本發(fā)明屬于可見光通信領(lǐng)域，尤其涉及一種求可見光通信系統(tǒng)下行noma最小化功率的方法。

背景技術(shù)：

隨著智能終端的普及和移動(dòng)新業(yè)務(wù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的需求呈爆炸性增長(zhǎng)，需要對(duì)現(xiàn)有的商用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面升級(jí)，于是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)5g成為全球移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。5g定位于頻譜效率更高、速率更快、容量更大的無線網(wǎng)絡(luò)，其中系統(tǒng)容量在2020年要提高1000倍/，頻譜效率相比4g需要提升5～15倍。業(yè)內(nèi)提出在5g中采用新型多址接入技術(shù)，即非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess，noma)。與基于時(shí)域/頻域/碼域正交多址接入(orthogonalmultipleaccess，oma)技術(shù)相比，noma技術(shù)可在不占用額外無線資源的前提下，大幅提高系統(tǒng)的頻譜效率和用戶容量。此外，為提高系統(tǒng)吞吐量，采用oma技術(shù)的無線系統(tǒng)優(yōu)先接入信道質(zhì)量較好的用戶，難以保證用戶接入的公平性。在noma技術(shù)中，系統(tǒng)可在相同無線資源上同時(shí)接入信道質(zhì)量較好和較差的用戶，可為信道質(zhì)量較差的用戶提供更多接入機(jī)會(huì)，降低了用戶平均接入時(shí)延，進(jìn)而滿足5g技術(shù)超低時(shí)延、超高網(wǎng)絡(luò)連通性的要求。

由于可見光通信中利用noma技術(shù)的用戶可達(dá)速率的閉式表達(dá)式還是未知的，noma技術(shù)的關(guān)鍵步驟，如用戶排序和功率分配等，都需要用戶可達(dá)速率的閉式表達(dá)式。因此，用戶可達(dá)速率的表達(dá)式是noma技術(shù)應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的無線通信中基于noma技術(shù)的用戶可達(dá)速率表達(dá)式是按照輸入是高斯分布推導(dǎo)得到的，而在可見光通信系統(tǒng)中輸入要求是非負(fù)的，所以高斯分布的輸入信號(hào)是不可行的，因此，傳統(tǒng)的無線通信中noma技術(shù)的用戶可達(dá)速率表達(dá)式不適用于可見光通信系統(tǒng)。所以我們根據(jù)可見光通信互信息來推出用戶速率閉式表達(dá)式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是給出可見光通信noma的用戶速率表達(dá)式并給出最小化功率的方法。由于可見光通信輸入信號(hào)是非負(fù)的，高斯分布不滿足要求，所以傳統(tǒng)的香農(nóng)公式不適用于可見光通信系統(tǒng)中。本發(fā)明給出用戶速率表達(dá)式的下界，并給出在滿足服務(wù)質(zhì)量要求下的最小化發(fā)射功率的方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案

一種求可見光通信系統(tǒng)下行noma最小化功率的方法，具體包含如下步驟；

步驟1，設(shè)發(fā)射端有一個(gè)led燈和k個(gè)光電檢測(cè)器，則滿足|sk|≤ak,e{|sk|}＝0和其中，sk代表第k個(gè)接收用戶的信息符號(hào)，gk代表發(fā)射端和第k個(gè)接收用戶之間的信道增益，ak為直流偏置，εk為目標(biāo)平均電功率；k和k均為正整數(shù)；

將發(fā)射端的信道增益以升序排列，則|g1|≤|g2|≤...≤|gk|，根據(jù)noma的原理，發(fā)射端發(fā)送k個(gè)信息通過重疊碼技術(shù)發(fā)給用戶，則led燈的發(fā)射信號(hào)表達(dá)式如下：

式中，pk是sk的發(fā)射功率，且pk∈r，b是led燈的直流偏置，且b≥0；

步驟2，根據(jù)可見光通信中的信道增益表達(dá)式計(jì)算出每個(gè)接收用戶的信道增益，具體如下：

式中，gk是第k個(gè)接收用戶的信道增益，dk是led燈和第k個(gè)用戶之間的距離，m是朗勃發(fā)射階數(shù)，m＝-ln2/ln(cosθ1/2)，θ1/2是半功率半角，ηc是電光轉(zhuǎn)化效率，ηl是光電轉(zhuǎn)化效率，g代表發(fā)射放大器增益，θ和ψ分別代表輻射角和入射角，ψfov代表接收機(jī)視野區(qū)域，ar為接收機(jī)物理區(qū)域，且

式中，nr代表輻射指數(shù)，apd代表光電檢測(cè)器面積；

步驟3，根據(jù)互信息推導(dǎo)出可見光通信下行noma中的用戶速率閉式表達(dá)式：

式中，rk,i代表第k個(gè)接收用戶譯第i個(gè)接收用戶的信息，pi代表分配給第i個(gè)接收用戶的功率，σ²為噪聲功率，αj,γj,εj分別為信道增益的參數(shù)，j隨著i變化，且i≤j；

步驟4，得出可見光通信中考慮帶寬的用戶速率閉式表達(dá)式：

式中，rk,i代表第k個(gè)用戶譯第i個(gè)接收用戶的信息，b代表帶寬；

步驟5，求解最小化發(fā)射功率目標(biāo)函數(shù)，具體如下：

mintr(p)

式中，p為總發(fā)射功率，ck,t為服務(wù)質(zhì)量要求。

作為本發(fā)明一種求可見光通信系統(tǒng)下行noma最小化功率的方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟3根據(jù)互信息推導(dǎo)出可見光通信下行noma中的用戶速率閉式表達(dá)式，具體如下：

式中，nk代表第k個(gè)用戶的高斯白噪聲。

作為本發(fā)明一種求可見光通信系統(tǒng)下行noma最小化功率的方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟4得出可見光通信中考慮帶寬的用戶速率閉式表達(dá)式，具體推導(dǎo)過程如下：

假設(shè)可見光通信系統(tǒng)的帶寬為bhz，輸入和輸出都用樣本1/2b秒分離，噪聲功率譜密度為σ²watts/hertz，噪聲功率是2σ²b，對(duì)于時(shí)間間隔[0,t]，有2bt個(gè)噪聲樣本，每一個(gè)樣本的方差是若信號(hào)的功率為pi，每個(gè)樣本的信號(hào)能量為則vlcnoma網(wǎng)絡(luò)每個(gè)樣本的容量為

由于每秒有2b個(gè)樣本，則可見光通信中考慮帶寬的用戶速率閉式表達(dá)式：

作為本發(fā)明一種求可見光通信系統(tǒng)下行noma最小化功率的方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟5求解最小化發(fā)射功率目標(biāo)函數(shù)的具體過程如下：

假設(shè)有k個(gè)接收用戶，接收用戶的信道增益按升序排列|g1|≤|g2|≤...≤|gk|

w＝ww^t

用w＝ww^t來表示功率，則最小化發(fā)射功率目標(biāo)函數(shù)如下：

min||p||²

則，

作為本發(fā)明一種求可見光通信系統(tǒng)下行noma最小化功率的方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，k取值3。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明相比于頻分復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)用戶和速率最大，此外能夠消耗最小的發(fā)射功率保證用戶的服務(wù)質(zhì)量；本發(fā)明先建立了noma的系統(tǒng)模型，根據(jù)可見光通信系統(tǒng)中信號(hào)的特點(diǎn)，先推導(dǎo)出可見光通信中下行noma的用戶速率閉式表達(dá)式，接著滿足用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)最小化發(fā)射功率，以此滿足移動(dòng)通信技術(shù)中節(jié)能減排的要求。

附圖說明

圖1是可見光通信下行noma信道系統(tǒng)模型；

圖2(a)是用戶1的速率和功率之間的關(guān)系示意圖；

圖2(b)是用戶2的速率和功率之間的關(guān)系示意圖；

圖2(c)是用戶3的速率和功率之間的關(guān)系示意圖；

圖2(d)是用戶和速率與總功率之間的關(guān)系示意圖；

圖3(a)是三種技術(shù)速率門限和所需功率的關(guān)系對(duì)比示意圖；

圖3(b)是fdma和noma的速率門限和所需功率的關(guān)系對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明針對(duì)可見光通信中的信道特點(diǎn)提出計(jì)算下行noma的用戶速率閉式表達(dá)式并給出在滿足服務(wù)質(zhì)量要求下最小化發(fā)射功率的方法。

可見光通信下行noma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(shè)計(jì)要求設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)和輸入信號(hào)。

對(duì)于第i個(gè)用戶，未加入直流偏置ai的發(fā)射信號(hào)為xi，其參數(shù)如下：

峰值：|sk|≤ak；

均值：e{|sk|}＝0；

均方值：e{|sk|²}＝εk，εk為目標(biāo)平均電功率；

我們考慮的是單輸入單輸出系統(tǒng)可見光通信中noma下行信道的模型，一個(gè)發(fā)射機(jī)有單一的led燈和k個(gè)單一的光電檢測(cè)器用戶。其中，sk代表第k個(gè)用戶的信息符號(hào)，滿足|sk|≤ak,e{|sk|}＝0和gk代表發(fā)射機(jī)和第k個(gè)用戶之間的信道增益，我們假設(shè)信道增益以升序排列，|g1|≤|g2|≤...≤|gk|

根據(jù)noma的原理，發(fā)射機(jī)發(fā)送k個(gè)信息通過重疊碼技術(shù)發(fā)給用戶，從led燈的發(fā)射信號(hào)是

pk∈r是sk的發(fā)射功率，b≥0是led燈的直流偏置；

步驟2：給出可見光通信的信道增益表達(dá)式：

led燈和第k個(gè)用戶間的信道增益可以表示為

di是led燈和第i個(gè)用戶之間的距離，m是朗勃發(fā)射階數(shù)m＝-ln2/ln(cosθ1/2)，θ1/2是半功率半角，ηc是電光轉(zhuǎn)化效率，ηl是光電轉(zhuǎn)化效率，g代表發(fā)射放大器增益，θ和ψ分別代表輻射角和入射角，ψfov代表接收機(jī)視野區(qū)域，ar接收機(jī)物理區(qū)域如下表示

nr代表輻射指數(shù)，apd代表光電檢測(cè)器面積，第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)如下：

nk是第k個(gè)用戶接收到的噪聲，服從均值為0，方差為σ²的高斯分布；

步驟3：推導(dǎo)出可見光通信noma下行鏈路的用戶速率表達(dá)式：

依照串行干擾消除方法，每個(gè)用戶解碼比自己更小的信道增益的用戶的信息，特別的，對(duì)于用戶k，它可以解碼信號(hào)si(i＜k)，然后從接收到的信號(hào)中除去解碼的信號(hào)。信道增益按升序排列，h1≤h2...≤hi...≤hk...≤hk。vlc網(wǎng)絡(luò)中noma系統(tǒng)的信道容量是未知的，rk,i代表第k個(gè)用戶解碼信號(hào)si的最大可實(shí)現(xiàn)速率，給出速率的下界：

表示的是第k個(gè)用戶譯第i個(gè)用戶的信息即用接收的信號(hào)減去前i-1個(gè)用戶的信息，(5d)式用的是熵功率不等式，因?yàn)橹苯忧蠼獠怀鰜?，我們可以通過熵功率不等式得到它的下界。

給出vlc下行的noma的用戶速率閉式表達(dá)式

在這里我們考慮兩種情況，1≤i≤k≤k和i＝k＝k，前者不是最好的信道增益所以既有進(jìn)行串行干擾消除也有一部分干擾，而當(dāng)i＝k＝k時(shí)，信道增益最好可以完全譯出其他用戶的信息沒有干擾

步驟4:推導(dǎo)有帶寬的用戶速率表達(dá)式

假設(shè)vlc系統(tǒng)的帶寬為bhz，輸入和輸出都可以用樣本1/2b秒分離，噪聲功率譜密度為σ²watts/hertz，噪聲功率是2σ²b，對(duì)于時(shí)間間隔[0,t]，有2bt個(gè)噪聲樣本，每一個(gè)樣本的方差是此外，如果信號(hào)的功率為pi，每個(gè)樣本的信號(hào)能量為因此，vlc網(wǎng)絡(luò)中noma網(wǎng)絡(luò)每個(gè)樣本的容量為

每秒有2b個(gè)樣本，vlc網(wǎng)絡(luò)中noma系統(tǒng)的容量可以寫成

步驟5：最小化發(fā)射功率：

本發(fā)明是在滿足服務(wù)質(zhì)量要求下，最小化發(fā)射功率。我們假設(shè)有三個(gè)用戶，用戶的信道增益按升序排列|g1|≤|g2|≤...≤|gk|；

w＝ww^t(9e)

目標(biāo)函數(shù)為最小化發(fā)射功率，約束條件為用戶速率滿足服務(wù)質(zhì)量要求，這是一個(gè)非凸問題，由于對(duì)第i個(gè)之前的用戶進(jìn)行了串行干擾消除，所以可以用(10a)(10b)來表示，為了便于計(jì)算，我們用w＝ww^t來表示功率

min||p||²(10a)

根據(jù)(10a)(10b)的表示，所以上式又可以寫成(11a)這樣的形式

mintr(p)(11a)

對(duì)于noma-siso單小區(qū)下行鏈路模型，實(shí)驗(yàn)1對(duì)比了本發(fā)明技術(shù)方案和采用其他不同的技術(shù)各用戶的速率圖和與用戶和速率的仿真圖。三個(gè)用戶的速率和功率之間的仿真圖如下：2(a)是用戶1的速率和功率之間的關(guān)系示意圖；圖2(b)是用戶2的速率和功率之間的關(guān)系示意圖；圖2(c)是用戶3的速率和功率之間的關(guān)系示意圖；圖2(d)是用戶和速率與總功率之間的關(guān)系示意圖仿真實(shí)驗(yàn)所涉及的參數(shù)如表1所示；表1可見光通信下行noma分析仿真實(shí)驗(yàn)1參數(shù)；

實(shí)驗(yàn)2對(duì)比了本發(fā)明技術(shù)方案與其他存在的建模方法在滿足用服務(wù)質(zhì)量的需求下所需發(fā)射總功率，圖3(a)是三種技術(shù)速率門限和所需功率的關(guān)系對(duì)比示意圖；圖3(b)是fdma和noma的速率門限和所需功率的關(guān)系對(duì)比示意圖。仿真實(shí)驗(yàn)所涉及的參數(shù)如表2所示：表2可見光通信下行noma分析仿真實(shí)驗(yàn)2參數(shù)；

對(duì)于noma-miso單小區(qū)下行鏈路系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)如下：

表1

表2