一种可见光MIMO系统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系统的收发机设计方法。

背景技术

在已有的工作中，对于mimo-vlc的收发机的设计，thilofath等人采用了无线通信中mimo的技术对mimo-vlc收发机进行了设计，包括重复编码、空间复用等技术，验证了mimo技术可以为包含可视距信道的室内光通信系统提供增益。ki-hongpark等人则是将资源分配的方法应用到可见光系统中，设计了一种基于奇异值分解的空间复用系统。但是上述文章中所采用的技术并不是针对vlc系统而设计的，因此不能最大限度的利用mimo技术的能力。chengang根据vlc的特点，将调制方案限定为均值为零，并且幅度正负对称，通过将优化问题转化半正定规划进行求解，设计了专门适用于vlc的收发机算法。但是由于附加了限制条件，因此影响了收发机的适用范围。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可见光mimo系统的收发机设计方法，该方法适用范围更广。

技术方案：本发明所述的可见光mimo系统的收发机设计方法包括：

(1)根据最大信噪比准则，采用光功率约束，建立设计可见光mimo系统收发机的目标优化问题为：

式中，snr表示信噪比，w表示预编码矩阵，g表示线性均衡器矩阵，表示发送信号向量s的均值，s＝[s1,…,sk]^t，k为发送数据流的个数，idc表示直流偏置，it表示预期光强所对应的一个平均电流值，分别为对应调制符号sk,j的幅度下限、上限；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

(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分别为il、ih的均值；设定和对w初始化得到w0，w0为nt×k阶的单位阵，nt为led阵列的个数，k为发送数据流的个数；

(3)初始化迭代次数j＝0；

(4)固定wj，更新gj+1；其中，wj表示第j次迭代时的w，gj+1表示第j+1次迭代时的g；

(5)固定gj+1，更新wj+1；

(6)将j＝j+1，若此时||snrj-snrj-1||²<ε，snrj表示当前次迭代的信噪比，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wj、gj作为最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则返回执行步骤(4)；

(7)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，所述信噪比的计算公式为：

进一步的，步骤(4)具体包括：

(4-1)建立更新gj+1的目标优化函数为：

(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gj+1的目标优化函数转换形式为：

式中，为和rn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，ai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gj+1：

进一步的，步骤(5)具体包括：

(5-1)建立更新wj+1的目标优化函数为：

s.t.tr(w^tw)＝1

(5-2)根据rayleigh-ritz不等式，将所述更新wj+1的目标优化函数转换形式为：

式中，为中的最大特征值；

(5-3)根据转换后的函数，得到wj+1的列向分量wi的最优值为其中，δmax为所对应的特征向量，βi为不为0的幅度常数；

(5-4)根据wj+1的所有列向分量的最优值按照以下公式计算得到wj+1：

进一步的，步骤(5-3)中βi的范围为：

式中，li通过幅度矩阵ω的表示形式得到，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：该方案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，且适用范围更广。

附图说明

图1是光功率约束下的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，发送用户和接收用户都是一个。

发送端包括nt个led阵列，将led传输的多路数据表示成向量的形式，即表示为s＝[s1,…,sj,…,sk]^t，其中sj表示第j路的数据，k为发送数据流的个数。发送端先对调制后的消息数据进行预编码处理，即数据乘以预编码矩阵，然后加上直流偏置来产生正值的信号供给led发光，从而将k路消息数据发送到nt个led阵列上进行传输。

发射端发送的信号可以表示为

x＝ws+idc(1)

式中，表示预编码矩阵，为直流偏置。

将发射端的第i个led所发送的信号记为xi，即

式中，wi表示预编码矩阵w的第i行，wij是w中位于第i行第j列的元素。

在此对消息序列和预编码矩阵作归一化假设，即有

e{|s|²}＝1(3)

tr(w^tw)＝1(4)

假设调制符号sj满足以下条件

将符号sj与预编码矩阵的元素wij相乘，可以得到

再加上直流偏置分量，有

代入发送信号xi，可以得到xi的取值范围

其中，和可以表示为

由于led只能工作在有限的线性区间il,i≤xi≤ih,i内，所以wi和a必须满足以下条件

将上式改写成矩阵的形式，便可得到关于预编码矩阵w和直流偏置分量idc的约束条件

式中，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，由于led发光功率与驱动信号之间满足线性关系，即led的亮度取决于驱动信号幅度的平均值。因此，为了使led能够提供满足室内照明强度的光强，输入到led的信号的均值需要设定为一个能够达到预期光强的值，即

e{x}＝it(13)

其中，it表示预期光强所对应的一个平均电流值。

因此预编码矩阵w和直流偏置idc的选择还需要满足以下条件

式中，表示传输信息s的均值。

假设在接收端已经知道直流偏置量a和信道信息，那么除去直流偏置分量以后，接收信号可以表示为

y＝hws+n(15)

其中，是从led阵列到接收机的信道增益矩阵，表示加性高斯白噪声。

将接收信号通过线性均衡器就可以检测出原始发送的信息，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。

那么，可以将信噪比定义为

2、技术方法

根据以上分析，可以根据最大信噪比准则，结合已经推导出的光功率约束条件，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；设定和对w初始化得到w0，w0为nt×k阶的单位阵，nt为led阵列的个数，k为发送数据流的个数。

b、设定迭代次数j＝0。

c、固定wj，更新gj+1。

在第j+1次迭代开始的时候，先将wj代入式17，优化问题可以表示为

令那么目标函数可以表示为

将表示成单个列向量的形式，即所以可写成下面的形式

结合rayleigh-ritz不等式，有

式中，为和rn中的最大广义特征值，该特征值所对应的特征向量为ηmax。则可以得到

在此基础上，式21以进行以下变形

等号的成立条件为gi＝aiηmax，ai为不为0的幅度常数。也就是说，想要获得最大的snr，gi需要正比于对应于的最大特征向量ηmax。由于rn是满秩的，所以的最大广义特征值也就等于的最大特征值，记的最大特征值所对应的特征向量为γmax，那么的列向分量的最优值为

d、固定gj+1，更新wj+1

此时gj+1为定值，因此snr的大小只与w有关，那么根据公式17，可以知道，想要获得snr的最大值，也就是需要snr中分子的值最大，因此原先的优化问题就可以转化为

由于迹的性质tr(aa^t)＝tr(a^ta)，以及tr(w^tw)＝1，所以公式26的优化问题可以写成以下形式

假设

wj+1＝(w1,…,wi,…,wk)(28)

再次利用rayleigh-ritz不等式，可以得到，wj+1的列向分量的最优值为

其中，δmax为的最大特征值所对应的特征向量。βi为非零的幅度常数。

下面根据公式27中约束条件对于βi的取值范围进行讨论。

假设幅度矩阵β的形式如下所示

β＝[β1,…βi,…βk](31)

则有wk,j+1＝δmaxβ，所以公式27中的不等式条件可以写为

对于βi而言，它所需要满足的条件为

式中分别对应各自向量的第i个量。所以βi的范围为

再结合tr(w^tw)＝1的条件，即需要满足

||w1||²+…+||wi||²+…+||wk||²＝1(35)

再对34中的βi进行取值上的调整。

e、将j＝j+1，若此时||snrj-snrj-1||²<ε，snrj表示当前次迭代的信噪比，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wj、gj作为最优预编码矩阵、最优线性均衡器矩阵；否则返回执行步骤c；

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。