CN116707644A - 一种可见光通信rsma预编码和速率分配方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，包括以下步骤：(1)以可见光光功率为约束条件进行预编码设计；(2)计算发送端与接收端的信号表达式，同时分配公共速率和私有速率；(3)建立预编码设计和公有速率分配的联合优化；(4)通过松弛因子和连续凸逼近的方法，将优化问题中非凸问题转化为一种近似凸问题；(5)用近似凸问题重新表述预编码设计和公有速率分配的联合优化问题；(6)采用标准凸优化的方法求解可见光通信RSMA‑VLC中的优化问题，通过交替优化获得最优解；本发明使得每个用户分配到相等的资源，还能提高用户的接收速率，在多用户系统下具有显著优势。

Description

一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法、系统、设备及存 储介质

技术领域

本发明涉及无线光通信技术领域，具体涉及一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

射频(RF)频谱资源的日渐匮乏，学者们将目光聚焦与可见光通信(VLC)领域，作为一项具有革命意义的通信技术，在实现照明的同时兼具通信的功能，具有高安全性、高传播速率、低成本等诸多优势。基于LED的可见光通信广泛地应用于各种场景，不但能实现室内通信、数据传播、智能控制的功能，同时也适用于车载通信、物联网等环境。

现有VLC中的多址接入方法有非正交多址技术(NOMA)、空分多址技术(SDMA)、速率分割多址接入(RSMA)。通过多址接入方法能有效地提升系统的用户接入能力和系统容量。NOMA需要苛刻的信道条件，难以在小尺寸小区的VLC系统中实现，而且当多LED协同传输时，NOMA在串行干扰消除(SIC)接收机的使用下产生严重的空间复用增益。因此在多LED传输系统下，RSMA具有更高的用户接入能力和频谱效率，RSMA逐渐被视为下一代多址接入技术。RSMA在射频中的实现是以基站的发射功率为约束条件，而RSMA在VLC中的实现是以光功率为约束条件，RSMA在射频中的应用难以实现高速率传播和照明的要求，因此在研究RSMA的过程中越来越注重在VLC领域的发展。在VLC系统中，大部分多址接入方法是以研究系统的和速率为目的，忽略了用户间的公平性。在多LED多用户的VLC下，通过RSMA技术可以最大化用户之间的最小速率，大大提升了系统的公平性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法、系统、设备及存储介质解决VLC的光功率约束和高公平性问题。

技术方案：本发明所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在RSMA-VLC系统下，以可见光光功率为约束条件进行预编码设计；

(2)在RSMA-VLC系统下，计算发送端与接收端的信号表达式，同时分配公共速率和私有速率；

(3)以最大化、最小用户速率为目标，根据光功率的额约束条件和公有速率的约束条件，建立预编码设计和公有速率分配的联合优化；

(4)通过松弛因子和连续凸逼近的方法，将优化问题中非凸问题转化为一种近似凸问题；

(5)用近似凸问题重新表述预编码设计和公有速率分配的联合优化问题；

(6)采用标准凸优化的方法求解可见光通信RSMA-VLC中的优化问题，通过交替优化获得最优解。

进一步的，所述步骤(1)具体为：满足以下可见光光功率约束：

其中，设e_n表示第n个元素为1的零向量，||·||₁表示向量的L1范数，I_L表示导通电流，I_H表示最大可允许的交流电流，d_n表示添加至第n个LED的直流偏置量；

引入变量等价地转化为如下线性约束的形式：

1^Tu≤min{d_n-I_L,I_H-d_n},

-u≤W^Te_n≤u,n＝1,2…,N

进一步的，所述步骤(2)具体为：在RSMA-VLC系统发射端中根据可见光的非负性和调光控制的要求，可见光的发送信号可以表示为：

其中，为输入至N_t个LED的发送信号向量，/>表示预编码矩阵，表示添加的直流偏置信号列向量，/>表示第k个用户的预编码向量，为W的第k列，s_k∈[-1,1]，s＝[s₀,s₁,...,s_Nr]^T；

第n个可见光的传输信号为：

其中，w_nk为W的第n行第k列元素，d_n表示添加至第n个LED的直流偏置量；

在RSMA-VLC系统接收端仅考虑LOS链路分量时，可见光和第k个用户之间的通道增益可以表示为h_k，第k个用户接收到的信号为：

其中，η_k表示第k个用户的加性高斯白噪声，其方差为h_k是第k个用户和N_t个LED间的信道增益向量，具体表示为：

其中，h_nk表示第n个LED和第k个用户间的信道增益，通常建模为朗伯辐射模型；

解码公共流时，计算第k个用户解码s₀的信干噪比r_c,k；私有流解码时，计算第k个用户解码s₀的信干噪比r_p,k；给出用户k处解码的公共消息的可达速率R_c,k和解码私有消息的可达速率R_p,k：

其中，可达速率可以计算为Blog₂(1+2r/πe)，B表示通信带宽，r表示接收SINR。

进一步的，所述步骤(3)具体为：以最大化最小用户速率为目标进行优化，在可见光功率约束，公共速率分割约束和单位模量约束下最大化最小用户速率，通过制定下列优化问题联合优化速率分配向量和预编码器：

C_k≥0,k＝1,2,…,N_r

其中，约束条件保证每个用户都能解码公共数据流且保证满足光功率约束。

进一步的，所述步骤(4)具体为：引入松弛变量和/>将上述非凸问题C_k+R_p,k≥t,k＝1,2,…,N_r转化为：

C_k+α_k≥t,k＝1,2,…,N_r

Blog₂(1+β_k/πe)≥α_k,k＝1,2,…,N_r

α_k≥0,β_k≥0,k＝1,2,…,N_r

将整理可得到：

将进一步地采用一阶泰勒近似，可近似以下凸约束：

引入松弛变量α_c＝[α_c1,α_c2,..,α_cNr]和β_c＝[β_c1,β_c2,..,β_cNr]将上述非凸问题转化为：

α_ck≥0,β_ck≥0,k＝1,2,…,N_r

将进一步地采用一阶泰勒近似，可近似以下凸约束：

进一步的，所述步骤(5)具体为：将步骤(3)优化问题等价于以下优化问题：

s.t.C_k≥0,k＝1,2,…,N_r

C_k+α_k≥t,k＝1,2,…,N_r

α_k≥0,β_k≥0,k＝1,2,…,N_r

α_ck≥0,β_ck≥0,k＝1,2,…,N_r

1^Tu≤min{d_n-I_L,I_H-d_n},

-u≤W^Te_n≤u,n＝1,2…,N。

进一步的，所述步骤(6)具体为：设定精度ε，令n＝0，t^[0]＝0，基于该优化问题生成初始值执行循环；

其中，精度ε表示数据的有效性，n表示迭代的次数，w_k表示第k个用户的预编码向量，w₀表示公共部分的预编码向量，β_k表示第k个用户私有数据流SINR的松弛向量，β_ck表示公有数据流SINR的松弛向量；表示w_k，β_k，w₀，β_ck带入步骤(5)优化问题的初始值；

使用求解上述优化问题，获得上述优化问题解，分别表示为/>

其中，C^*表示速率分配在初始值进行迭代后产生的优化解，表示公共部分的预编码向量在进行迭代后的解，/>表示第k个用户的预编码向量在初始值进行迭代后产生的优化解，/>表示第k个用户私有速率的松弛向量在进行迭代后产生的优化解，/>表示第k个用户公有速率的松弛向量在进行迭代后产生的优化解，β_k表示第k个用户私有数据流SINR的松弛向量在进行迭代后的解，β_ck表示公有数据流SINR的松弛向量在进行迭代后的解；

令n＝n+1，更新t^[n]＝t^*，

其中，n＝n+1表示在此次迭代后再进行一次迭代，将迭代后新产生的t^*赋值给t^[n]，赋值给/>赋值给/>赋值给/>赋值给/>

当|tⁿ-t^n-1|≤ε₁，循环结束；

其中，基于连续凸逼近的算法通过迭代n次，当t^[n]与t^[n-1]的差值小于设定的精度ε，则第n次迭代基于前n-1次迭代获得最优解。

进一步的，所述可见光通信为LED可见光通信。

本发明所述的一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的一一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法中的步骤。

本发明所述的一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被设计为运行时实现任一项所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法中的步骤。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：提出了松弛因子和连续凸逼近的方法，将优化问题中非凸问题转化为一种近似凸问题，再通过凸优化的方法交替优化求出最优解，满足了VLC的光功率约束和高公平性的双重需求；不仅使得每个用户分配到相等的资源，还能提高用户的接收速率，在多用户系统下具有显著优势。

附图说明

图1为本发明的发送端结构框图；

图2为本发明的接收端结构框图；

图3为本发明在LED个数为9，用户数目为6情况下与最优收发器和传统的基于伪逆的迫零算法相比图；

图4为本发明在LED个数为9，用户数目为3情况下与最优收发器和传统的基于伪逆的迫零算法相比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1-2所示，本发明实施例提供一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，所述可见光通信为LED可见光通信，包括以下步骤：

(1)在RSMA-VLC系统下，以可见光光功率为约束条件进行预编码设计；具体为：满足以下可见光光功率约束：

其中，设e_n表示第n个元素为1的零向量，||·||₁表示向量的L1范数，I_L表示导通电流，I_H表示最大可允许的交流电流，d_n表示添加至第n个LED的直流偏置量；

引入变量等价地转化为如下线性约束的形式：

1^Tu≤min{d_n-I_L,I_H-d_n},

-u≤W^Te_n≤u,n＝1,2…,N。

(2)在RSMA-VLC系统下，计算发送端与接收端的信号表达式，同时分配公共速率和私有速率；具体为：在RSMA-VLC系统发射端中根据可见光的非负性和调光控制的要求，LED的发送信号可以表示为：

其中，为输入至N_t个LED的发送信号向量，/>表示预编码矩阵，表示添加的直流偏置信号列向量，/>表示第k个用户的预编码向量，为W的第k列，s_k∈[-1,1]，s＝[s₀,s₁,...,s_Nr]^T；

第n个可见光的传输信号为：

其中，w_nk为W的第n行第k列元素，d_n表示添加至第n个LED的直流偏置量；

在RSMA-VLC系统接收端仅考虑LOS链路分量时，LED和第k个用户之间的通道增益可以表示为h_k，第k个用户接收到的信号为：

其中，η_k表示第k个用户的加性高斯白噪声，其方差为h_k是第k个用户和N_t个LED间的信道增益向量，具体表示为：

其中，h_nk表示第n个LED和第k个用户间的信道增益，通常建模为朗伯辐射模型；

解码公共流时，计算第k个用户解码s₀的信干噪比r_c,k；私有流解码时，计算第k个用户解码s₀的信干噪比r_p,k；给出用户k处解码的公共消息的可达速率R_c,k和解码私有消息的可达速率R_p,k：

其中，可达速率可以计算为Blog₂(1+2r/πe)，B表示通信带宽，r表示接收SINR。

(3)以最大化、最小用户速率为目标，根据光功率的额约束条件和公有速率的约束条件，建立预编码设计和公有速率分配的联合优化；具体为：以最大化最小用户速率为目标进行优化，在可见光功率约束，公共速率分割约束和单位模量约束下最大化最小用户速率，通过制定下列优化问题联合优化速率分配向量和预编码器：

C_k≥0,k＝1,2,…,N_r

其中，C＝[C₁,C₂,...,C_Nr]^T，约束条件保证每个用户都能解码公共数据流且保证满足光功率约束。

(4)将优化问题中非凸问题转化为近似凸问题；具体为：引入松弛变量和/>将上述非凸问题C_k+R_p,k≥t,k＝1,2,…,N_r转化为：

C_k+α_k≥t,k＝1,2,…,N_r

Blog₂(1+β_k/πe)≥α_k,k＝1,2,…,N_r

α_k≥0,β_k≥0,k＝1,2,…,N_r

将整理可得到：

将进一步地采用一阶泰勒近似，可近似以下凸约束：

引入松弛变量和/>将上述非凸问题转化为：

α_ck≥0,β_ck≥0,k＝1,2,…,N_r

将进一步地采用一阶泰勒近似，可近似以下凸约束：

(5)采用交替优化获得最优解，用近似凸问题重新表述预编码设计和公有速率分配的联合优化问题；将步骤(3)优化问题等价于以下优化问题：

s.t.C_k≥0,k＝1,2,…,N_r

C_k+α_k≥t,k＝1,2,…,N_r

α_k≥0,β_k≥0,k＝1,2,…,N_r

α_ck≥0,β_ck≥0,k＝1,2,…,N_r

1^Tu≤min{d_n-I_L,I_H-d_n},

-u≤W^Te_n≤u,n＝1,2…,N。

(6)采用标准凸优化的方法求解可见光通信RSMA-VLC中的优化问题。具体为：设定精度ε，令n＝0，t^[0]＝0，基于该优化问题生成初始值执行循环；

其中，精度ε表示数据的有效性，n表示迭代的次数，w_k表示第k个用户的预编码向量，w₀表示公共部分的预编码向量，β_k表示第k个用户私有数据流SINR的松弛向量，β_ck表示公有数据流SINR的松弛向量；表示w_k，β_k，w₀，β_ck带入步骤(5)优化问题的初始值；

使用求解上述优化问题，获得上述优化问题解，分别表示为/>

其中，C^*表示速率分配在初始值进行迭代后产生的优化解，表示公共部分的预编码向量在进行迭代后的解，/>表示第k个用户的预编码向量在初始值进行迭代后产生的优化解，/>表示第k个用户私有速率的松弛向量在进行迭代后产生的优化解，/>表示第k个用户公有速率的松弛向量在进行迭代后产生的优化解，β_k表示第k个用户私有数据流SINR的松弛向量在进行迭代后的解，β_ck表示公有数据流SINR的松弛向量在进行迭代后的解；

令n＝n+1，更新t^[n]＝t^*，

其中，n＝n+1表示在此次迭代后再进行一次迭代，将迭代后新产生的t^*赋值给t^[n]，赋值给/>赋值给/>赋值给/>赋值给/>

当|tⁿ-t^n-1|≤ε₁，循环结束；

其中，基于连续凸逼近的算法通过迭代n次，当t^[n]与t^[n-1]的差值小于设定的精度ε，则第n次迭代基于前n-1次迭代获得最优解。

如图3所示，当发送端为9个LED阵列，接收端平面上N＝6时，描述了速率性能基于光功率大小而产生的变化，将基于RSMA的预编码设计与传统的基于伪逆的迫零的方法和基于最优预编码的方法相比较，其中基于RSMA的预编码设计实现了最佳性能。

如图4所示，当发送端为9个LED阵列，接收端平面上N＝3时，描述了速率性能基于光功率大小而产生的变化，将基于RSMA的预编码设计与传统的基于伪逆的迫零的方法和基于最优预编码的方法相比较，其中基于RSMA的预编码设计实现了最佳性能。

本发明实施例还提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法中的步骤。

本发明实施例还提供了一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被设计为运行时实现任一项所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法中的步骤。

Claims (10)

1.一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在RSMA-VLC系统下，以可见光光功率为约束条件进行预编码设计；

(2)在RSMA-VLC系统下，计算发送端与接收端的信号表达式，同时分配公共速率和私有速率；

(3)以最大化、最小用户速率为目标，根据光功率的约束条件和公有速率的约束条件，建立预编码设计和公有速率分配的联合优化；

(4)通过松弛因子和连续凸逼近的方法，将优化问题中非凸问题转化为一种近似凸问题；

(5)用近似凸问题重新表述预编码设计和公有速率分配的联合优化问题；

(6)采用标准凸优化的方法求解可见光通信RSMA-VLC中的优化问题，通过交替优化获得最优解。

2.根据权利要求1所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：满足以下可见光光功率约束：

其中，设e_n表示第n个元素为1的零向量，||·||₁表示向量的L1范数，I_L表示导通电流，I_H表示最大可允许的交流电流，d_n表示添加至第n个LED的直流偏置量；

引入变量等价地转化为如下线性约束的形式：

1^Tu≤min{d_n-I_L,I_H-d_n},

-u≤W^Te_n≤u,n＝1,2…,N

3.根据权利要求1所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：在RSMA-VLC系统发射端中根据可见光的非负性和调光控制的要求，可见光的发送信号可以表示为：

其中，为输入至N_t个LED的发送信号向量，/>表示预编码矩阵，/>表示添加的直流偏置信号列向量，/>表示第k个用户的预编码向量，为W的第k列，s_k∈[-1,1]，s＝[s₀,s₁,...,s_Nr]^T；

第n个可见光的传输信号为：

其中，w_nk为W的第n行第k列元素，d_n表示添加至第n个LED的直流偏置量；

在RSMA-VLC系统接收端仅考虑LOS链路分量时，可见光和第k个用户之间的通道增益可以表示为h_k，第k个用户接收到的信号为：

其中，η_k表示第k个用户的加性高斯白噪声，其方差为h_k是第k个用户和N_t个LED间的信道增益向量，具体表示为：

其中，h_nk表示第n个LED和第k个用户间的信道增益，通常建模为朗伯辐射模型；

解码公共流时，计算第k个用户解码s₀的信干噪比r_c,k；私有流解码时，计算第k个用户解码s₀的信干噪比r_p,k；给出用户k处解码的公共消息的可达速率R_c,k和解码私有消息的可达速率R_p,k：

其中，可达速率可以计算为Blog₂(1+2r/pe)，B表示通信带宽，r表示接收SINR。

4.根据权利要求1所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：以最大化最小用户速率为目标进行优化，在可见光功率约束，公共速率分割约束和单位模量约束下最大化最小用户速率，通过制定下列优化问题联合优化速率分配向量和预编码器：

C_k≥0,k＝1,2,…,N_r

其中，约束条件保证每个用户都能解码公共数据流且保证满足光功率约束。

5.根据权利要求1所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：引入松弛变量和/>将上述非凸问题C_k+R_p,k≥t,k＝1,2,…,N_r转化为：

C_k+α_k≥t,k＝1,2,…,N_r

Blog₂(1+β_k/πe)≥α_k,k＝1,2,…,N_r

α_k≥0,β_k≥0,k＝1,2,…,N_r

将整理可得到：

将进一步地采用一阶泰勒近似，可近似以下凸约束：

引入松弛变量和/>将上述非凸问题转化为：

α_ck≥0,β_ck≥0,k＝1,2,…,N_r

将进一步地采用一阶泰勒近似，可近似以下凸约束：

6.根据权利要求1所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：将步骤(3)优化问题等价于以下优化问题：

s.t.C_k≥0,k＝1,2,…,N_r

C_k+α_k≥t,k＝1,2,…,N_r

α_k≥0,β_k≥0,k＝1,2,…,N_r

α_ck≥0,β_ck≥0,k＝1,2,…,N_r

1^Tu≤min{d_n-I_L,I_H-d_n},

-u≤W^Te_n≤u,n＝1,2…,N。

7.根据权利要求1所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：设定精度ε，令n＝0，t^[0]＝0，基于该优化问题生成初始值执行循环；

其中，精度ε表示数据的有效性，n表示迭代的次数，w_k表示第k个用户的预编码向量，w₀表示公共部分的预编码向量，β_k表示第k个用户私有数据流SINR的松弛向量，β_ck表示公有数据流SINR的松弛向量；表示w_k，β_k，w₀，β_ck带入步骤(5)优化问题的初始值；

使用求解上述优化问题，获得上述优化问题解，分别表示为C^*，/>t^*，/>

其中，C^*表示速率分配在初始值进行迭代后产生的优化解，表示公共部分的预编码向量在进行迭代后的解，/>表示第k个用户的预编码向量在初始值进行迭代后产生的优化解，/>表示第k个用户私有速率的松弛向量在进行迭代后产生的优化解，/>表示第k个用户公有速率的松弛向量在进行迭代后产生的优化解，β_k表示第k个用户私有数据流SINR的松弛向量在进行迭代后的解，β_ck表示公有数据流SINR的松弛向量在进行迭代后的解；

令n＝n+1，更新t^[n]＝t^*，

其中，n＝n+1表示在此次迭代后再进行一次迭代，将迭代后新产生的t^*赋值给t^[n]，赋值给/>赋值给/>赋值给/>赋值给/>

当|tⁿ-t^n-1|≤ε₁，循环结束；

其中，基于连续凸逼近的算法通过迭代n次，当t^[n]与t^[n-1]的差值小于设定的精度ε，则第n次迭代基于前n-1次迭代获得最优解。

8.根据权利要求1所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法，其特征在于，其特征在于，所述可见光通信为LED可见光通信。

9.一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法中的步骤。

10.一种存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被设计为运行时实现根据权利要求1至7任一项所述的一种可见光通信RSMA预编码和速率分配方法中的步骤。