₂ ^opt；如果

可以采用高斯随机化方法，得到问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的一个高质量可行解p₁ ^opt和p₂ ^opt。

实施例

本实施例提供仿真结果来验证本发明结果，并从可达速率和能源效率方面分析聚合VLC-RF系统的有效性。仿真结果还验证了功率总阈值、调光电平、带宽、LED数目和射频发射天线数等关键参数，对聚合系统的可达速率和能效的影响。

考虑一个在房间大小为(10×10×4.7m³)中的聚合VLC-RF系统，房间的一个角落是笛卡尔坐标系(X，Y，Z)的原点。VLC链路的发射机包括5个LED，LED的位置列于表1。此外，表2总结了VLC链路和RF链路的基本参数。

为清晰起见，定义

和

用于单LED和单天线场景，

和

用于多LED和多天线场景。

表1

Location		Location
				PD	(5，5，1.7)	LED1	(4.5，4.5，4.7)
LED2	(4.5，5.5，4.7)	LED3	(5，5，4.7)
				LED4	(5.5，4.5，4.7)	LED5	(5.5，5.5，4.7)

表2

1、单个LED的聚合型VLC-RF系统的性能

图3a中的左纵坐标是可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是总功率阈值，显示了可达速率R_VLC-RF，R_RF以及发射功率P_VLC，与单LED总功率阈值P_T之间的关系。观察到可达速率R_VLC-RF和R_RF随总功率阈值P_T的增加而增加。更具体地说，可达速率R_VLC-RF明显高于速率R_RF，这说明VLC-RF聚合系统可以显著提高RF系统的速率。随着总功率阈值P_T的增大，RF链路的功耗P_RF增大，VLC链路的功耗P_VLC先增大后保持不变，这是因为P_VLC也受到调光水平的限制。

图3b中的左纵坐标是可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是调光水平，显示了可达速率R_VLC-RF，R_RF以及发送功率P_VLC，P_RF，与单LED调光水平τ之间的关系。调光水平τ变得更高,可达速率R_VLC-RF略有增加,而R_RF保持不变。。此外,随着τ的增加,VLC链路的发送功率P_VLC先增加然后保持不变,而RF链路的发送功率R_RF的变化与P_VLC相反。这是因为

对调光水平低时,P_VLC受τ限制,而对于高调光水平,P_VLC受到总功率阈值P_T的限制。从图3a和图3b可以看出，与现有的射频系统相比，聚合的VLC-RF系统可以显著提高传输速率

2、多个LED的聚合型VLC-RF系统的性能

图4a中的左纵坐标是总可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是总功率阈值，绘制了可达速率R_VLC-RF和发送功率P_VLC，P_RF，与多LED的总功率阈值P_T的关系图。结果表明，可达速率R_VLC-RF随总功率阈值P_T的增加而单调增加T。与图3a中的单LED情况类似，当总功率阈值P_T增大时，RF链路的发射功率P_RF增大，而VLC链路的发射功率P_VLC先增大后保持不变。与图3a相比，图4a表明，多个LED可以进一步提高VLC-RF系统的速率。

图4b中的左纵坐标是总可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是最大光发射功率，显示了可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与多LED的最大光发射功率的对比。从图4b可以看出，随着最大光发射功率的增大，可达速率R_VLC-RF先增大，然后保持不变。另外，随着最大光发射功率

的增大，VLC链路的发射功率P_VLC先增大后保持不变，而P_RF的变化与之相反。这是因为对于低的最大光传输功率

P_VLC受到最大光传输功率

的限制，而P_RF则受到总功率阈值P_T的限制。对于高的最大光传输功率

P_VLC和P_RF都受到总功率阈值P_T的限制。

图5a中的左纵坐标是总可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是VLC链路的带宽，给出了当RF链路的带宽B₂＝10MHz时，可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与VLC链路的带宽B₁的关系。可以看出，当更多的带宽分配给VLC链路时，可达速率R_VLC-RF更高。另外，随着VLC链路带宽的增加，P_RF减小，而P_VLC增大。值得注意的是，当B₁＝10MHz时，分配给RF链路和VLC链路的功率相等，即P_VLC＝P_RF。

图5b中的左纵坐标是总可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是RF链路的带宽，给出了当VLC链路的带宽B₁＝20MHz时，可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与RF链路的带宽B₂的关系。我们观察到可达速率R_VLC-RF随B₂的增加而增加。另外，随着B₂的增加，RF链路的发射功率P_RF增大，而VLC链路的发射功率P_VLC减小，功率分配倾向于RF链路。当B₂＝20MHz时，分配给RF链路和VLC链路的功率相等，即P_VLC＝P_RF。图5a和图5b表明，为了使可达速率最大化，VLC和RF链路的发射功率分别随着VLC和RF链路带宽的增加而增加。

图6a中的左纵坐标是总可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是LED的数量，显示了可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与LED数目N的关系。可以看出，可达速率R_VLC-RF随着RF链路发射天线M的数量的增加而增加。另外，随着LED的数目N的增加，P_RF增大，P_VLC减小。这是因为P_VLC受调光水平限制。

图6b中的左纵坐标是总可达速率，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是发送天线的数目，说明了可达速率R_VLC-RF和发射功率P_VLC，P_RF，与RF链路发送天线数目M之间的关系。观察到，可达速率R_VLC-RF随着发送天线M数量的增加而增大，而随着发送天线M数量的增加，P_VLC和P_RF保持不变。这是因为P_VLC和P_RF不受发射天线M数量的限制。

3、聚合型VLC-RF系统的能效性能

下面进行数值模拟来评估聚合型VLC-RF系统的能效性能。

图7a中的左纵坐标是能效，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是最低速率要求，显示了能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与速率要求r之间的关系。观察到，能效EE首先保持不变，几乎是一个常数，然后随着速率要求r的增加而降低。另外，随着速率要求r的增大，VLC链路的发射功率P_VLC和RF链路的发射功率P_RF先几乎保持不变，然后增大。这是因为P_VLC和P_RF受到速率要求r的限制。

图7b中的左纵坐标是能效，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是总功率阈值，为速率要求r＝0时，能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与总功率阈值P_T之间的关系，其中VLC链路的发射功率P_VLC和RF链路的发射功率P_RF不受速率约束的限制。结果表明，随着总功率阈值P_T的增加，能效EE先增加，后保持不变。另外，随着总功率阈值P_T的增大，P_VLC和P_RF先增加，然后保持不变。

图7c中的左纵坐标是能效，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是最大光发射功率，为能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与最大光发射功率

之间的关系。观察到，随着最大光发射功率

的增大，能效EE先增大后减小，而P_RF的变化与EE的变化相反。P_VLC随着最大光传输功率

的增大而增大。

图8a中的左纵坐标是能效，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是LED的数目，展示了能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与LED的数目N之间的关系。可以观察到，随着N的增加,能源效率EE先增加,然后下降,而P_VLC和P_RF先降低,然后增加。这是因为随着LED数量的增加，由式(12)和式(34)可知总能耗P_total先减小后增大。

图8b中的左纵坐标是能效，右纵坐标是链路发送功率，横坐标是最低速率要求，是当M＝3、N＝3时，能效EE和发送功率P_VLC、P_RF，与速率要求r之间的关系。首先观察到能效EE先保持稳定,然后随着速率要求r的增加而减少,并且，随着速率要求r的增加,P_VLC、P_RF先保持为常数,然后增加，这与M＝1,N＝1时的情况类似。这是因为，P_VLC和P_RF受到速率要求r的限制。

本发明研究了同时使用VLC链路和RF链路传输信息的VLC-RF聚合系统的功率分配方案和能量效率的基本传输理论。在同时考虑VLC链路和RF链路的带宽时，本发明首先建立了该系统的可达速率表达式。在此基础上，通过对调光控制和功率约束的系统分析，提出了功率最优分配方案。在单LED和多LED的不活动调光控制的情况下，最优功率分配方案是封闭的。与射频系统相比，采用所提出的最优功率分配方案的VLC-RF系统可显著提高可达速率。此外，还提出了在最小速率要求和功率约束条件下的最优功率分配方案。数值计算结果表明，该方法首先将功率分配给增益较大的子通道，以实现能量效率的最大化。最后，数值分析了功率总阈值、调光电平、LED数量、射频链路发射天线等关键参数对系统最大能效的影响。

本发明提供了一种聚合型VLC-RF系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种聚合型VLC-RF系统，其特征在于，包括发射机和接收机；

所述发射机包括N个发光二极管LED和M个射频RF发射天线；

所述接收机包括一个光电二极管PD和一个射频RF接收天线；

所述系统通过VLC可见光通信链路和RF射频链路同时传输信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，令A表示系统传输的消息集，所述消息集分别编码为VLC可见光通信链路和RF射频链路的两个符号流s₁和s₂，其中|s₁|≤A，

s₂～CN(0,1)，即s₁的均值为0，s₁的平均电功率为ε，ε是平均电功率约束，

为求均值，s₂服从标准复高斯分布。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，令x₁和x₂分别表示VLC可见光通信链路和RF射频链路的传输信号，发射端的发射信号写成如下的矢量形式：

其中

和

分别是VLC可见光通信链路的发射波束成形矢量和RF射频链路的发射波束成形矢量，

和

分别是第N个VLC可见光通信链路的发射波束成形标量和第M个RF射频链路的发射波束成形标量；I_DC＝I_DC1_N是直流偏置矢量，且I_DC是标量，表示的是每个发光二极管LED的直流偏置，1_N是元素都为1的N×1的矩阵。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，p₁的分量必须满足以下条件：

其中N是发光二极管LED的总数。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，令g₁＝[g_1,1,...,g_1,N]^T表示VLC可见光通信链路信道增益向量，其中g_1,i表示第i个发光二极管LED和光电二极管PD之间的信道增益，g_1,i表示为：

其中，m是朗伯辐射的阶数，即m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，θ_1/2是半功率角；A₁为接收端的光电二极管PD的检测区域；d_1,i是第i个发光二极管LED和光电二极管PD之间的距离；φ_i和

分别是第i个VLC可见光通信链路的辐射角和入射角；Ψ_c是VLC可见光通信链路接收端的视场；

令g₂＝[g_2,1,...,g_2,N]^T表示RF射频链路信道增益向量，其中g_2,k表示第k个RF射频链路发射天线与接收天线之间的信道增益，g_2,k表示为：

其中j是虚数单位，a～CN(0,1)，即a是一个服从复高斯分布的随机变量，ψ_k是RF射频链路到达或者离开的角度，K是莱斯K因子，L(d_2,k)表示RF射频链路信道的路径损耗，路径损耗L(d_2,k)写成：

其中，d_2,k是用户与第k个发射天线之间的距离；L_σ～CN(0,σ²)是阴影衰落；d_B是断点距离；L_F(d_2,k)＝20log₁₀(d_2,k)+20log₁₀(f_c)-147.5是自由空间损耗，f_c是中心载波频率；

则所述系统的接收信号表示为：

其中y₁和y₂分别表示VLC可见光通信链路接收到的信号和RF射频链路接收到的信号，是VLC可见光通信链路接收到的实高斯噪声，

则是RF射频链路接收到的复高斯噪声；

是RF射频链路的功率谱密度(PSD)，且

其中k_B是玻耳兹曼常数，T是环境温度。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，对系统的可达速率进行求解：I(x₁；y₁)和I(x₂；y₂)分别表示VLC可见光通信链路的互信息量和RF射频链路的互信息量，h(·)为对应随机变量的微分熵，设C_VLC-RF为所考虑的系统的信道容量，则它表示为：

其中

表示的是关于发射信号x₁的函数，不等式(7c)由熵权不等式得到；(7d)式成立是因为s₁服从ABG分布，其中参数α，β和γ是下列等式的解：

T(A)-T(-A)＝e^1+α, (8a)

β(e^A(β-γA)-e^-A(β+γA)-e^1+α)＝0, (8b)

e^A(β-γA)((β-2γA)e^-2Aβ-β-2γA)+(β²+2γ)e^1+α＝4γ²εe^1+α, (8c)

其中s为随机变量，erf(·)为高斯误差函数；

令B₁和B₂分别表示VLC可见光通信链路的带宽和RF射频链路的带宽，所述系统的可达速率R_VLC-RF表示成：

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，采用如下方法对系统进行调光控制：

多LED的平均光功率必须满足：

其中，I_DC是每个发光二极管LED的直流偏置；

调光水平定义为平均光功率

与最大光功率

之比，其中参数τ决定了调光水平：

参数τ满足0＜τ≤1；

结合(10)(11)得到：

因为

是第i个VLC可见光通信链路的发射波束成形标量，令I_H为LED最大允许电流，即：

因此，传输功率P_1,i需要满足：

由(2)(12)和(13)得到第i个VLC可见光通信链路的传输功率P_1,i满足：

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，令R_VLC和R_RF分别表示VLC可见光通信链路的可达速率和RF射频链路的可达速率，聚合型VLC-RF系统的照明速率区域表示为：

其中

u₁和u₂分别表示发光二极管LED发射功率放大器的效率和RF射频链路发射天线的效率；P_T是所述系统的总功率阈值。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，对所述系统的可达速率最大化问题进行求解，具体包括如下步骤：

步骤a1，所述系统的可达速率最大化问题表述为：

其中

是为了简化表述而加入的辅助变量，e_i是单位向量；

最佳波束成形向量p₂与信道g₂方向一致，因此，最佳波束成形向量p₂写成：

其中v≥0表示波束成形向量p₂的功率；

步骤a2，当N＝1时，向量p₁退化为实数，

其中P₁≥0；利用式(17)中的最佳波束成形向量，将式(16a)、(16b)、(16c)改写为如下公式：

P₁≥0,v≥0 (18d)

因为log₂(x)是一个凹函数，所以对于最优解至少有一个约束是有效的，当取最优解时，(18b)和(18c)中至少有一个约束是确定的，即

或

当

时，约束(18b)也是有效的，因为(18a)中的第二个函数对于v是凹的，因此约束(18b)总是有效的，即

接下来，根据约束(18c)是否有效来进行分析：

当

时，约束(18c)是无效的，即

问题(17)重新表述为：

P₁≥0,v≥0 (19c)

将

代入问题((19a)、(19b)、(19c)，得到：

其中

是为了简化表述而引入的辅助变量，

令P₁ ^opt,1表示问题(20a)、(20b)的最优解，

表示聚合型VLC-RF系统的最大速率，由

得到一个稳定点P₁ ^sta：

其中参数

当0≤P₁≤P_T时，有：

否则，有：

当时，约束(18c)可能有效也可能无效，即

或

当约束(18c)无效时，最大速率与

时的情形相同；当约束(18c)有效时，问题(20a)、(20b)的最优解是

并且所述系统相应的最大速率

为：

此外，在这种情况下，令P₁ ^opt,2表示问题(20a)、(20b)的最优解，

表示聚合型VLC-RF系统的最大速率，得到：

步骤a3，当N≥2时，对

和

这两种状态下的最佳波束成形向量p₁和v进行分析：

约束(16c)无效，最佳波束成形向量p₁与信道g₁有相同的方向，即：

其中ρ≥0是最佳波束成形向量p₁的功率；

将(26)代入(17)，则问题(16a)、(16b)、(16c)重新写为：

P₁≥0,v≥0 (27c)

令ρ^opt和v^opt表示问题(27a)、(27b)、(27c)的最优解，即最佳波束成形向量p₁和p₂的功率，

表示问题(27a)、(27b)、(27c)的最大速率；因为

问题等价地重新表述为：

其中

是为了简化表述而引入的辅助变量；

令

有驻点ρ_sta如下：

其中参数

因此，如果

则有：

否则，有：

利用SDR技术将问题(16a)、(16b)、(16c)松弛为凸SDP问题，具体地，通过使用下面的等价关系：

忽略非凸秩约束rank(P₁)＝1，将问题(16a)、(16b)、(16c)松弛为：

问题(16a)、(16b)、(16c)是一个凸SDP问题，因此利用内点算法求解最优解P₁ ^opt和v^opt，P₁ ^opt和v^opt分别表示矩阵

的最优解P₁ ^opt和最佳波束成形向量p₂的功率v^opt，情况复杂度为

其中ζ＞0是一个给定的解精度；

当

时，采用高斯随机化方法，得到问题(16)的一个波束成形向量p₁；而当

时，将特征值分解最大化，得到最优波束成形矩阵P₁ ^opt。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，对系统的能效最大化问题进行求解，具体包括如下步骤：

步骤b1，发射机的总功耗P_total为：

其中P_cir是系统的电路功耗，P_cir＝NP_cir,VLC+MP_cir,RF是由VLC链路的N路功耗和RF链路的M路功耗组成的功耗，其中P_cir,VLC为VLC链路部分的电路功耗，包括DAC功耗和LED驱动器功耗；P_cir,RF表示RF链路部分的电路功耗，包括DAC功耗和滤波器功耗；

和分别表示的是矩阵和

的迹；

步骤b2，根据式(34)和可达速率表达式(9)，所述系统的能效EE(p₁,p₂)定义为：

在最低速率要求、总功率阈值约束和调光控制下，所述系统的能效最大化问题表述为：

其中r≥0是最低速率要求；

通过引入两个新矩阵

和公式(35)写成：

然后，利用如下性质：

去掉非凸秩约束，问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)松弛为：

定义一个新的函数F(P₁,P₂,λ)，其中λ是一个实变量：

然后，问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解可通过在约束(38b)、(38c)和(38d)下，以尽可能大的参数λ，寻找方程F(P₁,P₂,λ)＝0的根来得到，给定参数λ，求问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解表示为：

s.t.(38b),(38c),(38d),(38e)

对于一个固定的λ，问题(40)是P₁和P₂的凸优化问题，利用内点法获得最优的波束成形矩阵P₁和P₂，然后采用Dinkelbach型算法来解决问题(40)；

步骤b3，如果通过特征值分解得到问题(38a)、(38b)、(38c)、(38d)、(38e)的最优波束成形矩阵P₁ ^opt和P₂ ^opt；如果

采用高斯随机化方法，得到问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的一个可行解p₁ ^opt和p₂ ^opt。

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