CN114301525A - 一种针对具有子连接结构的mimo vlc系统的sic预编码方法 - Google Patents

一种针对具有子连接结构的mimo vlc系统的sic预编码方法 Download PDF

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CN114301525A CN202111642070.3A CN202111642070A CN114301525A CN 114301525 A CN114301525 A CN 114301525A CN 202111642070 A CN202111642070 A CN 202111642070A CN 114301525 A CN114301525 A CN 114301525A
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Abstract

本发明公开了一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，属于无线通信领域；首先，将室内的每M个LED划为一组与一条链路连接，共N组形成子连接结构；结合每个LED发射光到达对应用户的信道增益，基于朗伯辐射模型构建MIMO VLC信道矩阵；然后，通过对信道矩阵的奇异值分解SVD，构建最优功率分配矩阵，得到等效基带信道矩阵；并进一步设计基于SIC的预编码矩阵；在此基础上，构建系统通信模型和系统可达速率模型；并以系统可达速率最大化为目标，求解最优缩放因子用于更新等效基带信道矩阵，并重复更新预编码矩阵，对可达速率进行训练直至收敛；经验证可知本发明有效地减小了系统的能耗，相比于线性预编码算法，有效提升了系统的可达速率。

Description

一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及可见光MIMO的预编码，具体是一种针对具有子连接结构的MIMO VLC(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)(Visible LightCommunication,可见光通信)系统的SIC(Successive Interference Cancellation，连续干扰消除)预编码方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communications，VLC)因其频谱资源丰富、无电磁干扰、低功耗和安全节能等特点，被认为是6G的潜在使能技术之一[1]。IEEE 802.15无线局域网工作组已建立了IEEE 802.15.7VLC任务组，并特许该任务组编写VLC物理层和网络层的标准[2]。
可见光通信利用发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)发出高速明暗闪烁的信号来传输信息，而现有商业LED的调制带宽有限、具有非线性传输的特征，这限制了可见光通信系统的通信容量。
为了能在LED有限的调制带宽上实现更高速的可见光传输，诸如高频谱效率调制、先进预/后均衡、可见光通信专用收发芯片等技术，已经被研究人员广泛应用在高速可见光通信系统中。除此之外，增加可见光通信维度，利用多输入多输出(Multiple InputMultiple Output,MIMO)技术实现多路信号并行传输，也是克服调制带宽限制、成倍提升可见光通信系统传输容量的有效方法。
在实际场景中，为了满足照明需求，通常室内布有多个LED或单个照明灯含有多个LED灯芯，这使可见光通信系统成为天然的MIMO系统。然而，由于可见光通信采用强度调制/直接检测(intensity modulation and direct detection,IM/DD)的通信方式，且其信道模型为朗伯辐射模型，MIMO VLC系统中的信道间干扰严重，特别是在LED空间布局紧密时。
现有解决MIMO VLC强信道间干扰的技术手段，主要是角度分集接收[3]、图像传感器接收[4]和预编码技术[5]等。角度分集接收和图像传感器接收需要LED和接收器精准对齐且室内LED具有理想布局，这些需求在现实场景中很难满足。而预编码技术通过信号处理来消除信道间干扰，对LED与接收机的布局没有严格要求，因此，在实际场景中预编码技术被广泛使用。
现有预编码技术分为线性预编码和非线性预编码两类，其中，线性预编码计算复杂度低，但是涉及到信道矩阵求逆，会导致噪声放大进而降低系统容量；非线性预编码具有较高的复杂度，需消耗大量计算资源，随MIMO系统中收发天线数目的增加，非线性预编码算法将不再适用。
因此，需要研究一种适用于MIMO VLC系统的低复杂度且高通信性能的预编码方法以在低能耗的前提下提升系统的通信容量。
[1]Z.Zhang,Y.Xiao,Z.Ma,M.Xiao,Z.Ding,and et al,“6G wireless networks:Vision,requirements,architecture,and key technologies,”IEEEVeh.Technol.Magazine,vol.14,no.3,pp.28–41,Sept.2019.
[2]F.Zafar,D.Karunatilaka,and R.Parthiban,《应用于可见光通信的调光方案：研究状态》.IEEE无线通信[J].2015.22(2)：29-35.
[3]A.Nuwanpriya,S.Ho,and C.S.Chen,“Indoor MIMO visible lightcommunications:Novel angle diversity receivers for mobile users,”IEEEJ.Sel.Areas Commun.,vol.33,no.9,pp.1780–1792,Sept.2015.
[4]M.Shimaponda-Nawa,S.Achari,D.N.K.Jayakody,and L.Cheng,“Visiblelight communication system employing space time coded relay nodes and imagingreceivers,”SAIEE Africa Research Journal,vol.111,no.2,pp.56–64,June 2020.
[5]H.Shen,W.Xu,K.Zhao,F.Bai,and C.Zhao,“Non-alternating globallyoptimal MMSE precoding for multiuser VLC downlinks,”IEEE Commun.Lett.,vol.23,no.4,pp.608–611,Apr.2019
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，通过联合设计基于SIC的预编码技术和子连接结构，以克服信道间干扰、降低实现复杂度和能耗。相比于现有线性预编码算法，本发明可以更好地抵抗信道间干扰，同时相比于现有全连接结构，本发明有效降低能量消耗，提升系统能量效率。
所述的针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，具体步骤如下：
步骤一、构建具有子连接结构的MIMO VLC系统模型，初始化收发机数目及空间位置；
设系统模型包括发射端基站和接收端用户；
发射端包含NM个LED，每M个LED一组，共N组，每组LED分别与一条链路连接，形成子连接结构；接收端有N个用户，每个用户各自具有单个光电二极管PD；每个用户与一条通信链路连接；NM个LED均匀分布在室内天花板上，N个用户在室内随机分布。
步骤二、每个LED发射的光信号经过各自的光信道到达对应的PD，结合LED和PD之间的电-光-电信道增益，基于MIMO VLC的空间位置和朗伯辐射模型构建MIMO VLC信道矩阵；
信道矩阵H表示为：
Figure BDA0003444057260000031
其中，hi,j表示第j(1≤j≤NM)个LED到第i(1≤i≤N)个PD视距(Line of Sight,LoS)链路的直流增益。
步骤三、利用信道矩阵H的奇异值分解SVD，构建最优功率分配矩阵P，以得到等效基带信道矩阵；
最优功率分配矩阵为
Figure BDA0003444057260000032
diag[·]表示对角矩阵。
其中，
Figure BDA0003444057260000033
v1取矩阵V的第一个左列矢量，V为包含奇异矢量的单位矩阵；Pt表征每个LED子阵列的总功率；
等效基带信道矩阵表示为H'＝HP。
步骤四、根据等效基带信道矩阵H'，设计基于SIC的预编码矩阵B；
预编码矩阵B的第u列为bu，满足：
H′(k,:)bu＝0
其中，H′(k,:)表示矩阵H′的第k行；1≤u＜k。
第k个用户的预编码向量表示为
Figure BDA0003444057260000034
其中，gk用于最大化第k个用户的可达速率，
Figure BDA0003444057260000035
为矩阵Dk的
Figure BDA0003444057260000036
个左列向量，代表
Figure BDA0003444057260000037
的1空间；通过对矩阵
Figure BDA0003444057260000038
进行SVD分解，得到特征向量矩阵Dk，表示为
Figure BDA0003444057260000039
为矩阵Dk-1的
Figure BDA00034440572600000310
个右列向量，代表
Figure BDA00034440572600000311
的0空间；rank(·)表示对矩阵求秩。
矩阵
Figure BDA00034440572600000312
包含前k-1个用户的等效信道状态信息；通过对矩阵
Figure BDA00034440572600000313
进行SVD分解得到特征向量矩阵Dk-1，表示为
Figure BDA00034440572600000314
其中前rank(·)列表示
Figure BDA00034440572600000315
剩余的后N-rank()列表示
Figure BDA00034440572600000316
步骤五、利用信道矩阵H，功率分配矩阵P和基于SIC的预编码矩阵B，构建系统通信模型和系统可达速率模型；
系统通信模型具体表示为：
Y＝HPBs+HDC1+W'
其中，s＝[s1,s2,…,sk,…,sN]为有效传输信号，1为NM×1大小的全1矢量，W'∈RN ×1为功率等于
Figure BDA0003444057260000041
的加性高斯白噪声；DC为直流偏置；
系统的可达速率模型表示为
Figure BDA0003444057260000042
其中，Rk表示第k个用户的速率；hk表示信道矩阵H的第k行，fk表示矩阵F的第k列，矩阵定义F＝PB；sk表示发送端传输的第k个比特信息经脉冲幅度调制后，对调制符号进行缩放得到的信号，表示为sk＝akxk,k＝1,2,…,N；ak为调制符号sk的缩放因子；
步骤六：在LED非线性和调光等级的约束下，构建以最大化系统可达速率为目标的优化问题，以求解最优缩放因子，避免信号产生非线性畸变；
优化问题表达为：
Figure BDA0003444057260000043
s.t.
Figure BDA0003444057260000044
Figure BDA0003444057260000045
其中
Figure BDA0003444057260000046
为调制符号的平均功率，fn,k为矩阵F第n行，第k列的元素；W为脉冲幅度调制信号的调制阶数，IH和IL分别表示LED允许通过的最大和最小电流；
约束条件(a)表示对于第n,1≤n≤NM个LED，其传输的调制电信号需在LED的动态范围之内；
约束条件(b)表示调光水平约束。
在高信噪比时，引入变量
Figure BDA0003444057260000047
将上述优化问题进行简化，为
Figure BDA0003444057260000048
最后，通过CVX工具箱求解，得到最优的缩放因子ak,k＝1,…,N；
步骤七、利用缩放因子ak的对角矩阵更新等效基带信道矩阵为H'，并返回步骤四重复更新预编码矩阵B，对系统的可达速率进行训练，直至收敛；
更新公式为：H'＝HPA；
其中A为对角元素为a1,a2,…,aN的对角矩阵，表示为A＝diag(a1,a2,…,aN)；
步骤八、利用收敛后的可达速率模型计算能效性，进行验证；
能量效率为系统的可达速率与能量消耗的比值，具体表示为
Figure BDA0003444057260000051
其中，PFA/SA表示全连接或子连接系统中系统的能量消耗；具体表示为
PFA＝NMPLED+NPDAC+N2MPfilter
PSA＝NMPLED+NPDAC+N2Pfilter
其中，PLED表示一个LED的发射功率，PDAC表示数模转换器的功率，Pfilter表示滤波器的功率。
本发明的优点在于：
1)、一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，构建了一种针对MIMO VLC系统的子连接机制，该机制中每条通信链路与一个包含多个LED的子阵列连接且每个LED子阵列用于传输相同信息，有效地减小了系统的能耗；
2)、一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，在室内LED分布密集的场景下，可有效减小信道空间相关性对系统性能的影响；
3)、一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，除了基于连续干扰消除的预编码算法，相比于线性预编码算法可有效提升系统的可达速率；
附图说明
图1为本发明具有子连接结构的MIMO VLC系统框图；
图2为本发明一种基于子连接结构的MIMO可见光通信系统的SIC预编码方法的流程图；
图3为本发明与传统迫零和最小均方误差预编码在全连接和子连接结构下，系统可达速率随信噪比变化的对比图；
图4为本发明与传统迫零和最小均方误差预编码在全连接和子连接结构下，系统能效随信噪比变化的对比图；
图5为本发明与传统迫零预编码在全连接和子连接结构下，系统可达速率随室内LED总数变化的对比图；
图6为本发明与传统迫零预编码在全连接和子连接结构下，系统能效随室内LED总数变化的对比图；
图7为本发明与传统迫零预编码在全连接和子连接结构下，系统可达速率随室内用户总数变化的对比图；
图8为本发明与传统迫零预编码在全连接和子连接结构下，系统能效随室内用户总数变化的对比图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
为了使本领域的技术人员更加清楚的理解和实施本发明，下面将结合附图以具体实例的方式，详细阐述本发明实例的技术方案。
本发明提出了一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其实现框图如图1所示，数据流比特信息首先经过串并变换，被映射为脉冲幅度调制(PulseAmplitude Modulation,PAM)信号。调制符号经过归一化处理和基带预处理后生成驱动LED发光的电信号，每个有效电信号通过一条VLC链路传给一个包含多个LED的LED子阵列。本发明通过联合设计基于连续干扰消除预编码技术和子连接结构，以克服信道间干扰、降低实现复杂度和能耗。相比于现有线性预编码算法，本发明具有更好的抗信道间干扰性能，同时相比于现有全连接结构，可有效降低能耗，提升系统能效。
所述的针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，如图2所示，具体步骤如下：
步骤一、构建具有子连接结构的MIMO VLC系统模型，初始化收发机数目及空间位置；
设系统模型包括发射端基站和接收端用户；
发射端包含NM个LED，不同于传统全连接结构中为每个LED分配一条链路，子连接结构中每M个LED一组，每组LED分别与一条链路连接，NM个LED与N条链路连接；接收端有U个具有单个光电二极管(Photodiode,PD)的用户。考虑到硬件成本和功耗的限制，假设每个用户只有一条通信链路；多用户预编码的空间复用增益由U决定，U≤N，为了最大化系统的空间复用增益，设U＝N。NM个LED均匀分布在室内天花板上，N个用户在室内随机分布。
本实施例设在4.5m×4.5m×2.5m房间内，所有LED均匀布置在天花板上，用户在室内随机分布，用户手持PD高为0.85m。
步骤二、每个LED发射的光信号经过各自的光信道到达对应的PD，结合LED和PD之间的电-光-电信道增益，基于MIMO VLC的空间位置和朗伯辐射模型可构建MIMO VLC信道矩阵；
信道矩阵H表示为：
Figure BDA0003444057260000061
其中，hi,j表示第j(1≤j≤NM)个LED到第i(1≤i≤N)个PD视距(Line of Sight,LoS)链路的直流增益；表达式为
Figure BDA0003444057260000071
其中，
Figure BDA0003444057260000072
为朗伯发射阶数，g(ψ)为光学集中器的增益，具体表达式为
Figure BDA0003444057260000073
步骤三、构建系统通信模型和系统可达速率模型；
由于LED具有非线性传输的特性，为使调制信号[x1,x2,…,xN]幅度范围在LED动态范围内，需对调制符号进行缩放得到sk＝akxk,k＝1,2,…,N；此外，为满足室内照明需求，需在有效信号上附加额外的直流偏置DC；
系统通信模型具体表示为
Y＝HPBs+HDC1+W'
其中，P∈RNM×N为功率分配矩阵，B∈RN×N为用于消除多用户干扰的预编码矩阵，s＝[s1,s2,…,sN]为有效传输信号，1为NM×1大小的全1矢量，W'∈RN×1为功率等于
Figure BDA0003444057260000074
的加性高斯白噪声；
在接收端，从第N个用户到第一个用户依次通过连续干扰消除接收器解调有效信号，假设连续干扰消除接收器是完美的，即不存在错误传输，那么对于第k个用户而言，基于已解调出的第N个用户到第k+1个用户的信号是已知的干扰；定义F＝PB，则第k个用户的接收信号可以表示为
Figure BDA0003444057260000075
其中，hk表示信道矩阵H的第k行，将矢量hk第((k-1)M+1)个元素到第kM个元素提取出来做SVD分解，得到uk∈R1×1，εk∈R1×1和vk∈RM×1，其中[vk]Tvk＝1；fk和fu分别表示矩阵F的第k列和第p列，sk和su分别表示第k个用户和第p个用户的传输信号，wk表示第k个用户接收信号中的噪声；
据此，系统的可达速率模型可以表示为：
Figure BDA0003444057260000076
其中，Rk表示第k个用户的速率。sk表示发送端传输的第k个比特信息经脉冲幅度调制后，对调制符号进行缩放得到的信号，表示为sk＝akxk,k＝1,2,…,N；由于LED具有非线性传输的特性，需基于预编码矩阵进一步设计调制符号的缩放因子，以避免信号产生非线性畸变；
步骤四、基于N个子信道矩阵的奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)构建功率分配矩阵P∈RNM×N，以得到等效基带信道矩阵；
本发明中，每条链路连接一个包含M个LED的LED子阵列，由于子连接的特殊结构，P矩阵为块对角结构，表示为P＝diag[p1,p2,…,pN]，其中，pk∈RM×1表示第k个子信道矩阵的功率分配矢量，diag[·]表示对角矩阵，矢量p1,p2,…,pN位于矩阵P的主对角线位置；据此，可得
Figure BDA0003444057260000081
其中Hk为H矩阵的第M(k-1)+1列到第Mk列组成的子矩阵；
假设B矩阵可以完美消除前k-1个用户对第k个用户产生的干扰，定义s'＝Bs，则有
Y＝HPs'+HDC1+W'
进而，系统可达速率可表示为
Figure BDA0003444057260000082
其中，
Figure BDA0003444057260000083
表示s'的功率；定义
Figure BDA0003444057260000084
则系统可达速率可进一步推导为
Figure BDA0003444057260000085
其中，(a)成立是基于|I+MN|＝|I+NM|的矩阵运算，其中I为单位阵，M和N为实数矩阵，T1＝IN，
Figure BDA0003444057260000086
为了得到最优的pk，对
Figure BDA0003444057260000087
进行奇异值分解，得到
Figure BDA0003444057260000088
其中，Σ为M×M维度的对角矩阵，V为包含奇异矢量的单位矩阵，取矩阵V的第一个左列矢量v1，在LED子阵列功率约束下，可得到最优功率分配矢量pk表示为
Figure BDA0003444057260000089
Pt表征每个LED子阵列的总功率；
进而，最优功率分配矩阵可表示为
Figure BDA00034440572600000810
对于第k个用户，第1个用户到第k-1个用户对其产生的干扰可消除，系统的等效基带信道矩阵表示为H′＝HP。
步骤五、根据等效基带信道矩阵H'，设计基于SIC的预编码矩阵B；
预编码矩阵需满足
H′(k,:)bu＝0
其中，H′(k,:)表示H′矩阵的第k行，bu表示矩阵B的第u列，且1≤u＜k。
对于1＜k≤N，本发明定义矩阵
Figure BDA0003444057260000091
其包含前k-1个用户的等效信道状态信息。对矩阵
Figure BDA0003444057260000092
进行SVD分解可得到Sk-1∈R(k-1)×(k-1)，Ek-1∈R(k-1)×N和特征向量矩阵Dk-1∈RN×N，进而矩阵
Figure BDA0003444057260000093
表示为：
Figure BDA0003444057260000094
其中
Figure BDA0003444057260000095
包含矩阵Dk-1的
Figure BDA0003444057260000096
个左列向量，代表
Figure BDA0003444057260000097
的1空间，
Figure BDA0003444057260000098
包含矩阵Dk-1的
Figure BDA0003444057260000099
个右列向量，代表
Figure BDA00034440572600000910
的0空间，rank(·)表示对矩阵求秩。第k个用户的预编码向量可以表示为
Figure BDA00034440572600000911
其中，gk用于最大化用户k的可达速率。
Figure BDA00034440572600000912
为矩阵Dk的
Figure BDA00034440572600000913
个左列向量，代表
Figure BDA00034440572600000914
的1空间；特征向量矩阵Dk通过对矩阵
Figure BDA00034440572600000915
进行SVD分解得到，表示为
Figure BDA00034440572600000916
据此，计算如下奇异值分解
Figure BDA00034440572600000917
其中，Jk和Λk为SVD计算得到的分解矩阵；
Figure BDA00034440572600000918
为矩阵Jk的第一列。
步骤六、在LED非线性和调光等级的约束下，基于功率分配矩阵P和预编码矩阵B，构建以最大化系统可达速率为目标的优化问题，以求解最优缩放因子；
该优化问题具体可表达为
Figure BDA00034440572600000919
s.t.
Figure BDA00034440572600000920
Figure BDA00034440572600000921
其中，
Figure BDA00034440572600000922
为调制符号的平均功率，fn,k为F矩阵第n行，第k列的元素；W为脉冲幅度调制信号的调制阶数，IH和IL分别表示LED允许通过的最大和最小电流；
约束条件(a)表示对于第n,1≤n≤NM个LED，其传输的调制电信号需在LED的动态范围之内；约束条件(b)表示调光水平约束；
在高信噪比时，上述优化问题的目标函数可近似表达为
Figure BDA0003444057260000101
更进一步地，引入变量
Figure BDA0003444057260000102
上述优化问题可简化为
Figure BDA0003444057260000103
s.t.
Figure BDA0003444057260000104
Figure BDA0003444057260000105
该问题为凸问题，可以通过CVX工具箱求解，得到最优的缩放因子矢量ak,k＝1,…,N；
步骤七、利用得到的缩放因子ak,k＝1,…,N更新等效基带信道矩阵为H'＝HPA，将更新后的H'迭代求解P，再执行重复求解预编码矩阵B，直至系统的可达速率收敛；
其中A为对角元素为a1,a2,…,aN的对角矩阵，表示为A＝diag(a1,a2,…,aN)；
步骤八、利用系统的可达速率模型计算能效性，以验证有效性；
能量效率为系统的可达速率与能量消耗的比值，具体表示为
Figure BDA0003444057260000106
其中，PFA/SA表示全连接或子连接系统中系统的能量消耗；
在全连接中各个VLC链路与全部的LED连接，而在子连接中每条VLC链路只与一个LED子阵列连接。
PFA/SA具体表示为
PFA＝NMPLED+NPDAC+N2MPfilter
PSA＝NMPLED+NPDAC+N2Pfilter
其中，PLED表示一个LED的发射功率，PDAC表示数模转换器的功率，Pfilter表示滤波器的功率。
结果表示：
本发明与迫零预编码在全连接和子连接结构下，系统可达速率和能效随信噪比、LED数目和用户数目的变化趋势如图3-图8所示。
如图3和图4所示，本发明所提方法与迫零预编码-子连接相比，在可达速率和能效方面都有明显优势，与迫零预编码-全连接相比，损失一定的数据传输速率但具有更高的能效；具体而言，图4中，在信噪比为130dB时，本发明所提方法较迫零预编码-全连接和子连接结构1可分别获得0.192bps/Hz/W和1.275bps/Hz/W的能效增益。
如图5所示，当室内用户数固定为16和系统信噪比固定为130dB时，随室内LED数目的增大，本发明所提方法和对比方案的系统可达速率都增大；
如图6所示，本发明所提方法在能效方面始终优于对比机制。
如图7和图8所示，当系统信噪比固定为130dB，室内LED总数固定为256时，在室内用户数较少时，本发明所提方法的可达速率和能效较对比机制较差，但在用户数较多时，本发明所提方法具有明显的性能增益，这意味着本发明所提方法在系统信道相关性强时可获得性能增益。

Claims (9)

1.一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，具体步骤包括：
首先，将室内的NM个LED，每M个LED划分一组，每组LED分别与一条链路连接，共N组形成子连接结构；接收端对应N个用户的单个光电二极管PD；
然后、每个LED发射的光信号经过各自的光信道到达对应的PD，结合LED和PD之间的电-光-电信道增益，基于MIMO VLC的空间位置和朗伯辐射模型构建MIMO VLC信道矩阵H，利用信道矩阵H的奇异值分解SVD，构建最优功率分配矩阵P，以得到等效基带信道矩阵，进一步设计基于SIC的预编码矩阵B；
接着，基于信道矩阵H，功率分配矩阵P和基于SIC的预编码矩阵B，构建系统通信模型和系统可达速率模型；并在LED非线性和调光等级的约束下，构建以最大化系统可达速率为目标的优化问题，求解最优缩放因子ak；利用利用缩放因子ak的对角矩阵更新等效基带信道矩阵为H'，并返回重复更新预编码矩阵B，对系统的可达速率进行训练，直至收敛；
最后，利用收敛后的可达速率模型计算能效性，进行验证。
2.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的NM个LED均匀分布在室内天花板上，N个用户在室内随机分布，每个用户分别与一条通信链路连接。
3.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的信道矩阵H表示为：
Figure FDA0003444057250000011
其中，hi,j表示第j个LED到第i个PD视距链路的直流增益；1≤j≤NM，1≤i≤N。
4.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的最优功率分配矩阵为
Figure FDA0003444057250000012
其中，
Figure FDA0003444057250000013
v1取矩阵V的第一个左列矢量，V为包含奇异矢量的单位矩阵；Pt表征每个LED子阵列的总功率；
等效基带信道矩阵表示为H'＝HP。
5.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的预编码矩阵B，其第u列为bu，满足：
H′(k,:)bu＝0
其中，H′(k,:)表示矩阵H′的第k行；1≤u＜k；
第k个用户的预编码向量表示为
Figure FDA0003444057250000021
其中，gk用于最大化第k个用户的可达速率，
Figure FDA0003444057250000022
为矩阵Dk的
Figure FDA0003444057250000023
个左列向量，代表
Figure FDA0003444057250000024
的1空间；通过对矩阵
Figure FDA0003444057250000025
进行SVD分解，得到特征向量矩阵Dk，表示为
Figure FDA0003444057250000026
Figure FDA0003444057250000027
为矩阵Dk-1的
Figure FDA0003444057250000028
个右列向量，代表
Figure FDA0003444057250000029
的0空间；rank(·)表示对矩阵求秩；
矩阵
Figure FDA00034440572500000210
包含前k-1个用户的等效信道状态信息；通过对矩阵
Figure FDA00034440572500000211
进行SVD分解得到特征向量矩阵Dk-1，表示为
Figure FDA00034440572500000212
其中前rank(·)列表示
Figure FDA00034440572500000213
剩余的后N-rank()列表示
Figure FDA00034440572500000214
6.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的系统通信模型具体表示为：
Y＝HPBs+HDC1+W'
其中，s＝[s1,s2,…,sk,...,sN]为有效传输信号，1为NM×1大小的全1矢量，W'∈RN×1为功率等于
Figure FDA00034440572500000215
的加性高斯白噪声；DC为直流偏置；
系统的可达速率模型表示为
Figure FDA00034440572500000216
其中，Rk表示第k个用户的速率；hk表示信道矩阵H的第k行，fk表示矩阵F的第k列，矩阵义F＝PB；sk表示发送端传输的第k个比特信息经脉冲幅度调制后，对调制符号进行缩放得到的信号，表示为sk＝akxk,k＝1,2,…,N；ak为调制符号sk的缩放因子。
7.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的以最大化系统可达速率为目标的优化问题，计算公式为：
Figure FDA0003444057250000031
Figure FDA0003444057250000032
Figure FDA0003444057250000033
其中
Figure FDA0003444057250000034
Figure FDA0003444057250000035
为调制符号的平均功率，fn,k为矩阵F第n行，第k列的元素；W为脉冲幅度调制信号的调制阶数，IH和IL分别表示LED允许通过的最大和最小电流；
约束条件(a)表示对于第n,1≤n≤NM个LED，其传输的调制电信号需在LED的动态范围之内；
约束条件(b)表示调光水平约束；
在高信噪比时，引入变量
Figure FDA0003444057250000036
将上述优化问题进行简化，为
Figure FDA0003444057250000037
最后，通过CVX工具箱求解，得到最优的缩放因子ak,k＝1,…,N。
8.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的更新等效基带信道矩阵公式为：H'＝HPA；
其中A为对角元素为a1,a2,…,aN的对角矩阵，表示为A＝diag(a1,a2,…,aN)。
9.如权利要求1所述的一种针对具有子连接结构的MIMO VLC系统的SIC预编码方法，其特征在于，所述的验证可达速率模型的能效性，具体为：
能量效率为系统的可达速率与能量消耗的比值，计算公式为：
Figure FDA0003444057250000038
其中，PFA/SA表示全连接或子连接系统中系统的能量消耗；计算公式为：
PFA＝NMPLED+NPDAC+N2MPfilter
PSA＝NMPLED+NPDAC+N2Pfilter
其中，PLED表示一个LED的发射功率，PDAC表示数模转换器的功率，Pfilter表示滤波器的功率。
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