CN115865197B - 散粒噪声下可见光通信scma实数码本优化方法及系统 - Google Patents

散粒噪声下可见光通信scma实数码本优化方法及系统 Download PDF

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CN115865197B CN202310134079.6A CN202310134079A CN115865197B CN 115865197 B CN115865197 B CN 115865197B CN 202310134079 A CN202310134079 A CN 202310134079A CN 115865197 B CN115865197 B CN 115865197B
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Abstract

本发明公开了一种散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法及系统，应用于可见光通信系统当中，其特征在于，所述方法包括：获取待优化码本的设计参数，根据所述待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构；分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；根据所述码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据所述可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；将所述码本待优化参数分别代入至所述每个用户码本当中，以对所述待优化码本进行优化。本发明解决了现有技术中的可见光通信系统中的实数码本优化不佳的问题。

Description

散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法及系统。
背景技术
近年来，作为一种新兴的光无线通信技术，可见光通信（VisibleLightCommunication，VLC）最近引起了学术界和工业界的极大关注。与传统的射频（RF）无线通信相比，VLC具有许多优点，例如，不受有害电磁辐射、无许可要求、前端成本低、频谱带宽大、信道容量大等。此外，非正交多址（Non-OrthogonalMultiple Access, NOMA）作为实现大规模机器型通信（massiveMachine Type Communication, mMTC）系统的一项关键技术，在过去几年中受到了越来越多的研究关注，在mMTC系统中，需要为大量具有极高密度的设备提供服务。NOMA背后的主要概念是使用不同的码本（CodeBooks,CBs）或功率级别，在相同的资源元素（频率或时隙）上为多个用户提供服务。此外，SCMA作为码域NOMA可以提供更高的吞吐量，提高VLC系统的带宽效率，同时能够在相同的时频资源支持更多的用户。因此对于VLC的系统来说，SCMA是一个很有前途的非正交多址接入方案；在VLC-SCMA系统中，码本设计是影响VLC-SCMA系统性能的关键因素。因此，如何对码本的设计优化显得尤为重要。
目前，现有研究工作关于散粒噪声因素的实数域码本设计一脉相承，尽管，这些研究学者针对不同VLC系统的SCMA CBs进行了研究，但是，在考虑VLC系统中存在散粒噪声的情况下，设计过载系数大于1的SCMA CBs的可参考研究尚少，同时现有考虑散粒噪声的实数域码本设计是从基于旋转欧氏距离（R-MED）这一参考性有待考究的工作开始的一系列对这一数学模型进行不同程度的研究，在不同程度上进行优化，因此现有工作存在着设计准则不可靠而导致实数码本优化不佳的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法及系统，旨在解决现有技术中关于散粒噪声下实数码本优化不佳的问题。
本发明实施例是这样实现的：
一种散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，应用于可见光通信系统当中，其特征在于，所述方法包括：
获取待优化码本的设计参数，根据待优化所述码本设计的参数按预设规则设计母码本结构；
分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；
根据所述码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据所述可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；
将所述码本待优化参数分别代入至所述每个用户码本当中，以对所述待优化码本进行优化。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其中，所述优化的目标函数确定的步骤包括：
获取所述可见光通信系统中的可见光信道的直射增益的表达式以及在散粒噪声下的接收信号，并根据所述直射增益的表达式和散粒噪声下的接收信号确定所述可见光通信系统中接收信号的条件概率密度函数；
根据所述条件概率密度函数确定所述可见光通信系统中发射信号和接收信号之间的互信息表达式，确定具有散粒噪声的互信息下界表达式，以确定所述优化的目标函数。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其中，所述优化的目标函数的表达式为：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
其中，
Figure SMS_5
表示所有用户的码本中未知参数的集合/>
Figure SMS_9
，argmin表示求表达式的最小值，/>
Figure SMS_11
表示传输码字元素/>
Figure SMS_4
的非负实数约束，/>
Figure SMS_7
表示生成码字的平均电功率应当小于分配给每个用户的最大电功率Pe，/>
Figure SMS_10
表示第i个叠加码字，/>
Figure SMS_12
表示第t个叠加码字，/>
Figure SMS_6
表示高斯噪声功率，/>
Figure SMS_8
表示散粒噪声功率与高斯噪声功率之比，J表示用户数，M表示码字长度，K表示资源块数。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其中，所述分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵的步骤包括：
分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述用户数以及资源块数确定所述可见光通信系统的过载率；
根据所述过载率分别确定码本签名矩阵的行重和列重，并根据所述行重、列重以及母码本结构确定所述码本签名矩阵。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其中，所述直射增益的表达式为：
Figure SMS_13
；
其中，
Figure SMS_16
表示朗伯辐射阶数，/>
Figure SMS_18
//>
Figure SMS_22
，/>
Figure SMS_15
表示LED发射的半功率角，/>
Figure SMS_19
表示PD探测器的接收面积，/>
Figure SMS_23
表示接收透镜的折射率，/>
Figure SMS_26
表示PD探测器的视场角，/>
Figure SMS_14
表示LED与接收器之间的直射链路距离，/>
Figure SMS_21
表示光线的入射角度，/>
Figure SMS_24
表示在
Figure SMS_25
之间的矩形函数，/>
Figure SMS_17
是滤光片的增益系数，/>
Figure SMS_20
表示LED的辐射角。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其中，所述条件概率密度函数的表达式为：
Figure SMS_27
；
其中，xi表示第i个叠加码字，
Figure SMS_28
表示高斯噪声功率，/>
Figure SMS_29
表示散粒噪声因子，上式表示当传送的信号X=xi时，接收信号Y的条件概率密度函数。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其中，所述具有散粒噪声的互信息下界表达式为：
Figure SMS_30
其中，M表示码字长度，J表示用户数，
Figure SMS_31
表示第i个叠加码字，/>
Figure SMS_32
表示第t个叠加码字，/>
Figure SMS_33
表示散粒噪声功率与高斯噪声功率之比，/>
Figure SMS_34
表示高斯噪声功率，K表示资源块数。
本发明的另一个目的在于提供一种散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，应用于可见光通信系统当中，所述系统包括：
获取模块，用于获取待优化码本的设计参数，根据所述待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构；
采集模块，用于分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；
确定模块，用于根据所述码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据所述可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；
优化模块，用于将所述码本待优化参数分别代入至所述每个用户码本当中，以对所述待优化码本进行优化。
本发明的另一个目的在于提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
本发明的另一个目的在于提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法的步骤。
本发明通过获取待优化码本的设计参数，根据待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构；分别采集待优化码本的用户数以及资源块数，根据待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；根据码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；将码本待优化参数分别代入至每个用户码本当中，以对待优化码本进行优化，在具有散粒噪声的VLC-SCMA下行链路的系统中针对实数域码本设计优化，在一定程度上避免了引入OFDM技术所造成的问题，同时根据实际场景考量，根据优化互信息量下界得到最优码本，解决了现有技术中码本优化不佳的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例中散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法的流程图；
图2为现有码本和本发明一实施例中生成的码本的误码率性能对比图；
图3为现有码本和本发明一实施例中生成的码本的误码率随距离变化对比图；
图4为本发明第二实施例当中的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统的结构框图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下将结合具体实施例和附图来详细说明如何对码本进行优化。
实施例一
请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，应用于可见光通信系统当中，所述方法包括步骤S10~S13。
步骤S10，获取待优化码本的设计参数，根据所述待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构。
其中，可见光通信系统一般包括用于发射信号的发射端以及接收信号的接收端，发射端，使用LED作为光源，执行电到光的转换。然后，光信号通过可见光通信系统的信道传输。在接收器端，使用PIN光电二极管（PD）执行光电转换。并接收信号，以实现信号传输。
具体的，设计参数至少包括码字值、码本维度、码字长度以及用户数，示例性的，以码字长度为4、用户数为6、资源块数为4以及码本维度为2为例，母码本结构为：
Figure SMS_35
;
其中，母码本结构采用稀疏性的母星座结构，x(j)表示用户j母星座码字值，C表示母星座矩阵，其维度由N和M确定。
步骤S11，分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵。
具体的，分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述用户数以及资源块数确定所述可见光通信系统的过载率；
根据所述过载率分别确定码本签名矩阵的行重和列重，并根据所述行重、列重以及母码本结构确定所述码本签名矩阵。
签名矩阵F的设计准则为行重
Figure SMS_36
/列重/>
Figure SMS_37
=过载率/>
Figure SMS_38
(其中行重为每行不为0的元素数，列重为每列不为0的元素数)，其中过载率/>
Figure SMS_39
=J/K，表示系统的负载能力，在本步骤中，J=6，K=4，过载率/>
Figure SMS_40
为150%，因此设计时行重/>
Figure SMS_41
为3，列重/>
Figure SMS_42
为2，则签名矩阵F为：
Figure SMS_43
；
步骤S12，根据所述码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据所述可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数。
其中，具体地，可以通过公式
Figure SMS_44
得到每个用户码本，以用户1为例：
Figure SMS_45
。
另外，用户码本结构是带参码本，需要经过优化才能得到性能良好的码本，根据互信息量下界，确定优化的目标函数以及变量条件。
具体的，所述优化的目标函数确定的步骤包括：
获取所述可见光通信系统中的可见光信道的直射增益的表达式以及在散粒噪声下的接收信号，并根据所述直射增益的表达式和散粒噪声下的接收信号确定所述可见光通信系统中接收信号的条件概率密度函数；
根据所述条件概率密度函数确定所述可见光通信系统中发射信号和接收信号之间的互信息表达式，确定具有散粒噪声的互信息下界表达式，以确定所述优化的目标函数。
示例性的，可见光通信系统中的主要噪声源包括热噪声、散粒噪声和放大器噪声。热噪声和放大器噪声与信号无关，两个噪声源都可以用高斯分布很好地建模。散粒噪声的强度取决于信号本身，即也可以称为信号相关噪声和输入相关噪声。其中，接收器处接收到的电信号Y可以写成：
Figure SMS_46
其中，G表示可见光信道增益，在本实施例当中，只考虑可见光信道的直射增益，信道增益表达式如下所示;
Figure SMS_47
；
其中，
Figure SMS_50
表示朗伯辐射阶数，/>
Figure SMS_55
//>
Figure SMS_58
，/>
Figure SMS_51
表示LED发射的半功率角，/>
Figure SMS_53
表示PD探测器的接收面积，/>
Figure SMS_56
表示接收透镜的折射率，/>
Figure SMS_59
表示PD探测器的视场角，/>
Figure SMS_48
表示LED与接收器之间的直射链路距离，/>
Figure SMS_54
表示光线的入射角度，/>
Figure SMS_57
表示在
Figure SMS_60
之间的矩形函数，/>
Figure SMS_49
是滤光片的增益系数，/>
Figure SMS_52
表示LED的辐射角。
r表示光电转换因子，
Figure SMS_61
表示发射信号，/>
Figure SMS_62
表示接收信号，/>
Figure SMS_63
表示散粒噪声，
Figure SMS_64
，其中，/>
Figure SMS_65
表示散粒噪声因子，/>
Figure SMS_66
表示加性高斯白噪声，/>
Figure SMS_67
，即输入无关噪声。
在不丧失通用性的情况下，将G和r的值设置为一。因此，接收信号可以简化为：
Figure SMS_68
；
根据所述接收信号，进一步地，对互信息量表达式进行推导，当传送的信号X=xi时，传输概率为：
Figure SMS_69
；
根据上述的传输概率，当传送的信号X=xi时，则接收信号Y的条件概率密度函数为：
Figure SMS_70
；
进一步的，Y的概率密度函数为：
Figure SMS_71
Figure SMS_72
；
进一步地，X和Y之间的互信息表达式为：
Figure SMS_73
Figure SMS_74
Figure SMS_75
；
其中，为了方便化简，假定Z
Figure SMS_76
，H(.)表示熵；
根据所述互信息表达式，由于很难推导其闭合形式表达式，进一步的，将推导互信息的下限表达式：
具体地，将互信息表达式进行拆分：
Figure SMS_77
；
Figure SMS_78
；
根据所述I1，I2，进一步化简：
Figure SMS_79
；
Figure SMS_80
；
根据所述化简表达式，得出具有散粒噪声的VLC-SCMA的AMI 下界表达式：
Figure SMS_81
；
根据所述互信息表达式下界，进而对实数域码本进行设计，当M=4，N=2的母码本结构如下所示：
Figure SMS_82
其中，x(j)表示用户j的码字符号的大小。
根据所述母码本结构，进一步地设计签名矩阵F
Figure SMS_83
根据所述签名矩阵F，进而用户的码本可以通过公式
Figure SMS_84
得到，以用户1为例：
Figure SMS_85
根据所述具有散粒噪声的VLC-SCMA的AMI 下界表达式：
Figure SMS_86
；
其中，J表示用户数，M表示码字长度，K表示资源块数，
Figure SMS_87
表示第t个叠加码字，/>
Figure SMS_88
表示第i个叠加码字，/>
Figure SMS_89
表示高斯噪声功率，/>
Figure SMS_90
表示散粒噪声功率与高斯噪声功率之比，一般
Figure SMS_91
。/>
当
Figure SMS_92
=0时，即高斯噪声下的AMI下界表达式：
Figure SMS_93
；
进一步地，证明所述推导的具有散粒噪声的VLC-SCMA系统AMI下界表达式的正确性。
根据所述具有散粒噪声的VLC-SCMA的AMI 下界表达式，确定优化目标为最大化AMI下界，由于
Figure SMS_94
的值是确定的，从而所述的优化目标函数为:
Figure SMS_95
Figure SMS_96
Figure SMS_97
其中，
Figure SMS_98
表示所有用户的码本中未知参数的集合{/>
Figure SMS_99
}，argmin表示求表达式的最小值，条件1表示传输码字元素/>
Figure SMS_100
的非负实数约束，条件2表示生成码字的平均电功率应当小于分配给每个用户的最大电功率（Pe）。
步骤S13，将所述码本待优化参数分别代入至所述每个用户码本当中，以对所述待优化码本进行优化。
根据所述优化目标函数，使用MATLAB遗传算法工具箱，设置参数的种群大小，迭代次数以及变量条件，其他选择默认参数。将最终优化得到的参数集合
Figure SMS_101
，带入到各用户的结构化码本/>
Figure SMS_102
，/>
Figure SMS_103
，…，/>
Figure SMS_104
中，即得到了所有用户的优化码本。
另外，请参阅图2至图3，分别对不同设计参数下的码本误码率与现有技术中的码本的误码率进行测试比对，请参阅图2，所示为J=6，M=4，K=4，Pe=30，
Figure SMS_105
=5，/>
Figure SMS_106
=0.01下现有码本和本实施例生成的码本的误码率性能对比图，因此从图2可以明显看出，随着发射功率的增大，本实施例提供的码本的误码率性能优于现有码本的误码率性能，进而说明本实施例在实数域码本设计的优越性，正面证明了在散粒噪声下基于互信息量下界进行码本设计的可靠性。
请参阅图3，所示为J=6，M=4，K=4，Pe=0.1,本发明提出码本与现有技术中提出码本误码率随距离变化对比图，其中，包括现有码本的误码率性能曲线，以及本实施例提供的码本的误码率性能曲线，因此从图3可以明显看出，随着距离的变化本实施例提供的码本的误码率性能依然优于现有码本的误码率性能，再次说明本实施例在实数域码本设计的优越性，正面证明了在散粒噪声下基于互信息量下界进行码本设计的可靠性。
综上，本发明上述实施例中的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，通过获取待优化码本的设计参数，根据待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构；分别采集待优化码本的用户数以及资源块数，根据待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；根据码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；将码本待优化参数分别代入至每个用户码本当中，以对待优化码本进行优化，在具有散粒噪声的VLC-SCMA下行链路的系统中针对实数域码本设计优化，在一定程度上避免了引入OFDM技术所造成的问题，同时根据实际场景考量，根据优化互信息量下界得到最优码本，解决了现有技术中码本优化不佳的问题。
另外，需要说明的是，由于传输的光信号是非负的，传统射频无线通信中发展的理论和分析结果并不直接适用于VLC。在VLC系统中，由于SCMA发送数据信息为复数数据流，不能直接应用于可见光通信系统，为了支持稀疏码多址接入，需要进行适当的操作使其变为实数信号。主要方法分为两种: 直流偏置光正交频分复用(DirectCurrent-biasedOptical OFDM, DCO-OFDM)和非对称限幅光正交频分复用(Asymmetrically ClippedOpticalOrthogonal Frequency Division Multiplexing, ACO-OFDM)。但是上述两种方式处理后果都会导致系统的数据传输速率降低，同时DCO-OFDM存在误码率恶化的问题，ACO-OFDM存在频谱效率降低的问题；同时，OFDM技术存在信号的高峰均比特性的缺点，从而在数据传输过程中引起光源闪烁的问题，影响照明质量和 LED 的使用寿命；由于可见光通信中LED是一个典型的非线性器件，高峰均比的OFDM信号经过LED必然会产生严重的非线性失真，这将直接影响整个系统的性能。此外，在VLC系统中，光接收器测量入射光信号的强度，并将其转换为电信号。入射光子与局部放电物质的相互作用是一个统计过程。检测到的光子数量的波动会导致电流波动，从而在光接收器处产生散粒噪声。产生的散粒噪声取决于入射光信号本身是不可忽视的。同时，电子载体的热运动导致电压波动，产生热噪声，在强环境光的情况下，热噪声的影响较大，散粒噪声影响较低。然而，在实际VLC系统中，典型的照明和通信场景提供非常高的SNR。在室内场景中，由于接收功率较大，散粒噪声占主导地位，不容忽视。因此，针对SCMA辅助VLC系统在考虑散粒噪声因素条件下设计实数域的码本，在一定程度上能够解决上述问题，此外，将码本设计从复数域转为实数域，并考虑散粒噪声影响，以往的设计准则将不再适用，因此，对于VLC-SCMA系统来说，寻找合适的设计准则在提高误码率性能中起着关键作用。
本发明另辟蹊径通过最佳码本可以使AMI最大化这一切入点，推导VLC-SCMA系统在散粒噪声下互信息量下界表达式，进而设计实数域母星座矩阵，签名矩阵，从而根据优化互信息量下界得到最优码本。
实施例二
请参阅图4，所示为本发明第二实施例中的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，应用于可见光通信系统当中，所述系统包括：
获取模块100，用于获取待优化码本的设计参数，根据所述待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构；
采集模块200，用于分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；
确定模块300，用于根据所述码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据所述可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；
优化模块400，用于将所述码本待优化参数分别代入至所述每个用户码本当中，以对所述待优化码本进行优化。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，其中，所述优化的目标函数确定的步骤包括：
获取所述可见光通信系统中的可见光信道的直射增益的表达式，以及在散粒噪声下的接收信号，并根据所述直射增益的表达式和散粒噪声下的接收信号确定所述可见光通信系统中接收信号的条件概率密度函数；
根据所述条件概率密度函数确定所述可见光通信系统中发射信号和接收信号之间的互信息表达式，确定具有散粒噪声的互信息下界表达式，以确定所述优化的目标函数。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，其中，所述优化的目标函数的表达式为：
Figure SMS_107
Figure SMS_108
Figure SMS_109
其中，
Figure SMS_111
表示所有用户的码本中未知参数的集合{/>
Figure SMS_114
}，argmin表示求表达式的最小值，/>
Figure SMS_117
表示传输码字元素/>
Figure SMS_112
的非负实数约束，
Figure SMS_115
表示生成码字的平均电功率应当小于分配给每个用户的最大电功率Pe，/>
Figure SMS_116
表示第i个叠加码字，/>
Figure SMS_118
表示第t个叠加码字，/>
Figure SMS_110
表示高斯噪声功率，/>
Figure SMS_113
表示散粒噪声功率与高斯噪声功率之比，J表示用户数，M表示码字长度，K表示资源块数。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，其中，所述采集模块具体用于：
分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述用户数以及资源块数确定所述可见光通信系统的过载率；
根据所述过载率分别确定码本签名矩阵的行重和列重，并根据所述行重、列重以及母码本结构确定所述码本签名矩阵。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，其中，所述直射增益的表达式为：
Figure SMS_119
；
其中，
Figure SMS_122
表示朗伯辐射阶数，/>
Figure SMS_124
//>
Figure SMS_128
，/>
Figure SMS_123
表示LED发射的半功率角，/>
Figure SMS_125
表示PD探测器的接收面积，/>
Figure SMS_129
表示接收透镜的折射率，/>
Figure SMS_132
表示PD探测器的视场角，/>
Figure SMS_120
表示LED与接收器之间的直射链路距离，/>
Figure SMS_126
表示光线的入射角度，/>
Figure SMS_130
表示在
Figure SMS_131
之间的矩形函数，/>
Figure SMS_121
是滤光片的增益系数，/>
Figure SMS_127
表示LED的辐射角。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，其中，所述条件概率密度函数的表达式为：
Figure SMS_133
；
其中，xi表示第i个叠加码字，
Figure SMS_134
表示高斯噪声功率，/>
Figure SMS_135
表示散粒噪声因子，上式表示当传送的信号X=xi时，接收信号Y的条件概率密度函数。
进一步的，上述散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，其中，所述具有散粒噪声的互信息下界表达式为：
Figure SMS_136
其中，M表示码字长度，J表示用户数，
Figure SMS_137
表示第i个叠加码字，/>
Figure SMS_138
表示第t个叠加码字，/>
Figure SMS_139
表示散粒噪声功率与高斯噪声功率之比，/>
Figure SMS_140
表示高斯噪声功率，K表示资源块数。
上述各模块被执行时所实现的功能或操作步骤与上述方法实施例大体相同，在此不再赘述。
以上各个实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域技术人员可以理解，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读存储介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读存储介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读存储介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，应用于可见光通信系统当中，其特征在于，所述方法包括：
获取待优化码本的设计参数，根据所述待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构；
分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；
根据所述码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据所述可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；
将所述码本待优化参数分别代入至所述每个用户码本当中，以对所述待优化码本进行优化。
2.根据权利要求1所述的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其特征在于，所述优化的目标函数确定的步骤包括：
获取所述可见光通信系统中的可见光信道的直射增益的表达式以及在散粒噪声下的接收信号，并根据所述直射增益的表达式和散粒噪声下的接收信号确定所述可见光通信系统中接收信号的条件概率密度函数；
根据所述条件概率密度函数确定所述可见光通信系统中发射信号和接收信号之间的互信息表达式，确定具有散粒噪声的互信息下界表达式，以确定所述优化的目标函数。
3.根据权利要求2所述的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其特征在于，所述优化的目标函数的表达式为：
Figure QLYQS_1
；
其中，
Figure QLYQS_4
表示所有用户的码本中未知参数的集合/>
Figure QLYQS_6
，argmin表示求表达式的最小值，/>
Figure QLYQS_8
表示传输码字元素/>
Figure QLYQS_3
的非负实数约束，
Figure QLYQS_7
表示生成码字的平均电功率应当小于分配给每个用户的最大电功率Pe，/>
Figure QLYQS_9
表示第i个叠加码字，/>
Figure QLYQS_10
表示第t个叠加码字，/>
Figure QLYQS_2
表示高斯噪声功率，/>
Figure QLYQS_5
表示散粒噪声功率与高斯噪声功率之比，J表示用户数，M表示码字长度，K表示资源块数，MJ表示用户可能发送的叠加码字总的组合数。
4.根据权利要求1所述的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其特征在于，所述分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵的步骤包括：
分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述用户数以及资源块数确定所述可见光通信系统的过载率；
根据所述过载率分别确定码本签名矩阵的行重和列重，并根据所述行重、列重以及母码本结构确定所述码本签名矩阵。
5.根据权利要求2所述的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其特征在于，所述直射增益的表达式为：
Figure QLYQS_11
；
其中，
Figure QLYQS_13
表示朗伯辐射阶数，/>
Figure QLYQS_19
//>
Figure QLYQS_21
，/>
Figure QLYQS_14
表示LED发射的半功率角，/>
Figure QLYQS_17
表示PD探测器的接收面积，/>
Figure QLYQS_20
表示接收透镜的折射率，/>
Figure QLYQS_23
表示PD探测器的视场角，
Figure QLYQS_12
表示LED与接收器之间的直射链路距离，/>
Figure QLYQS_18
表示光线的入射角度，/>
Figure QLYQS_22
表示在/>
Figure QLYQS_24
之间的矩形函数，/>
Figure QLYQS_15
是滤光片的增益系数，/>
Figure QLYQS_16
表示LED的辐射角。
6.根据权利要求2所述的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其特征在于，所述条件概率密度函数的表达式为：
Figure QLYQS_25
；
其中，
Figure QLYQS_26
表示第i个叠加码字，/>
Figure QLYQS_27
表示高斯噪声功率，/>
Figure QLYQS_28
表示散粒噪声因子，上式表示当传送的信号X=/>
Figure QLYQS_29
时，接收信号Y的条件概率密度函数。
7.根据权利要求2所述的散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化方法，其特征在于，所述具有散粒噪声的互信息下界表达式为：
Figure QLYQS_30
；
其中，M表示码字长度，J表示用户数，
Figure QLYQS_31
表示第i个叠加码字，/>
Figure QLYQS_32
表示第t个叠加码字，/>
Figure QLYQS_33
表示散粒噪声功率与高斯噪声功率之比，/>
Figure QLYQS_34
表示高斯噪声功率，K表示资源块数，MJ表示用户可能发送的叠加码字总的组合数。
8.一种散粒噪声下可见光通信SCMA实数码本优化系统，其特征在于，应用于可见光通信系统当中，所述系统包括：
获取模块，用于获取待优化码本的设计参数，根据所述待优化码本的设计参数按预设规则设计母码本结构；
采集模块，用于分别采集所述待优化码本的用户数以及资源块数，根据所述待优化码本的用户数、资源块数以及母码本结构确定码本签名矩阵；
确定模块，用于根据所述码本签名矩阵确定每个用户码本，并根据所述可见光通信系统中的互信息下界信息确定优化的目标函数以及变量条件以获取码本待优化参数；
优化模块，用于将所述码本待优化参数分别代入至所述每个用户码本当中，以对所述待优化码本进行优化。
9.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一所述的方法的步骤。
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