一种基于NOMA的中继协作室内可见光通信方法及系统与流程

本发明属于室内可见光通信技术领域，具体涉及到一种基于noma的室内可见光协作通信方法及系统。

背景技术：

作为一种新兴的无线通信技术，可见光通信(vlc，visiblelightcommunication)以其实现简单，成本低廉，绿色安全的特性吸引了学术界和工业界的广泛关注。近年来，随着制造工艺的提高，发光二极管(led，lightemittingdiode)等成本低廉、可大规模量产的发光元器件已经广泛替代了传统照明设备。白光led不但能够实现室内照明，其具备的调光功能更是能够将电信号通过光强变化的光信号发送出去。光电二极管(pd，photodiode)等感光器件的使用能够将光强变化的光信号转换成相应的电信号。因此，利用led和pd等光学元器件能够在实现室内照明功能的条件下实现vlc。vlc是未来实现封闭环境内，短距离高速通信的最优技术之一。

同时在无线通信系统中，中继协作通信技术经常被应用于信源节点到目的节点的距离较远，信道条件太差不足以支撑信息传输的情况中，其可通过在信源节点和目的节点之间设立中继节点的方法，由信源节点将信息传输给中继节点，中继节点再将信息转发给目的节点，使得信源节点与目的节点之间的通信得以在比较好的信道条件下完成。在室内可见光通信系统中，信源节点和目的节点之间的可见光链路由于障碍物的存在可能被阻断，导致信息传输中断，因此需要引入相应的次光源作为中继来协助信源和目的节点之间的通信。

近年来，noma技术(即非正交多址接入技术)作为一种新的多址接入技术得到了学术界的广泛关注。由于noma采取的是功率域叠加的方式来实现多种信号的同步传输，不同信号之间使用同一个频段进行传输。假设不同传输路径的信道条件已知，noma依据信道条件的好坏进行功率分配，信道条件差的分配较多功率。不同的信号直接叠加到一起发送出去，在信号接收端，依据功率的大小关系确定解调顺序。功率大的信号先解调，功率小的信号被当作噪声来处理。解调出第一部分的信号之后，从接收到的混合信号中减去解调出来的第一部分信号，再解调第二部分的信号。

中继协作技术在室内可见光通信系统中的应用使得室内可见光通信的覆盖范围更加广泛；而noma技术在中继协作可见光通信系统中的应用使得系统中的中继节点不但能够转发信源信息，同时也能够发送中继自身信息给对应的目的节点。综上可知，有必要研发一种能够将上述技术有效结合在一起的技术，以使得室内可见光协作通信系统中的中继节点不仅仅用来转发信源节点的消息，同时也能发送自己的消息。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的弊端，本发明提供了一种基于noma实现多种信息同时转发的中继协作室内可见光通信方法，以有效解决背景技术中所提及的技术问题。

一种基于noma的中继协作室内可见光通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1、在可见光通信系统中，通过中继协作，在两个独立的时隙内协作完成信源节点到目的节点的通信，所述可见光通信系统至少包括两个时隙，在第一个时隙内，信源节点对信源信息进行处理，得到第一可见光信号并将其发送给中继节点，中继节点得到来自信源节点的可见光信号，并将其转化成相应的电流信号；

s2、在第二个时隙内，使得中继节点利用noma技术将来自信源节点和中继节点自身的信息在功率域上进行叠加，并分别完成中继节点到两个目的节点的通信。

进一步的，s1包括如下步骤：

s11、通过可见光通信系统的信源节点将信源消息转换成实数时域信号；

s12、在第一时隙内，将所述实数时域信号转换成非负实数信号后进行强度调制，将包含信息幅度变化的电流信号转换成第一可见光信号并发送至中继节点，所述第一可见光信号随着光强信号幅度变化而变化；

s13、在第一时隙末尾，将所述第一可见光信号解调还原成幅度变化的电流信号；

s14、中继节点将得到的解调信号与中继节点自身要传输的信号依据noma技术进行叠加。

进一步的，s2包括如下步骤：

s21、在第二时隙中，将所述混合信号转换成时域信号并得到非负的实数信号；

s22、对所述非负实数信号进行强度调制，得到第二可见光信号，分别通过不同的可见光信道发送给不同的接收节点即目的节点。

s23、两个不同的接收节点接收到所述第二可见光信号后，分别将光强变化的第二可见光信号转换成幅度变化的电流信号。

s24、在各接收节点对所接收到的电流信号进行解调，并结合所进行的削波噪声分析分别计算各自所需信号的信噪比以及吞吐量，并进行分析。

本发明还提供了一种基于noma的中继协作室内可见光通信系统，所述可见光通信系统至少包括两个时隙，一个信源节点，一个中继节点以及两个分别与所述信源节点和中继节点对应的目的节点；其特征在于，所述可见光通信系统还包括：

置于信源节点的发射模块，其用于将信源消息转换成实数时域信号，并在第一时隙内，将所述实数时域信号转换成非负实数信号后进行强度调制，将包含信息的电流信号转换成第一可见光信号并发送至中继节点，所述第一可见光信号的光强随着电流信号幅度变化而变化；

所述中继节点，其用于在第一时隙末，将所述第一可见光信号解调还原成幅度变化的电流信号并将所述电流信号与中继节点自身要传输的信号依据noma进行叠加得到混合信号；该中继节点还用于在第二时隙中，将所述混合信号转换成时域信号并得到非负的实数信号，对所述非负实数信号进行强度调制，得到第二可见光信号，分别通过不同的可见光信道发送给不同的接收节点即目的节点；

各所述接收节点，其用于在接收到所述第二可见光信号后，分别将光强变化的第二可见光信号转换成幅度变化的电流信号并对所接收到的电流信号进行解调，并结合所进行的削波噪声分析分别计算出各自所需信号的信噪比以及吞吐量后进行分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明利用中继协作通信技术使得室内可见光通信系统中的无法通信或者通信效果很差的信源节点和目的节点之间能够很好地实现通信；并利用noma技术，使得系统中的中继节点不但能够转发信源信息，同时也能够发送自身信息给相应的目的节点；本发明同时针对吞吐量提出了优化问题，得到了一系列最优系统参数，使得系统的吞吐量显著提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而该发明不只限于本实例中所涉及的内容。

图1是本发明所述方法对应的流程框图；

图2是本发明具体实施方式中方法对应的模型图；

图3和图4是本发明具体实施方式中方法对应的本实施例。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于上述设计方案，本发明设计了一种利用了noma技术来实现中继节点同时转发两种信息的技术。其通过中继协作，在两个独立的时隙内协作完成信源节点到目的节点的通信；在第二个时隙内，中继节点利用noma技术将来自信源节点和中继自身的信息在功率域上进行叠加，分别完成中继到两个目的节点的通信；且通过分析非线性削波过程带来的削波噪声，接收到的信号的信噪比，信号的吞吐量，优化不同时隙的吞吐量得到最优的直流偏置以及功率分配因子等参数。

具体的，所述基于noma的中继协作室内可见光通信方法，其特征在于，如图1，具体包括：

s1、在可见光通信系统中，通过中继协作，在两个独立的时隙内协作完成信源节点到目的节点的通信，所述可见光通信系统至少包括两个时隙，一个信源节点，一个中继节点以及两个分别与所述信源节点和中继节点对应的目的节点；在第一个时隙内，信源节点对信源信息进行处理，得到第一可见光信号并将其发送给中继节点，中继节点得到来自信源节点的可见光信号，并将其转化成相应的电流信号；进一步的，s1包括如下步骤：s11、通过可见光通信系统的信源节点将信源消息转换成实数时域信号，具体的，信源节点的发射模块通过ifft将频域信号转换为时域信号，并对该时域信号添加直流偏置，同时对其进行非线性削波处理，以将超过上下门限的信号部分进行限幅操作，从而将所述信号转换为非负实数信号；s12、在第一时隙内，将所述实数时域信号转换成非负实数信号后进行强度调制，将包含信息的电流信号转换成第一可见光信号并发送至中继节点，所述第一可见光信号的光强随着电流信号幅度变化而变化，具体的，使得发射模块通过发光二极管对得到的非负实数信号进行强度调制，将包含信息的幅度变化的电流信号通过led转换成为光强随着信号幅度变化而变化的第一可见光信号，即将信息加载到光强的变化上，并通过led发送给中继节点；s13、在第一时隙末尾，中继节点接收到来自信源节点的第一可见光信号之后，利用光电二极管对该信号进行直接检测，将所述第一可见光信号解调还原成幅度变化的电流信号，具体的，将光强变化的可见光信号还原成幅度变化的电流信号，本发明中所用的中继节点为解码转发中继，因此中继节点对得到的电流信号进行解调，得到信源节点所发送的信源信号；s14、中继节点将得到的解调信号与中继节点自身要传输的信号依据noma技术进行叠加，即按照一定的功率分配方案在功率域上对两种信号进行叠加，得到混合信号。

s2、在第二个时隙内，使得中继节点利用noma技术将来自信源节点和中继节点自身的信息在功率域上进行叠加，并分别完成中继节点到两个目的节点的通信。进一步的，s2包括如下步骤：s21、在第二时隙中，将所述混合信号转换成时域信号并得到非负的实数信号，具体的，在第二时隙中，中继节点对叠加所得到的混合信号进行ifft，得到时域信号，并对其添加直流偏置，执行非线性削波处理，得到非负的实数信号；s22、对所述非负实数信号进行强度调制，得到第二可见光信号，分别通过不同的可见光信道发送给不同的接收节点即目的节点，具体的，中继节点通过led对所得到的非负实数信号进行强度调制，得到随信号幅度变化而变化的可见光信号，分别通过不同的可见光信道发送给不同的接收节点；s23、两个不同的接收节点接收到来自于中继节点的所述第二可见光信号后，利用光电二极管对其进行直接检测，分别将光强变化的第二可见光信号转换成幅度变化的电流信号；s24、在两个接收节点依据已知的信道增益以及noma的解调顺序分别对所接收到的电流信号进行解调，并结合所进行的削波噪声分析分别计算各自所需信号的信噪比以及吞吐量，并进行分析。

进一步的，在所述方法中，对两个时隙内的非线性削波操作均进行了建模分析，以得到削波噪声关于削波上下门限，直流偏置以及信号功率的表达式；同时针对不同时隙内接收信号的吞吐量提出了四个优化方法：

(1)对第一时隙内中继节点接收到的信源信号的吞吐量进行最大化，得到第一次非线性削波过程中最优的直流偏置值；

(2)将(1)中得到的最优直流偏置值代入本分析过程，对第二时隙内两个目的节点分别接收到的信源信号以及中继信号的吞吐量之和进行最大化处理，得到第二次非线性削波过程中最优的直流偏置值；

(3)将(1)和(2)中得到的两个最优直流偏置值代入本分析过程，对第二时隙内两个目的节点分别接收到的信源信号以及中继信号的吞吐量之和进行最大化处理，得到信源节点和中继节点之间最优的功率分配因子；

(4)将(1)和(2)中得到的两个最优直流偏置值代入本分析过程，对第二时隙内两个目的节点接收到的信源信号以及中继信号的吞吐量之和进行最大化处理，得到中继到两个目的节点之间的链路的最优功率分配因子。

基于上述方案，本发明提出了一种基于noma实现多种信息同时转发的中继协作室内可见光通信系统，其模型图即适用场景如图2所示。采取比较经典的办公室构造作为样例1来讲解本系统，即在封闭房间内，①是房间天花板上的大灯，在此作为本系统的信源节点；②是书桌上的台灯，在此作为本系统的次光源即中继节点，③是笔记本电脑，在此作为本系统中的对应于信源节点的目的节点；④是手机，在此作为本系统中的对应于中继节点的目的节点。由于信源节点①和信源目的节点③之间的可见光信号传输可能受到障碍物的遮挡，并且二者之间距离较远，光信号受到过多衰减。如图1所示，信源节点①的光照范围无法覆盖到目的节点③，所以采取次光源台灯②作为系统中的中继节点，来协作完成信源节点①和信源目的节点③之间的信息传输。在本系统中，包含两个独立的时隙，第一个时隙内，信源节点①向中继节点②发送信息；第二个时隙内，中继节点②将接收到的信源信息转发给信源接收节点③，同时将自身消息同转发的信源信息一起发送出去，由中继目的节点④接收并解调。

如图3所示，本系统在第一个时隙内的工作流程如下：

(101)信源节点①的发射模块对信源消息进行处理，即首先对信源信息进行串并转换以及qam调制，将二进制数字串行数字信号转换成复数并行频域信号；

(102)对所得到的复数并行频域信号进行操作(即对所得信号进行共轭，并且进行翻转，共得到n-2行复数并行信号；再将两行全为0的信号添加到第1行和第n/2+1的位置，与所得到的n-2行信号共同构成n行复数并行信号)，使这n行复数并行信号具备厄米特对称特性(此处n为多载波通信系统中的载波数目)；

(103)对得到的具有厄米特对称特性的信号进行n点ifft，得到实数时域信号；

(104)对实数时域信号添加循环前缀，并进行并串转换，将信号转换成包含循环前缀的串行时域信号；

(105)对得到的时域信号进行功率缩放，功率分配原则满足：

p1＝(1-α)p，

p2＝αp.

其中，p为信源节点①和中继节点②的总功率，在整个系统工作过程中保持恒定不变；α为信源节点①和中继节点②之间的功率分配因子，p1为信源节点①所分配到的功率，p2为中继节点②分配到的功率。

(106)对功率为ps的信号添加直流偏置，同时进行非线性削波操作，使得要发送的时域信号变成非负的实数信号。

(107)将得到的非负实数信号加载到led端，通过强度调制以及led的特性，将幅度随信源信息变化的电流信号转换成光强随电流信号幅度变化而变化的可见光信号发送出去；并通过可见光信道发送到中继节点②。

如图4所示，本系统在第二个时隙内的工作流程如下：

(201)本系统解码转发中继节点②通过光电二极管pd对所接收到的可见光信号进行直接检测，将信源节点①发送过来的光强随着信源信息变化而变化的可见光信号转换成幅度随之变化的电流信号之后进行解调，得到解码后的信源信息；接着对解码所得到的信源信息进行串并转换以及qam调制，再一次将得到的二进制数字信息转换成复数并行频域信号。此处，中继节点②接收到的来自于信源节点①的信源信息的信噪比和吞吐量为：

其中，γ1和r1分别为所求信噪比和吞吐量，h1为信源节点①到中继节点②之间的信道增益，是信源节点①处的削波噪声功率，pn是信道噪声功率，同时假设整个系统中，所有信道的信道噪声功率都相同；

(202)对所得到的复数并行频域信号进行处理，使其具备厄米特对称特性；

(203)对所得到的具备厄米特对称特性的信号进行n点ifft操作，得到实数时域信号；

(204)对实数时域信号添加循环前缀，并进行并串转换，将信号转换成含有循环前缀的串行时域信号；

(205)对得到的时域信号进行功率缩放，其中，功率缩放中的功率分配原则满足：

p3＝(1-β)p2，

p4＝βp2.

p3为中继节点②转发的信源信息所分配到的功率，p4为中继节点②发送的自身信息所分配到的功率，β是二者之间的功率分配因子；

(206)同时，中继节点②对中继节点自身的信息进行相同的操作，得到功率为p4的实数时域信号；

(207)中继节点②将转发的信源信息与中继节点自身的信息在功率域上进行叠加，得到混合信号：

y＝(1-β)y1+βy2

其中，y是中继节点②要发送给两个目的节点的信号，y1是中继节点②接收并解调得到的来自于信源节点①的信号，y2是中继节点②要发送的自身中继信号；

(208)中继节点②对叠加得到的混合信号添加直流偏置并进行非线性削波操作，得到非负的实数信号后分别发送给两个目的节点③和④；

(209)中继节点②发送出去的信号分别经过中继节点②和两个目的节点之间的可见光信道，到达两个目的节点端的光电二极管pd处；

(210)光电二极管pd分别对接收到的来自于中继节点②的可见光信号进行直接检测，将光强变化的可见光信号转换成幅度随之变化的电流信号；

(211)两个目的节点依据两条可见光链路的信道条件和传统noma的基本解调原则(即先解调信道条件较差的用户信息，再解调剩下的用户信息)，确定各自的解调顺序；

(212)假设中继节点②到中继接收节点④的信道条件优于信源接收节点③的信道条件，分配得到的p3＞p4，因此在信源接收节点③处，直接对信源信息进行解调，将中继信息视为噪声；而在中继接收节点④处，对所述中继信息进行解调之前需要先进行串行干扰消除，减去接收信号中的信源信息部分，再对中继信息进行解调；随后结合所进行的削波噪声分析分别计算各自所需信号的信噪比以及吞吐量后进行分析，具体包括：

信源接收节点③得到的信源信息的信噪比和吞吐量分别为：

其中，γ3和r3分别是信源接收节点③接收到的来自于中继节点②的信源信息的信噪比和吞吐量，h3是中继节点②到信源接收节点③的信道增益，是中继节点②处进行的非线性削波操作所引起的削波噪声功率；

中继接收节点④处得到的中继信息的信噪比和吞吐量分别为：

其中，γ4和r4分别为中继接收节点④接收到的中继信息的信噪比和吞吐量。

依据解码转发中继的特性，信源接收节点③接收到的信源信息的信噪比为：

r＝min(r1，r3)

对r1进行优化，得到第一次削波过程中最优的直流偏置值；对r+r4进行优化，得到第二次削波过程中最优的直流偏置值，最优的功率分配因子α和β。

本发明还提供了一种基于noma的中继协作室内可见光通信系统，所述可见光通信系统至少包括两个时隙，一个信源节点，一个中继节点以及两个分别与所述信源节点和中继节点对应的目的节点；其特征在于，所述可见光通信系统还包括：

置于信源节点的发射模块，其用于将信源消息转换成实数时域信号，并在第一时隙内，将所述实数时域信号转换成非负实数信号后进行强度调制，将包含信息的电流信号转换成第一可见光信号并发送至中继节点，所述第一可见光信号的光强随着电流信号幅度变化而变化；

所述中继节点，其用于在第一时隙末，将所述第一可见光信号解调还原成幅度变化的电流信号并将所述电流信号与中继节点自身要传输的信号依据noma进行叠加得到混合信号；该中继节点还用于在第二时隙中，将所述混合信号转换成时域信号并得到非负的实数信号，对所述非负实数信号进行强度调制，得到第二可见光信号，分别通过不同的可见光信道发送给不同的接收节点即目的节点；

各所述接收节点，其用于在接收到所述第二可见光信号后，分别将光强变化的第二可见光信号转换成幅度变化的电流信号并对所接收到的电流信号进行解调，并结合所进行的削波噪声分析分别计算出各自所需信号的信噪比以及吞吐量后进行分析。

尽管本发明就以上实施方案进行了示意以及描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超过本发明的权利要求所限定的范围，就可以对本发明进行各种相应的修改或者替换。