CN114745242A - 基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可见光通信技术领域，涉及一种基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，其包括以下步骤：1、初始化参数设置：给定子载波间隔、系统总的目标发射功率、目标误码率、信道状态信息；将子载波的比特数和功率初始化设为0；2、比特加载：依次计算假定给每个子载波多加载1比特时所需要增加的发射功率；找到ΔPi中最小的值所对应的子载波编号；加载1比特信息；计算所有子载波的发射功率，并求出当前总的发射功率；3、功率加载：根据每个子载波已加载的比特信息计算相应的发射功率。本发明能够充分利用可见光通信的频谱资源和有效提高系统的数据传输速率。

Description

基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，具体地说，涉及一种基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是一种超宽频谱的高速通信方式，具有无需授权、高保密性、无电磁干扰和能耗低的特点，其使用的波长范围为380nm-780nm，约405THz，是整个射频频谱的10,000倍。
可见光通信信道可以看作准静态、具有低通特性的信道，并且可见光通信是功率受限系统。通常采用各种自适应比特和功率加载算法来节约能量及提升系统性能，而现有的自适应比特和功率加载算法均是基于固定信道带宽设定的，当发射功率较大时，只能单纯增加每个子载波的发射功率，不能充分利用可见光通信极其丰富的频谱资源，遂提出了一种基于最优带宽的自适应比特和功率加载算法。
发明内容
本发明的内容是提供一种基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，其能够充分利用可见光通信的频谱资源和有效提高系统的数据传输速率。
根据本发明的基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，其包括以下步骤：
步骤1、初始化参数设置：
给定子载波间隔Δf、系统总的目标发射功率PT、目标误码率BERtarget、信道状态信息H；将子载波的比特数和功率初始化设为0，即bi＝0,Pi＝0；
步骤2、比特加载：
步骤2.1、依次计算假定给每个子载波多加载1比特时所需要增加的发射功率，即ΔPi＝P′i-Pi，其中P′i为假定第i个子载波多加载1比特后的发射功率；在QAM调制下，Pi的计算公式为
Figure BDA0003524728120000021
其中N0为噪声功率谱密度，
Figure BDA0003524728120000022
为信噪比间隙，Q为误差函数，
Figure BDA0003524728120000023
为第i个子载波的信道增益，其中fc是信道的3dB调制带宽；
步骤2.2、找到ΔPi中最小的值所对应的子载波编号：i*＝arg minΔPi；
步骤2.3、为第i*个子载波加载1比特信息：
Figure BDA0003524728120000024
Figure BDA0003524728120000025
为第i*个子载波加载的比特数；
步骤2.4、计算所有子载波的发射功率，并求出当前总的发射功率：Pt＝∑Pi，然后判断Pt≤PT是否成立，如果成立则转到步骤2.1，继续进行加载，否则比特加载过程结束，进入下一步；
步骤3、功率加载：
根据每个子载波已加载的比特信息计算相应的发射功率：Pi。
作为优选，在给定的约束条件下对每个子载波加载功率和比特数，约束条件包括：发射机最大总发射功率、误比特率门限。
作为优选，发射机最大发射功率根据电路功率约束和照明光功率的用眼安全约束来确定，误比特率门限可以定为前向纠错门限值为3.8e-3。
作为优选，步骤3后，根据每个子载波加载的功率和比特数，确定最优调制带宽的大小。
本发明提供了一种基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，考虑可见光通信系统的低通特性以及信号非负性约束和发射机总功率约束，结合正交频分复用(OFDM)技术，在发射端对信道每个子载波进行自适应比特和功率加载。本发明能够充分利用可见光通信的频谱资源和有效提高系统的数据传输速率。
附图说明
图1为实施例1中一种基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法的流程图；
图2为实施例1中一种基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法的原理图；
图3为实施例1中基于最优带宽与基于固定带宽的自适应比特和功率加载方法结果比较图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
因为可见光通信系统是一种功率受限系统，其信道具有低通特性，在研究过程中旨在提升其系统数据传输速率，遂采用基于速率自适应加载准则的Hughes-Hartogs算法来实现自适应比特和功率加载。而现有的Hughes-Hartogs算法是基于固定信道带宽设定的，当发射功率较大时，只能单纯增加每个子载波的发射功率，不能充分利用可见光通信极其丰富的频谱资源，遂提出了一种修改后的Hughes-Hartogs算法，可以实现基于最优带宽的自适应比特和功率加载算法。
如图1所示，修改后的Hughes-Hartogs算法具体实现步骤如下：
步骤1、初始化参数设置：
给定子载波间隔Δf、系统总的目标发射功率PT、目标误码率BERtarget、信道状态信息H；将子载波的比特数和功率初始化设为0，即bi＝0,Pi＝0；
步骤2、比特加载：
步骤2.1、依次计算假定给每个子载波多加载1比特时所需要增加的发射功率，即ΔPi＝P′i-Pi，其中P′i为假定第i个子载波多加载1比特后的发射功率；在QAM调制下，Pi的计算公式为
Figure BDA0003524728120000031
其中N0为噪声功率谱密度，
Figure BDA0003524728120000032
为信噪比间隙，这里Q为误差函数，其定义式为
Figure BDA0003524728120000041
Figure BDA0003524728120000042
为第i个子载波的信道增益，其中fc是信道的3dB调制带宽；
步骤2.2、找到ΔPi中最小的值所对应的子载波编号：i*＝arg minΔPi；
步骤2.3、为第i*个子载波加载1比特信息：
Figure BDA0003524728120000043
Figure BDA0003524728120000044
为第i*个子载波加载的比特数；
步骤2.4、计算所有子载波的发射功率，并求出当前总的发射功率：Pt＝∑Pi，然后判断Pt≤PT是否成立，如果成立则转到步骤2.1，继续进行加载，否则比特加载过程结束，进入下一步；
步骤3、功率加载：
根据每个子载波已加载的比特信息计算相应的发射功率：Pi。
至此，自适应比特和功率加载过程全部完成。
原始的Hughes-Hartogs算法需要在初始化参数设置过程给定信道调制带宽，修改后的算法只需要给定子载波间隔即可，而不需对信道调制带宽进行约束。
图2为本实施例基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法原理图，因为可见光通信信道可以建模为指数低通模型，根据理论上最优的比特和功率加载算法—注水算法，当发射总功率较大时，注水线只能等于最大调制带宽(即给定的带宽)对应的值的简单抬升，不能充分利用可见光通信极其丰富的频谱资源。
为了充分利用可见光通信极其丰富的频谱资源，提出的自适应比特和功率加载方法可以找到最优调制带宽。
本实施例的过程包括考虑可见光通信系统的低通特性，确定信道响应模型；根据系统传输要求确定约束条件：发射机最大总发射功率、误比特率门限；根据提出的方法，在给定的约束条件下对每个子载波加载功率和比特数；根据每个子载波加载的功率和比特数，确定最优调制带宽的大小。
考虑可见光通信系统的低通特性，确定信道响应模型为指数模型，因此每个子载波的信道增益为
Figure BDA0003524728120000045
其中Δf为子载波间隔，fc是信道的3dB调制带宽。
根据系统传输要求确定约束条件：发射机最大总发射功率、误比特率门限。发射机最大发射功率可以根据电路功率约束和照明光功率的用眼安全约束来确定，误比特率门限可以定为前向纠错门限值为3.8e-3。
根据提出的方法，在给定的约束条件下对每个子载波加载功率和比特数，包括初始化参数设置、比特加载、功率加载过程。
根据每个子载波实际加载的功率和比特数，确定最优调制带宽的大小为实际加载的子载波个数乘以子载波间隔。
本实施例包括下行链路和上行链路，其中下行链路实现数据传输，可以通过提出的基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法实现。上行链路实现信道状态信息的反馈。
本实施例下行链路可以通过可见光实现，其发射器件可以是LED或LD，接收器件可以是PD，上行链路可以通过可见光、红外、射频等实现。
图3为基于最优带宽与基于固定带宽的自适应比特和功率加载方法结果比较图，图中可以看出基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法能够有效提高系统的数据传输速率，且当总发射SNR为30dB时，传输速率提升48.9％。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、初始化参数设置：
给定子载波间隔Δf、系统总的目标发射功率PT、目标误码率BERtarget、信道状态信息H；将子载波的比特数和功率初始化设为0，即bi＝0,Pi＝0；
步骤2、比特加载：
步骤2.1、依次计算假定给每个子载波多加载1比特时所需要增加的发射功率，即ΔPi＝P′i-Pi，其中P′i为假定第i个子载波多加载1比特后的发射功率；在QAM调制下，Pi的计算公式为
Figure FDA0003524728110000011
其中N0为噪声功率谱密度，
Figure FDA0003524728110000012
为信噪比间隙，Q为误差函数，
Figure FDA0003524728110000013
为第i个子载波的信道增益，其中fc是信道的3dB调制带宽；
步骤2.2、找到ΔPi中最小的值所对应的子载波编号：i*＝argminΔPi；
步骤2.3、为第i*个子载波加载1比特信息：
Figure FDA0003524728110000014
Figure FDA0003524728110000015
为第i*个子载波加载的比特数；
步骤2.4、计算所有子载波的发射功率，并求出当前总的发射功率：Pt＝∑Pi，然后判断Pt≤PT是否成立，如果成立则转到步骤2.1，继续进行加载，否则比特加载过程结束，进入下一步；
步骤3、功率加载：
根据每个子载波已加载的比特信息计算相应的发射功率：Pi。
2.根据权利要求1所述的基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，其特征在于：在给定的约束条件下对每个子载波加载功率和比特数，约束条件包括：发射机最大总发射功率、误比特率门限。
3.根据权利要求2所述的基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，其特征在于：发射机最大发射功率根据电路功率约束和照明光功率的用眼安全约束来确定，误比特率门限可以定为前向纠错门限值为3.8e-3。
4.根据权利要求1所述的基于最优带宽的自适应比特和功率加载方法，其特征在于：步骤3后，根据每个子载波加载的功率和比特数，确定最优调制带宽的大小。
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