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可見光通信多小區(qū)干擾管理方法與流程

文檔序號:12789113閱讀:337來源:國知局
可見光通信多小區(qū)干擾管理方法與流程

本發(fā)明屬于可見光通信領域,尤其涉及可見光通信多小區(qū)干擾管理方法。



背景技術:

可見光通信技術的研究具有重要的科學意義和應用前景??梢姽馔ㄐ拍繕耸窃贚ED照明系統(tǒng)的基礎上進行高速傳輸,必須首先要保證室內(nèi)照明的相關要求。因此,與建立在有限平均電功率約束下的射頻無線通信系統(tǒng)不同,可見光通信為了保證人眼安全與舒適度要求以及照明亮度要求,還需要滿足有限峰值功率約束和有限平均光功率約束,同時為了滿足LED與光學器件的性能要求,有限平均電功率約束也與射頻無線通信有著一定不同之處。

與傳統(tǒng)的射頻無線通信相比,可見光通信具有以下的優(yōu)勢:

(1)可見光通信頻譜資源豐富,頻段介于400THz-800THz之間,是無線頻譜的近一萬倍,可以破解電磁頻譜資源匱乏困局;

(2)可見光通信的發(fā)射器件是普通LED燈,LED燈功耗僅是傳統(tǒng)白熾燈的20%,可見光通信屬典型的低功耗綠色通信技術;

(3)可見光通信具有定向輻射的特性,使其覆蓋范圍可控可限,有利于構(gòu)建安全信息空間;

(4)可見光通信網(wǎng)絡將與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和電力網(wǎng)深度融合,在密集住宅區(qū)/辦公區(qū)、地鐵、高鐵等場景下為用戶高速數(shù)據(jù)通信服務;

(5)可見光通信無電磁干擾,可以用于電磁敏感區(qū)域的安全通信,如煤礦、醫(yī)院和飛機等場所;

目前可見光通信多小區(qū)干擾信道相關研究較少,目前尚無有效的可見光通信多小區(qū)干擾管理方法提出。



技術實現(xiàn)要素:

實際場景中,一個LED燈具通常是由多個LED組成,因此,針對可見光干擾信道網(wǎng)絡,可以進行多LED波束形成設計,從而降低各個小區(qū)之間的干擾。

首先構(gòu)造一種具有最大熵分布的發(fā)射信號來提高傳輸容量,然后針對不同的應用場景和網(wǎng)絡規(guī)模,本發(fā)明分別提出了可見光通信多小區(qū)干擾管理方法,具體包括一種集中式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法和一種分布式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法。

集中式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法是建立中心控制器,收集各個收發(fā)對的全部信息進行優(yōu)化處理,所述一種集中式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法包括如下步驟:

步驟1,對于可見光通信網(wǎng)絡中的第i個用戶,對其未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi進行設置;

步驟2,求解第i個用戶的ABG(Alpha-Beta-Gamma)分布對應的概率密度函數(shù);

步驟3,計算未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi的微分熵{h(Xi)};

步驟4,假設可見光通信網(wǎng)絡中包含K個傳輸對,在每一個傳輸對中,發(fā)射端包含N個LED,接收端只包含一個光電檢測器PD(PhotoDetector),求解發(fā)射信號Xi光功率和電功率;

步驟5,設置信道參數(shù);

步驟6,求解第i個用戶的基于ABG分布的信道容量下界

步驟7,最優(yōu)波束形成設計;

步驟8:輸出波束形成矩陣{wi}。

步驟1中,未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi服從連續(xù)概率分布,這一概率分布的概率密度函數(shù)為fi(Xi),并且概率密度函數(shù)fi(Xi)滿足如下條件:

其中,Ai為信源信號的幅度峰值且Ai>0,則未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi幅度范圍、均值和平均電功率分別如下:

|Xi|≤Ai

其中εi為目標用戶i的平均電功率,為求均值。

步驟2中,第i個用戶的ABG分布對應的概率密度函數(shù)fiABG(Xi)為:

其中,K表示用戶總數(shù),即傳輸對總數(shù),參數(shù)αi,βi和γi為如下方程組的解:

其中π為圓周率,e為自然對數(shù),函數(shù)X∈[-Ai,Ai],erf(·)為高斯誤差函數(shù)。

步驟3中,通過如下公式計算未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi的微分熵{h(Xi)}:

其中αi和γi為ABG分布參數(shù),log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)函數(shù),ln(·)為自然對數(shù)。

步驟4中,對于第i個傳輸對,令wi表示波束形成向量,wi,n表示第i個傳輸對的第n個LED的加權系數(shù),n=1,...,N,表示N維的實數(shù)空間,第i個發(fā)射端傳輸信息Xi至第i個接收端,其中|Xi|≤Ai,且K表示傳輸對總數(shù),第i個發(fā)射端所發(fā)射的信號si為:

其中l(wèi)i為第i個用戶的直流偏置向量,bi為第i個用戶的直流偏置大小,并且bi≥0,由于可見光通信中發(fā)射信號必須為非負的,因此wi必須滿足:

其中|·|為求模,

步驟4所得的發(fā)射信號si的光功率和電功率分別為:

其中K表示傳輸對總數(shù),N表示每個發(fā)射端中LED總數(shù),i表示傳輸對的序號,n表示每個發(fā)射端中LED序號,||·||為求2-范數(shù)。

步驟5包括:因為通常視距傳播(LOS)鏈路的信道增益遠大于反射形成的散射鏈路,所以可以只考慮視距傳播鏈路的影響,根據(jù)朗伯發(fā)光模型,第j個燈具上第n個LED到第i個用戶的信道增益gi,j,n表示為:

其中,cos(·)為余弦函數(shù),|·|為求模,m表示朗伯發(fā)射等級,log(·)為對數(shù)函數(shù),φ表示LED的發(fā)射角,φ1/2表示半功率角的一半,ηc表示電光轉(zhuǎn)換效率,ηl表示光電轉(zhuǎn)換效率,G表示跨導放大器的增益,AR表示接收端物理面積大小,其中nr表示接收端聚光透鏡折射率,APD表示光電檢測器的面積,sin(·)為正弦函數(shù),di,j,n表示第n個LED與第i個用戶的距離,ψn表示接收端的入射角,ψFoV表示用戶的視野(FoV)寬度。

步驟6中,通過如下公式求解第i個用戶的基于ABG分布的信道容量下界

其中,σ2為噪聲功率,gi,j為第j個發(fā)射端到第i個用戶的信道增益,wj為第j個發(fā)射端的波束形成向量。

步驟7中,根據(jù)凸優(yōu)化理論,每個用戶目標速率約束和每個LED功率約束條件下,以最小化發(fā)射功率為目標的可見光波束形成框架,得到如下公式:

其中,s.t.表示suchthat,即“使得”,Ri是第i個接收端的目標速率,en為除了第i個元素為1而其他元素為0的向量,min表示求最小值,s.t.為such that,即“使得”;

但是上述優(yōu)化問題的第一個約束為一個二次約束,使得這一問題為一個非凸二次約束二次優(yōu)化問題(QCQP),根據(jù)既有文獻可知這一類優(yōu)化問題為NP-難問題。

將上述公式轉(zhuǎn)化為如下優(yōu)化問題:

其中gi,j為第j個發(fā)射端到第i個用戶的信道增益,K表示傳輸對總數(shù),N表示每個發(fā)射端中LED總數(shù),(參數(shù)αj、γj采用步驟2中求解參數(shù)αi,βi和γi的方法計算得到,將方程組中參數(shù)的下標改為j即可),且使用半正定規(guī)劃技術SDR(Semi-DefiniteRelaxation)處理,定義使得并且rank(Wi)=1,上述優(yōu)化問題松弛為:

其中Tr(·)為求矩陣的跡,這一問題為凸半正定規(guī)劃問題,通過可達內(nèi)點算法解出最優(yōu)解,即的最小值以及對應的wi。

集中式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法,要求不同LED燈之間進行數(shù)據(jù)和信息共享,這就會導致大量的信令開銷。在網(wǎng)絡回傳容量受限時,這一問題將會限制可見光網(wǎng)絡的應用。為了減少數(shù)據(jù)交換的開銷,本發(fā)明還公開了一種分布式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法,包括如下步驟:

步驟1,對于可見光通信網(wǎng)絡中的第i個用戶,對其未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi進行設置;未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi服從連續(xù)概率分布,這一概率分布的概率密度函數(shù)為fi(Xi),并且概率密度函數(shù)fi(Xi)滿足如下條件:

其中,Ai>0為信源信號的幅度峰值,則未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi幅度范圍、均值和平均電功率分別如下:

|Xi|≤Ai,

其中εi為目標i的平均電功率,為求均值;

步驟2,求解第i個用戶的ABG(Alpha-Beta-Gamma)分布對應的概率密度函數(shù):

其中,K表示用戶的數(shù)量,參數(shù)αi,βi和γi為如下方程組的解:

其中π為圓周率,e為自然對數(shù),函數(shù)X∈[-Ai,Ai],erf(·)為高斯誤差函數(shù);

步驟3,計算未加入直流偏置的發(fā)射信號Xi的微分熵{h(Xi)}:

其中αi和γi為步驟2中方程所解出的ABG分布參數(shù),log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)函數(shù),ln(·)為自然對數(shù);

步驟4,假設可見光通信網(wǎng)絡中包含K個傳輸對,在每一個傳輸對中,發(fā)射端包含N個LED,接收端只包含一個光電檢測器PD(PhotoDetector),求解發(fā)射信號Xi光功率和電功率:對于第i個傳輸對,令wi表示波束形成向量,wi,n表示第i個傳輸對的第n個LED的加權系數(shù),n=1,...,N,表示N維的實數(shù)空間,第i個發(fā)射端傳輸信息Xi至第i個接收端,其中|Xi|≤Ai,且第i個發(fā)射端所發(fā)射的信號si為:

其中l(wèi)i為第i個用戶的直流偏置向量,bi為第i個用戶的直流偏置大小,并且bi≥0,由于可見光通信中發(fā)射信號必須為非負的,因此wi必須滿足:

其中|·|為求模,

發(fā)射信號si的光功率和電功率分別為:

其中K表示傳輸對總數(shù),N表示每個發(fā)射端中LED總數(shù),i表示傳輸對的序號n表示每個發(fā)射端中LED序號,||·||為求2-范數(shù);

步驟5,設置信道參數(shù):根據(jù)朗伯發(fā)光模型,第j個燈具上第n個LED到第i個用戶的信道增益gi,j,n表示為:

其中,cos(·)為余弦函數(shù),|·|為求模,m表示朗伯發(fā)射等級,log(·)為對數(shù)函數(shù),φ表示LED的發(fā)射角,φ1/2表示半功率角的一半,ηc表示電光轉(zhuǎn)換效率,ηl表示光電轉(zhuǎn)換效率,G表示跨導放大器的增益,AR表示接收端物理面積大小,其中nr表示接收端聚光透鏡折射率,APD表示光電檢測器的面積,sin(·)為正弦函數(shù),di,j,n表示第n個LED與第i個用戶的距離,ψn表示接收端的入射角,ψFoV表示用戶的視野寬度;

步驟6,將集中式優(yōu)化問題分解為K個分布式子問題進行求解;根據(jù)交換方向乘子ADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)優(yōu)化算法,將集中式干擾管理框架的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為:

其中gi,j為第j個發(fā)射端到第i個用戶的信道增益,且Ri是第i個用戶的目標速率,en為除了第i個元素為1而其他元素為0的向量,σ2為噪聲功率,wj為第j個發(fā)射端的波束形成向量,局部變量為本地干擾信息為vi,vi=[vi,1,...,vi,j,...vi,Ki]T,j≠i,并且其中變量vi,j表示第j個LED燈到第i個用戶的干擾;變量ηi表示第i個LED燈接收到的總干擾,Tr(·)為求矩陣的跡;

定義全局變量局部變量和全局變量的關系為:

vi=Ziv

其中為(K+1)×(K+1)維實數(shù)空間,轉(zhuǎn)換后的問題簡寫為:

其中子問題fi(vi)的定義為:

s.t.uiTr(Wigi,igi,iT)≥ηi+ci

簡化后的問題為一個全局一致問題,即根據(jù)約束條件,局部變量vi最終應與全局變量v一致,使用交替方向乘子ADMM算法進行求解,對應的拉格朗日函數(shù)Lζ({vi},τi,v)為:

其中τi為與優(yōu)化問題約束關聯(lián)的拉格朗日乘子,或稱為對偶變量,ζ為懲罰因子;

步驟7,令迭代次數(shù)t=0,初始化變量v(0),τ(0)和懲罰因子ζ,ξ>0為給定的精度;

步驟8,更新t+1次迭代時的局部變量{vi(t+1)},求解子問題fi(vi)和如下K個分布式優(yōu)化問題:

其中表示在A中使得B最小的取值,τi(·)為對偶變量,vi(·)為局部變量;

步驟9,同其他LED燈交換t+1次迭代時的局部變量{vi(t+1)};

步驟10,更新t+1次迭代時的全局變量v(t+1),即:

其中表示在A中使得B最小的取值;

步驟11,更新t+1次迭代時的對偶變量τi(t+1),即:

τi(t+1)=τi(t)+ζ(vi(t+1)-Ziv(t+1)).

步驟12,當時,終止迭代;否則,將t更新為t+1,并返回步驟8;

步驟13,輸出波束形成矩陣{wi}。

本發(fā)明涉及可見光通信領域干擾信道MISO多小區(qū)可見光干擾管理框架。本發(fā)明利用信息論、信號處理和凸優(yōu)化方法,提出了集中式和分布式兩種干擾管理框架。

有益效果:本發(fā)明所提出的干擾管理框架可以有效的減少小區(qū)間的干擾,保證用戶目標速率,同時降低發(fā)射功率,提高能效。本發(fā)明提出針對不同場景提出了針對性的方法,同時方法計算精度高,求解速度快,而且分布式干擾管理方法可以有效減小系統(tǒng)內(nèi)信息交換,減輕網(wǎng)絡負載,這些特點也減少了系統(tǒng)整體的能耗,提高了系統(tǒng)能效。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做更進一步的具體說明,本發(fā)明的上述或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。

圖1為可見光通信MISO干擾信道系統(tǒng)模型。

圖2為具體實施中集中式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法流程圖。

圖3為具體實施中分布式可見光通信多小區(qū)干擾管理方法流程圖。

圖4為分布式可見光通信干擾管理框架仿真實驗1功率-目標速率變化曲線。

圖5為分布式可見光通信干擾管理框架仿真實驗2誤差-迭代次數(shù)變化曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明針對可見光干擾管理框架提出了兩種新的框架,利用信息論、信號處理和凸優(yōu)化方法,提出了滿足可見光通信約束要求的,擁有閉式表達式且更緊的信道容量計算方法,可以簡單快捷的完成可見光干擾管理和波束形成的設計與計算。

圖2顯示了采用本發(fā)明技術方案的集中式可見光通信多小區(qū)干擾管理的基本流程,可見光干擾信道系統(tǒng)模型如圖1所示,具體步驟如下:

步驟1:根據(jù)設計要求設置系統(tǒng)相關參數(shù)和輸入信號。

對于第i個用戶,未加入直流偏置的發(fā)射信號為Xi,其參數(shù)如下:

峰值:|Xi|≤Ai;

均值:

均方值:

步驟2:求每個用戶的ABG(Alpha-Beta-Gamma)參數(shù)方程組:

其中π為圓周率,e為自然對數(shù),erf(·)為高斯誤差函數(shù)。

獲得對應的參數(shù)αi,βi和γi,計算每個用戶的ABG概率分布的概率密度函數(shù):

步驟3:計算信源微分熵{h(Xi)},即其中l(wèi)n(·)為自然對數(shù)。

步驟4:設置發(fā)射參數(shù)。

傳輸對數(shù)量:K;

每個發(fā)射端中LED數(shù)量:N

對于第i,個發(fā)射端,

輸入信號范圍:|si|≤Ai

輸入信號均值:

輸入信號均方值:

直流偏置:

發(fā)射信號:xi=wisi+bi,

步驟5:設置信道參數(shù)。第j個燈具上第n個LED到第i個用戶的信道增益可以表示為

其中表示朗伯發(fā)射等級;φ表示LED的發(fā)射角,φ1/2表示半功率角的一半;ηc表示電光轉(zhuǎn)換效率;ηl表示光電轉(zhuǎn)換效率;G表示跨導放大器的增益;AR表示接收端物理面積大??;di,n表示第n個LED與第i個用戶的距離;ψn表示接收端的入射角;ψFoV表示用戶的視野(FoV)寬度。接收端物理面積大小的定義為其中nr表示接收端聚光透鏡折射率,APD表示光電檢測器的面積。

步驟6:求解對于第i個用戶的基于ABG分布的信道容量下界:

其中Ri是第i個接收端的目標速率,en為除了第i個元素為1而其他元素為0的向量。π為圓周率,σ2為噪聲功率,|·|為取模,||·||為求2-范數(shù),min為求最小值,αi和γi為ABG分布參數(shù),εi為對應發(fā)射端的平均電功率,gi,j為第j個發(fā)射端到第i個接收端的信道增益,wj為第j個發(fā)射端的波束形成向量,log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)函數(shù),εi為平均電功率,bi為直流偏置,Ai為信源信號的幅度峰值。

步驟7:求解波束形成優(yōu)化問題,獲得波束賦形矩陣:

其中且π為圓周率,σ2為噪聲功率,|·|為取模,min為求最小值,εi為對應發(fā)射端的平均電功率,gi,j為第j個發(fā)射端到第i個接收端的信道增益,wj為第j個發(fā)射端的波束形成向量,log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)函數(shù),εi為平均電功率,bi為直流偏置,Ai為信源信號的幅度峰值。

圖3顯示了采用本發(fā)明技術方案的分布式可見光通信多小區(qū)干擾管理的基本流程,可見光干擾信道系統(tǒng)模型如圖1所示,具體步驟如下:

步驟1:根據(jù)設計要求設置系統(tǒng)相關參數(shù)和輸入信號。

對于第i個用戶,未加入直流偏置的發(fā)射信號為Xi,其參數(shù)如下:

峰值:|Xi|≤Ai

均值:

均方值:

步驟2:求每個用戶的解方程組

其中π為圓周率,e為自然對數(shù),erf(·)為高斯誤差函數(shù)。

獲得對應的參數(shù)αi,βi和γi,計算每個用戶的ABG概率分布的概率密度函數(shù):

步驟3:計算信源微分熵{h(Xi)},即其中l(wèi)n(·)為自然對數(shù)。

步驟4:設置發(fā)射參數(shù)。

傳輸對數(shù)量:K;

每個發(fā)射端中LED數(shù)量:N

對于第i,個發(fā)射端,

輸入信號范圍:|si|≤Ai;

輸入信號均值:

輸入信號均方值:

直流偏置:

發(fā)射信號:xi=wisi+bi,

步驟5:設置信道參數(shù)。第j個燈具上第n個LED到第i個用戶的信道增益可以表示為

其中表示朗伯發(fā)射等級;φ表示LED的發(fā)射角,φ1/2表示半功率角的一半;ηc表示電光轉(zhuǎn)換效率;ηl表示光電轉(zhuǎn)換效率;G表示跨導放大器的增益;AR表示接收端物理面積大小;di,n表示第n個LED與第i個用戶的距離;ψn表示接收端的入射角;ψFoV表示用戶的視野(FoV)寬度。接收端物理面積大小的定義為其中nr表示接收端聚光透鏡折射率,APD表示光電檢測器的面積。

步驟6:構(gòu)造基于ADMM算法的分布式優(yōu)化模型;

步驟7:迭代計算求解ADMM算法的分布式優(yōu)化模型,獲得波束形成矩陣。

為了驗證本發(fā)明效果,進行了仿真對比實驗。

對于基本可見光干擾信道通信系統(tǒng),相關參數(shù)計算公式如下:

系統(tǒng)平均電功率:

系統(tǒng)平均光功率:

系統(tǒng)歸一化信噪比(dB):

系統(tǒng)峰均功率比:

給定系統(tǒng)信噪比SNR與系統(tǒng)峰均功率比的情況下,

系統(tǒng)平均電功率:

系統(tǒng)平均光功率:

對于第i個LED燈,

平均電功率分配系數(shù):vi,vi∈[0,1],

平均光功率分配系數(shù):μii∈[0,1],

平均電功率:εi=viε;

平均光功率:Ai=μiA;

峰均功率比:

對于分布式可見光通信干擾管理框架,LED燈和接收端位置坐標如表1所示,分布式可見光通信干擾管理框架仿真實驗實驗1按照表2所示給定的仿真實驗參數(shù),展示了本發(fā)明技術方案在不同情況下隨著目標速率變化的總功率變化情況,分布式可見光通信干擾管理框架仿真實驗實驗2按照表3所示給定的仿真實驗參數(shù),展示了本發(fā)明技術方案在不同情況下隨著迭代次數(shù)變化的相對誤差變化情況。根據(jù)圖4所示的仿真結(jié)果可以看出本發(fā)明干擾管理方法是可行的,可以求解出最優(yōu)的總功率。從圖5可以看出本發(fā)明提出的算法收斂速度很快,并且誤差可以小于5%。(圖中英文解釋如下:ElectricalPower:電功率,Ratethreshold:目標速率,RelativePowerError:相對功率誤差,IterationIndex:迭代次數(shù),Bits/sec/Hz:比特每秒每赫茲,dBm:分貝毫瓦)

相關參數(shù)計算公式如下:

對于基本可見光干擾信道通信系統(tǒng),相關參數(shù)計算公式如下:

系統(tǒng)平均電功率:

系統(tǒng)平均光功率:

系統(tǒng)歸一化信噪比(dB):

系統(tǒng)峰均功率比:

給定系統(tǒng)信噪比SNR與系統(tǒng)峰均功率比的情況下,

系統(tǒng)平均電功率:

系統(tǒng)平均光功率:

系統(tǒng)總電功率:

對于第i個LED燈,

平均電功率分配系數(shù):vi,vi∈[0,1],

平均光功率分配系數(shù):μii∈[0,1],

平均電功率:εi=viε;

平均光功率:Ai=μiA;

峰均功率比:

其中假設A1=A2=A3=A4,ε1=ε2=ε3=ε4以及

假設在一個(20×20×5m3)房間中部署可見光通信網(wǎng)絡,其中房間一個角落作為空間直角坐標系的原點(0,0,0),網(wǎng)絡中包含(K=4)個傳輸對。換言之,房間內(nèi)部署4盞LED燈,每盞燈為由多個LED組成的發(fā)光陣列,陣列的中心位置如表3所示,表中距離單位為米。

表1:LED燈和接收端位置坐標

表2:可見光通信干擾管理框架仿真實驗實驗1參數(shù)

表3:可見光通信干擾管理框架仿真實驗實驗2參數(shù)

本發(fā)明提供了可見光通信多小區(qū)干擾管理方法,具體實現(xiàn)該技術方案的方法和途徑很多,以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。

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