Vlc mu-miso系统下行波束成型方法、装置及vlc mu-miso系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术领域，尤其涉 及一种VLC MU_MISO(Multiple Users-Multiple Input-Single Output，多用户的多输入 单输出）系统下行波束成型方法、装置。
【背景技术】
[0002] 可见光通信(VLC)是一种不需要使用有线信道为传输媒介的新型通信方式，其结 合了光纤通信与微波通信的优点，既具有高速传输和大可达速率的优点，又不需要铺设光 纤，因此各国在可见光通信领域投入大量人力和物力，并取得了阶段性的成果。
[0003] 多输入多输出(MHTO)技术是现代无线射频通信系统中的一项核心传输技术。mMO 技术在发射机和接收机上配置多根天线，利用散射与干扰造成的信道间不相关，在相同的 发射功率下，取得远高于单入单出（SIS0)系统的可达速率。虽然MM0技术已经得到了广泛 的研究，但是由于用户终端的物理尺寸限制使得MM0的应用范围受到了较大限制。因此，多 输入单输出(MIS0)技术更适用于移动通信。在单用户MIS0技术的基础上，多用户MIS0(MU-MIS0)技术由于能够在相同的时间和频率上实现多数据流和多用户的空间复用并提供丰富 的空间分集增益和多用户分集增益，有望成为未来无线通信系统的核心技术。
[0004] 目前，MU-MIS0技术已经被引入可见光通信系统，以提高系统的带宽利用率与可靠 性。在MU-MIS0系统中，下行波束成型矩阵的设计是一个重要课题，在发射端对发射信号进 行波束成型处理可以有效提高系统的可达速率。现有下行波束成型矩阵通常是通过对波束 成型矩阵优化模型进行优化求解得到，一方面，波束成型矩阵优化模型设计的合理与否直 接决定了可达速率、功耗、Qos等下行信号传输参数;另一方面，随着波束成型矩阵优化模型 设计地越来越复杂，涉及参数越来越多，也对优化求解算法提出了更高要求，优化求解算法 设计的不足会对下行信号传输的实时性和准确性产生严重影响，并会对系统硬件提出更高 的要求。因此，波束成型矩阵优化模型与优化求解算法这两者均是VLC MU-MIS0系统中的核 心要素，直接决定了系统性能。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的问题在于克服现有技术不足，提供一种VLC MU-MIS0系统下行 波束成型方法，采用一种双层迭代的优化算法进行波束成型矩阵优化模型的优化求解，对 系统硬件要求较低。
[0006] 本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007] 一种VLC MU-MIS0系统下行波束成型方法，首先通过对波束成型矩阵优化模型进 行优化求解，得到最优的波束成型矩阵，所述波束成型矩阵优化模型为最大化目标函数的 优化模型；然后按照所述波束成型矩阵进行下行波束成型;采用双层迭代方法对波束成型 矩阵优化模型进行优化求解，具体包括以下步骤：
[0008] 步骤1、设置波束成形矩阵初始值Wi、最大外层迭代次数imax、收敛精度e、松弛因子 〇、外层迭代步长s、内层迭代步长0，并初始化外层迭代次数i = 1;
[0009] 步骤2、分别计算波束成型矩阵优化模型中的目标函数C(W)在下行波束成型矩阵W =Wi处的梯度矩阵仏的各列，i为当前外层迭代次数；
[0010] 步骤3、计算胃/=1+沿；
[0011] 步骤4、将W/投影到定义域，得其中离为如下凸优化问题的最优解：最小化 |辦-W||F，使得波束成型矩阵优化模型中的约束条件得到满足;其中，I |A| |「表示矩阵A的 Frobenius 范数；
[0012] 步骤5、初始化内层迭代次数m=l，最大内层迭代次数nw;
[0013] 步骤6、计算W+1 =埤 +/T(% -W);
[0014] 步骤7、如果r(\\: j 幻或者m = mmax，进行下一步；否则，m =m+l并返回步骤6;其中，tr[A]表示矩阵A的迹；
[0015] 步骤 8、如果 | |vec{abs(Wi+i_Wi)}| |m<e 或者 i = imax，进行下一步；否则，i = i+l 并 返回步骤2,其中，vec{A}表示对矩阵A做拉直运算，| |a| |〇〇表示向量a的无穷范数；
[0016]步骤9、输出最优波束成型矩阵Wi+1。
[0017] 在上述技术方案基础上，本发明进一步地提出一种波束成型矩阵优化模型，能够 有效提尚系统的可达速率，具体如下：
[0018] 如上所述下行波束成型方法，所述波束成型矩阵优化模型具体如下：
[0019] 优化目标为：
[0020]最大化 C(W)
[0021] 约束条件为：
[0022] abs(ff)Ikxi < p
[0023]其中，目标函数C(W)的表达式如下：
[0025] 式中，为圆周率，e为自然常数，g是发送信号的方差，<4 = 1，2，.^为第1^个用户 接收机噪声的方差，H为信道矩阵，W表示波束成型矩阵，H(k,〇表示H的第k行，W(:, k)表示W的 第k列，abs(W)表示对W中所有元素取绝对值;1KX1表示所有元素均为1且元素数量为K的列向 量，K为用户数;p表示由所述VLCMU-MIS0系统中发射端的所有N个LED阵列的最大发射功率 组成的向量。
[0026] 根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
[0027] 一种VLC MU-MIS0系统下行波束成型装置，包括优化单元和波束成形单元;所述优 化单元通过对波束成型矩阵优化模型进行优化求解，输出最优的波束成型矩阵，所述波束 成型矩阵优化模型为最大化目标函数的优化模型;所述波束成形单元按照优化单元输出的 波束成型矩阵进行下行波束成型;优化单元采用双层迭代方法对波束成型矩阵优化模型进 行优化求解，具体包括以下步骤：
[0028] 步骤1、设置波束成形矩阵初始值I、最大外层迭代次数imax、收敛精度e、松弛因子 〇、外层迭代步长s、内层迭代步长0，并初始化外层迭代次数i = 1;
[0029] 步骤2、分别计算波束成型矩阵优化模型中的目标函数C(W)在下行波束成型矩阵W =Wi处的梯度矩阵仏的各列，i为当前外层迭代次数；
[0030] 步骤 3、计算 W/=Wi+sGi;
[0031] 步骤4 4^1'投影到定义域，得宪?，其中为如下凸优化问题的最优解：最小化 -W/|F，使得波束成型矩阵优化模型中的约束条件得到满足;其中，| | A | | F表示矩阵A的 Frobenius 范数；
[0032] 步骤5、初始化内层迭代次数m=l，最大内层迭代次数mmax;
[0033] 步骤6、计算％+1 =界 +/T(界-W,);
[0034] 步骤7、如果C(U-C(W)乏或者m = mmax，进行下一步；否则，m =m+l并返回步骤6;其中，tr[A]表示矩阵A的迹；
[0035] 步骤8、如果 | |vec{abs(Wi+i_Wi)} | |m<e或者i = imax，进行下一步；否则，i = i+l并 返回步骤2,其中，vec{A}表示对矩阵A做拉直运算，| |a| |〇〇表示向量a的无穷范数；
[0036]步骤9、输出最优波束成型矩阵Wi+1。
[0037]进一步地，所述波束成型矩阵优化模型具体如下：
[0038]优化目标为：
[0039]最大化 C(W)
[0040] 约束条件为：
[0041] abs(ff)Ikxi < p
[0042]其中，目标函数C(W)的表达式如下：
[0044] 式中，为圆周率，e为自然常数，<是发送信号的方差，= 为第k个用户 接收机噪声的方差，H为信道矩阵，W表示波束成型矩阵，H(k,〇表示H的第k行，W(:,k)表示W的 第k列，abs(W)表示对W中所有元素取绝对值;1KX1表示所有元素均为1且元素数量为K的列向 量，K为用户数;p表示由所述VLC MU-MIS0系统中发射端的所有N个LED阵列的最大发射功率 组成的向量。
[0045] -种VLC MU-MIS0系统，包括如上任一技术方案所述下行波束成型装置。
[0046] 相比现有技术，本发明及其进一步改进方案具有以下有益效果：
[0047] 本发明采用双层迭代方法对波束成型矩阵优化模型进行优化求解，每次迭代计算 复杂度较低，对硬件资源要求较低，易于工程实现。
[0048] 本发明进一步提出了以可达速率最大化为优化目标的波束成型矩阵优化模型，可 大幅度提高系统下行链路的可达速率。
【附图说明】
[0049] 图1为【具体实施方式】中下行波束成型矩阵的获取流程；
[0050] 图2为仿真对比实验结果。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0052] 本发明针对VLC MU-MIS0系统的下行波束成型问题，提出了一种新的方法，利用双 层迭代的优化求解方法进行波束成型矩阵优化模型的优化求解，降低了优化计算过程对硬 件资源的要求;并进一步提出以可达速率最大化为优化目标的波束成型矩阵优化模型，大 幅提高了系统下行链路的可达速率。
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