CN109831252B - 一种可见光通信中的多用户发送预编码设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光通信中的多用户发送预编码设计方法，属于无线光通信领域。所述方法综合考虑了LED的非线性和照明要求，建立光学约束下的多用户发送预编码算法，因而本发明方法可以在保持期望室内照度水平的同时抑制多用户干扰，所以更适合应用于多用户可见光通信系统。且该方法制定了符合实际约束的最佳发送预编码，以最大化用户之间的最小信号与干扰加噪声比为目标，与传统的基于伪逆的迫零算法相比，具有显着的性能增益；进一步的，由于可见光通信中多用户发送预编码的设计问题是拟凸的，通过二分法可以有效地获得发送预编码矩阵的最优解，同时获得期望调光水平所需的直流偏压，具有调光控制功能。

Description

一种可见光通信中的多用户发送预编码设计方法

技术领域

本发明涉及一种可见光通信中的多用户发送预编码设计方法，属于无线光通信领域。

背景技术

基于LED的可见光通信可在未经许可的频谱中运行，同时具有高级别的信息安全性，低成本，高数据速率等优点，因而成为国内外众多学者的研究方向。利用可见光通信不但可以实现数据广播、室内定位和智能交通控制等功能，同时也适合在水下和飞机内部等特殊环境中进行无线传输，且与传统通信相比，具有更高的定向性和保密性。

LED的可见光通信中，安装多个LED源不但可以给外界提供足够的照明，也可以向多个用户提供无线服务。但由于用户终端可以检测来自多个LED的光线，通信过程中可能会产生用户间干扰，严重降低系统性能。因此，需要利用发送预编码技术，以抑制用户间干扰并改善通信系统的性能。

发送预编码技术在射频通信中已经广泛应用，但是，传统方法中将其调制限制为零均值的特殊情况，而没有考虑LED的可见光通信的非零均值的情况，例如脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)；而考虑到可见光通信中，LED的主要功能是提供照明然后进行通信，非零均值的情况会影响其照度水平，所以在LED可见光通信中，采用发送编码技术的前提是要保证其照度水平，因而调光控制在实际应用中也至关重要，所以需要开发一种多用户发送预编码设计和可见光中的调光控制相结合的方案。

发明内容

因为LED是一种非线性元件，在有限范围内，输入电流与输出光强度为线性关系，一旦输入电流超出了有限范围，则LED就会出现非线性失真进而达不到期望的调光水平，因此LED传输的信号要被限制在有限的线性动态范围内。而当信号调制频率高于100Hz时，人们肉眼只能感知LED的平均光强度，因此平均光功率应随时间保持恒定以提供稳定的亮度。当使用具有非零均值的一般调制时，将导致复杂的光功率约束以及比零均值调制的特殊情况更难以处理的设计目标函数；所以为了解决LED可见光通信中既要保证照度水平又要减轻多用户之间的相互干扰，本发明提出了一种可见光通信中多用户发送预编码设计方法及其应用。

一种可见光通信中多用户发送预编码设计方法，所述方法包括：

步骤1：假设P表示预编码发送矩阵，p为P的向量化，则根据LED的非线性和调光控制的要求，确定p所需满足的约束条件为：

其中，Δ为Δ^T与

的Kronecker乘积，C为

与

的Kronecker乘积，

为大小为N_t的单位矩阵，d_H为所需驱动电流与最大驱动电流之差，d_L为所需驱动电流与最小驱动电流之差，向量f为引入的辅助优化变量；N_r为用户的数目，(·)^T表示矩阵的转置操作，向量h_k表示从LED阵列跨越到第k个用户的信道矩阵，v_k表示第k个位置的元素为σ_k、其它位置的元素为零的列向量，σ_k为第k个用户的接收机噪声的方差，B_k和ε_k分别为常系数矩阵和常系数：

是大小为N_tN_r的全零向量，γ为非负值，W_k为

与

的Kronecker乘积，e_i表示在第i个元素中具有单个全零向量；

步骤2：根据步骤1中确定的p所需满足的约束条件确定p的可行解后，设s＝[s₁,…,s_j,…,s_Nr]^T表示所有用户的幅度有限的实数符号向量，其中s_j表示发送给第j个用户的符号，其中Δ_L,j≤s_j≤Δ_H,j，Δ_L,j和Δ_H,j是已知的调制相关值，确定第i个LED发送的信号x_i：

其中，pi_j为P中第i行第j列的元素；d_i表示第i个LED的直流偏置量；

去除直接调节直流偏置之后，得到第k个用户的接收信号y_k：

其中h_k是从LED阵列跨越到第k个用户的信道矩阵，n_k是方差为

的加性高斯白噪声；

步骤3：确定保证LED平均光功率保持恒定的约束条件：

LED平均光功率E{x}＝PE{s}+d＝Pb+d＝d_t，则为达到期望调光水平所需的直流偏置量为：d＝d_t-Pb

其中，其中

表示直流偏置量，

是s的平均值，d_t表示目标调光水平所需的驱动电流的平均值。

可选的，所述步骤一中，对式(7)求解采用二分法。

可选的，所述对式(7)求解采用二分法，包括：

a.设置γ取值范围[γ₁,γ₂]和目标精度ρ＞0，令γ_min＝γ₁,γ_max＝γ₂；

b.采用标准凸优化方法求解可见光通信中融合调光控制的多用户发送预编码设计的优化问题，如果存在可行的预编码发送矩阵p满足设计的目标函数，则令γ_min＝γ。

c.如果γ_max-γ_min＞ρ，则令γ＝(γ_max+γ_min)/2，返回步骤b，否则将输出迭代运算中最后一次得到的可行解作为第k个用户的最佳发送预编码向量：

其中p′是具有调光控制的可见光通信中多用户发送预编码设计的优化问题的最终可行解。

可选的，所述b中，如果不存在可行的预编码发送矩阵p满足设计的目标函数，则令γ_max＝γ。

可选的，所述方法适用于非零均值调制的调制方案。

可选的，所述方法适用于脉冲幅度调制和脉冲位置调制。

可选的，所述方法能够保持期望室内照度水平的同时还能够抑制多用户干扰。

本发明的另一个目的在于提供上述可见光通信中多用户发送预编码设计方法在无线光通信领域中的应用。

可选的，所述无线光通信领域包括可见光通信。

可选的，所述可见光通信包括LED可见光通信。

本发明有益效果是：

本发明方法考虑了非零均值调制的特殊情况，能够支持多用户可见光通信系统中的一般调制方案，例如脉冲幅度调制(PAM)和脉冲位置调制(PPM)，综合考虑了LED的非线性和照明要求，建立光学约束下的多用户发送预编码算法，因而本发明方法可以在保持期望室内照度水平的同时抑制多用户干扰，所以更适合应用于多用户可见光通信系统；且该方法制定了符合实际约束的最佳发送预编码，以最大化用户之间的最小信号与干扰加噪声比为目标，与传统的基于伪逆的迫零算法相比，具有显着的性能增益。进一步的，由于可见光通信中多用户发送预编码的设计问题是拟凸的，通过二分法可以有效地获得发送预编码矩阵的最优解，同时获得期望调光水平所需的直流偏压，具有调光控制功能。在评估通信性能的普遍度量和最优发送预编码矩阵下，用户之间的最小信号与干扰加噪声比最大，因此，本发明方法提出的发送预编码与调光控制相结合的性能为最优的。综上所述，本发明提出的多用户发送预编码方法适用于一般调制方式，可根据照明要求进行调光控制，在误码率方面优于传统的基于伪逆的迫零算法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为室内多用户可见光通信系统示意图。

图2为可见光通信发送信号原理图。

图3为室内可见光通信中LED和多用户的位置分布图。

图4为场景1可见光通信系统的发送预编码方案的误码率曲线。

图5为场景2可见光通信系统的发送预编码方案的误码率曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种具有调光控制的可见光通信中多用户发送预编码的设计方法，针对可见光通信中非零均值调制的特殊情况，综合考虑了LED非线性和照明要求，基于LED的照明设施可同时用于照明和通信。

本实施例以图1所示通信系统为例进行说明，图1给出了室内多用户可见光通信系统的示意图，该系统的信号发送阵列由9个位于天花板上的照明LED组成，LED可同时向位于接收面的用户发送光信号，因此，不同用户之间存在通信干扰。

为便于理解，请参考图2，图2给出了可见光通信中LED发送信号原理图；为了减轻多用户干扰，利用发送预编码技术对信号进行处理，然后添加合适的直流偏置量产生正信号。本发明方法的具体实施过程，如下：

步骤1：求解可见光通信中融合调光控制的多用户发送预编码优化问题，获取最优的发送预编码矩阵。

设s＝[s₁,…,s_j,…,s_Nr]^T表示所有用户的幅度有限的实数符号向量，其中s_j表示发送给第j个用户的符号，Δ_L,j≤s_j≤Δ_H,j，Δ_L，_j和Δ_H，_j是已知的调制相关值。

在可见光通信中，由于LED是非线性元件，因此第i个LED传输的信号要被限制在有限的线性动态范围内，即d_L,i≤x_i≤d_H,i，其中d_L,i和d_H,i分别表示第i个LED允许的最小和最大驱动电流，第i个LED发送的信号记为x_i。

将发送预编码矩阵表示为

N_r为用户数目，N_t为LED数目，第j个用户的发送预编码矢量记为p_j，p_j是P的第j列。

由于当调制频率高于100Hz时人们只能感知LED的平均光强度，因此平均光功率应随时间保持恒定以提供稳定的亮度，所以E{x}＝PE{s}+d＝Pb+d＝d_t，其中

表示直流偏置量，

是s的平均值，d_t表示目标调光水平所需的驱动电流的平均值。

为了抑制多用户干扰，根据信道状态信息设计发送预编码，然后添加合适的直流偏置产生正信号。因此，第i个LED阵列发送的信号可以表示为：

其中pi_j是P的第(i,j)个元素，d_i为第i个LED的直流偏置量。

由于|s_j-c_j|≤Δ_j，其中

|·|表示绝对值运算符，则x_i的动态范围为：

e_i表示在第i个元素中具有单个的全零向量，(·)^T表示矩阵的转置，abs{·}是元素绝对值运算符，Δ＝[Δ₁，…，Δ_k]^T，c＝[c₁，…，c_k]^T。

因此，为了保证所有LED在其有限的线性动态范围内工作，会产生以下光学限制：

其中d_L＝[d_L,1,…,d_L,Nt]^T，

根据p＝vec(P)，vec(·)表示矩阵的向量化，产生的光学限制可以重新表示为：

Δf-Cp≤d_L,Δf+Cp≤d_H，-f≤p≤f (3)

其中f为引入的辅助优化变量，

I_N是大小为N的单位矩阵，

d_L＝d_t-d_L，d_H＝d_H-d_t。因为E{x}＝PE{s}+d＝Pb+d＝d_t，所以直流偏置量d_t随时间保持恒定。通过重新构造调光约束，获得期望调光水平所需的直流偏置量可以表示为：

d＝d_t-Pb (4)

第k个用户的接受信号表示为

其中h_k是从LED阵列跨越到第k个用户的信道矩阵，n_k是方差为

的加性高斯白噪声(AWGN)。则第k个用户通信性能的普遍度量可表示为：

其中，p_i和p_j分别为P的第i和j列；b_j和u_j分别表示s_j的均值和平均幂，即b_j＝E{s_j}，

给定一非负值γ，令SINR_k≥γ，多用户发送预编码优化问题可以重新表示为：

选择P，使得

达到最大，P满足下列条件：

Δf-Cp≤d_L,Δf+Cp≤d_H，-f≤p≤f (6)

上式中的多用户发送预编码优化问题是拟凸问题，这种情况下，可以将下列二阶锥规划形式的预编码发送矩阵优化问题与二分法结合进行求解：

是否存在可行的p，同时满足下列条件：

求解过程如下：

a.设置γ取值范围[γ₁,γ₂]和目标精度ρ＞0，令γ_min＝γ₁,γ_max＝γ₂；

为使用户之间的最小信号与干扰加噪声比最大化，γ₁、γ₂取值需满足：γ₁要足够小，使得当γ＝γ₁时，具有调光控制的可见光通信中多用户发送预编码设计的优化问题时可行的，并且γ₂要足够大，使得当γ＝γ₂时，具有调光控制的可见光通信中多用户发送预编码设计的优化问题时可行的；

b.采用标准凸优化方法求解所述的可见光通信中融合调光控制的多用户发送预编码设计的优化问题，如果存在可行的预编码发送矩阵p满足设计的目标函数，则令γ_min＝γ，否则，令γ_max＝γ；

c.如果γ_max-γ_min＞ρ，则令γ＝(γ₁+γ₂)/2，返回步骤b，否则将输出迭代运算中最后一次得到的可行解作为第k个用户的最佳发送预编码向量：

其中p′是具有调光控制的可见光通信中多用户发送预编码设计的优化问题的最终可行解；

因为γ∈[γ₁,γ₂]，为使用户之间的最小SINR最大化，当γ＝γ₂时，所述的发送预编码问题存在可行的P。因此，当目标精度ρ足够小时，该迭代运算最后输出的P都是可行解。

步骤2：：设s＝[s₁,…,s_j,…,s_Nr]^T表示所有用户的实际有限幅度符号矢量，其中s_j表示发送给第j个用户的符号，其中Δ_L,j≤s_j≤Δ_H,j，Δ_L,j和Δ_H,j是已知的调制相关值，根据下式计算第i个LED发送的信号x_i：

其中，pi_j为P中第i行第j列的元素，d_i为第i个LED的直流偏置量。

在接收处，光电检测器将检测到的光线转换成电信号。在去除直接调节直流偏置之后，可得到第k个用户的接收信号yk：

其中h_k是从LED阵列跨越到第k个用户的信道矩阵，n_k是方差为

的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)；

步骤3：为保持稳定的调光水平，平均光功率随时间保持恒定，E{x}＝PE{s}+d＝Pb+d＝d_t，则为达到期望调光水平所需的直流偏置量为：

d＝d_t-Pb (4)

其中，其中

表示直流偏置量，

是s的平均值，d_t表示目标调光水平所需的驱动电流的平均值。

图3给出了LED、场景1用户和场景2用户分布情况，其中LED个数为9，场景1用户数为6，场景2用户数为8，图4为N_t＝9和N_r＝6的室内多用户可见光通信系统发送预编码方案的误码性能仿真图，图5为N_t＝9和N_r＝8的室内多用户可见光通信系统发送预编码方案的误码性能仿真图。仿真结果显示，本发明方法给出的发送预编码方法有效减少了多用户干扰，使用脉冲幅度调制的可见光通信系统的性能随着调制阶数的增加而降低，在相对较低或较高的调光水平下，脉冲位置调制能够提供稳定的通信链路。

在图4和图5中观察到，本发明提出的发送预编码方法与传统的基于伪逆的迫零算法相比，实现了显著的误码率性能增益；随着调制阶数的增加，使用PAM的多用户可见光通信系统的性能降低；对比PAM和PPM，采用更高阶的PPM可以更好地提高性能；此外，我们还可以从图中观察到，当调光水平相对较低或较高时，采用PAM的多用户可见光通信系统性能损失较高，而采用PPM的多用户可见光通信系统性能表现较好，因此采用PPM可以在相对较低或较高的调光水平下提供稳定的通信链路

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可见光通信中多用户发送预编码设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：假设P表示预编码发送矩阵，p为P的向量化，则根据LED的非线性和调光控制的要求，确定p所需满足的约束条件为：

其中，Δ为Δ^T与

的Kronecker乘积，Δ＝[Δ₁，...，Δ_k]^T，其中

Δ_L,k和Δ_H,k是已知的调制相关值；C为

与

的Kronecker乘积，

c＝[c₁，…，c_k]^T，

为大小为N_t的单位矩阵，d_H为所需驱动电流与最大驱动电流之差，d_L为所需驱动电流与最小驱动电流之差，向量f为引入的辅助优化变量；N_r为用户的数目，(·)^T表示矩阵的转置操作，向量h_k表示从LED阵列跨越到第k个用户的信道矩阵，v_k表示第k个位置的元素为σ_k、其它位置的元素为零的列向量，σ_k为第k个用户的接收机噪声的方差，B_k和ε_k分别为常系数矩阵和常系数：

是大小为N_tN_r的全零向量，γ为非负值，W_k为

与I_Nt的Kronecker乘积，e_i表示在第i个元素中具有单个全零向量，N_t为LED数目；

b_k＝E{s_k}，其中s_k表示发送给第k个用户的符号；

步骤2：根据步骤1中确定的p所需满足的约束条件确定p的可行解后，设s＝[s₁,…,s_j,…,s_Nr]^T表示所有用户的幅度有限的实数符号向量，其中s_j表示发送给第j个用户的符号，其中Δ_L,j≤s_j≤Δ_H,j，Δ_L,j和Δ_H,j是已知的调制相关值，确定第i个LED发送的信号x_i：

其中，p_ij为P中第i行第j列的元素；d_i表示第i个LED的直流偏置量；

去除直接调节直流偏置之后，得到第k个用户的接收信号y_k：

其中h_k是从LED阵列跨越到第k个用户的信道矩阵，n_k是方差为

的加性高斯白噪声；

步骤3：确定保证LED平均光功率保持恒定的约束条件：

LED平均光功率E{x}＝PE{s}+d＝Pb+d＝d_t，则为达到期望调光水平所需的直流偏置量为：d＝d_t-Pb

其中，

表示直流偏置量，

是s的平均值，d_t表示目标调光水平所需的驱动电流的平均值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，对式(7)求解采用二分法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对式(7)求解采用二分法，包括：

a.设置γ取值范围[γ₁,γ₂]和目标精度ρ＞0，令γ_min＝γ₁,γ_max＝γ₂；

b.采用标准凸优化方法求解可见光通信中融合调光控制的多用户发送预编码设计的优化问题，如果存在可行的预编码发送矩阵p满足设计的目标函数，则令γ_min＝γ；

c.如果γ_max-γ_min＞ρ，则令γ＝(γ_max+γ_min)/2，返回步骤b，否则将输出迭代运算中最后一次得到的可行解作为第k个用户的最佳发送预编码向量：

其中p′是具有调光控制的可见光通信中多用户发送预编码设计的优化问题的最终可行解。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述b中，如果不存在可行的预编码发送矩阵p满足设计的目标函数，则令γ_max＝γ。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述方法适用于非零均值调制的调制方案。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法适用于脉冲幅度调制和脉冲位置调制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法能够保持期望室内照度水平的同时还能够抑制多用户干扰。

8.权利要求1-7任一所述的可见光通信中多用户发送预编码设计方法在无线光通信领域中的应用方法。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述无线光通信领域包括可见光通信。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述可见光通信包括LED可见光通信。

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