本發(fā)明涉及無線光通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是一種可見光通信非正交多址系統(tǒng)預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
：可見光通信(vlc)系統(tǒng)是最具潛力的下一代高速無線通信系統(tǒng)之一，典型的vlc系統(tǒng)采用led作為發(fā)射端。led不僅具有低功耗、節(jié)能、環(huán)保等有點，也擁有切換快、靈敏度高和調(diào)制性能好等特點。在無線通信中有很多關(guān)于多址技術(shù)優(yōu)化問題的研究。在射頻通信中，正交多址系統(tǒng)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。常見的多址系統(tǒng)設(shè)計問題，一般會考慮系統(tǒng)的譜效率、可靠性和服務(wù)質(zhì)量等問題。近年來，非正交多址(noma)作為可能應(yīng)用于第五代移動通信的新型多址技術(shù)，受到了越來越多的關(guān)注。與正交多址(oma)技術(shù)相比，noma的關(guān)鍵優(yōu)勢在于對功率域資源進(jìn)行了復(fù)用。具體來說，在時隙、頻率、碼字均相同時，系統(tǒng)在發(fā)射端通過疊加編碼(sc)技術(shù)將不同用戶的信息發(fā)射出去，接收端通過連續(xù)干擾抵消(sic)技術(shù)可以根據(jù)發(fā)射功率的不同，將疊加的用戶信息分離出來，完成多址接入。由于noma是功率域的多址技術(shù)，功率分配算法是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。對多用戶多輸入單輸出(miso)系統(tǒng)來說，預(yù)編碼矩陣的設(shè)計方法將極大地影響系統(tǒng)性能。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種可見光通信非正交多址系統(tǒng)預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法，能夠在發(fā)射信號滿足正實數(shù)約束且系統(tǒng)滿足服務(wù)質(zhì)量的條件下，優(yōu)化系統(tǒng)的預(yù)編碼矩陣，使傳輸?shù)暮退俾首畲?。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種可見光通信非正交多址系統(tǒng)預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法，包括如下步驟：(1)針對多用戶miso可見光通信系統(tǒng)的下行鏈路，求解出其和速率如下式：其中，rnk(w)為第n個用戶檢測第k個信息sk的速率；rnk(w)為第n個用戶檢測第k個傳輸信息的速率，w為m×n預(yù)編碼矩陣且為待優(yōu)化變量，wn為w的第m個列向量；m為led燈組數(shù)；n為用戶數(shù)；hn為發(fā)射端led到第n個用戶的信道響應(yīng)向量；at表示向量a的轉(zhuǎn)置；為噪聲方差；(2)使得系統(tǒng)通信的和速率最大，建立優(yōu)化模型如下式：(3)可見光通信的發(fā)射信號滿足正實數(shù)約束且系統(tǒng)需滿足服務(wù)質(zhì)量約束，變量w需滿足下列約束條件：|w1|+|w2|+…+|wn|≤idc1mrnk(w)≥rth,1≤k≤n≤n其中，w為m×n預(yù)編碼矩陣且為待優(yōu)化變量，wn為w的第n個列向量；m為led燈組數(shù)；n為用戶數(shù)；rnk(w)為第n個用戶檢測第k個傳輸信息的速率，hn為發(fā)射端led到第n個用戶的信道響應(yīng)向量；at表示向量a的轉(zhuǎn)置；為噪聲方差；idc為發(fā)射端led的直流偏置；1m為全一的m維列向量；rth為各用戶保證系統(tǒng)正常工作的最小速率；(4)求解出優(yōu)化模型的最優(yōu)解。優(yōu)選的，步驟(1)中，求解和速率具體為：天花板固定有m個led作為發(fā)射端，下方隨機分布n個用戶，led服從近朗伯輻射模型，vlc系統(tǒng)的視距信號能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反射信號，考慮信道模型時，只考慮視距信息即可；第j個led燈到第n個用戶的直流信道增益即所述信道響應(yīng)hjn由下式確定：其中，π為圓周率，m為朗伯階數(shù)，θ1/為led半角，djn為第j個led燈與第n個用戶的直達(dá)距離，φjn為入射角，為輻照角，a為光電二極管pd的接收面積，rp為pd的響應(yīng)度，t(φjn)為光濾波器的增益，g(φjn)為聚光透鏡的增益，β為聚光透鏡的折射率，ψfov為pd的視場；非正交多址技術(shù)的原理是發(fā)射端led將各用戶的信號sn疊加發(fā)射，發(fā)射信號記為x＝w1s1+w2s2+…wnsn，其中列向量wn為第n個用戶的預(yù)編碼向量，也是w的第n個列向量，x需滿足正實數(shù)約束|w1|+|w2|+…+|wn|≤idc1m其中，idc為發(fā)射端led的直流偏置；1m為全一的m維列向量；用戶在利用干擾抵消(sic)技術(shù)對各自的信號進(jìn)行檢測，本例中第n個用戶的接收信號為其中zn為噪聲，方差為其中，q為一個電子所帶的電荷量，取常數(shù)q＝1.6×10-19庫侖；b為系統(tǒng)帶寬；χamb為背景光電流；iamp為前置放大器的噪聲電流密度；在該模型下，第n個用戶檢測第k個信息sk的速率為和速率為優(yōu)選的，步驟(4)中，求解優(yōu)化模型的最優(yōu)解，具體包括如下步驟：(1)令t＝1，并選取任一滿足約束條件的可行解，作為初始值w(0)、u(0)；(2)求解下列凸優(yōu)化問題，記該優(yōu)化問題的解為u(t)、r(t)、w(t)；|w1|+|w2|+…+|wn|≤idc工m其中，表示u(t)的第n行第k列元素，表示w(t)的第k個列向量，u、r為輔助變量，unk表示矩陣的第n行第k列的元素，rk表示向量r的第k個元素；(3)若|rsum(w(t))-rsum(w(t-1))|≤ε成立，則輸出u(t)、r(t)、w(t)，最優(yōu)預(yù)編碼矩陣為w*＝w(t)，其中為收斂精度；否則，更新t＝t+1，并重復(fù)步驟(2)～(3)。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明在保證光通信的發(fā)射信號滿足正實數(shù)約束與服務(wù)質(zhì)量的前提下，以最大化和速率為目標(biāo)，對個用戶功率進(jìn)行分配，成功的提高了通信性能；將noma技術(shù)用于可見光通信多用戶多輸入單輸出(miso)系統(tǒng)，與實際場景相符，使算法更具實用性。附圖說明圖1為本發(fā)明的應(yīng)用場景示意圖。圖2為本發(fā)明的方法流程示意圖。圖3為本發(fā)明的noma和oma技術(shù)的和速率隨光功率的變化曲線示意圖。圖4為本發(fā)明noma系統(tǒng)的最大和速率隨最小速率門限的變化曲線示意圖。具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明所針對的通信模型為多用戶miso可見光通信系統(tǒng)的下行鏈路，即天花板固定有m個led作為發(fā)射端，下方隨機分布n個用戶，led服從近朗伯輻射模型，有研究表明，vlc系統(tǒng)的視距信號能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反射信號，考慮信道模型時，只考慮視距信息即可。第j個led燈到第n個用戶的直流信道增益即所述信道響應(yīng)hjn由下式確定：其中，π為圓周率，m為朗伯階數(shù)，θ1/為led半角，djn為第j個led燈與第n個用戶的直達(dá)距離，φjn為入射角，為輻照角，a為光電二極管(pd)的接收面積，rp為pd的響應(yīng)度，t(φjn)為光濾波器的增益，g(φjn)為聚光透鏡的增益，β為聚光透鏡的折射率，ψfov為pd的視場。非正交多址(noma)技術(shù)的原理是發(fā)射端led將各用戶的信號sn疊加發(fā)射，發(fā)射信號記為x＝w1s1+w2s2+…wnsn，其中列向量wn為第n個用戶的預(yù)編碼向量，也是w的第n個列向量，x需滿足正實數(shù)約束|w1|+|w2|+…+|wn|≤idc1m其中，idc為發(fā)射端led的直流偏置；1m為全一的m維列向量。用戶在利用干擾抵消(sic)技術(shù)對各自的信號進(jìn)行檢測，本例中第n個用戶的接收信號為其中zn為噪聲，方差為其中，q為一個電子所帶的電荷量，取常數(shù)q＝1.6×10-19庫侖；b為系統(tǒng)帶寬；χamb為背景光電流；iamp為前置放大器的噪聲電流密度。在該模型下，第n個用戶檢測第k個信息sk的速率為和速率為本發(fā)明提供一種可見光通信非正交多址系統(tǒng)預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法，為使得系統(tǒng)通信的和速率最大，建立如下優(yōu)化問題：s.t.|w1|+|w2|+…+|wn|≤idc1mrnk(w)≥rth，1≤k≤n≤n其中，rth為各用戶保證系統(tǒng)正常工作的最小速率。如圖2所示，本發(fā)明所建立的優(yōu)化問題引入輔助變量u、r，轉(zhuǎn)化為：|w1|+|w2|+…+|wn|≤idc1m其中，unk表示矩陣的第n行第k列的元素，rk表示向量r的第k個元素。函數(shù)為凸函數(shù)，滿足如下不等式：進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種可見光通信非正交多址系統(tǒng)預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法，包括以下步驟得到優(yōu)化問題的最優(yōu)解：1)令t＝1，并選取任一滿足約束條件的可行解，作為初始值w(0)、u(0)；2)求解下列凸優(yōu)化問題，記該優(yōu)化問題的解為u(t)、r(t)、w(t)；|w1|+|w2|+…+|wn|≤idc1m其中，表示u(t)的第n行第k列元素，表示w(t)的第k個列向量，u、r為輔助變量，unk表示矩陣u的第n行第k列的元素，rk表示向量r的第k個元素。3)若|rsum(w(t))-rsum(w(t-1))|≤ε成立，則輸出u(t)、r(t)、w(t)，最優(yōu)預(yù)編碼矩陣為w*＝w(t)，其中ε為收斂精度；否則，更新t＝t+1，并重復(fù)步驟2)～3)。為了驗證本優(yōu)化方法的性能，進(jìn)行了仿真實驗。仿真實驗結(jié)果如圖3、圖4，所涉及的參數(shù)如表1所示：表1參數(shù)設(shè)置參數(shù)取值led燈組數(shù)4用戶數(shù)4led平面坐標(biāo)(±1.7m,±1.7m)房間尺寸(長、寬、高)5m、5m、3mpd響應(yīng)度0.4a/wpd視場(fov)(半角)62°led半角47.5°聚光透鏡的折射率1.5pd面積1cm2光濾波器增益1前置放大器噪聲密度5pa/hz1/2背景光電流10.93a/m2/sr帶寬100mhz圖3為本發(fā)明所述預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法所得的noma和速率和oma技術(shù)的和速率隨光功率的變化曲線，參數(shù)如表1所示，四個用戶隨機分布在房間中，最小速率門限為0.51bps/hz。由圖可以看出利用本發(fā)明所提的預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法所得的noma用戶和速率，比傳統(tǒng)oma技術(shù)的和速率更高，且和速率隨著光功率的增加而增加，這與實際情況也相符。圖4為noma系統(tǒng)的最大和速率隨最小速率門限的變化曲線，參數(shù)如表1所示，四個用戶隨機分布在房間中，光功率取20dbw。由圖可以發(fā)現(xiàn)，和速率隨最小速率門限的增加而減小，這是因為最小速率門限較高時，led需犧牲一部分和速率以保證最小速率。盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。當(dāng)前第1頁12