本發(fā)明屬于可見(jiàn)光通信領(lǐng)域，尤其涉及可見(jiàn)光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著4g網(wǎng)絡(luò)已在全世界范圍內(nèi)投入商用，“面向2020年及未來(lái)”的5g已成為全球無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與4g相比，5g提出了“1000倍數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)，100倍無(wú)線終端容量，10gbps峰值傳輸速率和100mbps-1gbps邊緣速率”等技術(shù)目標(biāo)，意味著5g對(duì)頻譜資源和能源消耗的要求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4g。由于5g要求的速率更快，頻譜利用率更高，傳統(tǒng)的正交多址接入已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，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)。

noma不同于傳統(tǒng)無(wú)線通信的方式是noma在功率域進(jìn)行復(fù)用，基站發(fā)送重疊碼給用戶(hù)，在接收機(jī)一側(cè)又對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行串行干擾消除，從而提高了頻帶利用率?？梢?jiàn)光通信作為5g中的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注?？梢?jiàn)光通信指利用可見(jiàn)光頻段的光作為信息載體進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑ǔ＠冒l(fā)光二極管(lightemittingdiode，led)發(fā)出的高速明暗變化光信號(hào)來(lái)傳輸信息。由于noma在高信噪比條件下性能更優(yōu)，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)往往可以提供高信噪比條件。此外，noma技術(shù)需要根據(jù)所有用戶(hù)的準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息進(jìn)行用戶(hù)分組、譯碼排序、功率分配等。可見(jiàn)光通信系統(tǒng)適用于室內(nèi)或室外短距離通信，容易獲得準(zhǔn)確的csi。因此，noma技術(shù)適用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。

在實(shí)際中，信道狀態(tài)信息由于估計(jì)誤差和反饋量化誤差是不理想的，有信道估計(jì)誤差。相比單天線的情形，多天線可以提供額外的自由度來(lái)增加noma性能。本發(fā)明研究了多輸入單輸出信道下下行noma系統(tǒng)的穩(wěn)健波束成形設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)的不足提供了一種有效地解決由于隨機(jī)信道狀態(tài)信息誤差，下行傳輸會(huì)發(fā)生中斷事件的可見(jiàn)光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案

可見(jiàn)光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法，具體包含如下步驟；

步驟1，對(duì)可見(jiàn)光通信蜂窩網(wǎng)中miso-noma單小區(qū)下行鏈路中存在的有界的信道估計(jì)誤差進(jìn)行建模：

其中，hk為理想的信道，ek代表信道估計(jì)誤差，k代表總的用戶(hù)數(shù)，k和k都是正整數(shù)，且k≤k；

步驟2，對(duì)k個(gè)用戶(hù)估計(jì)的信道增益值按遞增順序?qū)τ脩?hù)進(jìn)行標(biāo)記；

當(dāng)用戶(hù)接收到重疊信號(hào)時(shí)，第k個(gè)用戶(hù)在經(jīng)過(guò)串行干擾消除去除掉用戶(hù)1...k-1的信號(hào)后解碼自己的信息，在解碼第j個(gè)用戶(hù)的信號(hào)sj(t)之前，第i個(gè)用戶(hù)接收的信號(hào)可以表示為：

其中，a代表直流偏置向量，ni為第i個(gè)用戶(hù)的高斯白噪聲，wj代表波束成形向量，1≤i≤j≤k，t為共軛轉(zhuǎn)置，ei代表第i個(gè)用戶(hù)的信道估計(jì)誤差，sj代表第j個(gè)用戶(hù)的信號(hào)信息；

步驟3：根據(jù)互信息推導(dǎo)出用戶(hù)速率閉式表達(dá)式：

其中，rk,i代表第k個(gè)用戶(hù)譯第i個(gè)接收用戶(hù)的信息，σ²代表噪聲功率，αj,γj,εj分別為信道增益的參數(shù)；

步驟4：在滿(mǎn)足用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量條件下，則最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)表示為

||e||²≤a²(3)

式中，α為給定的有界的信道誤差；

步驟5：利用凸優(yōu)化方法，對(duì)步驟4所建最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行松弛變換，進(jìn)而利用內(nèi)點(diǎn)法完成求解。

作為本發(fā)明可見(jiàn)光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟3具體推導(dǎo)過(guò)程如下：

式中，wj代表波束成形向量。

作為本發(fā)明可見(jiàn)光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟5中，所述最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)求解過(guò)程具體如下：

對(duì)步驟4所建最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行松弛變換：

通過(guò)定義w＝wjwj^t，通過(guò)s引理，不等式簡(jiǎn)化為：

ek^tajek+2re{ek^tak,j}+ck,j≥0,

式中

作為本發(fā)明可見(jiàn)光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟2中，k取值3。

作為本發(fā)明可見(jiàn)光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟3中，i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)明建立noma的系統(tǒng)模型，在滿(mǎn)足用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)能最小化發(fā)射功率，滿(mǎn)足未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)中節(jié)能減耗的要求，利用凸優(yōu)化方法，對(duì)所建非凸的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行松弛變換，然后利用內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行求解；相比于現(xiàn)有的建模及處理方法，本發(fā)明能在信道估計(jì)誤差存在的條件下，滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求，減少中斷概率。

附圖說(shuō)明

圖1是noma基本原理的系統(tǒng)示意圖；

圖2(a)是用戶(hù)1速率的累積分布仿真圖；

圖2(b)是用戶(hù)2速率的累積分布仿真圖；

圖2(c)是用戶(hù)3速率的累積分布仿真圖；

圖3為本發(fā)明所提算法和其他建模方法在不同目標(biāo)速率要求下總功率的仿真圖。

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(shuō)明：

由于隨機(jī)信道狀態(tài)信息誤差，下行傳輸會(huì)發(fā)生中斷事件。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們旨在設(shè)計(jì)穩(wěn)健波束成形，最小化發(fā)射功率同時(shí)滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求。

如圖1所示，可見(jiàn)光通信noma-miso單小區(qū)下行鏈路中有界信道估計(jì)誤差的穩(wěn)健波束成形設(shè)計(jì)方法中，系統(tǒng)函數(shù)建模步驟如下：

步驟1：在實(shí)際中，信道狀態(tài)信息由于估計(jì)誤差和反饋量化誤差是不理想的，本發(fā)明關(guān)注由于估計(jì)誤差造成的信道狀態(tài)信息的誤差，它服從均勻分布。因此，所要求的信道狀態(tài)信息的的模型如下：

步驟2：依照這個(gè)假設(shè)，用戶(hù)估計(jì)信道增益按升序排序，依照noma的原則，基站發(fā)射給最壞信道增益的用戶(hù)更多的信號(hào)為了公平和在功率域信號(hào)的區(qū)分。一旦接收到重疊信號(hào)，第k個(gè)用戶(hù)在經(jīng)過(guò)串行干擾消除去除掉用戶(hù)1...k-1的信號(hào)后解碼自己的信息。在解碼第j個(gè)用戶(hù)的信號(hào)sj(t)之前，第i個(gè)用戶(hù)接收的信號(hào)可以表示為：

步驟3：本發(fā)明根據(jù)互信息可以推導(dǎo)用戶(hù)速率閉式表達(dá)式

步驟4：穩(wěn)健波束成形旨在最小化發(fā)射功率，同時(shí)要滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求，在這里我們考慮的是有界的信道誤差，要求解的問(wèn)題如下：

目標(biāo)函數(shù)為最小化發(fā)射功率，約束條件為速率滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求，由于無(wú)界的誤差會(huì)造成功率損耗非常大，所以在本發(fā)明中考慮的誤差是有界的。這個(gè)問(wèn)題是非凸問(wèn)題，下面給出我們的解決方案。

步驟5：為了便于推導(dǎo)，我們采取半正定松弛解決優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)定義w＝wjwj^t，不等式可以簡(jiǎn)化為：

ek^tajek+2re{ek^tak,j}+ck,j≥0,(6)

式中

和

在這里我們是通過(guò)s引理來(lái)求解這個(gè)問(wèn)題，s引理具體內(nèi)容如下：

引理1：(s引理)

令fi(x)＝x^haix+2re{x^hri}+zi,i＝0,1，其中x∈c^n×1,ai∈c^n×n,zi∈r,i＝0,1。假設(shè)存在向量使得成立，那么下面兩個(gè)條件是等價(jià)的

(1)如果x滿(mǎn)足f0(x)≥0，那么f1(x)≤0；

(2)存在λ≥0滿(mǎn)足

根據(jù)引理1，e′ie-a²≤0，滿(mǎn)足f1(x)≤0，速率約束滿(mǎn)足f0(x)≥0

對(duì)于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)noma-miso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)方案與其他存在的建模方法下波束成形向量在實(shí)際環(huán)境下速率的累積分布函數(shù)圖。如圖所示：圖2(a)是用戶(hù)1的速率的累積分布仿真圖；圖2(b)是用戶(hù)2的速率的累積分布仿真圖；圖2(c)是用戶(hù)3的速率的累積分布仿真圖；可以看出發(fā)明方法都滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求，沒(méi)有中斷，而沒(méi)有進(jìn)行穩(wěn)健波束成形設(shè)計(jì)的方法部分不滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求，有中斷概率。仿真實(shí)驗(yàn)所涉及的參數(shù)如表1所示；表1是noma-miso單小區(qū)下行鏈路系統(tǒng)的仿真參數(shù)(實(shí)驗(yàn)1)；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(mǎn)足用服務(wù)質(zhì)量的需求下所需發(fā)射總功率。如圖3所示，可以看出由于本發(fā)明方法要對(duì)干擾進(jìn)行處理，所以在達(dá)到相同速率門(mén)限時(shí)所需的功率更多。仿真實(shí)驗(yàn)所涉及的參數(shù)如表2所示.表2是noma-miso單小區(qū)下行鏈路系統(tǒng)的仿真參數(shù)(實(shí)驗(yàn)2)

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

表1

表2

。