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Vlcmu-miso系統(tǒng)下行波束成型方法、裝置及vlcmu-miso系統(tǒng)的制作方法

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Vlc mu-miso系統(tǒng)下行波束成型方法、裝置及vlc mu-miso系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication,VLC)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉 及一種VLC MU_MISO(Multiple Users-Multiple Input-Single Output,多用戶(hù)的多輸入 單輸出)系統(tǒng)下行波束成型方法、裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 可見(jiàn)光通信(VLC)是一種不需要使用有線(xiàn)信道為傳輸媒介的新型通信方式,其結(jié) 合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn),既具有高速傳輸和大可達(dá)速率的優(yōu)點(diǎn),又不需要鋪設(shè)光 纖,因此各國(guó)在可見(jiàn)光通信領(lǐng)域投入大量人力和物力,并取得了階段性的成果。
[0003] 多輸入多輸出(MHTO)技術(shù)是現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)射頻通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)核心傳輸技術(shù)。mMO 技術(shù)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上配置多根天線(xiàn),利用散射與干擾造成的信道間不相關(guān),在相同的 發(fā)射功率下,取得遠(yuǎn)高于單入單出(SIS0)系統(tǒng)的可達(dá)速率。雖然MM0技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛 的研究,但是由于用戶(hù)終端的物理尺寸限制使得MM0的應(yīng)用范圍受到了較大限制。因此,多 輸入單輸出(MIS0)技術(shù)更適用于移動(dòng)通信。在單用戶(hù)MIS0技術(shù)的基礎(chǔ)上,多用戶(hù)MIS0(MU-MIS0)技術(shù)由于能夠在相同的時(shí)間和頻率上實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)流和多用戶(hù)的空間復(fù)用并提供豐富 的空間分集增益和多用戶(hù)分集增益,有望成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。
[0004] 目前,MU-MIS0技術(shù)已經(jīng)被引入可見(jiàn)光通信系統(tǒng),以提高系統(tǒng)的帶寬利用率與可靠 性。在MU-MIS0系統(tǒng)中,下行波束成型矩陣的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要課題,在發(fā)射端對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn) 行波束成型處理可以有效提高系統(tǒng)的可達(dá)速率。現(xiàn)有下行波束成型矩陣通常是通過(guò)對(duì)波束 成型矩陣優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解得到,一方面,波束成型矩陣優(yōu)化模型設(shè)計(jì)的合理與否直 接決定了可達(dá)速率、功耗、Qos等下行信號(hào)傳輸參數(shù);另一方面,隨著波束成型矩陣優(yōu)化模型 設(shè)計(jì)地越來(lái)越復(fù)雜,涉及參數(shù)越來(lái)越多,也對(duì)優(yōu)化求解算法提出了更高要求,優(yōu)化求解算法 設(shè)計(jì)的不足會(huì)對(duì)下行信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性產(chǎn)生嚴(yán)重影響,并會(huì)對(duì)系統(tǒng)硬件提出更高 的要求。因此,波束成型矩陣優(yōu)化模型與優(yōu)化求解算法這兩者均是VLC MU-MIS0系統(tǒng)中的核 心要素,直接決定了系統(tǒng)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足,提供一種VLC MU-MIS0系統(tǒng)下行 波束成型方法,采用一種雙層迭代的優(yōu)化算法進(jìn)行波束成型矩陣優(yōu)化模型的優(yōu)化求解,對(duì) 系統(tǒng)硬件要求較低。
[0006] 本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題:
[0007] 一種VLC MU-MIS0系統(tǒng)下行波束成型方法,首先通過(guò)對(duì)波束成型矩陣優(yōu)化模型進(jìn) 行優(yōu)化求解,得到最優(yōu)的波束成型矩陣,所述波束成型矩陣優(yōu)化模型為最大化目標(biāo)函數(shù)的 優(yōu)化模型;然后按照所述波束成型矩陣進(jìn)行下行波束成型;采用雙層迭代方法對(duì)波束成型 矩陣優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解,具體包括以下步驟:
[0008] 步驟1、設(shè)置波束成形矩陣初始值Wi、最大外層迭代次數(shù)imax、收斂精度e、松弛因子 〇、外層迭代步長(zhǎng)s、內(nèi)層迭代步長(zhǎng)0,并初始化外層迭代次數(shù)i = 1;
[0009] 步驟2、分別計(jì)算波束成型矩陣優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)C(W)在下行波束成型矩陣W =Wi處的梯度矩陣仏的各列,i為當(dāng)前外層迭代次數(shù);
[0010] 步驟3、計(jì)算胃/=1+沿;
[0011] 步驟4、將W/投影到定義域,得其中離為如下凸優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解:最小化 |辦-W||F,使得波束成型矩陣優(yōu)化模型中的約束條件得到滿(mǎn)足;其中,I |A| |「表示矩陣A的 Frobenius 范數(shù);
[0012] 步驟5、初始化內(nèi)層迭代次數(shù)m=l,最大內(nèi)層迭代次數(shù)nw;
[0013] 步驟6、計(jì)算W+1 =埤 +/T(% -W);
[0014] 步驟7、如果r(\\: j 幻或者m = mmax,進(jìn)行下一步;否則,m =m+l并返回步驟6;其中,tr[A]表示矩陣A的跡;
[0015] 步驟 8、如果 | |vec{abs(Wi+i_Wi)}| |m<e 或者 i = imax,進(jìn)行下一步;否則,i = i+l 并 返回步驟2,其中,vec{A}表示對(duì)矩陣A做拉直運(yùn)算,| |a| |〇〇表示向量a的無(wú)窮范數(shù);
[0016]步驟9、輸出最優(yōu)波束成型矩陣Wi+1。
[0017] 在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上,本發(fā)明進(jìn)一步地提出一種波束成型矩陣優(yōu)化模型,能夠 有效提尚系統(tǒng)的可達(dá)速率,具體如下:
[0018] 如上所述下行波束成型方法,所述波束成型矩陣優(yōu)化模型具體如下:
[0019] 優(yōu)化目標(biāo)為:
[0020]最大化 C(W)
[0021] 約束條件為:
[0022] abs(ff)Ikxi < p
[0023]其中,目標(biāo)函數(shù)C(W)的表達(dá)式如下:
[0025] 式中,為圓周率,e為自然常數(shù),g是發(fā)送信號(hào)的方差,<4 = 1,2,.^為第1^個(gè)用戶(hù) 接收機(jī)噪聲的方差,H為信道矩陣,W表示波束成型矩陣,H(k,〇表示H的第k行,W(:, k)表示W(wǎng)的 第k列,abs(W)表示對(duì)W中所有元素取絕對(duì)值;1KX1表示所有元素均為1且元素?cái)?shù)量為K的列向 量,K為用戶(hù)數(shù);p表示由所述VLCMU-MIS0系統(tǒng)中發(fā)射端的所有N個(gè)LED陣列的最大發(fā)射功率 組成的向量。
[0026] 根據(jù)相同的發(fā)明思路還可以得到以下技術(shù)方案:
[0027] 一種VLC MU-MIS0系統(tǒng)下行波束成型裝置,包括優(yōu)化單元和波束成形單元;所述優(yōu) 化單元通過(guò)對(duì)波束成型矩陣優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解,輸出最優(yōu)的波束成型矩陣,所述波束 成型矩陣優(yōu)化模型為最大化目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型;所述波束成形單元按照優(yōu)化單元輸出的 波束成型矩陣進(jìn)行下行波束成型;優(yōu)化單元采用雙層迭代方法對(duì)波束成型矩陣優(yōu)化模型進(jìn) 行優(yōu)化求解,具體包括以下步驟:
[0028] 步驟1、設(shè)置波束成形矩陣初始值I、最大外層迭代次數(shù)imax、收斂精度e、松弛因子 〇、外層迭代步長(zhǎng)s、內(nèi)層迭代步長(zhǎng)0,并初始化外層迭代次數(shù)i = 1;
[0029] 步驟2、分別計(jì)算波束成型矩陣優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)C(W)在下行波束成型矩陣W =Wi處的梯度矩陣仏的各列,i為當(dāng)前外層迭代次數(shù);
[0030] 步驟 3、計(jì)算 W/=Wi+sGi;
[0031] 步驟4 4^1'投影到定義域,得憲?,其中為如下凸優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解:最小化 -W/|F,使得波束成型矩陣優(yōu)化模型中的約束條件得到滿(mǎn)足;其中,| | A | | F表示矩陣A的 Frobenius 范數(shù);
[0032] 步驟5、初始化內(nèi)層迭代次數(shù)m=l,最大內(nèi)層迭代次數(shù)mmax;
[0033] 步驟6、計(jì)算%+1 =界 +/T(界-W,);
[0034] 步驟7、如果C(U-C(W)乏或者m = mmax,進(jìn)行下一步;否則,m =m+l并返回步驟6;其中,tr[A]表示矩陣A的跡;
[0035] 步驟8、如果 | |vec{abs(Wi+i_Wi)} | |m<e或者i = imax,進(jìn)行下一步;否則,i = i+l并 返回步驟2,其中,vec{A}表示對(duì)矩陣A做拉直運(yùn)算,| |a| |〇〇表示向量a的無(wú)窮范數(shù);
[0036]步驟9、輸出最優(yōu)波束成型矩陣Wi+1。
[0037]進(jìn)一步地,所述波束成型矩陣優(yōu)化模型具體如下:
[0038]優(yōu)化目標(biāo)為:
[0039]最大化 C(W)
[0040] 約束條件為:
[0041] abs(ff)Ikxi < p
[0042]其中,目標(biāo)函數(shù)C(W)的表達(dá)式如下:
[0044] 式中,為圓周率,e為自然常數(shù),<是發(fā)送信號(hào)的方差,= 為第k個(gè)用戶(hù) 接收機(jī)噪聲的方差,H為信道矩陣,W表示波束成型矩陣,H(k,〇表示H的第k行,W(:,k)表示W(wǎng)的 第k列,abs(W)表示對(duì)W中所有元素取絕對(duì)值;1KX1表示所有元素均為1且元素?cái)?shù)量為K的列向 量,K為用戶(hù)數(shù);p表示由所述VLC MU-MIS0系統(tǒng)中發(fā)射端的所有N個(gè)LED陣列的最大發(fā)射功率 組成的向量。
[0045] -種VLC MU-MIS0系統(tǒng),包括如上任一技術(shù)方案所述下行波束成型裝置。
[0046] 相比現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明及其進(jìn)一步改進(jìn)方案具有以下有益效果:
[0047] 本發(fā)明采用雙層迭代方法對(duì)波束成型矩陣優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解,每次迭代計(jì)算 復(fù)雜度較低,對(duì)硬件資源要求較低,易于工程實(shí)現(xiàn)。
[0048] 本發(fā)明進(jìn)一步提出了以可達(dá)速率最大化為優(yōu)化目標(biāo)的波束成型矩陣優(yōu)化模型,可 大幅度提高系統(tǒng)下行鏈路的可達(dá)速率。
【附圖說(shuō)明】
[0049] 圖1為【具體實(shí)施方式】中下行波束成型矩陣的獲取流程;
[0050] 圖2為仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0052] 本發(fā)明針對(duì)VLC MU-MIS0系統(tǒng)的下行波束成型問(wèn)題,提出了一種新的方法,利用雙 層迭代的優(yōu)化求解方法進(jìn)行波束成型矩陣優(yōu)化模型的優(yōu)化求解,降低了優(yōu)化計(jì)算過(guò)程對(duì)硬 件資源的要求;并進(jìn)一步提出以可達(dá)速率最大化為優(yōu)化目標(biāo)的波束成型矩陣優(yōu)化模型,大 幅提高了系統(tǒng)下行鏈路的可達(dá)速率。
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