本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信領(lǐng)域，尤其是一種非平坦信道下多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

可見(jiàn)光通信(vlc)是一種新興的接入技術(shù)，兼顧了照明和通信，能滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，擁有包括成本低廉、綠色安全、保密性好、易于實(shí)現(xiàn)、電磁兼容性好在內(nèi)的眾多優(yōu)勢(shì)。

大量寬帶可見(jiàn)光通信系統(tǒng)采用多載波技術(shù)，多載波技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，可以獲得更高的頻譜效率和功率效率。將多載波技術(shù)和可見(jiàn)光通信技術(shù)相結(jié)合，使其兼?zhèn)淞丝梢?jiàn)光通信和多載波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是一種具有較高研究意義和實(shí)用價(jià)值的技術(shù)。

與傳統(tǒng)射頻無(wú)線(xiàn)通信不同的是，可見(jiàn)光通信使用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(im/dd)，即發(fā)射端用光強(qiáng)表示信號(hào)幅度，接收端檢測(cè)光強(qiáng)來(lái)收取信號(hào)。發(fā)射端通過(guò)led將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，通過(guò)信道傳播后，在接收端通過(guò)光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于解調(diào)電路處理。由于發(fā)送信號(hào)載體為光強(qiáng)，因而要求發(fā)送信號(hào)必須是非負(fù)實(shí)數(shù)。

由于發(fā)送信號(hào)必須為非負(fù)實(shí)數(shù)，傳統(tǒng)射頻中的多載波技術(shù)需要改進(jìn)才能應(yīng)用到可見(jiàn)光通信領(lǐng)域。直流偏置正交頻分復(fù)用多載波技術(shù)(direct-current-biasedopticalofdm，簡(jiǎn)稱(chēng)dco-ofdm)作為諸多改良方案中的一種，相比于其他方案具有頻譜效率高的優(yōu)勢(shì)。dco-ofdm在發(fā)送信號(hào)上疊加了直流分量，將疊加后仍小于零的部分削去，從而使得雙極性信號(hào)變成了單極性信號(hào)，以滿(mǎn)足可見(jiàn)光通信中信號(hào)非負(fù)性的條件。

在dco-ofdm系統(tǒng)中，直流偏置可以調(diào)節(jié)，但并不傳輸信號(hào)。信號(hào)的有效信息是由傳輸有效功率驅(qū)動(dòng)的波形攜帶，有效功率由波束成形向量決定。過(guò)大的直流偏置會(huì)浪費(fèi)能量，而過(guò)小會(huì)導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重畸變；過(guò)大的有效功率可以加強(qiáng)信號(hào)但會(huì)加重削波。直流偏置和有效功率同時(shí)受到光功率限制，需要提供一個(gè)想要的照明水平，因而需要設(shè)計(jì)一個(gè)最合適的直流偏置和有效功率的折衷方案。

可見(jiàn)光通信信道在自然界中一般是直視徑，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下對(duì)于照明和通信而言都存在不同程度的遮擋影響。一般情況下，照明系統(tǒng)是由多路光源構(gòu)成，因此可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中可以利用多光源增加系統(tǒng)魯棒性，消除復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境對(duì)照明和通信的不利影響。多光源可以提供更高的傳輸速率和更好的通信質(zhì)量，為需要達(dá)到用眼安全所需的照明強(qiáng)度控制提供了靈活度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種非平坦信道下多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的優(yōu)化方法，能夠給出最大化系統(tǒng)速率的直流偏置和波束成形向量。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種非平坦信道下多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的優(yōu)化方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)置多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的參數(shù)，包括信道參數(shù)、噪聲大小和最大光功率，以最大化數(shù)據(jù)速率r為目標(biāo)優(yōu)化；

(2)對(duì)直流偏置b優(yōu)化，得到優(yōu)化后的直流偏置b^*；

(3)歸一化波束成形向量{uk}進(jìn)行優(yōu)化，k＝1,...,k-1，其中k是子載波的總個(gè)數(shù)，得到優(yōu)化后的歸一化波束成形向量

(4)根據(jù)優(yōu)化后的歸一化波束成形向量得到近似最優(yōu)的波束成形向量ω^*。

優(yōu)選的，步驟(2)中對(duì)直流偏置b優(yōu)化，具體包括如下步驟：

(21)引入中間變量簡(jiǎn)化問(wèn)題，通過(guò)有效功率歸一化得到直流偏置，取其負(fù)數(shù)作為中間變量其中是傳輸有效功率；

(22)考慮平坦信道下的情況，解出最優(yōu)的中間變量x^*＝x^*·1，其中x^*＝argxf(x；γt)＝0,式中γi是第i路光源的信噪比，是整個(gè)系統(tǒng)的總信噪比，其中φ(x)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)，q(x)是正態(tài)積分函數(shù)；

(23)非平坦信道下高信噪比情況下的近似解近似于平坦信道情況下的最優(yōu)解xa＝xa·1，其中xa＝argxf(x；γa)＝0,式中km是有效子載波的個(gè)數(shù)，是第k個(gè)子載波上的總信噪比，γi,k是第i路光源在第k個(gè)子載波的信噪比；

(24)利用結(jié)果近似解xa計(jì)算出近似最優(yōu)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。

優(yōu)選的，步驟(23)中求解方程f(x；γa)＝0的根xa的方法：二分法。

優(yōu)選的，步驟(3)中求解最優(yōu)歸一化波束成形向量uk，具體包括如下步驟；

(31)定義歸一化波束成形矩陣

(32)求最優(yōu)解其中(·)⁺＝max{·,0}，λ滿(mǎn)足gk是第k個(gè)子載波的等效信道增益。

優(yōu)選的，步驟(32)中等效信道增益gk的定義內(nèi)容：其中hk是信道系數(shù)向量，是背景噪聲，a是削波過(guò)程的衰減矩陣，a＝diag(a),c定義為：

優(yōu)選的，步驟(4)中根據(jù)優(yōu)化后的歸一化波束成形向量得到近似最優(yōu)的波束成形向量ω^*，具體包括如下步驟：

(41)根據(jù)功率約束條件，可以得到有效功率其中qo(xi)＝φ(xi)-xiq(xi)；

(42)根據(jù)步驟(23)求出的中間變量的近似解xa，求出對(duì)應(yīng)的有效功率進(jìn)一步求出歸一化波束成形向量的近似解

(43)根據(jù)歸一化波束成形向量的近似解求出近似最優(yōu)波束成形向量

本發(fā)明的有益效果為：(1)本優(yōu)化方法用于非平坦信道下多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)優(yōu)化方法，包括直流偏置和波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化，并且考慮光功率限制的情況，本發(fā)明具有非常強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值；(2)本發(fā)明的優(yōu)化方法通過(guò)對(duì)多光源的dco-ofdm可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中的非線(xiàn)性過(guò)程建模，抽象出該問(wèn)題的數(shù)學(xué)形式，該問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的高度非線(xiàn)性的非凸優(yōu)化問(wèn)題，可能存在多個(gè)局部極大值，本發(fā)明基于對(duì)該問(wèn)題的等價(jià)變換給出了具體算法，能夠得到精確的最優(yōu)解；(3)本優(yōu)化方法不需要額外改變系統(tǒng)硬件等外部條件，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，就能大大提升系統(tǒng)性能。采用本優(yōu)化方法得到的直流偏置b和波束成形向量w能夠最大化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率；(4)當(dāng)系統(tǒng)的最大光功率受限時(shí)，優(yōu)化后的系統(tǒng)光強(qiáng)能夠保持恒定，可以兼顧照明；(5)本發(fā)明優(yōu)化方法收斂速度快，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果精度高，魯棒性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的發(fā)射器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的方法流程示意圖。

圖3為本發(fā)明非平坦信道下兩路光源系統(tǒng)中，不同優(yōu)化策略下相對(duì)于信噪比的數(shù)據(jù)速率對(duì)比示意圖。

圖4為本發(fā)明非平坦信道下不同信噪比下，不同優(yōu)化策略下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率對(duì)比示意圖。

圖5為本發(fā)明非平坦信道下不同信噪比下，不同信道狀態(tài)信息下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，一種非平坦信道下多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的優(yōu)化方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)置多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的參數(shù)，包括信道參數(shù)、噪聲大小和最大光功率，以最大化數(shù)據(jù)速率r為目標(biāo)優(yōu)化；

(2)對(duì)直流偏置b優(yōu)化，得到優(yōu)化后的直流偏置b^*；

(3)歸一化波束成形向量{uk}進(jìn)行優(yōu)化，k＝1,...,k-1，得到優(yōu)化后的歸一化波束成形向量

(4)根據(jù)優(yōu)化后的歸一化波束成形向量得到近似最優(yōu)的波束成形向量ω^*。

步驟(2)中對(duì)直流偏置b優(yōu)化，具體包括如下步驟：

(21)引入中間變量簡(jiǎn)化問(wèn)題，通過(guò)有效功率歸一化得到直流偏置，取其負(fù)數(shù)作為中間變量其中是傳輸有效功率，每路led上的有效傳輸功率

(22)考慮平坦信道下的情況，解出最優(yōu)的中間變量x^*＝x^*·1，其中x^*＝argxf(x；γt)＝0,式中是整個(gè)系統(tǒng)的總信噪比，γi是第i路光源的信噪比，其中φ(x)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)，q(x)是正態(tài)積分函數(shù)；

(23)非平坦信道下高信噪比情況下的近似解近似于平坦信道情況下的最優(yōu)解xa＝xa·1，其中xa＝argxf(x；γa)＝0,式中km是有效子載波的個(gè)數(shù)，是第k個(gè)子載波上的總信噪比，γi,k是第i路光源在第k個(gè)子載波的信噪比；求解方程f(x；γa)＝0的根xa的方法：二分法；

(24)利用結(jié)果近似解xa計(jì)算出近似最優(yōu)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。

步驟(3)中求解最優(yōu)歸一化波束成形向量uk，具體包括如下步驟；

(31)定義歸一化波束成形矩陣

(32)求最優(yōu)解為其中(·)⁺＝max{·，0}，λ滿(mǎn)足gk是第k個(gè)子載波的等效信道增益。

步驟(32)中等效信道增益gk的定義內(nèi)容：其中hk是信道系數(shù)向量，是背景噪聲，a是削波過(guò)程的衰減矩陣，a＝diag(a)，c定義為：

步驟(4)中根據(jù)優(yōu)化后的歸一化波束成形向量得到近似最優(yōu)的波束成形向量ω^*，具體包括如下步驟：

(41)根據(jù)功率約束條件，可以得到有效功率其中qo(xi)＝φ(xi)-xiq(xi)；

(42)根據(jù)步驟(2.3)求出的中間變量的近似解xa，求出對(duì)應(yīng)的有效功率進(jìn)一步求出歸一化波束成形向量的近似解

(43)根據(jù)歸一化波束成形向量的近似解求出近似最優(yōu)波束成形向量

圖1為多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的發(fā)射器框圖。設(shè)本實(shí)施例中dco-ofdm系統(tǒng)中子載波總數(shù)為2k，設(shè)第k個(gè)子載波通過(guò)本發(fā)明所提供的方法進(jìn)行調(diào)制得到符號(hào)zk，并且進(jìn)行波束成形處理得到傳輸信號(hào)sk＝ωkzk。由于光通信要求輸出時(shí)域信號(hào)為實(shí)數(shù)，因而頻域信號(hào)需要滿(mǎn)足和s0＝sk＝0。由于帶來(lái)的對(duì)稱(chēng)性，所以在本實(shí)施例中只考慮sk，k＝1,...,k-1。經(jīng)過(guò)快速離散傅立葉反變換(ifft)得到時(shí)域信號(hào)s(n)。然后在第i路光源上的時(shí)域信號(hào)si(n)上疊加大小為bi的直流分量得到sdc,i(n)＝si(n)+bi，，并將信號(hào)疊加直流分量后仍然小于零的部分削去以滿(mǎn)足非負(fù)性要求，即sdc,i(n)＝sdc,i(n)u(sdc,i(n))，其中u(sdc,i(n))是單位階躍函數(shù)。最后，數(shù)字信號(hào)sdc,i(n)通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化器(d/a)和led得到信號(hào)sdc,i(t)。sdc,i(t)的光功率是受限的，認(rèn)為輸出信道的光功率大小為

以可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中較常見(jiàn)的光功率受限為例，以系統(tǒng)速率最大化為目標(biāo)，計(jì)算最優(yōu)的直流偏置b和波束成形向量ω。

具體實(shí)施步驟如下：

(1)參數(shù)設(shè)置：獲取多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)在光功率受限時(shí)的最大光功率系統(tǒng)的噪聲功率和第i路光源上第k個(gè)子載波的信噪比γi,k，有效子載波的個(gè)數(shù)km；定義標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)和正態(tài)積分函數(shù)

(2)計(jì)算xa＝xa·1，其中xa＝argxf(x；γa)＝0,式中km是有效子載波的個(gè)數(shù)，是第k個(gè)子載波上的總信噪比；

(3)根據(jù)xa得到近似最優(yōu)直流偏置和近似最優(yōu)有效功率其中qo(xi)＝φ(xi)-xiq(xi)；

(4)根據(jù)b^*和σ^*求出對(duì)應(yīng)的等效信道增益gk，計(jì)算出近似最優(yōu)的歸一化波束成形向量其中(·)⁺＝max{·,0}，λ滿(mǎn)足

(5)利用近似最優(yōu)的歸一化波束成形向量得到近似最優(yōu)波束成形向量為：

圖3為非平坦信道下兩路光源系統(tǒng)中，不同優(yōu)化策略下相對(duì)于各路信噪比的數(shù)據(jù)速率對(duì)比示意圖。分別對(duì)比本發(fā)明提出的直流偏置波束成形向量簡(jiǎn)化法聯(lián)合優(yōu)化、直流偏置波束成形向量窮搜法聯(lián)合優(yōu)化、固定直流偏置b＝2σ和b＝4.4σ的策略下相對(duì)于信噪比的數(shù)據(jù)速率，可以得知，通過(guò)本發(fā)明提出的方法下的系統(tǒng)性能接近窮搜法下的系統(tǒng)性能，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化后的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率明顯高于固定直流偏置的策略下的系統(tǒng)，優(yōu)化后的系統(tǒng)性能非常接近于全局最優(yōu)算法。

圖4為不同優(yōu)化策略下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率對(duì)比示意圖。分別對(duì)本發(fā)明提出的直流偏置波束成形向量簡(jiǎn)化法聯(lián)合優(yōu)化、直流偏置波束成形向量窮搜法聯(lián)合優(yōu)化、固定直流偏置b＝σ、b＝2σ和b＝4.4σ的不同情況下的數(shù)據(jù)速率，通過(guò)本發(fā)明提出的方法下的系統(tǒng)性能接近窮搜法和均勻分配波束成形向量下的系統(tǒng)性能，通過(guò)本發(fā)明提出的方法進(jìn)行優(yōu)化后的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率明顯高于比單獨(dú)優(yōu)化直流偏置和固定直流偏置策略下的系統(tǒng)，優(yōu)化后的系統(tǒng)性能非常接近于全局最優(yōu)算法。

圖5為非平坦信道下不同信噪比下，不同信道狀態(tài)信息(csi)下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率對(duì)比示意圖。分別對(duì)比不同信道狀態(tài)信息(csi)下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率，可知通過(guò)本發(fā)明提出的聯(lián)合優(yōu)化方法對(duì)于信道狀態(tài)信息不敏感，魯棒性高。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。