CN114598389B

CN114598389B - 可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置

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Publication number: CN114598389B
Application number: CN202210230820.4A
Authority: CN
Inventors: 张煜; 熊轲; 郭杨波; 皇甫昱慧; 郑海峰; 吴鹏; 谭显东; 霍沫霖; 单葆国; 王成洁; 唐伟; 谭清坤; 吴姗姗; 李江涛; 张成龙; 冀星沛; 姚力
Original assignee: Beijing Jiaotong University; State Grid Energy Research Institute Co Ltd
Current assignee: Beijing Jiaotong University; State Grid Energy Research Institute Co Ltd
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2042-03-09
Also published as: CN114598389A

Abstract

本说明书实施例提供了一种可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，该方法包括：计算可见光通信VLC系统的平均功率；计算所述用户设备的数据传输速率；计算所述用户设备的收集电量；计算VLC系统的发射光功率；根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。本发明能够提高可见光通信网络的频谱效率。

Description

可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置

技术领域

本文件涉及可见光网络优化设计技术领域，尤其涉及一种可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置。

背景技术

由于物联网(the Internet of Things，IoT)的出现，部署的无线用户设备的数量急剧增加，导致数据流量指数增加。为了应对爆发式增长的无线通信流量要求和高速度、超可靠、低延迟的海量连接，超第五代(the beyond fifth generation，B5G)无线网络越来越受到业界和学术界的关注。然而，这不可避免地对射频(radio frequency，RF)频谱产生巨大的压力，亟需频谱扩展满足上述要求。为解决射频频谱短缺问题并提供高数据速率无线通信服务，可见光通信(visible light Communication，VLC)已被认为是一种有前途的射频通信的补充。相比射频通信，可见光通信的主要优点在于基于二极管(light emittingdiode，LED)的VLC包括宽光谱可用性(约400THz)，免频谱执照，对人类健康无负面影响。此外，由于现有广泛部署的LED照明设施，基于LED的VLC能够同时提供无线网络访问服务以及照明服务，这降低了网络成本。另一方面，由于无线物联网设备通常能量有限，由小容量电池供电，需要手动更换电池或充电，对于海量设备来说这是不切实际的，尤其是在有毒或无法接近的环境下。

为了延长无线物联网设备的使用寿命，避免手动更换电池的高成本，能量收集(energy harvesting，EH)技术被用于解决物联网设备供电，其中光波信息和能量同时传输技术(simultaneous lightwave information and power transfer，SLIPT)被认为是作为室内低功耗物联网系统供电最有前途的解决方案之一。使用SLIPT，可以从接收到的可见光中提取信息信号和能量，同时还可以照明。支持SLIPT的VLC具有巨大的潜力应用于各种场景，如机舱、办公室和购物中心，同时提供低功耗物联网通信、充电服务和照明服务。

迄今为止，很少有人研究具有独立光电检测器(photo detector，PD)接收信息和太阳能电池板(solar panel，SP)接收能量的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络可达到的总和速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，所述方法包括：

计算可见光通信VLC系统的平均功率；

计算所述用户设备的数据传输速率；

计算所述用户设备的收集电量；

计算VLC系统的发射光功率；

根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。

本发明提供一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，所述装置包括：

第一计算模块，用于计算可见光通信VLC系统的平均功率；

第二计算模块，用于计算所述用户设备的数据传输速率；

第三计算模块，用于计算所述用户设备的收集电量；

第四计算模块，用于计算VLC系统的发射光功率；

优化求解模块，用于根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。

本发明实施例还提供一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现上述支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的步骤。

采用本发明实施例，在满足每个用户设备的最低能量收集要求约束、LED的总发射功率约束和LED调光控制约束条件下，通过联合优化波束成形向量和LED直流(directcurrent，DC)偏置向量，使得所有用户设备的总和数据传输速率最大。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个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说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的流程图；

图2是本发明实施例的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络的示意图；

图3是本发明实施例的求解P₀的示意图；

图4是本发明装置实施例一的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置的示意图；

图5是本发明装置实施例二的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，图1是本发明实施例的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的流程图，如图1所示，根据本发明实施例的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法具体包括：

步骤101，计算可见光通信VLC系统的平均功率；

步骤102，计算所述用户设备的数据传输速率；

步骤103，计算所述用户设备的收集电量；

步骤104，计算VLC系统的发射光功率；

步骤105，根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。

以下结合附图对本发明实施例的上述步骤进行详细说明。

本发明实施例针对多用户(multi-user，MU)多输入单输出(multiple inputsingle output，MISO)可见光信息和能量同步传输网络。本发明实施例提出一种优化方法，在满足每个用户设备的最低能量收集要求约束、LED的总发射功率约束和LED调光控制约束条件下，通过联合优化波束成形向量和LED直流(direct current，DC)偏置向量，使得所有用户设备的总和数据传输速率最大。

图2所示为多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络。网络中有N个LED和K个用户设备(user equipments，UE)，每个用户设备可以同时使用光电检测器(photodetector，PD)接收信息和太阳能电池板(solar panel，SP)收集能量。n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备。

网络用户设备总和数据传输速率最大化设计方法如下：

第一步：计算系统平均功率。

在发射端，应用厄米对称性(Hermitian symmetry)和数模(digital-to-analog，D/A)转换，输入的复数值(complex-valued)比特流被转换为模拟实值数据符号之后，为了提高VLC网络的频谱效率，功率功率放大器(power amplifier，PA)用于对数据符号进行波束成形矢量设计。用表示给第k个UE传输的模拟实值数据符号，/>表示实数域。此外，为了避免LED非线性引起的削波失真，s_k的峰值幅度应满足/>由于VLC采用强度调制和直接检测(intensity modulation and direct detection，IM/DD)技术，因此需要通过Bias-T在第n个LED的放大模拟信号上加上直流偏置bn，以确保发射信号为非负实数值。

因此，总发射信号由信息信号和直流偏置组成，可表示为

其中是直流偏置向量，/>是与第k个UE相关联的波束成形向量。为保证第n个LED的发射信号为非负值，即w_k应满足/>其中e_n是第n个元素等于1的全零向量。此外，为了保护人眼并使LED工作在线性区域，w_k还应满足I_H是LED的最大输入电流。事实上，基于LED的VLC系统的电功率是输入信号的均方。那么，所考虑的VLC系统的平均功率为其中/>表示随机变量x的期望。

第二步：计算用户设备数据传输速率。

在接收端，接收到的可见光信号包括两部分：一是在视线(LoS)链路上，其余是在非视线(NLoS)链路上，由反射和漫折射引起。通常，VLC信道增益以LoS链路为主，而NLoS链路往往被忽略。第n个LED和第k个UE的PD之间的LoS VLC链路的信道增益可以表示为

其中A_PD代表PD的物理区域，是第n个LED与第k个UE的PD之间的距离。φ_1,k,n和ψ_1,k,n分别表示从第n个LED到第k个UE的PD的辐照角和入射角。/>代表兰伯特指数(Lambert index)，Φ_1/2是半照度下的半角。另外，g_of表示滤光器增益，G(ψ_1,k,n)表示聚光器增益，可以表示为/>其中ρ₁表示聚光器的折射率，Ψ_FoV,1是PD视场(FoV)的半角。

将N个LED与第k个UE的PD之间的信道增益向量表示为可以通过第k个UE进行信道估计并反馈给LED，让LED获取完美的信道状态信息(perfectchannel state information)。对于第k个UE，去除直流偏置后，接收到的信号为其中第一项是第k个UE的期望信号，第二项是其他UE的信号对第k个UE的干扰，/>表示加性高斯白噪声(AWGN)，σ²表示噪声功率。表示数学期望为μ、方差为σ²的正态分布。此外，γ和η分别表示电-光和光-电的转换因子。

因此，第k个UE可达到的信息速率由下式给出

其中α_i、β_i和τ_i可通过求解方程组

其中函数T(x)定义为其中erf(x)是误差函数

第三步：计算用户设备收集电量。

在PD进行信息接收的同时，安装在UE侧的太阳能电池板将LED发出的可见光信号和环境光同时转换为模拟电信号，再转换为电能，最后储存在电池中。太阳能电池板收集的能量来自LED的光通量。将Φ_n,T表示为第n个LED的光通量，可由下式给出

其中a＝354.286和z＝27。第n个LED与第k个UE的太阳能电池板之间的通道增益向量表示为/>其中A_sp代表太阳能电池板的物理面积，/>是第n个LED到第k个UE的太阳能电池板的距离。φ_2,k,n和ψ_2,k,n分别表示从第n个LED到第k个UE的太阳能电池板的辐照角和入射角。G(ψ_2,k,n)表示太阳能电池板的聚光器增益，可以表示为/>其中ρ₂表示太阳能电池板的折射率，Ψ_FoV,2是太阳能电池板的视场(FoV)的半角。

因此，在第k个UE的太阳能电池板上接收到的来自LED光和环境光的照度由下式给出其中λ和/>分别表示可见光的波长和LED的归一化光谱能量密度。/>表示在555nm波长处的最大可见度。V(λ)是标准光度曲线。E_a(W/m²)表示环境光的照度。

一般而言，太阳能电池板具有非线性电压安培特性，因此本专利采用更切合实际的非线性太阳能电池板EH模型，以及适合小尺寸太阳能电池板的分数开路电压(FOCV)方法来分析传递的能量。此外，第k个UE的光生电流与接收到的照度E_k和环境温度T_a成正比，可以表示为其中α_k,stc和I_sc,stc分别代表标准测试条件下(standard test conditions，STC)的温度系数和短路电流。此外，辐照度E_stc＝1000W/m2和温度T_a,stc＝25℃。第k个UE的输出电压V_k,panel和输出电流I_k,panel分别表示为：

其中V_k,oc是开路电压，是大约0.76(±2％以内)的比例常数，μ_k＝I_k,Light/(I_s0E_k)。/>是面板理想因子，q_e表示电子电荷q_e＝1.6021766208×10^-19库仑，k_B表示玻尔兹曼常数k_B＝1.380649×10-23J/K，J_f表示理想因子(通常介于1和2之间)。此外，I_s0表示暗饱和电流，/>其中I_s0,stc是标准测试条件下的暗饱和电流，/>E_g,stc＝1.12eV。

一般来说，I_k,panel和R_s的值分别在毫安和毫欧的数量级，而R_sh的值大于千欧，输出电压V_k,panel小于10V。因此，通过忽略

中的I_k,panelR_s和I_k,panel和I_s0分别可以近似表示为

I_k,panel＝I_k,Light-I_s0exp(cV_k,panel-1)和

合并上式可以得到

因此，第k个UE的太阳能电池板每秒收集的能量为

其中

第四步：计算VLC发射光功率。

在实际的支持SLIPT的VLC系统中，LED不仅用于信息传输和能量传输，还同时用于照明。照明强度由LED的发射光功率决定，也就是输入信号的平均值。VLC系统的发射光功率为

因此，调光水平，定义为∈∈(0,1]，P_OT是LED的标称光学强度(nominaloptical intensity)。

第五步：构建网络用户设备总和数据传输速率最大化优化问题。

对于考虑的MU-MISO SLIPT启用的多LED VLC系统，我们的目标是通过联合优化LED的波束成形矢量和直流偏置矢量，根据每个UE的最低EH要求、LED的调光控制约束和LED的总可用发射功率约束，最大限度地提高所有UE的总和速率。构建网络用户设备总和数据传输速率最大化优化问题如下：

P₀:

其中P_Total表示总发射功率，ω_k表示第k个UE的最小能量收集EH要求。

意味着第k个UE收集的能量应不小于其预定义的阈值ω_k。

意味着VLC系统的发射信号应该是非负的，并且在LED的线性区域内。

表示调光控制约束。

表示整个网络的发射功率不能超过可用的发射功率。

可以看出，问题P₀是非凸的，无法直接应用标准凸优化求解器来有效解决。因此，本专利设计了一种有效的算法来求解P₀。

第六步：求解优化问题。

如图3所示，示出了求解P₀的流程，其中非凸问题P₀首先使用变量重构等价地转换为问题P₁，然后使用变量替换等价地转换为问题P₂，接着使用半定松弛(semi-definiterelaxation，SDR)方法近似转换为问题P₃。然后，通过应用一阶近似将问题P₃近似变换为P₄，通过变量替换问题P₄等价变换为P₅，通过应用一阶近似将问题P₅近似变换为凸形式，即问题P₆。最后，为了提高近似精度，设计了一种基于SCA的算法，以迭代方式求解问题P₆。

首先，引入辅助变量其中/>通过变量重构方法，问题P₀等价变换为P₁：

P₁:

r_k≥0,

引入了以下辅助变量

问题P₁可以重新表述为以下问题P₂。

应用SDR处理非凸约束，定义

由于秩约束Rank(W)＝1是非凸的，通过降低Rank(W)＝1，问题P₂被松弛为

ω_k-Π_kTr(WG_k)≤Ξ_k，

约束ω_k-Π_kTr(WG_k)≤Ξ_k、和/>可以分别近似为

因此问题P₃可以近似表述为以下问题P₄

定义问题P₄可以等价变换为以下问题P₅

/>

其中可近似表示为/>

问题P₅可以近似变换为以下问题P₆

问题P₆是凸的，可以通过应用标准凸优化求解器来有效解决。然而，问题P₆只是问题P₅的近似。为了找到问题P₅的限制性近似，一种基于SCA的算法设计如下，它能够以迭代的方式求得问题P₅的驻点解。

假设{W^＊(t),r^＊(t),b^＊(t)}为问题P₆在第t次迭代中的最优解，可以用下式更新/>用/>和/>替换P₆中的/>和/>通过解决以下问题P₇来更新{W^＊(t+1),r^＊(t+1)}。

P，

/>

基于SCA的MU-MISO VLC网络在算法1中。设W^opt表示问题P₆的最佳解。应该注意的是，由于SDR，W^opt的rank可能不是1。如果Rank(W^opt)＝1，则最优波束成形向量可通过特征值分解得到；否则，可以通过应用高斯随机化过程来获得波束成形向量/>的高质量可行解。

算法1：基于SCA的算法求解问题P₀：

1：初始化和/>

2：设置迭代指数t＝1，迭代容差∈＝10^-4；

3：重复

4：通过求解问题P₇得到{W^＊(t),r^＊(t),b^＊(t)}；

5：更新

6：更新和/>

7：更新t←t+1；

8：直到

9：返回{W^＊,r^＊,b^＊}。

装置实施例一

根据本发明实施例，提供了一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，图4是本发明装置实施例一的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置的示意图，如图4所示，根据本发明实施例的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置具体包括：

第一计算模块40，用于计算可见光通信VLC系统的平均功率；

第二计算模块42，用于计算所述用户设备的数据传输速率；

第三计算模块44，用于计算所述用户设备的收集电量；

第四计算模块46，用于计算VLC系统的发射光功率；

优化求解模块48，用于根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。

本发明实施例是与上述方法实施例对应的系统实施例，各个模块的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。

装置实施例二

本发明实施例提供一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，如图5所示，包括：存储器50、处理器52及存储在所述存储器50上并可在所述处理52上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器52执行时实现如方法实施例中所述的步骤。

装置实施例二

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传输的实现程序，所述程序被处理器52执行时实现如方法实施例中所述的步骤。

本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，每个用户设备同时使用光电检测器接收信息和太阳能电池板收集能量，其特征在于，所述方法包括：

计算可见光通信VLC系统的平均功率；

计算所述用户设备的数据传输速率；

计算所述用户设备的收集电量；

计算VLC系统的发射光功率；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算可见光通信VLC系统的平均功率具体包括：

根据公式1计算总发射信号：

其中，其中b＝[b₁,...,b_N]^T∈R^N×1是直流偏置向量，w_k＝[w_k,1,...,w_k,N]^T∈R^N×1是与第k个UE相关联的波束成形向量，为保证第n个LED的发射信号为非负值，即w_k满足/>其中e_n是第n个元素等于1的全零向量，/>I_H是LED的最大输入电流，s_k∈R表示给第k个UE传输的模拟实值数据符号，R表示实数域，s_k的信号幅度满足|s_k|≤A_k，A_k表示给第k个UE传输的模拟实值数据符号峰值振幅；

根据公式2计算可见光通信VLC系统的平均功率：

其中，ε_k＝E{|s_k|²}，E{x}表示随机变量x的期望。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述用户设备的数据传输速率具体包括：

根据公式3计算第k个UE可达到的信息速率：

其中，α_i、β_i和τ_i通过求解方程组

获得，函数T(x)定义为/>其中erf(x)是误差函数/> 表示第n个LED和第k个UE的PD之间的LoSVLC链路的信道增益，A_PD代表PD的物理区域，/>是第n个LED与第k个UE的PD之间的距离，φ_1,k,n和ψ_1,k,n分别表示从第n个LED到第k个UE的PD的辐照角和入射角，/>代表兰伯特指数，Φ_1/2是半照度下的半角，g_of表示滤光器增益，G(ψ_1,k,n)表示聚光器增益，其中ρ₁表示聚光器的折射率，Ψ_FoV,1是PD视场的半角，h_k为N个LED与第k个UE的PD之间的信道增益向量，h_k＝[h_k,1,...h_k,N]^T∈R^N×1，对于第k个UE，去除直流偏置后，接收到的信号为/>其中第一项是第k个UE的期望信号，第二项是其他UE的信号对第k个UE的干扰，n_k～N(0,σ²)表示加性高斯白噪声(AWGN)，σ²表示噪声功率，N(μ,σ²)表示数学期望为μ、方差为σ²的正态分布，此外，γ和η分别表示电-光和光-电的转换因子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算所述用户设备的收集电量具体包括：

根据公式4计算第k个UE的太阳能电池板每秒收集的能量：

其中， V_k,oc是开路电压，/>是比例常数，μ_k＝I_k,Light/(I_s0E_k)，/>是面板理想因子，q_e表示电子电荷，k_B表示玻尔兹曼常数，J_f表示理想因子，I_s0表示暗饱和电流，/>I_s0,stc是标准测试条件下的暗饱和电流，/>E_g,stc＝1.12eV，α_k,stc和I_sc,stc分别代表标准测试条件下的温度系数和短路电流，E_stc为辐照度，T_a,stc为温度，/>λ和分别表示可见光的波长和LED的归一化光谱能量密度，θ表示在相应波长处的最大可见度，V(λ)表示标准光度曲线，E_a表示环境光的照度，Φ_n,T表示为第n个LED的光通量，其中a＝354.286和z＝27，第n个LED与第k个UE的太阳能电池板之间的通道增益向量表示为/>A_sp代表太阳能电池板的物理面积，/>是第n个LED到第k个UE的太阳能电池板的距离，φ_2,k,n和ψ_2,k,n分别表示从第n个LED到第k个UE的太阳能电池板的辐照角和入射角，G(ψ_2,k,n)表示太阳能电池板的聚光器增益，/>其中ρ₂表示太阳能电池板的折射率，Ψ_FoV,2是太阳能电池板的视场的半角。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算VLC系统的发射光功率具体包括：

根据公式5计算VLC系统的发射光功率：

根据公式6计算调光水平：

其中，P_OT是LED的标称光学强度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解具体包括：

根据公式7构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型：

其中，P_Total表示总发射功率，ω_k表示第k个UE的最小能量收集EH要求，意味着第k个UE收集的能量应不小于其预定义的阈值ω_k，/>意味着VLC系统的发射信号应该是非负的，并且在LED的线性区域内，/>表示调光控制约束，/>表示整个网络的发射功率不能超过可用的发射功率；

使用变量重构将P₀等价地转换为问题P₁，使用变量替换将问题P₁等价地转换为问题P₂，使用半定松弛SDR方法将问题P₂近似转换为问题P₃，通过应用一阶近似将问题P₃近似变换为问题P₄，通过变量替换问题P₄等价变换为P₅，通过应用一阶近似将问题P₅近似变换为凸形式，即问题P₆，采用基于SCA的算法，以迭代方式求解问题P₆。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用变量重构将P₀等价地转换为问题P₁，使用变量替换将问题P₁等价地转换为问题P₂，使用半定松弛SDR方法将问题P₂近似转换为问题P₃，通过应用一阶近似将问题P₃近似变换为问题P₄，通过变量替换问题P₄等价变换为P₅，通过应用一阶近似将问题P₅近似变换为凸形式，即问题P₆，采用基于SCA的算法，以迭代方式求解问题P₆具体包括：

引入辅助变量其中/>通过变量重构方法，将问题P₀等价变换为P₁：

r_k≥0,

引入以下辅助变量

将问题P₁重新表述为以下问题P₂：

应用SDR处理非凸约束，定义由于秩约束Rank(W)＝1是非凸的，通过降低Rank(W)＝1，问题P₂被松弛为：

约束ω_k-Π_kTr(WG_k)≤Ξ_k、和/>分别近似为

将问题P₃近似表述为以下问题P₄：

定义将问题P₄等价变换为以下问题P₅：

其中，近似表示为/>将问题P₅近似变换为以下问题P₆：

假设{W^＊(t)，r^＊(t)，b^＊(t)}为问题P₆在第t次迭代中的最优解，用下式更新用/>和/>替换P6中的/>和/>通过解决以下问题P₇来更新{W^＊(t+1)，r^＊(t+1)}：

采用步骤1-9基于SCA的算法求解问题P₆，设W^opt表示问题P₆的最佳解，由于SDR，如果Rank(W^opt)＝1，则最优波束成形向量通过特征值分解得到；否则，通过应用高斯随机化过程来获得波束成形向量/>的高质量可行解；

步骤1，初始化和/>

步骤2，设置迭代指数t＝1，迭代容差

步骤3，重复

步骤4，通过求解问题P7得到{W^＊(t)，r^＊(t)，b^＊(t)}；

步骤5，更新

步骤6，更新和/>

步骤7，更新t←t+1；

步骤8，直到

步骤9，返回{W^＊，r^＊，b^＊}。

8.一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，每个用户设备同时使用光电检测器接收信息和太阳能电池板收集能量，其特征在于，所述装置包括：

第一计算模块，用于计算可见光通信VLC系统的平均功率；

第二计算模块，用于计算所述用户设备的数据传输速率；

第三计算模块，用于计算所述用户设备的收集电量；

第四计算模块，用于计算VLC系统的发射光功率；

9.一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的步骤。