一種室內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線光通信領(lǐng)域，涉及一種適用于室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中多用戶收發(fā) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于LED的可見光通信是一種重要的無(wú)線通信技術(shù)，具有保密性好、成本低、傳輸 速率高、沒有電磁輻射等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界廣泛的研究興趣，可見光通信 未來(lái)可以為人口密集區(qū)域，如機(jī)場(chǎng)、車站等，提供大容量、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且在一些無(wú) 線電磁設(shè)備嚴(yán)苛的場(chǎng)合，如飛機(jī)、醫(yī)院、礦場(chǎng)等，具有特別的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
[0003] 可見光通信系統(tǒng)一般需要同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶，由于用戶可以接收多個(gè)LED發(fā)送的 光信號(hào)，發(fā)送給某個(gè)特定用戶的光信號(hào)會(huì)干擾其他用戶的通信，從而導(dǎo)致多用戶干擾，降低 了通信系統(tǒng)的性能，因此，需要采用多用戶收發(fā)方法來(lái)抑制不同用戶間的干擾，提升系統(tǒng)的 性能。在傳統(tǒng)的無(wú)線電通信中，多用戶收發(fā)方法已得到了深入的研究，但無(wú)法將這些技術(shù)直 接推廣至可見光通信中，因?yàn)榭梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)建立在LED照明系統(tǒng)基礎(chǔ)上，可見光通信不 能破壞系統(tǒng)原有的照明功能，而無(wú)線電通信中的多用戶收發(fā)方法通常是建立在傳統(tǒng)電功率 約束下的方法，直接應(yīng)用于可見光通信中無(wú)法保證室內(nèi)照明的要求。
[0004] 室內(nèi)照明要求LED的亮度隨時(shí)間保持恒定，由于人眼對(duì)光強(qiáng)高速變化的光線不敏 感，只能感受到平均強(qiáng)度的變化，因此，照明亮度恒定要求LED發(fā)送的光信號(hào)的平均強(qiáng)度隨 時(shí)間保持不變。此外，由于LED是一種非線性器件，其輸入電流與輸出光強(qiáng)在有限范圍內(nèi)保 持線性關(guān)系，因而，為防止LED非線性失真和潛在的發(fā)光效率的退化，需要發(fā)送的光信號(hào)滿 足LED線性動(dòng)態(tài)范圍的要求。以上LED照明和有限線性動(dòng)態(tài)范圍的要求說(shuō)明可見光通信中 多用戶收發(fā)方法需滿足特殊的光功率約束，而非傳統(tǒng)意義上的電功率約束。綜上所述，傳統(tǒng) 的無(wú)線電中的多用戶收發(fā)方法無(wú)法直接推廣至可見光通信，可見光通信需研究專門的多用 戶收發(fā)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問題：本發(fā)明主要針對(duì)現(xiàn)有的收發(fā)方法應(yīng)用于室內(nèi)可見光通信存在的問題， 提出一種適用于室內(nèi)可見光通信的多用戶收發(fā)方法，以抑制多用戶干擾，提升系統(tǒng)的性能， 同時(shí)保證通信不影響室內(nèi)照明。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明的室內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :結(jié)合對(duì)以下室內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)優(yōu)化問題的求解，利用二分法 獲取最優(yōu)預(yù)編碼發(fā)送矩陣：
[0008] 是否存在可行的W，同時(shí)滿足下列條件：
[0010] -dk^ ffTek^ dk,
[0011] lTdk彡 min{P k, Pmax-P1J, k = I,…N，
[0012] 其中，M為用戶的數(shù)目，N為L(zhǎng)ED的數(shù)目，W為預(yù)編碼發(fā)送矩陣，（·）T表示矩陣的轉(zhuǎn) 置操作，向量Ii 1表示LED發(fā)送陣列到第i個(gè)用戶的信道增益，〇 i為第i個(gè)用戶的接收機(jī)噪 聲的方差，向量W1為預(yù)編碼發(fā)送矩陣W的第i列，表示第i個(gè)用戶的預(yù)編碼發(fā)送向量，u為 發(fā)送的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)的方差，ε為正實(shí)數(shù)，向量d k為引入的輔助優(yōu)化變量，ek表示第 k個(gè)位置的元素為1、其它位置的元素為零的列向量，1為元素全部為1的列向量，Pk表示第 k個(gè)LED的直流偏置量，Pniax為L(zhǎng)ED的最大允許發(fā)光功率，min {}表示取最小值操作，所述室 內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)優(yōu)化問題為二階錐規(guī)劃問題；
[0013] 具體計(jì)算步驟如下：
[0014] a.設(shè)置ε取值范圍[ε ε 2]和計(jì)算精度η > 〇,計(jì)算ε = ( ε ^ ε 2)/2 ;
[0015] 其中ε1Ν 取值需滿足：ε 1>〇和ε 2>〇,且ε取ε i時(shí)，求解所述室內(nèi)可見 光通信中多用戶收發(fā)優(yōu)化問題的結(jié)果為不存在可行的預(yù)編碼發(fā)送矩陣W，ε取￡2時(shí)，求解 所述室內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)優(yōu)化問題的結(jié)果為存在可行的預(yù)編碼發(fā)送矩陣W ;
[0016] b.采用cvx凸優(yōu)化工具箱求解所述的室內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)優(yōu)化問題，判 斷是否存在可行的預(yù)編碼發(fā)送矩陣W，當(dāng)不存在可行的預(yù)編碼發(fā)送矩陣W時(shí)，令ε_(tái)= ε， 否則，令ε max = ε ;
[0017] c.如果ε nax-ε nin> η，則令ε = ( ε nax-ε _)/2,返回步驟b，否則輸出迭代運(yùn) 算中最后一次得到的可行的W作為最優(yōu)預(yù)編碼發(fā)送矩陣礦，即礦=W ;
[0018] 步驟2 :根據(jù)下式計(jì)算最優(yōu)接收機(jī)參數(shù)4%
[0020] 其中，W丨:和分別為f的第i和j列；
[0021] 步驟3 :將第i個(gè)用戶的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)表示為S1，其中S1 e [-1，1]，其均值為 零，根據(jù)下式計(jì)算第k個(gè)LED發(fā)出的光信號(hào)xk:
[0023] 其中，4為礦中第k行第i列的元素；
[0024] 然后將光信號(hào)xk，k = 1，…N，輸入到對(duì)應(yīng)的LED，完成光信號(hào)的發(fā)送，在接收端， 將第i個(gè)用戶的接收到的光信號(hào)記Sy1，將輸入到對(duì)應(yīng)的解調(diào)器中，完成用戶信息的接 收。
[0025] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟1中的室內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)優(yōu)化問 題是在以下光功率約束基礎(chǔ)上得到的：
[0026] -dk^ ffTek^ dk,
[0027] lTdk彡 min {P k, Pmax-P1J，k = 1，…Ν·
[0028] 其中，第k個(gè)LED上的直流偏置量匕的值隨時(shí)間保持恒定。
[0029] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 本發(fā)明方法充分地考慮了室內(nèi)可見光通信的特點(diǎn)，收發(fā)方法建立在光功率約束基 礎(chǔ)上，光功率約束綜合考慮了 LED的線性工作區(qū)域和室內(nèi)照的要求，因而，收發(fā)方法在抑制 多用戶干擾的同時(shí)，兼顧了室內(nèi)照明的要求以及LED器件的發(fā)光特點(diǎn)，而現(xiàn)有的收發(fā)方法 通?；陔姽β始s束，在設(shè)計(jì)過(guò)程中僅考慮能量損耗的問題，直接應(yīng)用于可見光通信中會(huì) 影響原有的照明功能，因此，本發(fā)明方法比起現(xiàn)有方法，更適合應(yīng)用于室內(nèi)可見光通信系 統(tǒng)。
[0031] 本發(fā)明方法以最小化用戶的最大均方誤差為優(yōu)化目標(biāo)，這一優(yōu)化目標(biāo)保證了不同 用戶具有相同的均方誤差，因此，收發(fā)方法在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)，可以保證不同用戶間通 信的公平性。
[0032] 在本發(fā)明方法中，關(guān)于預(yù)編碼發(fā)送矩陣的收發(fā)優(yōu)化問題為擬凸的，可以借助二分 法獲得全局最優(yōu)的預(yù)編碼發(fā)送矩陣，最優(yōu)接收機(jī)參數(shù)也可以通過(guò)閉式解求解。在最優(yōu)預(yù)編 碼發(fā)送矩陣和最優(yōu)接收機(jī)參數(shù)下，用戶可以獲得最小的均方誤差，因此，本發(fā)明方法的性能 為最優(yōu)的，現(xiàn)有方法不是建立在全局最優(yōu)解基礎(chǔ)上，如基于偽逆的迫零預(yù)編碼收發(fā)方法，其 性能均差于本發(fā)明提出的收發(fā)方法。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為室內(nèi)多用戶可見光通信系統(tǒng)示意圖。
[0034] 圖2為室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的多用戶收發(fā)方法原理圖。
[0035] 圖3為室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的多用戶收發(fā)方法的誤碼率曲線。
[0036] 圖4為室內(nèi)可見光通信中用戶在接收面的位置分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合說(shuō)明書附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的 實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
[0038] 本發(fā)明提出了一種適用于室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的多用戶收發(fā)方法，收發(fā)方法充分 考慮了可見光通信的特點(diǎn)，保證了通信不影響原有的照明功能。圖1給出了室內(nèi)多用戶可 見光通信系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)的發(fā)送陣列由位于天花板的9個(gè)照明LED構(gòu)成，LED發(fā)送陣列同 時(shí)服務(wù)多個(gè)位于接收面的用戶，用戶可以接收來(lái)自不同LED的光信號(hào)，因此，不同用戶間存 在通信干擾。
[0039] 圖2給出了室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的多用戶收發(fā)方法的原理圖，系統(tǒng)在發(fā)送端首先 采用預(yù)編碼發(fā)送技術(shù)抑制多用戶干擾，然后加入直流偏置獲得非負(fù)性的信號(hào)，用戶在接收 端接收到光信號(hào)后檢測(cè)獲得最終的發(fā)送信息。下面結(jié)合多用戶收發(fā)方法的原理圖，給出本 發(fā)明方法的具體實(shí)施過(guò)程，如下：
[0040] 步驟1 :求解室內(nèi)可見光通信中多用戶收發(fā)優(yōu)化問題，獲取最優(yōu)預(yù)編碼發(fā)送矩陣。
[0041] 首先發(fā)送信號(hào)需滿足LED的線性工作區(qū)域，將LED的線性發(fā)光區(qū)域記為[0， PnaJ，其中Pnax為L(zhǎng)ED的最大允許發(fā)光功率。則LED發(fā)送的光信號(hào)，記為X，應(yīng)滿足條件 0 < X < P_。另外，根據(jù)照明亮度穩(wěn)定性的要求，LED的平均光功率應(yīng)隨時(shí)間保持不變，記 LED的平均光功率記為Pniax，其中Pavg= E (X)，因此，光信號(hào)X的均值應(yīng)隨時(shí)間保持不變。將 預(yù)編碼發(fā)送矩陣表示為W = [W1，…W1，…wM]，其中M表示用戶的數(shù)目，化為W的第i列，表 示第i個(gè)用戶的預(yù)編碼發(fā)送向量。用戶均采用脈沖幅度調(diào)制，將發(fā)送給第i個(gè)用戶的脈沖 幅度調(diào)制符號(hào)記為S 1，其中E(X) =0,同時(shí)將S1規(guī)格化到范圍[_1，1]中，S1的方差表示為 u，第k個(gè)LED發(fā)出的光信號(hào)表示為xk，Xk可以計(jì)算為：
[0043] 其中N表示LED的數(shù)目，Pk表示第k個(gè)LED上的直流偏置量，Wkl為預(yù)編碼 發(fā)送矩陣W的第k行第i列個(gè)元素，由于Sie [-1，1]，則^的動(dòng)態(tài)范圍可以