本發(fā)明屬于可見光通信領(lǐng)域，尤其涉及可見光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著4g網(wǎng)絡(luò)已在全世界范圍內(nèi)投入商用，“面向2020年及未來”的5g已成為全球無線通信領(lǐng)域的研究熱點。與4g相比，5g提出了“1000倍數(shù)據(jù)流量增長，100倍無線終端容量，10gbps峰值傳輸速率和100mbps-1gbps邊緣速率”等技術(shù)目標，意味著5g對頻譜資源和能源消耗的要求將遠遠超過4g。由于5g要求的速率更快，頻譜利用率更高，傳統(tǒng)的正交多址接入已經(jīng)不能滿足要求，業(yè)內(nèi)提出在5g中采用新型多址接入技術(shù)，即非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess，noma)。

noma不同于傳統(tǒng)無線通信的方式是noma在功率域進行復(fù)用，基站發(fā)送重疊碼給用戶，在接收機一側(cè)又對接收到的信號進行串行干擾消除，從而提高了頻帶利用率?？梢姽馔ㄐ抛鳛?g中的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)引起了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注?？梢姽馔ㄐ胖咐每梢姽忸l段的光作為信息載體進行無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑ǔ＠冒l(fā)光二極管(lightemittingdiode，led)發(fā)出的高速明暗變化光信號來傳輸信息。由于noma在高信噪比條件下性能更優(yōu)，可見光通信系統(tǒng)往往可以提供高信噪比條件。此外，noma技術(shù)需要根據(jù)所有用戶的準確的信道狀態(tài)信息進行用戶分組、譯碼排序、功率分配等。可見光通信系統(tǒng)適用于室內(nèi)或室外短距離通信，容易獲得準確的csi。因此，noma技術(shù)適用于可見光通信系統(tǒng)。

在實際中，信道狀態(tài)信息由于估計誤差和反饋量化誤差是不理想的，有信道估計誤差。相比單天線的情形，多天線可以提供額外的自由度來增加noma性能。本發(fā)明研究了多輸入單輸出信道下下行noma系統(tǒng)的穩(wěn)健波束成形設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)的不足提供了一種有效地解決由于隨機信道狀態(tài)信息誤差，下行傳輸會發(fā)生中斷事件的可見光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案

可見光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法，具體包含如下步驟；

步驟1，對可見光通信蜂窩網(wǎng)中miso-noma單小區(qū)下行鏈路中存在的有界的信道估計誤差進行建模：

其中，hk為理想的信道，ek代表信道估計誤差，k代表總的用戶數(shù)，k和k都是正整數(shù)，且k≤k；

步驟2，對k個用戶估計的信道增益值按遞增順序?qū)τ脩暨M行標記；

當用戶接收到重疊信號時，第k個用戶在經(jīng)過串行干擾消除去除掉用戶1...k-1的信號后解碼自己的信息，在解碼第j個用戶的信號sj(t)之前，第i個用戶接收的信號可以表示為：

其中，a代表直流偏置向量，ni為第i個用戶的高斯白噪聲，wj代表波束成形向量，1≤i≤j≤k，t為共軛轉(zhuǎn)置，ei代表第i個用戶的信道估計誤差，sj代表第j個用戶的信號信息；

步驟3：根據(jù)互信息推導出用戶速率閉式表達式：

其中，rk,i代表第k個用戶譯第i個接收用戶的信息，σ²代表噪聲功率，αj,γj,εj分別為信道增益的參數(shù)；

步驟4：在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量條件下，則最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)表示為

||e||²≤a²(3)

式中，α為給定的有界的信道誤差；

步驟5：利用凸優(yōu)化方法，對步驟4所建最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)進行松弛變換，進而利用內(nèi)點法完成求解。

作為本發(fā)明可見光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，所述步驟3具體推導過程如下：

式中，wj代表波束成形向量。

作為本發(fā)明可見光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，步驟5中，所述最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)求解過程具體如下：

對步驟4所建最小化發(fā)射功率的系統(tǒng)函數(shù)進行松弛變換：

通過定義w＝wjwj^t，通過s引理，不等式簡化為：

ek^tajek+2re{ek^tak,j}+ck,j≥0,

式中

作為本發(fā)明可見光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，在步驟2中，k取值3。

作為本發(fā)明可見光通信非正交多址接入技術(shù)穩(wěn)健波束成形的優(yōu)化方法的進一步優(yōu)選方案，在步驟3中，i取值3。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明建立noma的系統(tǒng)模型，在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量的同時能最小化發(fā)射功率，滿足未來移動通信技術(shù)中節(jié)能減耗的要求，利用凸優(yōu)化方法，對所建非凸的系統(tǒng)函數(shù)進行松弛變換，然后利用內(nèi)點法進行求解；相比于現(xiàn)有的建模及處理方法，本發(fā)明能在信道估計誤差存在的條件下，滿足服務(wù)質(zhì)量要求，減少中斷概率。

附圖說明

圖1是noma基本原理的系統(tǒng)示意圖；

圖2(a)是用戶1速率的累積分布仿真圖；

圖2(b)是用戶2速率的累積分布仿真圖；

圖2(c)是用戶3速率的累積分布仿真圖；

圖3為本發(fā)明所提算法和其他建模方法在不同目標速率要求下總功率的仿真圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

由于隨機信道狀態(tài)信息誤差，下行傳輸會發(fā)生中斷事件。為了解決這個問題，我們旨在設(shè)計穩(wěn)健波束成形，最小化發(fā)射功率同時滿足服務(wù)質(zhì)量要求。

如圖1所示，可見光通信noma-miso單小區(qū)下行鏈路中有界信道估計誤差的穩(wěn)健波束成形設(shè)計方法中，系統(tǒng)函數(shù)建模步驟如下：

步驟1：在實際中，信道狀態(tài)信息由于估計誤差和反饋量化誤差是不理想的，本發(fā)明關(guān)注由于估計誤差造成的信道狀態(tài)信息的誤差，它服從均勻分布。因此，所要求的信道狀態(tài)信息的的模型如下：

步驟2：依照這個假設(shè)，用戶估計信道增益按升序排序，依照noma的原則，基站發(fā)射給最壞信道增益的用戶更多的信號為了公平和在功率域信號的區(qū)分。一旦接收到重疊信號，第k個用戶在經(jīng)過串行干擾消除去除掉用戶1...k-1的信號后解碼自己的信息。在解碼第j個用戶的信號sj(t)之前，第i個用戶接收的信號可以表示為：

步驟3：本發(fā)明根據(jù)互信息可以推導用戶速率閉式表達式

步驟4：穩(wěn)健波束成形旨在最小化發(fā)射功率，同時要滿足服務(wù)質(zhì)量要求，在這里我們考慮的是有界的信道誤差，要求解的問題如下：

目標函數(shù)為最小化發(fā)射功率，約束條件為速率滿足服務(wù)質(zhì)量要求，由于無界的誤差會造成功率損耗非常大，所以在本發(fā)明中考慮的誤差是有界的。這個問題是非凸問題，下面給出我們的解決方案。

步驟5：為了便于推導，我們采取半正定松弛解決優(yōu)化問題。通過定義w＝wjwj^t，不等式可以簡化為：

ek^tajek+2re{ek^tak,j}+ck,j≥0,(6)

式中

和

在這里我們是通過s引理來求解這個問題，s引理具體內(nèi)容如下：

引理1：(s引理)

令fi(x)＝x^haix+2re{x^hri}+zi,i＝0,1，其中x∈c^n×1,ai∈c^n×n,zi∈r,i＝0,1。假設(shè)存在向量使得成立，那么下面兩個條件是等價的

(1)如果x滿足f0(x)≥0，那么f1(x)≤0；

(2)存在λ≥0滿足

根據(jù)引理1，e′ie-a²≤0，滿足f1(x)≤0，速率約束滿足f0(x)≥0

對于可見光通信系統(tǒng)noma-miso單小區(qū)下行鏈路模型，實驗1對比了本發(fā)明技術(shù)方案與其他存在的建模方法下波束成形向量在實際環(huán)境下速率的累積分布函數(shù)圖。如圖所示：圖2(a)是用戶1的速率的累積分布仿真圖；圖2(b)是用戶2的速率的累積分布仿真圖；圖2(c)是用戶3的速率的累積分布仿真圖；可以看出發(fā)明方法都滿足服務(wù)質(zhì)量要求，沒有中斷，而沒有進行穩(wěn)健波束成形設(shè)計的方法部分不滿足服務(wù)質(zhì)量要求，有中斷概率。仿真實驗所涉及的參數(shù)如表1所示；表1是noma-miso單小區(qū)下行鏈路系統(tǒng)的仿真參數(shù)(實驗1)；實驗2對比了本發(fā)明技術(shù)方案與其他存在的建模方法在滿足用服務(wù)質(zhì)量的需求下所需發(fā)射總功率。如圖3所示，可以看出由于本發(fā)明方法要對干擾進行處理，所以在達到相同速率門限時所需的功率更多。仿真實驗所涉及的參數(shù)如表2所示.表2是noma-miso單小區(qū)下行鏈路系統(tǒng)的仿真參數(shù)(實驗2)

對于noma-miso單小區(qū)下行鏈路系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)計算公式如下：

表1

表2

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