一种室内可见光通信中多用户收发方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线光通信领域，涉及一种适用于室内可见光通信系统中多用户收发 方法。
【背景技术】
[0002] 基于LED的可见光通信是一种重要的无线通信技术，具有保密性好、成本低、传输 速率高、没有电磁辐射等诸多优点，已经引起了国内外学术界广泛的研究兴趣，可见光通信 未来可以为人口密集区域，如机场、车站等，提供大容量、可靠的通信网络覆盖，且在一些无 线电磁设备严苛的场合，如飞机、医院、矿场等，具有特别的应用优势。
[0003] 可见光通信系统一般需要同时服务多个用户，由于用户可以接收多个LED发送的 光信号，发送给某个特定用户的光信号会干扰其他用户的通信，从而导致多用户干扰，降低 了通信系统的性能，因此，需要采用多用户收发方法来抑制不同用户间的干扰，提升系统的 性能。在传统的无线电通信中，多用户收发方法已得到了深入的研究，但无法将这些技术直 接推广至可见光通信中，因为可见光通信系统建立在LED照明系统基础上，可见光通信不 能破坏系统原有的照明功能，而无线电通信中的多用户收发方法通常是建立在传统电功率 约束下的方法，直接应用于可见光通信中无法保证室内照明的要求。
[0004] 室内照明要求LED的亮度随时间保持恒定，由于人眼对光强高速变化的光线不敏 感，只能感受到平均强度的变化，因此，照明亮度恒定要求LED发送的光信号的平均强度随 时间保持不变。此外，由于LED是一种非线性器件，其输入电流与输出光强在有限范围内保 持线性关系，因而，为防止LED非线性失真和潜在的发光效率的退化，需要发送的光信号满 足LED线性动态范围的要求。以上LED照明和有限线性动态范围的要求说明可见光通信中 多用户收发方法需满足特殊的光功率约束，而非传统意义上的电功率约束。综上所述，传统 的无线电中的多用户收发方法无法直接推广至可见光通信，可见光通信需研究专门的多用 户收发方法。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明主要针对现有的收发方法应用于室内可见光通信存在的问题， 提出一种适用于室内可见光通信的多用户收发方法，以抑制多用户干扰，提升系统的性能， 同时保证通信不影响室内照明。
[0006] 技术方案：本发明的室内可见光通信中多用户收发方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :结合对以下室内可见光通信中多用户收发优化问题的求解，利用二分法 获取最优预编码发送矩阵：
[0008] 是否存在可行的W，同时满足下列条件：
[0010] -dk^ ffTek^ dk,
[0011] lTdk彡 min{P k, Pmax-P1J, k = I,…N，
[0012] 其中，M为用户的数目，N为LED的数目，W为预编码发送矩阵，（·）T表示矩阵的转 置操作，向量Ii 1表示LED发送阵列到第i个用户的信道增益，〇 i为第i个用户的接收机噪 声的方差，向量W1为预编码发送矩阵W的第i列，表示第i个用户的预编码发送向量，u为 发送的脉冲幅度调制信号的方差，ε为正实数，向量d k为引入的辅助优化变量，ek表示第 k个位置的元素为1、其它位置的元素为零的列向量，1为元素全部为1的列向量，Pk表示第 k个LED的直流偏置量，Pniax为LED的最大允许发光功率，min {}表示取最小值操作，所述室 内可见光通信中多用户收发优化问题为二阶锥规划问题；
[0013] 具体计算步骤如下：
[0014] a.设置ε取值范围[ε ε 2]和计算精度η > 〇,计算ε = ( ε ^ ε 2)/2 ;
[0015] 其中ε1Ν 取值需满足：ε 1>〇和ε 2>〇,且ε取ε i时，求解所述室内可见 光通信中多用户收发优化问题的结果为不存在可行的预编码发送矩阵W，ε取￡2时，求解 所述室内可见光通信中多用户收发优化问题的结果为存在可行的预编码发送矩阵W ;
[0016] b.采用cvx凸优化工具箱求解所述的室内可见光通信中多用户收发优化问题，判 断是否存在可行的预编码发送矩阵W，当不存在可行的预编码发送矩阵W时，令ε_= ε， 否则，令ε max = ε ;
[0017] c.如果ε nax-ε nin> η，则令ε = ( ε nax-ε _)/2,返回步骤b，否则输出迭代运 算中最后一次得到的可行的W作为最优预编码发送矩阵矿，即矿=W ;
[0018] 步骤2 :根据下式计算最优接收机参数4%
[0020] 其中，W丨:和分别为f的第i和j列；
[0021] 步骤3 :将第i个用户的脉冲幅度调制信号表示为S1，其中S1 e [-1，1]，其均值为 零，根据下式计算第k个LED发出的光信号xk:
[0023] 其中，4为矿中第k行第i列的元素；
[0024] 然后将光信号xk，k = 1，…N，输入到对应的LED，完成光信号的发送，在接收端， 将第i个用户的接收到的光信号记Sy1，将输入到对应的解调器中，完成用户信息的接 收。
[0025] 进一步的，本发明方法中，所述步骤1中的室内可见光通信中多用户收发优化问 题是在以下光功率约束基础上得到的：
[0026] -dk^ ffTek^ dk,
[0027] lTdk彡 min {P k, Pmax-P1J，k = 1，…Ν·
[0028] 其中，第k个LED上的直流偏置量匕的值随时间保持恒定。
[0029] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0030] 本发明方法充分地考虑了室内可见光通信的特点，收发方法建立在光功率约束基 础上，光功率约束综合考虑了 LED的线性工作区域和室内照的要求，因而，收发方法在抑制 多用户干扰的同时，兼顾了室内照明的要求以及LED器件的发光特点，而现有的收发方法 通常基于电功率约束，在设计过程中仅考虑能量损耗的问题，直接应用于可见光通信中会 影响原有的照明功能，因此，本发明方法比起现有方法，更适合应用于室内可见光通信系 统。
[0031] 本发明方法以最小化用户的最大均方误差为优化目标，这一优化目标保证了不同 用户具有相同的均方误差，因此，收发方法在提升系统性能的同时，可以保证不同用户间通 信的公平性。
[0032] 在本发明方法中，关于预编码发送矩阵的收发优化问题为拟凸的，可以借助二分 法获得全局最优的预编码发送矩阵，最优接收机参数也可以通过闭式解求解。在最优预编 码发送矩阵和最优接收机参数下，用户可以获得最小的均方误差，因此，本发明方法的性能 为最优的，现有方法不是建立在全局最优解基础上，如基于伪逆的迫零预编码收发方法，其 性能均差于本发明提出的收发方法。
【附图说明】
[0033] 图1为室内多用户可见光通信系统示意图。
[0034] 图2为室内可见光通信系统的多用户收发方法原理图。
[0035] 图3为室内可见光通信系统的多用户收发方法的误码率曲线。
[0036] 图4为室内可见光通信中用户在接收面的位置分布图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合说明书附图和实施例对本发明技术方案做进一步的详细说明，本发明的 实施方式包括但不限于下列实施例。
[0038] 本发明提出了一种适用于室内可见光通信系统的多用户收发方法，收发方法充分 考虑了可见光通信的特点，保证了通信不影响原有的照明功能。图1给出了室内多用户可 见光通信系统示意图，系统的发送阵列由位于天花板的9个照明LED构成，LED发送阵列同 时服务多个位于接收面的用户，用户可以接收来自不同LED的光信号，因此，不同用户间存 在通信干扰。
[0039] 图2给出了室内可见光通信系统的多用户收发方法的原理图，系统在发送端首先 采用预编码发送技术抑制多用户干扰，然后加入直流偏置获得非负性的信号，用户在接收 端接收到光信号后检测获得最终的发送信息。下面结合多用户收发方法的原理图，给出本 发明方法的具体实施过程，如下：
[0040] 步骤1 :求解室内可见光通信中多用户收发优化问题，获取最优预编码发送矩阵。
[0041] 首先发送信号需满足LED的线性工作区域，将LED的线性发光区域记为[0， PnaJ，其中Pnax为LED的最大允许发光功率。则LED发送的光信号，记为X，应满足条件 0 < X < P_。另外，根据照明亮度稳定性的要求，LED的平均光功率应随时间保持不变，记 LED的平均光功率记为Pniax，其中Pavg= E (X)，因此，光信号X的均值应随时间保持不变。将 预编码发送矩阵表示为W = [W1，…W1，…wM]，其中M表示用户的数目，化为W的第i列，表 示第i个用户的预编码发送向量。用户均采用脉冲幅度调制，将发送给第i个用户的脉冲 幅度调制符号记为S 1，其中E(X) =0,同时将S1规格化到范围[_1，1]中，S1的方差表示为 u，第k个LED发出的光信号表示为xk，Xk可以计算为：
[0043] 其中N表示LED的数目，Pk表示第k个LED上的直流偏置量，Wkl为预编码 发送矩阵W的第k行第i列个元素，由于Sie [-1，1]，则^的动态范围可以