一种可见光通信网络的优化方法与流程

本申请涉及可见光通信领域，尤其涉及一种可见光通信(visiblelightcommunication，vlc)系统的优化方法。
背景技术：
：无线设备的爆炸式增多和对高速数据服务的需求的日益增长给传统无线通信网络带来了巨大的压力，包括但不限于射频频谱(radiofrequency，rf)危机和电池的快速损耗。为解决这一问题，可见光通信(visiblelightcommunication，vlc)系统中信息与能量共同传输(simultaneouslightwaveinformationandpowertransfer，slipt)的技术以其巨大的免授权频谱、无电磁干扰、固有安全性好等特点成为室内无线网络的一项有前途的技术。从应用的角度来看，采用slipt技术的vlc系统，即sliptvlc系统具有同时提供照明、信息传输和能量收集的优点。更具体地说，sliptvlc系统的发射端采用低成本的发光二极管(lightemittingdiodes，leds)，在一定的光照要求下以可见光的形式进行广播传输，sliptvlc系统的接收端采用光电二极管(photodiode，光电二极管)进行接收。此外，为了延长电池寿命，接收器可以从光波中收集能量。因此，sliptvlc系统可以在办公室、购物中心、机场、医院、飞机机舱等多种场景下与各种室内物联网(internetofthings，iot)协同工作。近年来，人们对sliptvlc系统进行了研究。第一方面，人们使用太阳能电池板进行同步信息接收和能量收集，设计了一种光无线通信系统，该系统提供了太阳能电池板的直流模型和交流模型。以及，利用直流偏置、视场(field-of-view，fov)和能量获取时间，提出了利用一种slipt策略来分析收集的能量和服务质量(qualityofservice，qos)之间的平衡。或者，研究了不同光照条件下的能量采集vlc系统。另一方面，人们使用光电二极管来进行信息接收和能量收集。例如，研究混合甚低频射频网络的保密中断概率。以及在双跳(dual-hop)vlc/rf网络的速率最大化方案中，中继通过光电二极管从vlc链路获取能量，然后将数据重新传输到rf链路。尽管sliptvlc系统得到了广泛的分析，但对于多led多用户的sliptvlc网络，即多对多sliptvlc网络来说，其典型的设计问题即总传输功率最小化的问题和最大化速率下界的问题具有非凸性，因此无法得到有效的解决。参考文献：[1]“siliconpinphotodiodesfh206k,”http://pdf1.alldatasheetcn.com/datasheet-pdf/view/45619/siemens/sfh206k.html.[2]“luxeontxextremeefficacyandbestperformance,”http://www.mouser.com/ds/2/602/ds133-542348.pdf.[3]q.gao,c.gong,andz.xu,“jointtransceiverandoffsetdesignforvisiblelightcommunicationswithinput-dependentshotnoise,”ieeetrans.wirelesscommun.,vol.16,no.5,pp.2736–2747,may2017.[4]s.yao,x.zhang,h.qian,andx.luo,“jointdimminganddatatransmissionoptimizationformulti-uservisiblelightcommunicationsystem,”ieeeaccess,vol.5,pp.5455–5462,2017.[5]k.ying,h.qian,r.j.baxley,andg.t.zhou,“mimotransceiverdesignindynamic-range-limitedvlcsystems,”ieeephoton.technol.lett.,vol.28,no.22,pp.2593–2596,nov.2016.[6]t.fathandh.haas,“performancecomparisonofmimotechniquesforopticalwirelesscommunicationsinindoorenvironments,”ieeetrans.commun.,vol.61,no.2,pp.733–742,feb.2013.[7]t.q.wang,y.a.sekercioglu,andj.armstrong,“analysisofanopticalwirelessreceiverusingahemisphericallenswithapplicationinmimovisiblelightcommunications,”j.lightw.technol.,vol.31,no.11,pp.1744–1754,jun.2013.[8]k.ying,h.qian,r.j.baxley,ands.yao,“jointoptimizationofprecoderandequalizerinmimovlcsystems,”ieeej.sel.areascommun.,vol.33,no.9,pp.1949–1958,sep.2015.[9]j.kahnandj.barry,“wirelessinfraredcommunications,”proc.ieee,vol.85,no.2,pp.265–298,feb.1997.[10]s.ma,r.yang,h.li,z.-l.dong,h.gu,ands.li,“achievableratewithclosed-formforsisochannelandbroadcastchannelinvisiblelightcommunicationnetworks,”j.lightw.technol.,vol.35,no.14,pp.2778–2787,jul.2017.[11]z.wang,d.tsonev,s.videv,andh.haas,“towardsself-poweredsolarpanelreceiverforopticalwirelesscommunication,”inproc.ieeeint.conf.commun.(icc),pp.3348–3353,jun.2014.[12]j.m.palmer,“radiometryandphotometryfaq.(2003),”https://employeepages.scad.edu/kwitte/documents/photometryfaq.pdf.[13]s.ma,t.zhang,s.lu,h.li,z.wu,ands.li,“energyefficiencyofsisoandmisoinvisiblelightcommunicationsystems,”j.lightw.technol.,vol.36,no.12,pp.2499–2509,jun.2018.[14]y.-c.kuo,t.-j.liang,andj.-f.chen,“novelmaximum-power-pointtrackingcontrollerforphotovoltaicenergyconversionsystem,”vol.48,pp.594–601,jul.2001.[15]c.huaandc.shen,“studyofmaximumpowertrackingtechniquesandcontrolofdc/dcconvertersforphotovoltaicpowersystem,”inproc.29thannu.ieeepesc,vol.1,pp.86–93,may1998.[16]d.-y.lee,h.-j.noh,d.-s.hyun,andi.choy,“animprovedmpptconverterusingcurrentcompensationmethodforsmallscaledpv-applications,”inproc.18thannu.ieeeapec,vol.1,pp.540–545,feb.2003.[17]d.dondi,a.bertacchini,d.brunelli,l.larcher,andl.benini,“modelingandoptimizationofasolarenergyharvestersystemforself-poweredwirelesssensornetworks,”ieeetrans.ind.electron.,vol.55,no.7,pp.2759–2766,jul.2008.[18]f.adamo,f.attivissimo,a.d.nisio,andm.spadavecchia,“characterizationandtestingofatoolforphotovoltaicpanelmodeling,”ieeetrans.instrum.meas.,vol.60,no.5,pp.1613–1622,may2011.[19]a.nasiri,s.a.zabalawi,andg.mandic,“indoorpowerharvestingusingphotovoltaiccellsforlow-powerapplications,”ieeetrans.ind.electron.,vol.56,no.11,pp.4502–4509,nov.2009.[20]j.fakidis,s.videv,s.kucera,h.claussen,andh.haas,“indooropticalwirelesspowertransfertosmallcellsatnighttime,”j.lightw.technol.,vol.34,no.13,pp.3236–3258,jul.2016.[21]d.sera,r.teodorescu,andp.rodriguez,“pvpanelmodelbasedondatasheetvalues,”inieeeint.symp.ind.electron.,pp.2392–2396,jun.2007.[22]s.a.k.w.desotoandw.a.beckman,“improvementandvalidationofamodelforphotovoltaicarrayperformance,”sol.energy,vol.80,no.1,pp.78–88,jan.2006.[23]z.q.luo,w.k.ma,a.m.c.so,y.ye,ands.zhang,“semidefiniterelaxationofquadraticoptimizationproblems,”ieeesignalprocess.mag.,vol.27,no.3,pp.20–34,may2010.[24]“1.5mhz,30ahigh-efficiency,leddriverwithrapidledcurrentpulsing,”http://pdf.dzsc.com/max/maximmax16818ati+30010.pdf.[25]d.dondi,d.brunelli,l.benini,p.pavan,a.bertacchini,andl.larcher,“photovoltaiccellmodelingforsolarenergypoweredsensornetworks,”inadvancesinsensorsandinterface2007.iwasi2007.2ndinternationalworkshopon,pp.1–6,jun.2007.[26]“bq25504ultralow-powerboostconverterwithbatterymanagementforenergyharvesterapplications,”http://101.96.10.45/www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25504.pdf.[27]“cy39c831ultralowvoltageboostpmicforsolar/thermalenergyharvesting,”http://www.cypress.com/file/216476/download.技术实现要素：本申请提供了一种可见光通信网络的优化方法，以解决现有的可见光通信网络的设计问题具有非凸性，导致无法得到有效地解决方法这一问题。第一方面，本申请提供一种可见光通信网络的优化方法，包括：步骤1：建立多对多sliptvlc网络，所述多对多sliptvlc网络包括多对多发射端和多对多接收端，所述多对多发射端将多对多传输信号通过两个以上的发光二极管转换为可见光，并发送给所述多对多接收端；所述多对多接收端将所述可见光通过两个以上的光电二极管进行多对多信息接收，或者将所述可见光通过两个以上的太阳能电池板进行多对多能量收集；步骤2：在满足速率要求、最小能量收集要求和光照控制约束的前提下，实现所述多对多sliptvlc网络总传输功率最小化；在满足所述最小能量收集要求和所述光照控制约束的前提下，实现所述多对多sliptvlc网络最小速率最大化。结合第一方面，在一种实现方式中，所述步骤1包括：n个发光二极管同时向k个用户发送数据和能量时，令sk表示所述n个发光二极管给第k个用户的数据符号，其中|sk|≤ak，ak和εk分别为第k个数据符号的幅度峰值和方差；所述多对多传输信号x为：其中，k为用户总数，为数据符号sk的波束成形向量，id为直流偏置，1n为n×1维元素全为1的向量，n为发光二极管数量；所述多对多传输信号x的平均电功率为：所述波束成形向量gk满足：其中，en为基向量；第n个发光二极管的光通量φn,ot为：其中，gk,n为第n个发光二极管与第k个用户之间的功率增益。结合第一方面，在一种实现方式中，所述步骤1包括：步骤1.1：根据所述多对多sliptvlc网络的多对多传输信号x，分析所述多对多sliptvlc网络的光照控制：所述波束成形向量gk满足：式中，ih为发光二极管最大允许电流；多对多sliptvlc网络的平均光功率为：所述多对多sliptvlc网络的光照控制，即所述光照水平τ、所述多对多sliptvlc网络的平均光功率和所述最大光功率pt之间的的关系：结合第一方面，在一种实现方式中，所述步骤1包括：步骤1.2：分析所述多对多接收端的多对多信息接收模块：在第k个用户处接收到的信号y1,k为：其中，gi为第i个用户的波束成形向量，si为发送给第i个用户的数据符号，h1,k,n为从第n个发光二极管到第k个用户光电二极管的信道增益，h1,k＝[h1,k,1,...,h1,k,n]t表示发光二极管与用户k之间的信道向量，zk为零均值，方差为σ2的加性高斯噪声；第k个用户的可达速率为：其中，参数αi和γi由ai和εi确定，ai和εi分别为第i个数据符号的幅度峰值和方差；式(9)的下界通过如下分布得到：其中，αi，βi和γi为下列方程的解：结合第一方面，在一种实现方式中，所述步骤1包括：步骤1.3：分析所述多对多接收端的多对多能量收集模块：在第k个用户处接收到的照度ek为：其中，h2,k,n表示第n个发光二极管到第k个用户太阳能电池板的信道增益，为发光二极管的相对光谱能量密度，λ为光波波长，为标准光度函数，ea表示环境光的照度(w/m2)，φn,ot为第n个发光二极管的光通量；在第k个用户处，太阳能电池板输出电压uk为：uk＝ηuk,oc,(13)其中，uk,oc为在第k个用户处，太阳能电池板的开路电压：其中，太阳能电池板系数并且qe为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，jf为二极管的理想因数，ta为环境温度，ik,sc,stc为第k个太阳能电池板标准测试状态下的短路电流，αk,stc为第k个太阳能电池板的短路电流温度系数，ek,stc为第k个用户在标准测试状态下接收的照度，ik,s0为第k个用户的饱和暗电流；第k个太阳能电池板的输出电流ik为：第k个用户的太阳能电池板的平均输出功率为：其中，h2,k＝[h2,k,1,...,h2,k,n]t表示发光二极管与第k个太阳能电池板之间的信道向量，结合第一方面，在一种实现方式中，所述步骤2包括：步骤2.1：根据式(9)和式(16c)，在满足速率要求、最小能量收集要求和光照控制约束的前提下，提出所述多对多sliptvlc网络的总传输功率最小化问题：nid＝τpt,(17e)其中，rk为第k个用户的速率要求，vk为第k个用户的收集能量要求；将式(17e)代入式(17d)，所述多对多sliptvlc网络的总传输功率最小化问题(17)等价为：由于速率约束(18b)和能量收集约束(18c)，这是一个非凸问题；引入以下定义：根据定义(19)，将式(18)简化为：其中，通过以下属性处理非凸约束(20b)和(20c)：忽略非凸秩约束rank(g)＝1，问题(20)松弛为：g≥0,(22e)定义为问题(22)的最优解，若通过特征值分解得到问题(22)的最优波束形成向量若将高斯随机化过程应用于得到问题(22)的可行解结合第一方面，在一种实现方式中，所述步骤2包括：步骤2.2：在满足最小能量收集要求和光照控制约束的前提下，所述多对多sliptvlc网络的最大化最小速率问题为：nid＝τpt(23d)其中，vk为第k个用户的收集能量要求，为最大总传输功率；将(23d)代入(23c)，引入辅助变量所述多对多sliptvlc网络的最大化最小速率问题(23)等价为：根据定义(19)，将问题(24)简化为：其中，忽略非凸秩约束rank(g)＝1，问题(25)松弛为：g≥0,(26f)对于给定的问题(26)归结为sdp可行性子问题序列：findg(27a)g≥0,(27e)定义为问题(26)的最优解，若通过特征值分解得到问题(25)的最优波束形成向量若将高斯随机化过程应用于得到问题(25)的可行解由以上技术方案可知，本申请实施例提供一种可见光通信网络的优化方法，包括：步骤1：建立多对多sliptvlc网络，所述多对多sliptvlc网络包括多对多发射端和多对多接收端，所述多对多发射端将多对多传输信号通过两个以上的发光二极管转换为可见光，并发送给所述多对多接收端；所述多对多接收端将所述可见光通过两个以上的光电二极管进行多对多信息接收，或者将所述可见光通过两个以上的太阳能电池板进行多对多能量收集；步骤2：在满足速率要求、最小能量收集要求和光照控制约束的前提下，实现所述多对多sliptvlc网络传输功率最小化；在满足所述最小能量收集要求和所述光照控制约束的前提下，实现所述多对多sliptvlc网络最小速率最大化。。现有技术中，对于多对多sliptvlc网络来说，其典型的设计问题具有非凸性，因此无法得到有效的解决。而采用前述方法，在建立多对多sliptvlc网络后，研究了照明-速率-能量区域约束下的总传输功率最小化问题。本发明利用半定松弛(semidefiniterelaxation，sdr)技术将非凸问题松弛为凸问题，再利用内点法可以有效地解决这一问题。此外，本发明还研究了波束形成器的设计，满足最小能量收集要求和照明控制条件的前提下最大化速率下界。为了解决公式的非凸性，本发明利用了sdr和二分法搜索。特别地，所构造的问题可以松弛为凸半正定规划。因此相对于现有技术，本发明有效地解决了多对多sliptvlc网络的设计问题，从而实现了对可见光通信网络的优化。附图说明为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请实施例方法工作流程示意图；图2是本申请实施例一种多对多sliptvlc网络的下行单播传输示意图；图3是本申请实施例一种点对点sliptvlc系统中的点对点发射端示意图；图4是现有的一种可见光通信系统中的接收端示意图；图5是本申请实施例一种点对点sliptvlc系统中的点对点接收端示意图；图6是本申请实施例一种太阳能电池板的基本等效电路示意图；图7a是本申请实施例太阳能电池板收集的能量qsolar和可达速率下限随功率放大器的功率增益g变化的曲线示意图；图7b是本申请实施例太阳能电池板收集的能量qsolar和可达速率下限随功率放大器的功率增益g变化的曲线示意图；图8a是本申请实施例在和1.5bits/sec/hz三种情况下总传输功率的随发光二极管数量n变化的曲线示意图；图8b是本申请实施例电功率随速率门限变化的曲线示意图；图8c是本申请实施例在和6bits/sec/hz电功率随能量收集门限的变化曲线示意图；图9是本申请实施例一种最大速率下限随能量阈值变化的曲线示意图。具体实施方式为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。本发明公开一种可见光通信网络的优化方法，本方法应用于多led多用户可见光通信网络，即多对多sliptvlc网络。参照图1，是本申请实施例部分提供的一种可见光通信网络的优化方法的工作流程示意图，包括以下步骤：步骤1，建立多对多sliptvlc网络，所述多对多sliptvlc网络包括多对多发射端和多对多接收端，所述多对多发射端将多对多传输信号通过两个以上的发光二极管转换为可见光，并发送给所述多对多接收端；所述多对多接收端将所述可见光通过两个以上的光电二极管进行多对多信息接收，或者将所述可见光通过两个以上的太阳能电池板进行多对多能量收集。所述多对多接收端将所述可见光通过两个以上的光电二极管进行多对多信息接收，或者将所述可见光通过两个以上的太阳能电池板进行多对多能量收集。即所述多对多发射端配置多个发光二极管，将所述多对多传输信号发送给所述多对多接收端，所述多对多接收端中的每个接收模块即代表一个用户。步骤2，在满足速率要求、最小能量收集要求和光照控制约束的前提下，实现所述多对多sliptvlc网络总传输功率最小化；在满足所述最小能量收集要求和所述光照控制约束的前提下，实现所述多对多sliptvlc网络最小速率最大化。如图2所示，n个发光二极管同时向k个用户发送数据和能量。令sk表示n个发光二极管给第k个用户的数据符号，其中|sk|≤ak，ak和εk分别为第k个数据符号的幅度峰值和方差。令表示数据符号sk的波束成形向量，所述多对多传输信号为：其中，k为用户总数，gk为数据符号sk的波束成形向量，1n为n×1维元素全为1的向量，n为发光二极管数量。所述多对多传输信号x的平均电功率为：为了保证所述多对多传输信号x的非负性，波束成形向量gk满足：其中，en为基向量。此外，第n个发光二极管的光通量为：其中，gk,n为第n个发光二极管与第k个用户之间的功率增益。所述步骤1包括步骤1.1：根据所述多对多sliptvlc网络的多对多传输信号x，分析所述多对多sliptvlc网络的光照控制：本发明假设使用预失真和后失真技术可以降低发光二极管的非线性。为了眼睛安全和发光二极管的最大允许电流考虑，所述波束成形向量gk满足：其中，ih为发光二极管最大允许电流。多对多sliptvlc网络的平均光功率为：所述多对多sliptvlc网络的光照控制，即所述光照水平τ、所述多对多sliptvlc网络的平均光功率和所述最大光功率pt之间的的关系：所述步骤1包括步骤1.2：分析所述多对多接收端的多对多信息接收模块：令h1,k,n为从第n个发光二极管到第k个用户光电二极管的信道增益，令h1,k＝[h1,k,1,...,h1,k,n]t表示发光二极管光源与用户k之间的信道向量，则在第k个用户处，接收到的信号y1,k为：其中，gi为第i个用户的波束成形向量，si为发送给第i个用户的数据符号，zk为零均值，方差为σ2的加性高斯噪声。根据[10]，第k个用户的可达速率为：其中，参数αi和γi由ai和εi确定，ai和εi分别为第i个数据符号的幅度峰值和方差。式(9)的下界通过如下分布得到[10]：其中，αi，βi和γi为下列方程的解：所述步骤1包括步骤1.3：分析所述多对多接收端的多对多能量收集模块：令h2,k,n第n个发光二极管到第k个用户太阳能电池板的信道增益。在第k个用户处，接收到的照度ek为：其中，为发光二极管的相对光谱能量密度，λ为光波波长，为标准光度函数，ea表示环境光的照度(w/m2)，φn,ot为第n个发光二极管的光通量。在第k个用户处，太阳能电池板输出电压uk为：uk＝ηuk,oc,(13)其中，uk,oc为在第k个用户处，太阳能电池板的开路电压，即：其中，太阳能电池板系数并且qe为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，jf为二极管的理想因数，ta为环境温度，ik,sc,stc为第k个太阳能电池板标准测试状态下的短路电流，αk,stc为第k个太阳能电池板的短路电流温度系数，ek,stc为第k个用户在标准测试状态下接收的照度，ik,s0为第k个用户的饱和暗电流。同时，第k个太阳能电池板的输出电流ik：因此，第k个用户的太阳能电池板的平均输出功率为：其中，h2,k＝[h2,k,1,…,h2,k,n]t表示发光二极管与第k个太阳能电池板之间的信道向量，所述步骤2包括步骤2.1：所述多对多sliptvlc网络总传输功率最小化问题。利用显式可达速率表达式(9)和能量收集表达式(16c)，本发明的目标是使总传输功率最小化，同时满足速率要求，最小能量收集要求和光照控制约束。数学上，多对多sliptvlc网络的总传输功率最小化问题表示为：nid＝τpt,(17e)其中rk为第k个用户的速率要求，vk为第k个用户的收集能量要求。将式(17e)代入式(17d)，问题(17)等价地重新表述为：由于速率约束(18b)和能量收集约束(18c)，这是一个非凸问题。为了解决问题(18)，本发明首先引入以下新定义：根据定义(19)，将问题(18)改写成简洁的形式为：其中，为了处理非凸约束(20b)和(20c)，本发明采用了sdr技术。具体来说，通过使用以下属性：并且忽略非凸秩约束rank(g)＝1，将问题(20)松弛为：g≥0,(22e)定义为问题(22)的最优解，若则通过特征值分解得到(22)问题的最优波束形成向量如果本发明将高斯随机化过程[23]应用于得到问题(22)的可行解所述步骤2包括步骤2.2：所述多对多sliptvlc网络最小速率最大化问题。本发明考虑了用户速率公平策略，通过优化波束形成器的设计，即设计集合中元素的值，最大化最小速率，同时满足最小能量收集要求和光照控制约束。它的数学表达形式为：nid＝τpt(23d)其中vk为第k个用户的收集能量要求，为最大总传输功率。将(23d)代入(23c)，引入辅助变量问题(23)等价地重新表述为：由于速率约束(24b)和能量收集约束(24c)，这是一个非凸问题。根据定义(19)，将问题(24)改写为简明形式：其中，为了处理非凸约束(25b)和(25c)，本发明采用了sdr技术。具体来说，忽略非凸秩约束rank(g)＝1，问题(25)松弛为：g≥0,(26f)由于约束条件(26b)中的变量这个问题仍然是非凸的。然而，对于给定的问题(26)是凸的。因此，问题(26)是一个拟凸优化问题，它的全局最优解可以用简单的二分法搜索。具体来说，对于给定的问题(26)归结为sdp可行性子问题序列：findg(27a)g≥0,(27e)算法1描述了处理问题(26)的二分法。定义为问题(26)的最优解。若则通过特征值分解得到(25)问题的最优波束形成向量如果本发明将高斯随机化过程[23]应用于得到问题(25)的可行解表1算法1：二分法本实施例公开一种可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法，作为建立所述多对多sliptvlc网络的基础，具体的，包括以下步骤：步骤3：建立点对点sliptvlc系统，所述点对点sliptvlc系统包括点对点发射端和点对点接收端，所述点对点发射端将点对点传输信号通过一个发光二极管转换为可见光，并发送给所述点对点接收端。本事实例中，所述点对点接收端将所述可见光通过光电二极管进行点对点信息接收，或者将所述可见光通过太阳能电池板进行点对点能量收集；即所述点对点发射端只有一个发光二极管，将点对点传输信号在一个时间段发送给一个接收端。具体的，本实施例研究一个在传输端带有一个发光二极管的点对点sliptvlc系统，如图3所示。在点对点发射端，信息首先被调制器调制成数字信号。然后，数字信号通过数模转换器转换成模拟形式，通过功率放大器放大。经过功率放大器后，信号通过偏置器，并加入发光二极管源的直流。最后，发光二极管将信号转换成可见光，发送给点对点接收端。所述可见光通信系统中信息与能量共同传输的方法包括步骤3.1：计算所述点对点传输信号x。如图3所示，令s表示连续数据符号且的随机实数。此外，给定a＞0和ε＞0，峰值振幅和方差分别为-a≤s≤a和经过功率放大器后，点对点传输信号x为：其中g为功率放大器的功率增益，id为直流偏置。因为点对点传输信号x是非负的，即所以g应满足：点对点传输信号x的平均电功率为：此外，发光二极管的光通量φot为[2]：φot＝354.286x+27，(31)所述步骤3包括步骤3.2：根据所述点对点传输信号x，分析所述点对点sliptvlc系统的光照控制：光照控制是vlc系统的基本要求之一，是通过调节平均光功率来满足实际照明要求。令τ表示光照水平，表示平均光功率。τ，和pt之间的关系：其中pt为最大光功率，因此0＜τ≤1。此外，根据式(28)，平均光功率由直流偏置id决定，即：因此，光照水平的控制通过id调节来实现，即考虑到眼睛安全和发光二极管最大允许电流[3]-[5]，设ih为发光二极管最大允许电流，即，因此，所述功率放大器的功率增益g满足：因此，点对点发射端可以控制功率增益g以满足照明和安全要求。发光二极管发出的信号是光波的形式，在空间中均匀分布。光波通过光信道传输到所述点对点接收端，在所述点对点接收端的光电二极管或太阳能电池板可以捕捉到它们。在大多数现有的文献中，如图4所示，接收端采用光电二极管或太阳能电池板接收信号，采用功率分裂技术获取分离信号，一部分用于信息接收，另一部分用于能量收集。然而，正如本发明前面所讨论的，光电二极管和太阳能电池板在不同的任务中有各自的优势，因此在本文中，本发明采用了一种组合结构，如图5所示，一个光电二极管用于信息接收，一个太阳能电池板用于能量收集。所述步骤3包括步骤3.3.1：分析所述点对点接收端的点对点信息接收模块。光信道在发光二极管和光电二极管之间，由直接视线(directline-of-sight，los)链路主导，而反射链路的增益可以忽略不计[6]–[8]。令h1表示发光二极管与光电二极管之间的los链路增益，由[9]给出：其中为朗伯指数；φ1/2为发光二极管的半功率半角；d1为发光二极管与光电二极管之间的距离；ap表示光电二极管的探测器面积；φ1和分别为发光二极管到光电二极管的出射角和入射角；ψ1表示光电二极管的视野区域(field-of-view，fov)的一半，即光电二极管的半视场角。在信息解码模块中，光电二极管将发光二极管发出的光转换成模拟信号，然后模数转换器将模拟信号采样成数字形式。假设发光二极管的非线性通过使用预失真和后失真技术得到缓解。一般情况下，接收到的信号y表示为：y＝h1x+z，(36)其中z表示方差为σ2的零均值高斯噪声。vlc信道的信道容量是未知的，本发明采用[10]中可实现的速率表达式来分析sliptvlc系统。rsiso表示的可达速率：其中α和γ是由a和ε确定的参数。所述可达速率rsiso的rsiso下界通过如下分布得到[10]：其中α，β和γ为下列方程的解：t(a)-t(-a)＝e1+α,(39a)β(ea(β-γa)-e-a(β+γa)-e1+α)＝0,(39b)ea(β-γa)((β-2γa)e-2aβ-β-2γa)+(β2+2γ)e1+α＝4γ2εe1+α,(39c)其中，为了方便起见，本发明使用来表示式(37)中rsiso的下界。所述步骤3包括步骤3.3.2：分析所述点对点接收端的点对点能量收集模块：在能量收集器中，发光二极管发出的光和周围的光都被太阳能电池板转换成模拟电信号，经过整流器的过滤后储存在电池中。令h2表示发光二极管与太阳能电池板之间的信道增益：其中，as表示太阳能电池板的探测器面积，d2为发光二极管与太阳能电池板之间的距离，φ2为发光二极管到太阳能电池板的出射角，为发光二极管到太阳能电池板的入射角，ψ2表示太阳能电池板的半视场角。太阳能电池板接收到的光通量φor由[11]可得：φor＝h2φot(41)由于背景光和发光二极管灯通常是不连贯的，因此接收到的太阳能电池板照度为：其中为发光二极管的相对光谱能量密度[2]，λ为光波波长，为标准光度函数[12]；ea表示环境光的照度(w/m2)。太阳能电池板的基本等效电路如图6所示。由于太阳能电池板通常具有一定的非线性伏安特性，因此通常采用最大功率点(maximumpowerpoint，mpp)跟踪技术来分析输出功率。所述mpp跟踪方法有多种[13]-[16]，本发明采用在小型太阳能电池板系统中应用广泛的部分开路电压(fractionalopen-circuitvoltage，focv)方法[15]，[16]。利用focv方法和mpp跟踪方法，输出电压u和开路电压uoc近似为[16]：u＝ηuoc,(43)其中，η∈[0.71,0.78]为一系数。根据等效电路模型，太阳能电池板输出电流i为[17]，[18]：其中，iph为光生电流，is0为饱和暗电流，c1为太阳能电池板系数，rs为等效串联电阻，rsh为等效并联电阻，并且太阳能电池板系数qe为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，jf为二极管的理想因数，ta为环境温度。在室内条件下，输出电流i和串联电阻rs的值一般分别在毫安和毫欧姆水平[19]、[20]。输出电压u不大于10伏特，并联电阻rsh不小于1千欧姆[19]、[20]。因此，式(44)中的项可以忽略，输出电流i可以近似为：当电路开路，即i＝0时，有：此外，光生电流iph与照度e和环境温度ta成正比[17]、[22]：其中isc,stc为标准测试状态(standardtestconditions，stc)即，照度为estc＝1000w/m2；环境温度ta,stc＝298k时的短路电流，αstc为短路电流温度系数。将式(47)代入式(46)，得到的开路电压uoc为：其中，式(44)中的饱和暗电流取决于环境温度ta[17]，[22]：其中，is0,stc为标准测试状态中的暗饱和电流，eg,stc＝1.12ev。当电路短路，即u＝0时，有：iph＝isc，(50)根据式(45)，可得is0,stc：其中，uoc,stc为标准测试状态下的开路电压。最后，本发明得到太阳能电池板的输出功率为功率放大器的功率增益g的函数：其中式(52c)的近似是因为和一阶泰勒展开：因此，本发明可得到太阳能电池板在δt时刻所收集的能量：qsolar(δt)＝psolarδt(53)所述步骤3包括步骤3.4：计算所述点对点sliptvlc系统的光照-速率-能量区域：到目前为止，本发明已经得到了速率和收获能量关于功率放大器的功率增益g的函数的显式表达式，分别在式(37)和式(52)中给出。在实际电路考虑下，vlc信号的电功率也受到限制。因此，功率放大器的功率增益g和id满足：其中，为最大总传输功率。结合式(29)，式(34)和式(54)，可得：最后，本发明引入了一个光照-信息-能量区域，该区域由给定发射功率约束条件下的光照水平τ、可达速率rsiso和收集的能量qsolar组成，所述光照-信息-能量区域ci-r-e为：其中，步骤4：仿真结果。本发明给出了一些数值结果来分析关键因素对系统性能的影响。假设输入数据s的峰值振幅和方差分别为a＝2,ε＝1。发光二极管、光电二极管和太阳能电池板的参数见表2。发光二极管和光电二极管的参数引用自[1]，[24]，太阳能电池板的电路架构采用[25]-[27]。光伏组件采用单晶硅太阳能电池。加性噪声的功率谱密度为-98.82dbm。表2发光二极管，光电二极管和太阳能电池板参数发光二极管的半功率半角φ1/260°光电二极管的半视场角ψ160°太阳能电池板的半视场角ψ260°光电二极管的探测器面积apd1cm2太阳能电池板的探测器面积as10cm2零均值高斯噪声的方差σ2-98.82dbm最大光功率pt50w光照水平τ0.9标准测试状态下的短路电流isc,stc200ma标准测试状态下的开路电压uoc,stc5v所述步骤4包括步骤4.1：点对点sliptvlc系统的仿真结果。如图7a所示，为太阳能电池板收集的能量qsolar和可达速率下限随直流偏置id变化的曲线，随着直流偏置id增加，太阳能电池板收集的能量呈对数型增加。这是因为在式(52)中显示，的数量级在psolar中占主导地方。可达速率下限先增大，然后缓慢减小。这是因为如式(56)所示，速率下限不是一个关于直流偏置id单调函数的。注意，在仿真中，功率放大器的功率增益g等于当直流偏置id较小时，随着直流偏置id的增加，功率放大器的功率增益g呈二次型增长；直流偏置id较大时，功率放大器的功率增益g随直流偏置id的增加呈二次型减小。如图7b所示，为太阳能电池板收集的能量qsolar和可达速率下限随功率放大器的功率增益g变化的曲线，随着功率放大器的功率增益g增加，太阳能电池板收集的能量qsolar增加，而可达速率下界快速增加然后缓慢增加。这表明增加功率放大器的功率增益g是有效的能量转移，而不是有效的提高传输速度。所述步骤4包括步骤4.2：多对多sliptvlc网络的仿真结果。对于多对多sliptvlc网络，假设有9个发光二极管和2个用户，即，n＝9，k＝2。此外，假设光电二极管s、太阳能电池板和发光二极管的位置见表3。表3光电二极管、发光二极管和太阳能电池板的位置如图8a所示，为在和1.5bits/sec/hz三种情况下总传输功率随发光二极管数量n变化的曲线，其中k＝2。可知三种情况下的总功率随着发光二极管数量n的增加而减小。此外，值越高，对传输功率的要求越大。如图8b所示，为电功率随速率门限变化的曲线，无论有没有收获能量约束，电功率都随着速率门限增加单调增加。比较和两种情况，能量收集门限越高，传输功率消耗越大。如图8c所示，为在和6bits/sec/hz电功率随能量收集门限的变化曲线，电功率随能量收集门限的增加呈对数型增加。同时，可以直观地看出，速率门限越高，需要的传输功率越大。如图9所示，为问题(23)中最大速率下限随能量阈值变化的曲线，其中k＝2。可以看到，最大速率下限随着能量收集门限的增大而减小。最后，通过比较功率预算的情况，可知传输功率预算越高，最大速率下限越大。本实施例设计了一种sliptvlc系统，分别以光电二极管和太阳能电池板用于信息接收和能量收集。通过对信息接收模块和能量收集模块的分析，给出了点对点sliptvlc系统的光照-速率-能量区域。在此基础上，本发明进一步推导了多对多sliptvlc网络的信息传输和能量收集的显式表达式，然后研究了可见光通信网络的优化方法，即总传输功率最小化问题和最大化速率下限问题。仿真结果表明，本发明所提出的可见光通信网络的优化方法能够保证多对多sliptvlc网络的性能。具体实现中，本申请还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本申请提供的一种可见光通信网络的优化方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-onlymemory，简称：rom)或随机存储记忆体(英文：randomaccessmemory，简称：ram)等。本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。当前第1页12