CN107171724A - 基于公平性原则的可见光通信noma***功率分配的方法 - Google Patents
基于公平性原则的可见光通信noma***功率分配的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于公平性原则的可见光通信非正交多址NOMA***功率分配的方法,在发射信号满足正实数约束的条件下,优化不同用户所分配的功率,使各用户的最小传输速率最大。本发明利用二分法能够直接找到最优的功率分配方法,二分法的每个分步骤直接给出了功率分配的闭式解,极大地降低了计算复杂度,利于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种可见光通信非正交多址***的公平性(Fairness)优化问题技术,特别涉及一种基于公平性原则的可见光通信非正交多址***功率分配的方法,属于无线光通信技术领域。
背景技术
可见光通信(VLC)技术具有免费的独立于射频频谱的宽带频谱资源,无电磁干扰和辐射,是一种“绿色的”无线通信技术。发光二极管(LED)具有高速响应特性,可通过它将数据信号调制到可见光中进行信息传输。
在无线通信中,多址技术是用来区分不同用户的一种技术。可见光通信的多址技术一般由移动通信发展而来。在移动通信中,常用的多址技术有时分多址(TDMA),频分多址(FDMA),码分多址(CDMA),空分多址(SDMA),它们分别对时域、频域、码域、空间资源进行复用,使这些资源得到了充分利用。随着无线通信技术的发展,人们对***容量和吞吐量的需求越来越大,这使得多址技术成为了当下的研究热点。
非正交多址(NOMA)技术由日本通信运营研发商NTT DOCOMO于2014年正式提出,其目的就是为了在满足用户体验需求的同时,更加高效的利用频谱资源。NOMA的基本原理是在发送端采用叠加编码(SC),主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰抵消(SIC)接收机实现正确解调。与传统的正交多址(OMA)技术相比,NOMA通过对功率域的复用,可以很好地提高频谱效率。
发明内容
本发明提供一种基于公平性原则的可见光通信非正交多址NOMA***功率分配的方法,即在发射信号满足正实数约束的条件下,优化不同用户所分配的功率,使各用户的最小传输速率最大。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
本发明提供一种基于公平性原则的可见光通信非正交多址NOMA***功率分配的方法,所述公平性原则为最大化可见光通信非正交多址***的最小传输速率。
该方法的具体步骤如下:
步骤1,建立可见光通信非正交多址***的最小传输速率最大的优化问题:
其中,P为功率分配向量,P=(P1,P2,…,PN),Pn为分配给第n个用户的功率,N为用户数;Rn(P)为第n个用户的传输速率;IDC为发射端的直流偏置;
步骤2,求解步骤1中建立的优化问题,得到使得***最小传输速率最大的最优功率分配向量P*;
步骤3,根据步骤2中求解得到的功率分配向量P*,完成可见光通信非正交多址***中的用户功率分配。
作为本发明的进一步优化方案,步骤1中第n个用户的传输速率Rn(P)为:
其中,hn为发射端到第n个用户的信道响应,且h1≤h2≤…≤hN,;Pi为分配给第i个用户的功率;为第n个用户的噪声方差。
作为本发明的进一步优化方案,发射端到第n个用户的信道响应hn为:
其中,m为朗伯阶数,θ1/2为LED半角,dn为第n个用户与发射端的直达距离,A为光电二极管PD的接收面积,RP为光电二极管PD的响应度,为第n个用户的辐照角,φn为第n个用户的入射角,T(φn)为第n个用户的光滤波器的增益,g(φn)为第n个用户的聚光透镜的增益,β为聚光透镜的折射率,ΨFOV为光电二极管PD的视场。
作为本发明的进一步优化方案,第n个用户的噪声方差为:
其中,q为一个电子所带的电荷量;B为***带宽;χamb为背景光电流;iamp为前置放大器的噪声电流密度。
作为本发明的进一步优化方案,步骤2中求解步骤1中建立的优化问题的方法为:
2.1,引入变量t,将步骤1中建立的优化问题转化为:
s.t.Rn(P)≥t,n=1,2,…,N
2.2,设定精度∈,令可行迭代次数k=0,并计算t的初始上、下界,t的初始上界t的初始下界tLB=0;
2.3,计算初始功率分配向量其中,1N为N维全一列向量;
2.4,判断tUB-tLB≤∈是否成立,若成立则输出Pk作为最优功率分配向量P*;否则进入步骤2.5;
2.5,令计算功率分配向量P=(P1,P2,…,PN-2,PN-1,PN),具体为:
其中,hN为发射端到第N个用户的信道响应,为第N个用户的噪声方差,为第j个用户的噪声方差,hj为发射端到第j个用户的信道响应;
2.6,根据2.5中获得的功率分配向量P,判断是否成立:若成立则令k=k+1、Pk=P、tLB=t,若此时tUB-tLB≤∈则输出Pk作为最优功率分配向量P*,否则返回2.5;若不成立则令tUB=t,若此时tUB-tLB≤∈则输出Pk作为最优功率分配向量P*,否则返回2.5。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1)本发明在保证光通信***发射端信号始终为正实数的前提下,以最大化最小通信速率为优化目标,实现NOMA的最优功率分配,使得信道最差的用户也拥有较好的通信速率;
2)本发明利用二分法能够直接找到最优的功率分配方法,二分法的每个分步骤直接给出了功率分配的闭式解,极大地降低了计算复杂度,利于实现。
附图说明
图1为本发明考虑的可见光通信***下行链路模型示意图;
图2为本发明的方法流程示意图;
图3为NOMA和OMA技术的平均最小速率随功率变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明所针对的通信模型为可见光通信(VLC)下行链路,其模型如图1所示,发射端为挂在天花板中间的发光二极管(LED),发射的信号被光电二极管接收,有N个在房间内随机分布的用户。有研究表明,VLC***的视距信号能量远大于反射信号,因此反射信号可以忽略。第n个用户的直流信道增益即所述信道响应hn由下式确定:
其中,n={1,2,…,N},π为圆周率,m为朗伯阶数,θ1/2为LED半角,dn为第n个用户与LED的直达距离,A为光电二极管PD的接收面积,RP为光电二极管PD的响应度,为第n个用户的辐照角,φn为第n个用户的入射角,T(φn)为第n个用户的光滤波器的增益,g(φn)为第n个用户的聚光透镜的增益,β为聚光透镜的折射率,ΨFOV为光电二极管PD的视场。
NOMA的基本思想是在发送端利用叠加编码(SC)技术,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰删除(SIC)技术实现解调。具体来说,LED需同时发送N个用户的信号s1,s2,…,sN,其中,sn∈[-1,1]。第n个用户所分配的功率为Pn,NOMA采用SC技术,最终发射的信号为由于VLC***的发射信号需为正实数,因此有如下约束:
其中,IDC为发射端LED的直流偏置。第n个用户接收到的信号为yn=hnx+zn,其中,zn为第n个用户的噪声,其方差为
其中,q为一个电子所带的电荷量,取常数q=1.6×10-19库仑;B为***带宽;χamb为背景光电流;iamp为前置放大器的噪声电流密度。
不失一般性,假设h1≤h2≤…≤hN。
在接收端通过SIC技术实现解调,第n个用户的传输速率为:
其中,P=(P1,P2,…,PN)为功率分配向量,Pn为分配给第n个用户的功率,Pi为分配给第i个用户的功率。
本发明提供基于公平性原则的可见光通信非正交多址NOMA***功率分配方法,为使得***最小传输速率最大,建立如下优化问题:
如图2所示,求解上述建立的优化问题的方法为:
2.1,引入变量t,将步骤1中建立的优化问题转化为:
s.t.Rn(P)≥t,n=1,2,…,N
2.2,设定精度∈,令可行迭代次数k=0,并计算t的初始上、下界,t的初始上界t的初始下界tLB=0;
2.3,计算初始功率分配向量k=0,其中,1N为N维全一列向量;
2.4,判断tUB-tLB≤∈是否成立,若成立则输出Pk作为最优功率分配向量P*;否则进入步骤2.5;
2.5,令计算功率分配向量P=(P1,P2,…,PN-2,PN-1,PN),具体为:
其中,hN为发射端到第N个用户的信道响应,为第N个用户的噪声方差,为第j个用户的噪声方差,hj为发射端到第j个用户的信道响应;
2.6,根据2.5中获得的功率分配向量P,判断是否成立:若成立则令k=k+1、Pk=P、tLB=t,若此时tUB-tLB≤∈则输出Pk作为最优功率分配向量P*,否则返回2.5;若不成立则令tUB=t,若此时tUB-tLB≤∈则输出Pk作为最优功率分配向量P*,否则返回2.5。
为了验证本发明方法的性能,特进行了仿真实验,仿真实验结果如图3所示,所涉及的参数如表1所示
参数 | 取值 |
房间尺寸(长、宽、高) | 5m、5m、3m |
PD响应度 | 0.4A/W |
PD视场(FOV)(半角) | 62° |
LED半角 | 47.5° |
聚光透镜的折射率 | 1.5 |
PD面积 | 1cm2 |
光滤波器增益 | 1 |
前置放大器噪声密度 | 5pA/Hz1/2 |
背景光电流 | 10.93A/m2/Sr |
带宽 | 100MHz |
图3为NOMA和OMA技术的平均最小速率随功率变化的曲线图,参数如表1所示,用户随机分布在房间地板上,平均最小速率为利用蒙特卡罗方法统计的用户处在1000组不同位置的最小速率的平均值。由图可以发现,增加光功率或减少用户数,都能增大最小速率。随着光功率的不断增加,NOMA技术相较于OMA技术的优势也将不断增加,功率足够大时,NOMA的最小速率总会大于OMA。
以上所述,仅为本发明中的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内,可理解想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的包含范围之内,因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.基于公平性原则的可见光通信NOMA***功率分配的方法,其特征在于,所述公平性原则为最大化可见光通信非正交多址***的最小传输速率,该方法的具体步骤如下:
步骤1,建立可见光通信非正交多址***的最小传输速率最大的优化问题:
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其中,P为功率分配向量,P=(P1,P2,…,PN),Pn为分配给第n个用户的功率,N为用户数;Rn(P)为第n个用户的传输速率;IDC为发射端的直流偏置;
步骤2,求解步骤1中建立的优化问题,得到使得***最小传输速率最大的最优功率分配向量P*;
步骤3,根据步骤2中求解得到的功率分配向量P*,完成可见光通信非正交多址***中的用户功率分配。
2.根据权利要求1所述的基于公平性原则的可见光通信NOMA***功率分配的方法,其特征在于,步骤1中第n个用户的传输速率Rn(P)为:
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其中,hn为发射端到第n个用户的信道响应,且h1≤h2≤…≤hN,;Pi为分配给第i个用户的功率;为第n个用户的噪声方差。
3.根据权利要求2所述的基于公平性原则的可见光通信NOMA***功率分配的方法,其特征在于,发射端到第n个用户的信道响应hn为:
其中,m为朗伯阶数,θ1/2为LED半角,dn为第n个用户与发射端的直达距离,A为光电二极管PD的接收面积,RP为光电二极管PD的响应度,为第n个用户的辐照角,φn为第n个用户的入射角,T(φn)为第n个用户的光滤波器的增益,g(φn)为第n个用户的聚光透镜的增益,β为聚光透镜的折射率,ΨFOV为光电二极管PD的视场。
4.根据权利要求3所述的基于公平性原则的可见光通信NOMA***功率分配的方法,其特征在于,第n个用户的噪声方差为:
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其中,q为一个电子所带的电荷量;B为***带宽;χamb为背景光电流;iamp为前置放大器的噪声电流密度。
5.根据权利要求4所述的基于公平性原则的可见光通信NOMA***功率分配的方法,其特征在于,步骤2中求解步骤1中建立的优化问题的方法为:
2.1,引入变量t,将步骤1中建立的优化问题转化为:
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2.2,设定精度∈,令可行迭代次数k=0,并计算t的初始上、下界,t的初始上界t的初始下界tLB=0;
2.3,计算初始功率分配向量其中,1N为N维全一列向量;
2.4,判断tUB-tLB≤∈是否成立,若成立则输出Pk作为最优功率分配向量P*;否则进入步骤2.5;
2.5,令计算功率分配向量P=(P1,P2,…,PN-2,PN-1,PN),具体为:
<mrow>
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其中,hN为发射端到第N个用户的信道响应,为第N个用户的噪声方差,为第j个用户的噪声方差,hj为发射端到第j个用户的信道响应;
2.6,根据2.5中获得的功率分配向量P,判断是否成立:若成立则令k=k+1、Pk=P、tLB=t,若此时tUB-tLB≤∈则输出Pk作为最优功率分配向量P*,否则返回2.5;若不成立则令tUB=t,若此时tUB-tLB≤∈则输出Pk作为最优功率分配向量P*,否则返回2.5。
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