CN114465665A - 一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下光通信技术领域，具体涉及一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法；对信源的二进制随机信息序列进行信号调理，得到基带信号，将所述基带信号进行削波处理得到削波信号；将所述削波信号进行光束成形得到待发送信号；通过所述接收端将经所述湍流信道的光信号转换为电信号，并进行最大比合并，对所述经过最大比合并的电信号通过快速傅里叶变换和提取数据子载波，并对所述子载波进行信号解调来恢复所述削波信号，通过空间分集合并接收信号，建立信噪比最大化目标下的光束成形优化模型，求解光束成形矢量形成目标光束，进行功率重新分配，使接收端的平均功率增加。

Description

一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法
技术领域
本发明涉及水下光通信技术领域，尤其涉及一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法。
背景技术
随着水下资源勘探、水下无线传感器网络建设、自主水下航行器(AUV)之间通信等人类活动在水下环境中的不断扩展，迫切需要可靠的水下高速无线通信。通过研究发现，海水对波长在450nm-530nm的蓝绿光波衰减相对较小，使得水下可见光通信(UVLC)成为了可能。相对于传统的水声通信和射频通信，UVLC具有污染小、安全性高、时延低、传输速率快等优点成为了水下高速通信的研究热点。
水下环境对可见光通信会产生两方面的影响：一是水中的各种物质及不规则运动的悬浮颗粒会导致光在传播时产生明显的吸收和散射等现象；二是水中的温度波动、盐度变化和气泡存在等引起的水体对光的折射率的随机变化，发生湍流现象。折射率的随机变化，造成了光束扩展、光束漂移、到达角起伏和光强起伏。其中光强起伏也称光强闪烁表现为光束强度的忽大忽小，光斑忽明忽暗，这种现象使得传输信号发生随机衰落，降低了系统可靠性，尤其在强湍流中，这种现象更加明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，旨在解决强湍流造成的光强闪烁而引起的可见光通信信号随机衰落的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，包括以下步骤：
对信源的二进制随机信息序列进行信号调理，得到基带信号；
将所述基带信号进行削波处理，得到削波信号；
将所述削波信号进行光束成形，得到待发送信号；
通过LED将电信号转换为光信号，并将所述光信号通过湍流信道向所述接收端传送所述待发送信号；
通过所述接收端将经所述湍流信道的光信号转换为电信号，并进行最大比合并；
对所述经过最大比合并的电信号通过快速傅里叶变换和提取数据子载波，并对所述子载波进行信号解调，恢复所述削波信号。
其中，所述对信源的二进制随机信息序列进行信号调理，得到基带信号的具体方式为：
输入二进制随机信息序列，对所述二进制随机信息序列进行QAM映射并进行串并转换，得到转换数据；
将所述转换数据进行厄米特对称，得到对称数据；
将所述对称数据进行快速傅里叶逆变换，得到所述基带信号。
其中，所述通过所述接收端将所述待发送信号转换为电信号，并进行最大比合并具体方式为：
将所述待发送信号乘以湍流信道矩阵，并经所述LED转换得到光信号；
通过所述接收端将所述光信号转换为电信号；
通过所述接收端将所述电信号进行最大比合并。
其中，所述湍流信道矩阵由所述发射端的若干LED和若干PD检测器之间的衰落系数与直流信道增益组成。
其中，所述衰落系数通过舍选法求得，并服从混合指数广义伽马分布。
本发明的一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，对信源的二进制随机信息序列进行信号调理，得到基带信号，将所述基带信号进行削波处理得到削波信号；将所述削波信号进行光束成形得到待发送信号；通过LED将电信号转换为光信号，并将所述光信号通过湍流信道向所述接收端传送所述待发送信号；通过所述接收端将经所述湍流信道的光信号转换为电信号，并进行最大比合并，对所述经过最大比合并的电信号通过快速傅里叶变换和提取数据子载波，并对所述子载波进行信号解调来恢复所述削波信号，充分利用光束成形算法的特性，与传统最大比合并算法进行结合，通过空间分集经历不同路径合并接收信号，建立信噪比最大化目标下的光束成形优化模型，并求解最优光束成形矢量，形成目标光束，进行功率重新分配，使接收端的平均功率增加，达到克服强湍流信道衰落的影响的目的，由于湍流是时变的，所以信号在经过强湍流信道时受到的湍流大小不同，信号经过不同路径到达接收端，在接收端进行最大比合并，可以通过空间分集来克服强湍流带来的衰落效应，在发射端采用光束成形，选择最优光束成形矢量，进行功率分配使其中某一路的光功率增强，达到抵抗强湍流的目的，解决强湍流造成的光强闪烁，使得可见光通信信号随机衰落的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是水下光MIMO空间分集通信系统模型。
图2是不同湍流强度的系统误码率性能仿真图。
图3是弱湍流强度下，基于最大比合并在不同空间分集下的系统误码率性能仿真图。
图4是强湍流强度下，基于最大比合并在不同空间分集下的系统误码率性能仿真图。
图5是强湍流下，基于最大比合并的光束成形的系统误码率性能仿真图。
图6是本发明提供一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法流程图。
图7是通过所述接收端将经所述湍流信道的光信号转换为电信号，并进行最大比合并的具体方式流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图7，本发明提供一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，包括以下步骤：
S1对信源的二进制随机信息序列进行信号调理，得到基带信号；
具体方式：
S11输入二进制随机信息序列，对所述二进制随机信息序列进行QAM映射并进行串并转换，得到转换数据；
S12将所述转换数据进行厄米特对称，得到对称数据；
S13将所述对称数据进行快速傅里叶逆变换，得到所述基带信号。
S2将所述基带信号进行削波处理，得到削波信号s；
S3将所述削波信号进行光束成形，得到待发送信号x；
具体的，所述设置光束成形矢量函数，并通过函数计算光束成形矢量，包括：
接收端信噪比为：
Figure BDA0003486214540000041
其中，Ps是yMRC的信号功率，pn是yMRC的噪声功率，为了获得最大接收信噪比，光束成形矢量bf满足的约束条件为：
Figure BDA0003486214540000051
Figure BDA0003486214540000052
其中，bf,j是bf的第j个元素。nt和nr为发射端和接收端数目。
Figure BDA0003486214540000053
表示二范数的平方运算。
设目标函数为g(bf)，则g(bf)可以表示为：
Figure BDA0003486214540000054
设目标函数的梯度为G，则：
Figure BDA0003486214540000055
其中，
Figure BDA0003486214540000056
表示对目标函数g(bf)的第nt个元素求偏导。
该梯度G的第k个元素Gk为：
Figure BDA0003486214540000057
设目标函数g(bf)的海森矩阵为M，则矩阵M的(m,k)个元素(M)m,k：
Figure BDA0003486214540000058
定义一个具有i行j列的矩阵A，则
Figure BDA0003486214540000061
由最大比合并原理可知，
Figure BDA0003486214540000062
又由正定定理可得，对于任意一个非零向量Z，ZTDZ＞0，则D是正定矩阵。上述M满足此定理，即M是正定矩阵，目标函数g(bf)是凸函数且在约束范围内具有最小值，最大值在约束边界处取值为1，又因
Figure BDA0003486214540000063
所以最优光束成形矢量为[0,0,…,1,…0]T，取1时，该信道增益最大。
S4通过LED将电信号转换为光信号，并将所述光信号通过湍流信道向所述接收端传送所述待发送信号；
S5通过所述接收端将经所述湍流信道的光信号转换为电信号，并进行最大比合并；
具体方式为：
S51将所述待发送信号乘以湍流信道矩阵，并将所述LED转换得到光信号；
S52通过所述接收端将所述光信号转换为电信号；
S53通过所述接收端将所述电信号进行最大比合并。
具体的，所述湍流信道矩阵由所述发射端的若干LED和若干PD检测器之间的衰落系数与直流信道增益组成，经过最大比合并之后的接收信号yMRC：
Figure BDA0003486214540000064
其中，WMRC是最大比合并的加权系数wij组成的接收合并加权矩阵，未进行最大比合并的接收端信号为y：
y＝Hx+n
其中，x＝bfs，bf为光束成形矢量，n代表均值为0，方差是n的加性高斯白噪声，H是nt×nr阶湍流信道矩阵，由发射端的第j个LED和第i个PD之间的湍流信道增益hij为元素组成：
Figure BDA0003486214540000065
其中，αij和hij分别是第j个LED和第i个PD之间的衰落系数和直流信道增益，hij可表示为：
Figure BDA0003486214540000066
其中，ηt为发射机的发射效率,ηr是接收机的效率,特征常数m＝-ln(2)/ln(cos(φ1/2))为朗伯系数，φ1/2为LED的半功率角，c(λ)是衰减系数，d是传输链路距离，φij为j个LED到第i个PD的发射角，范围为0到π/2，Aeff(d,ψij)表示接收端PD检测器的有效接收面积，可由以下式子计算得到：
Figure BDA0003486214540000071
其中，ψij为j个LED到第i个PD入射角，Dt为LED聚光透镜焦距，Dr为PD端聚光透镜焦距。
衰落系数αij是一个随机变量，服从混合指数广义伽马分布，可表示为：
f(αij)＝βf(αij；γ)+(1-β)g(αij；[u,v,w])
其中，β表示分布的混合权重，满足0＜β＜1，f(αij；γ)表示以γ为参数的指数分布，g(αij；[u,v,w])代表广义伽马分布，u，v，w是其形状参数和尺度参数。
所述衰落系数通过舍选法求得，并服从混合指数广义伽马分布；
具体的，在可见光传输中，湍流造成的衰落是一个随机衰落，采用舍选法来获得衰落系数αij，其基本思想是利用拒绝采样，通过设定一个简单的可抽样分布f(α)，达到接近指定分布目的，其步骤如下：
设定概率密度函数f(α)所要生成的随机数αij范围为(a,b)，则f(α)在(a,b)上最大值为m；生成服从U(a,b)均匀分布的随机数α，服从U(0,n)均匀分布的随机数αij(n≥m)；若αij＜f(α)，则αij为服从f(α)分布的随机数，若αij＞f(α)，则重复上述操作，一直到生成的x，αij符合条件。
S6对所述进行最大比合并之后的电信号通过快速傅里叶变换和提取数据子载波，并对所述子载波进行信号解调来恢复所述削波信号。
本发明中的UVLC-MIMO信道参数如下表所示：
Figure BDA0003486214540000072
Figure BDA0003486214540000081
该方法，在相同空间分集下不同湍流强度下的误码率仿真，通过对三种不同湍流强度进行仿真，仿真结果显示，随着湍流的增加，接收信号的强度发生了严重的波动，闪烁指数变得更高，接收功率的下降导致误码率增大；在弱湍流下采用MRC的不同分集的误码率仿真，仿真结果显示，将携带相同信息的信号经过湍流信道，在接收端进行MRC合并，使接收信噪比最大，随着空间分集阶数的增大，系统误码率降低，在强湍流下采用MRC不同分集的误码率仿真，与弱流端相比，当误码率信噪比为10-5数量级时，强湍流影响下，4×4比2×2空间分集的信噪比提升约2dB,而弱湍流下，却提升了7dB左右，说明了在强湍流下空间分集带来的分集增益相比弱湍流已经逐渐降低，当空间分集2×2、4×4时，比较了经过MRC和基于MRC的光束成形合并的信号在强湍流下的误码率性能。仿真结果表明，在相同分集阶数下，当误码率为10-5数量级时，采用基于MRC的光束成形技术比只采用MRC技术大约提升2.5dB和4dB。因为经过光束成形之后的光信号的发射功率增强，导致经过湍流信道之后到达接收端光功率增强。因此基于MRC的光束成形技术可以克服强湍流带来的影响。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
对信源的二进制随机信息序列进行信号调理，得到基带信号；
将所述基带信号进行削波处理，得到削波信号；
将所述削波信号进行光束成形，得到待发送信号；
通过LED将电信号转换为光信号，并将所述光信号通过湍流信道向所述接收端传送所述待发送信号；
通过所述接收端将经所述湍流信道的光信号转换为电信号，并进行最大比合并；
对所述经过最大比合并的电信号通过快速傅里叶变换和提取数据子载波，并对所述子载波进行信号解调，恢复所述削波信号。
2.如权利要求1所述的一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，其特征在于，
所述对信源的二进制随机信息序列进行信号调理，得到基带信号的具体方式为：
输入二进制随机信息序列，对所述二进制随机信息序列进行QAM映射并进行串并转换，得到转换数据；
将所述转换数据进行厄米特对称，得到对称数据；
将所述对称数据进行快速傅里叶逆变换，得到所述基带信号。
3.如权利要求1所述的一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，其特征在于，
所述通过所述接收端将所述待发送信号转换为电信号，并进行最大比合并的具体方式为：
将所述待发送信号乘以湍流信道矩阵，并经所述LED转换得到光信号；
通过所述接收端将所述光信号转换为电信号；
通过所述接收端将所述电信号进行最大比合并。
4.如权利要求3所述的一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，其特征在于，
所述湍流信道矩阵由所述发射端的若干LED和若干PD检测器之间的衰落系数与直流信道增益组成。
5.如权利要求4所述的一种强湍流信道下基于最大比合并的光束成形方法，其特征在于，
所述衰落系数通过舍选法求得，并服从混合指数广义伽马分布。
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