一种dco-ofdm直流偏置和子载波功率的优化方法
【专利摘要】本发明提出一种DCO?OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，适用于非平坦信道，该方法针对非平坦信道下DCO?OFDM的三种受限情况：光功率受限、电功率受限及光功率和电功率均受限，分别提出一个与直流偏置和子载波有效功率相关的中间变量；根据中间变量得到优化的直流偏置和子载波有效功率，之后通过优化的直流偏置和子载波有效功率进一步优化归一化子载波功率，形成迭代模型。根据非平坦信道下DCO?OFDM系统要求的通信质量设置最大迭代次数N，满足最大迭代次数时终止迭代过程，得到最优直流偏置和最优子载波功率。本发明能够在减少运算量的前提下，得到非常接近全局最优算法优化后的DCO?OFDM性能，且能适用于多种受限情况，实用性较高。
【专利说明】
一种DGO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法
技术领域
[00011本发明涉及可见光通信领域，尤其是一种DC0-0FDM直流偏置和子载波功率的优化 方法，该方法适用于非平坦信道。
【背景技术】
[0002] 可见光通信(VLC)是一种新兴的接入技术，兼顾了照明和通信，能满足高速数据业 务，拥有包括成本低廉，绿色安全，保密性好，易于实现，电磁兼容性好在内的众多优势。和 传统射频无线通信不同的是，可见光通信使用强度调制直接检测（頂/DD)，即发射端用光强 表示信号幅度，接收端检测光强来收取信号。发射端通过LED将电信号转变为光信号，通过 信道传播后，在接收端通过光电二极管将光信号转换为电信号，用于解调电路处理。由于发 送信号载体为光强，因而要求发送信号必须是非负实数。
[0003] 为了达到更高的速率，目前可见光系统使用的频带越来越宽。而由于实际光电器 件的特性，信道往往不平坦，一般具有明显的低通特性。在单载波通信系统中，接收端的信 道均衡需要巨大的计算量，实现成本较高。因而大量宽带可见光通信系统采用正交频分复 用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称0FDM)作为有效解决方案。 将OFDM技术和可见光通信技术相结合，使其兼备了可见光通信和多载波技术的优势，是一 种具有较高研究意义和实用价值的技术。但是由于发送信号必须为非负实数，传统射频中 的多载波技术需要改进才能应用到可见光通信领域。直流偏置正交频分复用多载波技术 (Direct-Current-Biased Optical 0FDM，简称DC0-0FDM)作为诸多改良方案中的一种，相 比于其他方案具有频谱效率高的优势。DC〇-(FDM在发送信号上叠加了直流分量，将叠加后 仍小于零的部分削去，从而使得双极性信号变成了单极性信号，以满足可见光通信中信号 非负性的条件。
[0004] 在非平坦信道下DC0-0FDM系统中，直流偏置可以调节，但并不传输信号。过大的直 流偏置会浪费能量，导致系统功率利用率降低;而过小会导致信号严重畸变。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种DC0-0FDM直流偏置和子载波功 率的优化方法。
[0006] 技术方案:本发明提出的技术方案为：一种DC0-0FDM直流偏置和子载波功率的优 化方法，该方法适用于非平坦信道，包括以下步骤：
[0007] 步骤1:根据非平坦信道下DC0-0FDM系统要求的通信质量设置最大迭代次数N;设 子载波总数为2K，归一化子载波功率为丨丨，其中k=[l，2,. . .，K]，n = l;
[0008] 步骤2:求解归一化子载波功率对应的最优直流偏置和最优有效功率 Ρ(η)；
[0009] 步骤3:根据步骤2中得到的最优直流偏置和最优有效功率优化归一化子 载波功率，得到优化后的归一化子载波功率丨丨;令n = n+l，判断n>N是否成立;若判断 结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率^^力，并根据得到子载波功率为：
[0011] 若判断结果为否，则返回步骤(2)。
[0012] 进一步的，所述步骤2中求解归一化子载波功率对应的最优直流偏置和 最优有效功率的方法为：
[0013] (2-1)判断非平坦信道下DC0-0FDM处于光功率受限、电功率受限还是电功率和光 功率均受限，根据判断结果定义一个中间变量y = x-f (Χ)/Τ (X)并构建迭代模型，所述迭代 模型的迭代步骤为：
[0014] (a)计算yzx-fXx)/;^ (X);
[0015] (b)令x = 0,求取x = 0时y的值;给定计算精度ε，计算|y-x|，如果|y-x| <ε，进入步 骤(d)，否则，进入步骤(c);
[0016] (c)令x = y，返回步骤(a);
[0017] (d)输出 y;
[0018] (2-2)根据y计算最优直流偏置最优有效功率。
[0019] 进一步的，根据步骤(2-1)的判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置 和最优有效功率@(4的方法为：
[0020] (3-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DC0-0FDM处于光功率受限，则获取 DC0-0FDM的最大光功率P。, max，并令：
[0021] 其中：
，γ〇,Α为非平坦信道下DC0-0FDM在光功率受限情况 下的有效光信噪比，m为有效子载波数，^为DC0-0FDM噪声功率，{Hk}为DC0-0FDM信道系数， g(x)为正态分布函数：
；Q(x)为Q函数：
[0022] (3-2)将/(x) = (l-U)[g(x)-x2(x)] + x 代入 yi-fW/TU)进行迭代并输出 y;
[0023] (3-3)根据步骤(3-2)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
[0026] 其中，p〇(x) = g(x)-xQ(x)。
[0027] 进一步的，根据步骤(2-1)的判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置 方和最优有效功率#^^的方法为：
[0028] (4-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DC0-0FDM处于电功率受限，则获取 非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受限时的最大电功率，并令 [0029 ] f(x) = g(x) + χ[1 - Q(x)] + γ~1Αχ
[0030]
，γ e,A为非平坦信道下DC0-0FDM在电功率受限情 况下的有效电信噪比，m为有效子载波数，crj为DC0-0FDM噪声功率，{Hk}为DC0-0FDM信道系数，g (X)为正态分布函数：
';Q(x)为Q函数：
[0031 ] (4-2)将/〇：) = + 41 - 000] + 代入y = x-f (X)/f'（X)进行迭代并输 出y;
[0032] (4-3)根据步骤(4-3)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率^?)分别为：
[0035] 其中，Pe(x)=-xg(x) + (l+x2)Q(x)。
[0036] 进一步的，根据步骤(2-1)的判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置 和最优有效功率的方法为：
[0037] (5-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DC0-0FDM处于光功率和电功率均 受限，则获取非平坦信道下DC0-0FDM在电功率和光功率均受限时的最大光功率.P^ax和最 大电功率;
[0038] ( 5-2 ) ^ f{x) = (l - r〇!eo )[^(χ) - χ0(^)] + ^ ?
[0039]
，y〇,e。为非平坦信道下DC0-0FDM在电功率 和光功率均受限情况下的有效光信噪比;m为有效子载波数，4为DC0-0FDM噪声功率，{Hk} 为DC0-0FDM信道系数，g(x)为正态分布函数：
；_Q(x)为Q函数：
[0040]将/(X) = f 1 -磁(·^)] + Λ代入y=x_f (X)/f' (X)进行迭代并输出y，令 = J ；
[0041 ] (5-3)= g(x) + x[l - β(χ)3 + γ^χ,
[0042]
γ e,e。为非平坦信道下DC0-0FDM在电功率 和光功率均受限情况下的有效电信噪比；
[0043] 将/(Λ：)=容(X) + X[1 - 0(：0 ] + 代入y = x_f (X) /f (X)进行迭代并输出 y，令
[0044] (5-4)计算 yint = argxfe〇(x) =0,其中，
[0046] p〇(x) = g(x)-xQ(x)
[0047] pe(x) =-xg(x) + (l+x2)Q(x)
[0048] 根据yint、：C和：C得到光功率和电功率均受限情况下迭代模型的输出变量y为：
[0050] (5-5)根据步骤(5-4)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率#*)分别为：
[0053]优选的，所述步骤3中根据步骤2中得到的最优直流偏置和最优有效功率>(?) 优化归一化子载波功率的方法为:注水功率分配法或等功率分配法。
[0054]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0055] 1、本发明能够快速计算出最优直流偏置和每个子载波功率大小，并且考虑多种实 际中可能出现的情况，包括:仅存在光功率限制，仅存在电功率限制和两者同时存在的情 况，因而本发明具有较强的实用价值。
[0056] 2、本发明通过对DC0-0FDM系统及其中的非线性过程建模，抽象出该问题的数学形 式。该问题是一个复杂的高度非线性的非凸优化问题，可能存在多个局部极大值。本发明基 于对该问题的等价变换和合理近似，设计了相应的算法大大减小了计算量，而系统性能接 近最优。
[0057] 3、本发明不需要改变系统硬件等外部条件，仅通过简单的计算，就能大大提升系 统性能。采用本快速优化算法得到的直流偏置大小和子载波功率大小能够达到接近于采用 全局最优解的性能。
【附图说明】
[0058] 图1为实施例中DC0-0FDM系统的发射器框图；
[0059] 图2为实施例中DC0-0FDM系统的接收器框图；
[0060] 图3为在误比特率为10-5、光功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算 法(暴力搜索）以及未优化系统的数据速率对比示意图；
[0061] 图4为在误比特率为10-5、电功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算 法(暴力搜索）以及未优化系统的数据速率对比示意图；
[0062] 图5为在误比特率为10-5、光功率和电功率同时受限的情况下，发明提供的方法与 全局最优算法(暴力搜索）以及未优化系统的数据速率对比示意图。
【具体实施方式】
[0063]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0064]实施例：图1为D⑶-0FDM系统的发射器框图。设本实施例中DC0-0FDM系统中子载波 总数为2K，归一化子载波功率的初始值为{yk}，设第k个子载波通过本发明所提供的方法进 行调制并且进行功率分配得到符号S k，该子载波上功率为E[ | Sk |2]。由于光通信要求输出信 号为实数，因而信号需要满足*^=S^_dPSQ = SK = 0。由于& =式0带来的对称性，所以在 本实施例中只考虑子载波Sk，k=l，. . .，K-1的功率。经过快速离散傅立叶反变换（IFFT)得 到时域信号sn。然后在时域信号sn上叠加大小为Bd。的直流分量得到sd c,n=Sn+Bd。，并将信号 叠加直流分量后仍然小于零的部分削去以满足非负性要求，即~ι ιρ,η=~ιιρ,ηιι(~1ιρ, η)，其 中u(scaip,n)是单位阶跃函数。最后，数字信号~ 1ιρ,η通过数字模拟转化器(D/A)和LED得到信 号sdc^t)。而sdjt)的光功率和电功率都是受限的。认为输出信道的光功率大小为Ρ〇 = Ε[^。 ⑴]，电功率大小为。而实际中由于受硬件，能量效率和人眼安全等限制，光 功率和电功率都受限，g卩PQ = E[sdc(t)]彡Ρ_χ和
[0065]图2所示为DC0-0FDM系统的接收器框图。DC0-0FDM接收机工作过程如下:接收到的 光信号通过光电二极管(Photodiode，简称TO)和低噪声放大器(LNA)得到电信号。将信道中 所有噪声等效到低噪放之后，记作n(t)，认为n(t)是方差为g的高斯随机过程，σ?即为非 平坦信道下DC0-0FDM系统的噪声功率。通过抗混叠滤波器和模拟数字转化器(A/D)得到数 字信号。接着，通过快速离散傅立叶变换(FFT)得到每个子载波上的信号。结合发射端每个 子载波功率大小，直流偏置大小和信道系数，通过单载波均衡技术将每个子载波的符号解 调得到接收比特。
[0066] 下面结合上述较优实施例和给定具体参数对本发明作进一步说明。
[0067] ( -）以可见光通信系统中较常见的光功率受限为例，以系统速率最大化为目标， 计算最优的直流偏置Bd。^和子载波功率·(pph。
[0068]具体实施步骤如下：
[0069] (1)参数设置:根据非平坦信道下DC0-0FDM系统要求的通信质量设置最大迭代次 数N;归一化子载波功率为，其中k = [ 1，2，. . .，K]，η = 1;获取DCO-OFDM系统在光功率 受限时的最大光功率P。，m a x，系统的噪声功率σ"2 ;定义标准正态分布函数
[0070] (2)计算(X)，其中，
[0073]式中，γ 〇,Α为非平坦信道下DC0-0FDM在光功率受限情况下的有效光信噪比；
[0074] (3)令X = 0，求取X = 0时y的值;给定计算精度ε，计算| y-χ |，如果| y-χ | < ε，进入步 骤(5)，否则，进入步骤(4);
[0075] (4)令 x = y，返回步骤（2);
[0076] (5)输出y，并根据y计算最优直流偏置和最优有效功率
[0079] 其中，Pci(x) = g(x)-xQ(x)。
[0080] (6)根据步骤(5)中得到的最优直流偏置忍和最优有效功率通过注水功率 分配法或等功率分配法优化归一化子载波功率，得到优化后的归一化子载波功率令 n = n+l，判断n>N是否成立;若判断结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率 ,并根据#W得到子载波功率为：
[0082] 若判断结果为否，则返回步骤(2)。
[0083]图3为在误比特率为10-5、光功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算 法(暴力搜索）以及未优化系统的数据速率对比示意图。可以得知，在光功率受限的情况下， 通过本发明提出的方法进行优化后的系统的数据速率明显高于未优化的系统，优化后的系 统性能非常接近于全局最优算法。而使用暴力搜索等算法得到的全局最优解，其计算量远 远大于本发明所提出的方法。
[0084](二）以可见光通信系统中较电功率受限为例，以系统速率最大化为目标，计算最 优直流偏置和子载波功率。
[0085]具体实施步骤如下：
[0086] (1)获取非平坦信道下DC0-0FDM在电功率受限时的最大电功率Pe, max;
[0087] (2)计算yzx-fXx)/;^ (x)，其中，
[0090]式中，γ e,A为非平坦信道下DC0-0FDM在电功率受限情况下的有效电信噪比；
[0091 ] (3)令X = 0，求取X = 0时y的值;给定计算精度ε，计算| y-x |，如果| y-x | < ε，进入步 骤(5)，否则，进入步骤(4);
[0092] (4)令 x = y，返回步骤(2);
[0093] (5)输出y，并根据y计算最优直流偏置和最优有效功率
[0096] 其中，pe(x)=-xg(x) + (l+x2)Q(x)。
[0097] (6)利用步骤(5)求出的最优直流偏置和最优有效功率通过注水功率分 配法或等功率分配法优化归一化子载波功率得到优化后的归一化子载波功率令η = η+1，判断η>Ν是否成立;若判断结果为是，则输出最优直流偏置和最优有效功率 ,并根据彡W得到子载波功率为：
[0099] 若判断结果为否，则返回步骤(2)。
[0100] 图4为在误比特率为10-5、电功率受限的情况下，本发明提供的方法与全局最优算 法(暴力搜索）以及未优化系统的数据速率对比示意图。在电功率受限的情况下，通过本发 明提出的方法进行优化后的系统的数据速率明显高于未优化的系统，优化后的系统性能非 常接近于全局最优算法。
[0101] (三）以可见光通信系统中电功率和光功率均受限为例，以系统速率最大化为目 标，计算最优直流偏置Bdc^和子载波功率。
[0102] 具体步骤为：
[0103] (1)获取非平坦信道下DC0-0FDM在电功率和光功率均受限时的最大光功率 和最大电功率;
[0104] (2)计算 yzx-fXd/TU)，其中，
[0107]式中，γ。,6。为非平坦信道下DC0-0FDM在电功率和光功率均受限情况下的有效光 信噪比；
[0108]令χ = 0,求取χ = 0时y的值;给定计算精度ε，计算I y-x I，如果I y-x I <ε，输出y，并 令= J;否则，令x=y，带入(χ)进行下一轮计算；
[0110]
，ye,e。为非平坦信道下DC0-0FDM在电功率 和光功率均受限情况下的有效电信噪比；
[0111] 令x = 0,求取x = 0时y的值;给定计算精度ε，计算I y-χ I，如果I y-χ I <ε，输出y，并 令否则，令x=y，带入y=x_f(x)/ f/ (χ)进行下一轮计算；
[0112] (4)计算 yint = argxfe〇(x) =0,其中，
[0114] p〇(x) = g(x)-xQ(x)
[0115] pe(x) =-xg(x) + (l+x2)Q(x)
[0116] 根据得到光功率和电功率均受限情况下迭代模型的输出变量y为：
[0118] (5)根据步骤(4)得到的y计算最优直流偏置和最优有效功率分别为：
[0121] (6)利用步骤(5)求出的最优直流偏置和最优有效功率#~)，通过注水功率分 配法或等功率分配法优化归一化子载波功率，得到优化后的归一化子载波功率令η = η+1，判断η>Ν是否成立；若判断结果为是，则输出最优直流偏置5&)和最优有效功率 ，并根据得到子载波功率为：
[0123] 若判断结果为否，则返回步骤(2)。
[0124] 图5所示为在误比特率为10-5、光功率和电功率同时受限的情况下，发明提供的方 法与全局最优算法(暴力搜索）以及未优化系统的数据速率对比示意图。由图可知，在光功 率和电功率均受限的情况下，通过本发明提出的方法进行优化后的系统的数据速率明显高 于未优化的系统，优化后的系统性能非常接近于全局最优算法。
[0125]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，适用于非平坦信道，其特征在于， 该方法包括以下步骤： 步骤1:根据非平坦信道下DCO-OFDM系统要求的通信质量设置最大迭代次数N;设子载 波总数为2K，归一化子载波功率为其中k=[l，2,. . .，K]，n = l; 步骤2:求解归一化子载波功率{^Λ)}对应的最优直流偏置和最优有效功率 步骤3:根据步骤2中得到的最优直流偏置^^?和最优有效功率优化归一化子载波 功率，得到优化后的归一化子载波功率令η = η+1，判断η>Ν是否成立;若判断结果为 是，则输出最优直流偏置忍￡)和最优有效功率,并根据得到子载波功率为：若判断结果为否，则返回步骤(2)。2. 根据权利要求1所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在 于，所述步骤2中求解归一化子载波功率丨对应的最优直流偏置和最优有效功率 多(《)的方法为： (2-1)判断非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率受限、电功率受限还是电功率和光功率 均受限，根据判断结果定义一个中间变量y=χ-f (X)/f7 (X)并构建迭代模型，所述迭代模型 的迭代步骤为： (a) 计算Y = X-If(X)Af7 (X); (b) 令X = 0,求取X = O时y的值;给定计算精度ε，计算|y-x I，如果I y-χ I <ε，进入步骤 (d)，否则，进入步骤(C); (c) 令x = y，返回步骤(a); (d) 输出y; (2-2)根据y计算最优直流偏置和最优有效功率彡。3. 根据权利要求2所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在 于，根据判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的 方法为： (3-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率受限，则获取DCO-OFDM的最大光功率P〇,max1 rn 其中。,A为非平坦信道下DCO-OFDM在光功率受限情况 下的有效光信噪比，m为有效子载波数，σ；；为DCO-OFDM噪声功率，{Hk}为DCO-OFDM信道系数，g (X)为正态分布函数(3-2)将进行迭代并输出y; (3-3)根据步骤(3-2)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率彡分别为：其中，ρ〇(χ) =g(x)-xQ(x)。4. 根据权利要求2所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在 于，根据判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的 方法为： (4-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于电功率受限，则获取非平 坦信道下DCO-OFDM在电功率受限时的最大电功率Pe3, max，并令S A为非平坦信道下DCO-OFDM在电功率受限情况 下的有效电信噪比，m为有效子载波数，of为0〇)-0?01噪声功率，{迅}为0?)-0?01信道系数， g(x)为正态分布函数(4-2)求代入Y = X-F(X)/;^ (X)进行迭代并输出y; (4-3)根据步骤(4-3)输出的y计算最优直流偏置和最优有效功率//4分别为：其中，Pe(X) =-Xg(X) + (l+X2)Q(X)。5. 根据权利要求2所述的一种DCO-OFDM直流偏置和子载波功率的优化方法，其特征在 于，根据判断结果构建迭代模型以及根据y计算最优直流偏置和最优有效功率的 方法为： (5-1)若步骤(2-1)的判断结果为非平坦信道下DCO-OFDM处于光功率和电功率均受限， 则获取非平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率均受限时的最大光功率和最大电功(5-2) 其中， 平坦信道下DCO-OFDM在电功率和光功率于，所述步骤3中根据步骤2中得到的最优直流偏置万]?和最优有效功率优化归一化子 载波功率的方法为:注水功率分配法或等功率分配法。
【文档编号】H04B10/564GK106027146SQ201610261170
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】王家恒, 凌昕彤, 梁霄, 张俊, 赵春明
【申请人】东南大学