CN107222261B - 非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法，包括如下步骤：(1)设置多光源多载波可见光通信系统的参数，包括信道参数、噪声大小和最大光功率，以最大化数据速率R为目标优化；(2)对直流偏置b优化，得到优化后的直流偏置b^*；(3)归一化波束成形向量{u_k}进行优化，k＝1,...,K‑1，其中K是子载波的总个数，得到优化后的归一化波束成形向量(4)根据优化后的归一化波束成形向量得到近似最优的波束成形向量ω^*。本发明的优化方法不需要额外改变系统硬件等外部条件，仅通过简单的计算，就能大大提升系统性能；当系统的最大光功率受限时，优化后的系统光强能够保持恒定，可以兼顾照明；本发明优化方法收敛速度快，易于实现，鲁棒性高。

Description

非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，尤其是一种非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法。

背景技术

可见光通信(VLC)是一种新兴的接入技术，兼顾了照明和通信，能满足高速数据业务，拥有包括成本低廉、绿色安全、保密性好、易于实现、电磁兼容性好在内的众多优势。

大量宽带可见光通信系统采用多载波技术，多载波技术易于实现，可以获得更高的频谱效率和功率效率。将多载波技术和可见光通信技术相结合，使其兼备了可见光通信和多载波技术的优势，是一种具有较高研究意义和实用价值的技术。

与传统射频无线通信不同的是，可见光通信使用强度调制直接检测(IM/DD)，即发射端用光强表示信号幅度，接收端检测光强来收取信号。发射端通过LED将电信号转变为光信号，通过信道传播后，在接收端通过光电二极管将光信号转换为电信号，用于解调电路处理。由于发送信号载体为光强，因而要求发送信号必须是非负实数。

由于发送信号必须为非负实数，传统射频中的多载波技术需要改进才能应用到可见光通信领域。直流偏置正交频分复用多载波技术(Direct-Current-Biased OpticalOFDM，简称DCO-OFDM)作为诸多改良方案中的一种，相比于其他方案具有频谱效率高的优势。DCO-OFDM在发送信号上叠加了直流分量，将叠加后仍小于零的部分削去，从而使得双极性信号变成了单极性信号，以满足可见光通信中信号非负性的条件。

在DCO-OFDM系统中，直流偏置可以调节，但并不传输信号。信号的有效信息是由传输有效功率驱动的波形携带，有效功率由波束成形向量决定。过大的直流偏置会浪费能量，而过小会导致信号严重畸变；过大的有效功率可以加强信号但会加重削波。直流偏置和有效功率同时受到光功率限制，需要提供一个想要的照明水平，因而需要设计一个最合适的直流偏置和有效功率的折衷方案。

可见光通信信道在自然界中一般是直视径，在复杂的室内环境下对于照明和通信而言都存在不同程度的遮挡影响。一般情况下，照明系统是由多路光源构成，因此可见光通信系统中可以利用多光源增加系统鲁棒性，消除复杂的室内环境对照明和通信的不利影响。多光源可以提供更高的传输速率和更好的通信质量，为需要达到用眼安全所需的照明强度控制提供了灵活度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法，能够给出最大化系统速率的直流偏置和波束成形向量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法，包括如下步骤：

(1)设置多光源多载波可见光通信系统的参数，包括信道参数、噪声大小和最大光功率， 以最大化数据速率R为目标优化；

(2)对直流偏置b优化，得到优化后的直流偏置b^*；

(3)归一化波束成形向量{u_k}进行优化，k＝1,...,K-1，其中K是子载波的总个数，得到优化后的归一化波束成形向量

(4)根据优化后的归一化波束成形向量得到近似最优的波束成形向量ω^*。

优选的， 步骤(2)中对直流偏置b优化， 具体包括如下步骤：

(21)引入中间变量简化问题，通过有效功率归一化得到直流偏置，取其负数作为中间变量其中是传输有效功率；

(22)考虑平坦信道下的情况，解出最优的中间变量x^*＝x^*·1，其中x^*＝arg_x f(x；γ_t)＝0,式中γ_i是第i路光源的信噪比，是整个系统的总信噪比，其中φ(x)是标准正态分布的概率密度函数，Q(x)是正态积分函数；(23)非平坦信道下高信噪比情况下的近似解近似于平坦信道情况下的最优解x_A＝x_A·1，其中x_A＝arg_x f(x；γ_A)＝0,式中k_m是有效子载波的个数，是第k个子载波上的总信噪比，γ_i,k是第i路光源在第k个子载波的信噪比；

(24)利用结果近似解x_A计算出近似最优的直流偏置其中是平均光功率，是第i路光源的平均光功率。

优选的，步骤(23)中求解方程f(x；γ_A)＝0的根x_A的方法：二分法。

优选的，步骤(3)中求解最优归一化波束成形向量u_k，具体包括如下步骤；

(31)定义归一化波束成形矩阵

(32)求最优解其中(·)⁺＝max{·,0}，λ满足g_k是第k个子载波的等效信道增益。

优选的，步骤(32)中等效信道增益g_k的定义内容：其中h_k是信道系数向量，是背景噪声，A是削波过程的衰减矩阵，A＝Diag(a),C定义为：

优选的，步骤(4)中根据优化后的归一化波束成形向量得到近似最优的波束成形向量ω^*，具体包括如下步骤：

(41)根据功率约束条件，可以得到有效功率其中q_o(x_i)＝φ(x_i)-x_iQ(x_i)；

(42)根据步骤(23)求出的中间变量的近似解x_A，求出对应的有效功率进一步求出归一化波束成形向量的近似解

(43)根据归一化波束成形向量的近似解求出近似最优波束成形向量

本发明的有益效果为：(1)本优化方法用于非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统优化方法，包括直流偏置和波束成形向量联合优化，并且考虑光功率限制的情况，本发明具有非常强的实用价值；(2)本发明的优化方法通过对多光源的DCO-OFDM可见光通信系统中的非线性过程建模，抽象出该问题的数学形式，该问题是一个复杂的高度非线性的非凸优化问题，可能存在多个局部极大值，本发明基于对该问题的等价变换给出了具体算法，能够得到精确的最优解；(3)本优化方法不需要额外改变系统硬件等外部条件，仅通过简单的计算，就能大大提升系统性能。采用本优化方法得到的直流偏置b和波束成形向量w能够最大化系统的数据速率；(4)当系统的最大光功率受限时，优化后的系统光强能够保持恒定，可以兼顾照明；(5)本发明优化方法收敛速度快，易于实现，结果精度高，鲁棒性高。

附图说明

图1为本发明的多光源多载波可见光通信系统的发射器结构示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

图3为本发明非平坦信道下两路光源系统中，不同优化策略下相对于信噪比的数据速率对比示意图。

图4为本发明非平坦信道下不同信噪比下，不同优化策略下的系统数据速率对比示意图。

图5为本发明非平坦信道下不同信噪比下，不同信道状态信息下的系统数据速率对比示意图。

具体实施方式

如图2所示，一种非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法，包括如下步骤：

(1)设置多光源多载波可见光通信系统的参数，包括信道参数、噪声大小和最大光功率，以最大化数据速率R为目标优化；

(2)对直流偏置b优化，得到优化后的直流偏置b^*；

(3)归一化波束成形向量{u_k}进行优化，k＝1,...,K-1，得到优化后的归一化波束成形向量

(4)根据优化后的归一化波束成形向量得到近似最优的波束成形向量ω^*。

步骤(2)中对直流偏置b优化，具体包括如下步骤：

(21)引入中间变量简化问题，通过有效功率归一化得到直流偏置，取其负数作为中间变量其中是传输有效功率，每路LED上的有效传输功率

(22)考虑平坦信道下的情况，解出最优的中间变量x^*＝x^*·1，其中x^*＝arg_xf(x；γ_t)＝0,式中是整个系统的总信噪比，γ_i是第i路光源的信噪比，其中φ(x)是标准正态分布的概率密度函数，Q(x)是正态积分函数；

(23)非平坦信道下高信噪比情况下的近似解近似于平坦信道情况下的最优解x_A＝x_A·1，其中x_A＝arg_x f(x；γ_A)＝0,式中k_m是有效子载波的个数，是第k个子载波上的总信噪比，γ_i,k是第i路光源在第k个子载波的信噪比；求解方程f(x；γ_A)＝0的根x_A的方法：二分法；

(24)利用结果近似解x_A计算出近似最优的直流偏置其中是平均光功率，是第i路光源的平均光功率。

步骤(3)中求解最优归一化波束成形向量u_k，具体包括如下步骤；

(31)定义归一化波束成形矩阵

(32)求最优解为其中(·)⁺＝max{·,0}，λ满足g_k是第k个子载波的等效信道增益。

步骤(32)中等效信道增益g_k的定义内容：其中h_k是信道系数向量，是背景噪声，A是削波过程的衰减矩阵，A＝Diag(a),C定义为：

步骤(4)中根据优化后的归一化波束成形向量得到近似最优的波束成形向量ω^*，具体包括如下步骤：

(41)根据功率约束条件，可以得到有效功率其中q_o(x_i)＝φ(x_i)-x_iQ(x_i)；

(42)根据步骤(2.3)求出的中间变量的近似解x_A，求出对应的有效功率进一步求出归一化波束成形向量的近似解

(43)根据归一化波束成形向量的近似解求出近似最优波束成形向量

图1为多光源多载波可见光通信系统的发射器框图。设本实施例中DCO-OFDM系统中子载波总数为2K，设第k个子载波通过本发明所提供的方法进行调制得到符号z_k，并且进行波束成形处理得到传输信号s_k＝ω_kz_k。由于光通信要求输出时域信号为实数，因而频域信号需要满足和s₀＝s_K＝0。由于带来的对称性，所以在本实施例中只考虑s_k，k＝1,...,K-1。经过快速离散傅立叶反变换(IFFT)得到时域信号s(n)。然后在第i路光源上的时域信号s_i(n)上叠加大小为b_i的直流分量得到s_dc,i(n)＝s_i(n)+b_i，，并将信号叠加直流分量后仍然小于零的部分削去以满足非负性要求，即s_dc,i(n)＝s_dc,i(n)u(s_dc,i(n))，其中u(s_dc,i(n))是单位阶跃函数。最后，数字信号s_dc,i(n)通过数字模拟转化器(D/A)和LED得到信号s_dc,i(t)。s_dc,i(t)的光功率是受限的，认为输出信道的光功率大小为

以可见光通信系统中较常见的光功率受限为例，以系统速率最大化为目标，计算最优的直流偏置b和波束成形向量ω。

具体实施步骤如下：

(1)参数设置：获取多光源多载波可见光通信系统在光功率受限时的最大光功率系统的噪声功率和第i路光源上第k个子载波的信噪比γ_i,k，有效子载波的个数k_m；定义标准正态分布函数和正态积分函数

(2)计算x_A＝x_A·1，其中x_A＝arg_x f(x；γ_A)＝0,式中k_m是有效子载波的个数，是第k个子载波上的总信噪比；

(3)根据x_A得到近似最优直流偏置和近似最优有效功率其中q_o(x_i)＝φ(x_i)-x_iQ(x_i)；

(4)根据b^*和σ^*求出对应的等效信道增益g_k，计算出近似最优的归一化波束成形向量其中(·)⁺＝max{·,0}，λ满足

(5)利用近似最优的归一化波束成形向量得到近似最优波束成形向量为：

图3为非平坦信道下两路光源系统中，不同优化策略下相对于各路信噪比的数据速率对比示意图。分别对比本发明提出的直流偏置波束成形向量简化法联合优化、直流偏置波束成形向量穷搜法联合优化、固定直流偏置b＝2σ和b＝4.4σ的策略下相对于信噪比的数据速率，可以得知，通过本发明提出的方法下的系统性能接近穷搜法下的系统性能，进行联合优化后的系统的数据速率明显高于固定直流偏置的策略下的系统，优化后的系统性能非常接近于全局最优算法。

图4为不同优化策略下的系统数据速率对比示意图。分别对本发明提出的直流偏置波束成形向量简化法联合优化、直流偏置波束成形向量穷搜法联合优化、固定直流偏置b＝σ、b＝2σ和b＝4.4σ的不同情况下的数据速率，通过本发明提出的方法下的系统性能接近穷搜法和均匀分配波束成形向量下的系统性能，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的数据速率明显高于比单独优化直流偏置和固定直流偏置策略下的系统，优化后的系统性能非常接近于全局最优算法。

图5为非平坦信道下不同信噪比下，不同信道状态信息(CSI)下的系统数据速率对比示意图。分别对比不同信道状态信息(CSI)下的系统数据速率，可知通过本发明提出的联合优化方法对于信道状态信息不敏感，鲁棒性高。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (3)

1.一种非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置多光源多载波可见光通信系统的参数，包括信道参数、噪声大小和最大光功率，以最大化数据速率R为目标优化；

(2)对直流偏置b优化，得到优化后的直流偏置b^*；具体包括如下步骤：

(21)引入中间变量简化问题，通过有效功率归一化得到直流偏置，取其负数作为中间变量其中是传输有效功率，每路LED上的有效传输功率

(22)考虑平坦信道下的情况，解出最优的中间变量x^*＝x^*·1，其中x^*＝arg_xf(x；γ_t)＝0,其中是整个系统的总信噪比，γ_i是第i路光源的信噪比，φ(x)是标准正态分布的概率密度函数，Q(x)是正态积分函数；

(23)非平坦信道下高信噪比情况下的近似解近似于平坦信道情况下的最优解x_A＝x_A·1，其中x_A＝arg_xf(x；γ_A)＝0,式中k_m是有效子载波的个数，是第k个子载波上的总信噪比，γ_i,k是第i路光源在第k个子载波的信噪比；

(24)利用结果近似解x_A计算出近似最优的直流偏置其中是平均光功率,是第i路光源的平均光功率；

(3)归一化波束成形向量{u_k}进行优化，k＝1,...,K-1，其中K是子载波的总个数，得到优化后的归一化波束成形向量具体包括如下步骤；

(31)定义归一化波束成形矩阵

(32)求解最优其中(·)⁺＝max{·,0}，λ满足g_k是第k个子载波的等效信道增益；

(4)根据优化后的归一化波束成形向量得到近似最优的波束成形向量ω^*；具体包括如下步骤：

(41)根据功率约束条件，可以得到有效功率其中q_o(x_i)＝φ(x_i)-x_iQ(x_i)；

(42)根据步骤(23)求出的中间变量的近似解x_A，求出对应的有效功率进一步求出归一化波束成形向量的近似解

(43)根据归一化波束成形向量的近似解求出近似最优波束成形向量

2.如权利要求1所述的非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法，其特征在于，步骤(23)中求解方程f(x；γ_A)＝0的根x_A的方法：二分法。

3.如权利要求1所述的非平坦信道下多光源多载波可见光通信系统的优化方法，其特征在于，步骤(32)中等效信道增益g_k的定义内容：其中h_k是信道系数向量，是背景噪声，A是削波过程的衰减矩阵，C定义为：