本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信領(lǐng)域，尤其是一種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，為滿(mǎn)足用眼安全準(zhǔn)則所需的照明強(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)引入一個(gè)中間變量x，求解出最優(yōu)解x^*；

(3)根據(jù)最優(yōu)中間變量x^*，對(duì)直流偏置b和波束成形向量ω進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

優(yōu)選的，步驟(3)中，聯(lián)合優(yōu)化具體包括如下步驟：

(31)平坦信道中，每一個(gè)子載波的信道頻率響應(yīng)都相等，故最優(yōu)波束成形器的設(shè)計(jì)策略是所有的子載波上均勻分配，所以ωk＝ω＝σ，k＝1,...,k-1，其中ωk是第k個(gè)子載波上的波束成形向量，k是子載波的總個(gè)數(shù)，是傳輸有效功率，每路led上的有效傳輸功率

(32)引入中間變量簡(jiǎn)化問(wèn)題，通過(guò)有效功率σ歸一化直流偏置b，取負(fù)數(shù)作為中間變量其中nt是led的總個(gè)數(shù)；

(33)根據(jù)光功率的約束條件，得到最優(yōu)的有效功率其中是第i路光源的平均光功率，qo(xi)＝φ(xi)-xiq(xi)，式中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)；

(34)解出最優(yōu)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；

(35)根據(jù)最優(yōu)中間變量x^*，求出最優(yōu)波束成形向量求出最優(yōu)的直流偏置

優(yōu)選的，步驟(34)中，求解方程f(x；γt)＝0的根x^*的方法：二分法。

本發(fā)明的有益效果為：(1)本優(yōu)化方法用于平坦信道下多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(tǒng)優(yōu)化，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)多光源多載波可見(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和波束成形向量能夠最大化系統(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)明在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3為本發(fā)明在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4為本發(fā)明在平坦信道下不同信噪比下，不同優(yōu)化策略下的系統(tǒng)誤比特率對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

一種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)引入一個(gè)中間變量x，求解出最優(yōu)解x^*；

(3)根據(jù)最優(yōu)中間變量x^*，對(duì)直流偏置b和波束成形向量ω進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

步驟(3)中，聯(lián)合優(yōu)化具體包括如下步驟：

(31)平坦信道中，每一個(gè)子載波的信道頻率響應(yīng)都相等，故最優(yōu)波束成形器的設(shè)計(jì)策略是所有的子載波上均勻分配，所以ωk＝ω＝σ，k＝1,...,k-1，其中ωk是第k個(gè)子載波上的波束成形向量，k是子載波的總個(gè)數(shù)，是傳輸有效功率，每路led上的有效傳輸功率

(32)引入中間變量簡(jiǎn)化問(wèn)題，通過(guò)有效功率σ歸一化直流偏置b，取負(fù)數(shù)作為中間變量其中nt是led的總個(gè)數(shù)；

(33)根據(jù)光功率的約束條件，得到最優(yōu)的有效功率其中是第i路光源的平均光功率，qo(xi)＝φ(xi)-xiq(xi)，式中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)；

(34)解出最優(yōu)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；

(35)根據(jù)最優(yōu)中間變量x^*，求出最優(yōu)波束成形向量求出最優(yōu)的直流偏置

步驟(34)中，求解方程f(x；γt)＝0的根x^*的方法：二分法。

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。多光源多載波可見(jiàn)光通信系統(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)直流偏置b和波束成形向量w。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)的各路光源的平均光功率系統(tǒng)的噪聲功率和第i路光源的信噪比γi，整個(gè)系統(tǒng)的總信噪比定義標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)和正態(tài)積分函數(shù)

(2)計(jì)算x^*＝x^*·1，其中x^*＝argxf(x；γt)＝0,

(3)根據(jù)x^*計(jì)算出最優(yōu)的直流偏置b^*和波束成形向量ω^*：

其中qo(xi)＝φ(xi)-xiq(xi)。

圖2為平坦信道下兩路光源系統(tǒng)中，不同優(yōu)化策略下相對(duì)信噪比的數(shù)據(jù)速率對(duì)比示意圖。分別對(duì)比直流偏置波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化、對(duì)單路光源直流偏置優(yōu)化、固定直流偏置b＝2σ和子載波分組工作的不同情況下相對(duì)信噪比的數(shù)據(jù)速率，可以得知，通過(guò)本發(fā)明提出的方法進(jìn)行優(yōu)化后的系統(tǒng)在達(dá)到同樣的數(shù)據(jù)速率所需要的信噪比明顯低于其他策略下的系統(tǒng)，優(yōu)化后的系統(tǒng)性能非常接近于全局最優(yōu)算法。

圖3為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。分別對(duì)比直流偏置波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化、對(duì)單路光源直流偏置優(yōu)化、子載波分組工作、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)明提出的方法進(jìn)行優(yōu)化后的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率明顯高于其他策略下的系統(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為平坦信道下不同信噪比下，不同優(yōu)化策略下的系統(tǒng)誤比特率對(duì)比示意圖。分別對(duì)比直流偏置波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化、對(duì)單路光源直流偏置優(yōu)化、子載波分組工作、固定直流偏置b＝σ、b＝2σ和b＝4.4σ的不同情況下的誤比特率，通過(guò)本發(fā)明提出的方法進(jìn)行優(yōu)化后的系統(tǒng)的誤比特率明顯低于其他策略下的系統(tǒng)，優(yōu)化后的系統(tǒng)性能非常接近于全局最優(yōu)算法。

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。