一种可见光MIMO系统中多用户收发机设计方法与流程

本发明涉及可见光mimo技术，尤其涉及一种可见光mimo系统中多用户收发机设计方法。

背景技术

在已有的工作中，对于多用户mimo-vlc的收发机的设计，jianchen等人先提出了利用块对角化算法来消除多用户mimo-vlc系统的多用户干扰的方案，然后，对于性能更优的thp算法进行了研究，分别对于传统的thp算法和thp优化方案进行了性能分析。libaolong等人结合vlc系统中光信号非负、最大光强度受限等特点设计了最佳收发机，将收发信号之间的最大均方误差作为优化目标，通过求解凸二阶锥的方法找到了这个最优解。并且根据迫零预编码方案提出了一个简化的收发机设计。

已有的对于vlc中多用户收发机的工作主要是基于zf(zero-forcing)和bd(blockdiagonalization)预编码的收发算法，它们大都将采用的调制方式限制为零均值调制，因此适用范围较窄。此外，在对于预编码矩阵的优化时，一般在接收端都采用了匹配滤波器，这对接收矩阵也就进行了限定。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种的可见光mimo系统多用户收发机设计方法，适用范围更宽泛。

技术方案：本发明所述的可见光mimo系统多用户收发机设计方法包括：

(1)根据最大化slnr准则，采用光功率约束，建立设计可见光mimo系统多用户收发机的目标优化问题为：

w＝[w1,…,wk,…,wk]

式中，slnrk表示第k个用户的信漏噪比；tr()为求迹函数；wk表示第k个用户的预编码矩阵；t和k分别为发送阵列和接收用户的数目；表示发送机发送的信息s的均值，其中，sk,j表示发送机发送到第k个用户的第j个调制符号；idc为直流偏置量；it表示预期光强所需达到的一个平均电流值；其中，分别为对应调制符号sk,j的幅度下限、上限；ih、il分别为led允许发送的最大和最小信号组成的向量；gk表示第k个用户的线性均衡器矩阵；

(2)计算信道矩阵h和噪声的自相关矩阵rn，设定照明亮度参数和it，分别为il、ih的均值；设定和初始化为t×lk阶的单位阵，t为发送阵列的个数，lk为第k个用户接收到的数据流的个数；

(3)设定迭代次数d＝1；

(4)固定更新其中，表示第d-1次迭代时的wk，表示第d次迭代时的gk；

(5)固定更新

(6)若此时表示当前次迭代用户k的信噪比，ε表示设定门限，或迭代次数达到预设最大次数，则停止迭代，并将此时的作为用户k的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则将d＝d+1，返回执行步骤(4)；

(7)按照(3)-(6)计算得到所有用户的的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵，并按照最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵分别设计发送机、接收机。

进一步的，所述信漏噪比的计算公式为：

其中：e1＝||gkhkwksk||²，e3＝||gknk||²，hk表示信道矩阵h的第k行，nk表示第k个用户上的加性高斯白噪声。

进一步的，步骤(4)具体包括：

(4-1)建立更新的目标优化函数为：

式中，表示表示第k个用户上接收到的噪声的自相关矩阵；

(4-2)设置并将表示成单个列向量的形式，即

(4-3)根据rayleigh-ritz不等式，将所述更新的目标优化函数转换形式为：

式中，为和中的最大广义特征值；

(4-4)根据转换后的函数，得到的列向分量gi的最优值为其中，γmax为的最大特征值所对应的特征向量，σi为不为0的幅度常数；

(4-5)根据的所有列向分量gi的最优值按照以下公式计算得到

进一步的，步骤(5)具体包括：

(5-1)建立更新的目标优化函数为：

式中，nk表示第k个用户上的加性高斯白噪声，hk表示信道矩阵h的第k行，

(5-2)根据rayleigh-ritz不等式，将所述更新的目标优化函数转换形式为：

式中，i表示单位矩阵，λmax[r1,(r2+ci)]为r1和r2+ci中的最大广义特征值；

(5-3)根据转换后的函数，得到的列向分量wi的最优值为其中，δmax为(r2+ci)^-1r1的最大特征值所对应的特征向量，ωi为不为0的幅度常数；

(5-4)根据的所有列向分量的最优值按照以下公式计算得到

进一步的，步骤(5-3)中ωi的范围为：

式中，li通过幅度矩阵ω的表示形式得到，δmax,i、分别对应各自向量的第i个分量。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明将对于发射预编码矩阵和接收均衡矩阵的设计相结合，改善了系统的性能，应用更广泛。

附图说明

图1是光功率约束下的多用户mimo-vlc收发机系统模型图。

具体实施方式

下面采用具体实施例对本发明进行详细描述。

1、技术问题分析

技术问题存在的场景如下：系统中具有若干个led灯，若干个分布式pd接收机。其中led灯置于室内天花板上，兼具照明与数据传输的功能。如图1所示，假设发送阵列和接收用户的数目为t和k，且将第k个用户所包含的pin管数目记为nk，总的pin管数目为nsum。

发送阵列能够同时传输多路数据信息，将发送到第k个用户的信息表示为其中，lk表示第k个用户接收到数据流的个数，sk,j表示调制符号，由于在实际发射过程中，调制符号的幅度是受限的，即满足以下条件

式中，和表示由调制方式所决定的调制符号上下限值。进而可以用向量的形式来集中表示发送到所有用户的符号信息，将其记为

在发送端，采用预编码的方式来处理发送数据s，再加上直流偏置量来产生正值信号以驱动led发光，所以，发送信号可以表示为

式中，为预编码矩阵，表示接收端数据流的总个数，为第k个用户的预编码矩阵，为直流偏置量，而wk与w的关系可以表示为

w＝[w1,…,wk,…,wk](3)

在此，也对消息序列和预编码矩阵作归一化假设，有

e{|sk|²}＝1(4)

由于调制符号sk,j满足以下条件

将和表示成向量的形式，有

则可以得到以下关于预编码矩阵w和直流偏置分量idc的约束条件

式中

而ιh和ιl分别为led允许发送的最大和最小信号组成的向量，具体为

此外，预编码矩阵w和直流偏置idc的选择还需要满足led调光的均值约束，即

其中，表示发射端发送的信息s的均值，it表示预期光强所需达到的一个平均电流值。

在接收端，pin管将光信号转化为电信号，再去除直流偏置分量之后，将第k个用户所接收的信号表示为

式中，为从led阵列到第k个用户的信道矩阵，表示第k个用户上的加性高斯白噪声。第一项是对于第k个用户有用的所需信号，第二项是其他用户对于第k个用户所产生的干扰信号，第三项是噪声分量。

将接收信号yk通过线性均衡器可以检测出发射端所发送的信息。将检测出的信息记为即

式中，d(·)为k维符号判决函数，表示判决后的信号。

记总的信道矩阵和总的线性均衡矩阵为和分别表示为

在第k个用户上，该用户上接收到信号功率可以表示为

泄露出去的信号功率可以表示为

噪声功率表示为

其中，可以将(17)转化为下面的形式

式中

那么，对于第k个用户，其信漏噪比表示为

2、技术方法介绍

基于以上分析，根据最大化slnr准则，结合已经提出的光功率约束，收发机的设计可以表述成下述优化问题：

求解过程为如下步骤：

a、计算信道矩阵h和噪声的自相关矩阵rn，设定照明亮度参数和分别为il、ih的均值；设定和初始化为t×lk阶的单位阵，t为发送阵列的个数，lk为第k个用户接收到的数据流的个数。

b、设定迭代次数d＝1。

c、固定更新

可以转化为求解下列优化问题

令

将表示成单个列向量的形式，即

根据rayleigh-ritz不等式，目标函数可进行如下变换

式中，为和中的最大广义特征值。再结合是满秩的，可以得到，的列向分量的最优值为

其中，γmax为的最大特征值所对应的特征向量，σi为不为0的幅度常数。

d、固定更新

此时为定值，e3相对于所需要优化的为定值，设为c。

就是以下优化问题的最优解

令

由于

则

套用rayleigh-ritz不等式，假设

其中，λmax[r1,(r2+ci)]为r1和r2+ci中的最大广义特征值。再结合r2+ci是满秩的，可以得到，的列向分量的最优值为

其中，δmax为(r2+ci)^-1r1的最大特征值所对应的特征向量。wi为非零的幅度常数。下面需要根据两个不等式条件对于ωi的取值范围进行讨论。

假设幅度矩阵ω的形式如下所示

那么，所以不等式条件可以写为

对于ω1而言，它所需要满足的条件为

式中δmax,i、分别对应各自向量的第i个分量。因此，ω1的范围为

ω中的其他分量可以按上述方法类似的得出。

e、若此时表示当前次迭代用户k的信噪比，ε表示设定门限，或迭代次数达到预设最大次数，则停止迭代，并将此时的作为用户k的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则将d＝d+1，返回执行步骤c；

按照a-e计算得到所有用户的的最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵，并按照最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵分别设计发送机、接收机。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。