基于公平性原则的可见光通信NOMA系统功率分配的方法与流程

本发明涉及一种可见光通信非正交多址系统的公平性(fairness)优化问题技术，特别涉及一种基于公平性原则的可见光通信非正交多址系统功率分配的方法，属于无线光通信
技术领域：
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背景技术：
：可见光通信(vlc)技术具有免费的独立于射频频谱的宽带频谱资源，无电磁干扰和辐射，是一种“绿色的”无线通信技术。发光二极管(led)具有高速响应特性，可通过它将数据信号调制到可见光中进行信息传输。在无线通信中，多址技术是用来区分不同用户的一种技术。可见光通信的多址技术一般由移动通信发展而来。在移动通信中，常用的多址技术有时分多址(tdma)，频分多址(fdma)，码分多址(cdma)，空分多址(sdma)，它们分别对时域、频域、码域、空间资源进行复用，使这些资源得到了充分利用。随着无线通信技术的发展，人们对系统容量和吞吐量的需求越来越大，这使得多址技术成为了当下的研究热点。非正交多址(noma)技术由日本通信运营研发商nttdocomo于2014年正式提出，其目的就是为了在满足用户体验需求的同时，更加高效的利用频谱资源。noma的基本原理是在发送端采用叠加编码(sc)，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰抵消(sic)接收机实现正确解调。与传统的正交多址(oma)技术相比，noma通过对功率域的复用，可以很好地提高频谱效率。技术实现要素：本发明提供一种基于公平性原则的可见光通信非正交多址noma系统功率分配的方法，即在发射信号满足正实数约束的条件下，优化不同用户所分配的功率，使各用户的最小传输速率最大。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明提供一种基于公平性原则的可见光通信非正交多址noma系统功率分配的方法，所述公平性原则为最大化可见光通信非正交多址系统的最小传输速率。该方法的具体步骤如下：步骤1，建立可见光通信非正交多址系统的最小传输速率最大的优化问题：其中，p为功率分配向量，p＝(p1,p2,…,pn)，pn为分配给第n个用户的功率，n为用户数；rn(p)为第n个用户的传输速率；idc为发射端的直流偏置；步骤2，求解步骤1中建立的优化问题，得到使得系统最小传输速率最大的最优功率分配向量p*；步骤3，根据步骤2中求解得到的功率分配向量p*，完成可见光通信非正交多址系统中的用户功率分配。作为本发明的进一步优化方案，步骤1中第n个用户的传输速率rn(p)为：其中，hn为发射端到第n个用户的信道响应，且h1≤h2≤…≤hn，；pi为分配给第i个用户的功率；为第n个用户的噪声方差。作为本发明的进一步优化方案，发射端到第n个用户的信道响应hn为：其中，m为朗伯阶数，θ1/2为led半角，dn为第n个用户与发射端的直达距离，a为光电二极管pd的接收面积，rp为光电二极管pd的响应度，为第n个用户的辐照角，φn为第n个用户的入射角，t(φn)为第n个用户的光滤波器的增益，g(φn)为第n个用户的聚光透镜的增益，β为聚光透镜的折射率，ψfov为光电二极管pd的视场。作为本发明的进一步优化方案，第n个用户的噪声方差为：其中，q为一个电子所带的电荷量；b为系统带宽；χamb为背景光电流；iamp为前置放大器的噪声电流密度。作为本发明的进一步优化方案，步骤2中求解步骤1中建立的优化问题的方法为：2.1，引入变量t，将步骤1中建立的优化问题转化为：s.t.rn(p)≥t,n＝1,2,…,n2.2，设定精度∈，令可行迭代次数k＝0，并计算t的初始上、下界，t的初始上界t的初始下界tlb＝0；2.3，计算初始功率分配向量其中，1n为n维全一列向量；2.4，判断tub-tlb≤∈是否成立，若成立则输出pk作为最优功率分配向量p*；否则进入步骤2.5；2.5，令计算功率分配向量p＝(p1,p2,…,pn-2,pn-1,pn)，具体为：其中，hn为发射端到第n个用户的信道响应，为第n个用户的噪声方差，为第j个用户的噪声方差，hj为发射端到第j个用户的信道响应；2.6，根据2.5中获得的功率分配向量p，判断是否成立：若成立则令k＝k+1、pk＝p、tlb＝t，若此时tub-tlb≤∈则输出pk作为最优功率分配向量p*，否则返回2.5；若不成立则令tub＝t，若此时tub-tlb≤∈则输出pk作为最优功率分配向量p*，否则返回2.5。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1)本发明在保证光通信系统发射端信号始终为正实数的前提下，以最大化最小通信速率为优化目标，实现noma的最优功率分配，使得信道最差的用户也拥有较好的通信速率；2)本发明利用二分法能够直接找到最优的功率分配方法，二分法的每个分步骤直接给出了功率分配的闭式解，极大地降低了计算复杂度，利于实现。附图说明图1为本发明考虑的可见光通信系统下行链路模型示意图；图2为本发明的方法流程示意图；图3为noma和oma技术的平均最小速率随功率变化的曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明所针对的通信模型为可见光通信(vlc)下行链路，其模型如图1所示，发射端为挂在天花板中间的发光二极管(led)，发射的信号被光电二极管接收，有n个在房间内随机分布的用户。有研究表明，vlc系统的视距信号能量远大于反射信号，因此反射信号可以忽略。第n个用户的直流信道增益即所述信道响应hn由下式确定：其中，n＝{1,2,…,n}，π为圆周率，m为朗伯阶数，θ1/2为led半角，dn为第n个用户与led的直达距离，a为光电二极管pd的接收面积，rp为光电二极管pd的响应度，为第n个用户的辐照角，φn为第n个用户的入射角，t(φn)为第n个用户的光滤波器的增益，g(φn)为第n个用户的聚光透镜的增益，β为聚光透镜的折射率，ψfov为光电二极管pd的视场。noma的基本思想是在发送端利用叠加编码(sc)技术，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除(sic)技术实现解调。具体来说，led需同时发送n个用户的信号s1,s2,…,sn，其中，sn∈[-1,1]。第n个用户所分配的功率为pn，noma采用sc技术，最终发射的信号为由于vlc系统的发射信号需为正实数，因此有如下约束：其中，idc为发射端led的直流偏置。第n个用户接收到的信号为yn＝hnx+zn，其中，zn为第n个用户的噪声，其方差为其中，q为一个电子所带的电荷量，取常数q＝1.6×10-19库仑；b为系统带宽；χamb为背景光电流；iamp为前置放大器的噪声电流密度。不失一般性，假设h1≤h2≤…≤hn。在接收端通过sic技术实现解调，第n个用户的传输速率为：其中，p＝(p1,p2,…,pn)为功率分配向量，pn为分配给第n个用户的功率，pi为分配给第i个用户的功率。本发明提供基于公平性原则的可见光通信非正交多址noma系统功率分配方法，为使得系统最小传输速率最大，建立如下优化问题：如图2所示，求解上述建立的优化问题的方法为：2.1，引入变量t，将步骤1中建立的优化问题转化为：s.t.rn(p)≥t,n＝1,2,…,n2.2，设定精度∈，令可行迭代次数k＝0，并计算t的初始上、下界，t的初始上界t的初始下界tlb＝0；2.3，计算初始功率分配向量k＝0，其中，1n为n维全一列向量；2.4，判断tub-tlb≤∈是否成立，若成立则输出pk作为最优功率分配向量p*；否则进入步骤2.5；2.5，令计算功率分配向量p＝(p1,p2,…,pn-2,pn-1,pn)，具体为：其中，hn为发射端到第n个用户的信道响应，为第n个用户的噪声方差，为第j个用户的噪声方差，hj为发射端到第j个用户的信道响应；2.6，根据2.5中获得的功率分配向量p，判断是否成立：若成立则令k＝k+1、pk＝p、tlb＝t，若此时tub-tlb≤∈则输出pk作为最优功率分配向量p*，否则返回2.5；若不成立则令tub＝t，若此时tub-tlb≤∈则输出pk作为最优功率分配向量p*，否则返回2.5。为了验证本发明方法的性能，特进行了仿真实验，仿真实验结果如图3所示，所涉及的参数如表1所示参数取值房间尺寸(长、宽、高)5m、5m、3mpd响应度0.4a/wpd视场(fov)(半角)62°led半角47.5°聚光透镜的折射率1.5pd面积1cm2光滤波器增益1前置放大器噪声密度5pa/hz1/2背景光电流10.93a/m2/sr带宽100mhz图3为noma和oma技术的平均最小速率随功率变化的曲线图，参数如表1所示，用户随机分布在房间地板上，平均最小速率为利用蒙特卡罗方法统计的用户处在1000组不同位置的最小速率的平均值。由图可以发现，增加光功率或减少用户数，都能增大最小速率。随着光功率的不断增加，noma技术相较于oma技术的优势也将不断增加，功率足够大时，noma的最小速率总会大于oma。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。当前第1页12