可见光通信多小区干扰管理方法技术

本发明专利技术公开了可见光通信多小区干扰管理方法，包括一种集中式可见光通信多小区干扰管理方法和一种分布式可见光通信多小区干扰管理方法，本发明专利技术涉及可见光通信领域干扰信道MISO多小区可见光干扰管理框架。本发明专利技术利用信息论、信号处理和凸优化方法，提出了集中式和分布式两种干扰管理框架。本发明专利技术所提出的干扰管理框架可以有效的减少小区间的干扰，保证用户目标速率，同时降低发射功率，提高能效。本发明专利技术提出针对不同场景提出了针对性的方法，同时方法计算精度高，求解速度快，而且分布式干扰管理方法可以有效减小系统内信息交换，减轻网络负载，这些特点也减少了系统整体的能耗，提高了系统能效。

【技术实现步骤摘要】
可见光通信多小区干扰管理方法
本专利技术属于可见光通信领域，尤其涉及可见光通信多小区干扰管理方法。
技术介绍
可见光通信技术的研究具有重要的科学意义和应用前景。可见光通信目标是在LED照明系统的基础上进行高速传输，必须首先要保证室内照明的相关要求。因此，与建立在有限平均电功率约束下的射频无线通信系统不同，可见光通信为了保证人眼安全与舒适度要求以及照明亮度要求，还需要满足有限峰值功率约束和有限平均光功率约束，同时为了满足LED与光学器件的性能要求，有限平均电功率约束也与射频无线通信有着一定不同之处。与传统的射频无线通信相比，可见光通信具有以下的优势：(1)可见光通信频谱资源丰富，频段介于400THz-800THz之间，是无线频谱的近一万倍，可以破解电磁频谱资源匮乏困局；(2)可见光通信的发射器件是普通LED灯，LED灯功耗仅是传统白炽灯的20％，可见光通信属典型的低功耗绿色通信技术；(3)可见光通信具有定向辐射的特性，使其覆盖范围可控可限，有利于构建安全信息空间；(4)可见光通信网络将与互联网、移动通信网和电力网深度融合，在密集住宅区/办公区、地铁、高铁等场景下为用户高速数据通信服务；(5)可见光通信无电磁干扰，可以用于电磁敏感区域的安全通信，如煤矿、医院和飞机等场所；目前可见光通信多小区干扰信道相关研究较少，目前尚无有效的可见光通信多小区干扰管理方法提出。
技术实现思路
实际场景中，一个LED灯具通常是由多个LED组成，因此，针对可见光干扰信道网络，可以进行多LED波束形成设计，从而降低各个小区之间的干扰。首先构造一种具有最大熵分布的发射信号来提高传输容量，然后针对不同的应用场景和网络规模，本专利技术分别提出了可见光通信多小区干扰管理方法，具体包括一种集中式可见光通信多小区干扰管理方法和一种分布式可见光通信多小区干扰管理方法。集中式可见光通信多小区干扰管理方法是建立中心控制器，收集各个收发对的全部信息进行优化处理，所述一种集中式可见光通信多小区干扰管理方法包括如下步骤：步骤1，对于可见光通信网络中的第i个用户，对其未加入直流偏置的发射信号Xi进行设置；步骤2，求解第i个用户的ABG(Alpha-Beta-Gamma)分布对应的概率密度函数；步骤3，计算未加入直流偏置的发射信号Xi的微分熵{h(Xi)}；步骤4，假设可见光通信网络中包含K个传输对，在每一个传输对中，发射端包含N个LED，接收端只包含一个光电检测器PD(PhotoDetector)，求解发射信号Xi光功率和电功率；步骤5，设置信道参数；步骤6，求解第i个用户的基于ABG分布的信道容量下界步骤7，最优波束形成设计；步骤8：输出波束形成矩阵{wi}。步骤1中，未加入直流偏置的发射信号Xi服从连续概率分布，这一概率分布的概率密度函数为fi(Xi)，并且概率密度函数fi(Xi)满足如下条件：其中，Ai为信源信号的幅度峰值且Ai>0，则未加入直流偏置的发射信号Xi幅度范围、均值和平均电功率分别如下：|Xi|≤Ai，其中εi为目标用户i的平均电功率，为求均值。步骤2中，第i个用户的ABG分布对应的概率密度函数fiABG(Xi)为：其中，K表示用户总数，即传输对总数，参数αi，βi和γi为如下方程组的解：其中π为圆周率，e为自然对数，函数X∈[-Ai,Ai]，erf(·)为高斯误差函数。步骤3中，通过如下公式计算未加入直流偏置的发射信号Xi的微分熵{h(Xi)}：其中αi和γi为ABG分布参数，log2(·)为以2为底数的对数函数，ln(·)为自然对数。步骤4中，对于第i个传输对，令wi表示波束形成向量，wi,n表示第i个传输对的第n个LED的加权系数，n＝1,...,N，表示N维的实数空间，第i个发射端传输信息Xi至第i个接收端，其中|Xi|≤Ai，且K表示传输对总数，第i个发射端所发射的信号si为：其中li为第i个用户的直流偏置向量，bi为第i个用户的直流偏置大小，并且bi≥0，由于可见光通信中发射信号必须为非负的，因此wi必须满足：其中|·|为求模，步骤4所得的发射信号si的光功率和电功率分别为：其中K表示传输对总数，N表示每个发射端中LED总数，i表示传输对的序号,n表示每个发射端中LED序号，||·||为求2-范数。步骤5包括：因为通常视距传播(LOS)链路的信道增益远大于反射形成的散射链路，所以可以只考虑视距传播链路的影响，根据朗伯发光模型，第j个灯具上第n个LED到第i个用户的信道增益gi,j,n表示为：其中，cos(·)为余弦函数，|·|为求模，m表示朗伯发射等级，log(·)为对数函数，φ表示LED的发射角，φ1/2表示半功率角的一半，ηc表示电光转换效率，ηl表示光电转换效率，G表示跨导放大器的增益，AR表示接收端物理面积大小，其中nr表示接收端聚光透镜折射率，APD表示光电检测器的面积，sin(·)为正弦函数，di,j,n表示第n个LED与第i个用户的距离，ψn表示接收端的入射角，ψFoV表示用户的视野(FoV)宽度。步骤6中，通过如下公式求解第i个用户的基于ABG分布的信道容量下界其中，σ2为噪声功率，gi,j为第j个发射端到第i个用户的信道增益，wj为第j个发射端的波束形成向量。步骤7中，根据凸优化理论，每个用户目标速率约束和每个LED功率约束条件下，以最小化发射功率为目标的可见光波束形成框架，得到如下公式：其中，s.t.表示suchthat，即“使得”，Ri是第i个接收端的目标速率，en为除了第i个元素为1而其他元素为0的向量，min表示求最小值，s.t.为suchthat，即“使得”；但是上述优化问题的第一个约束为一个二次约束，使得这一问题为一个非凸二次约束二次优化问题(QCQP)，根据既有文献可知这一类优化问题为NP-难问题。将上述公式转化为如下优化问题：其中gi,j为第j个发射端到第i个用户的信道增益，K表示传输对总数，N表示每个发射端中LED总数，(参数αj、γj采用步骤2中求解参数αi，βi和γi的方法计算得到，将方程组中参数的下标改为j即可)，且使用半正定规划技术SDR(Semi-DefiniteRelaxation)处理，定义使得并且rank(Wi)＝1，上述优化问题松弛为：其中Tr(·)为求矩阵的迹，这一问题为凸半正定规划问题，通过可达内点算法解出最优解，即的最小值以及对应的wi。集中式可见光通信多小区干扰管理方法，要求不同LED灯之间进行数据和信息共享，这就会导致大量的信令开销。在网络回传容量受限时，这一问题将会限制可见光网络的应用。为了减少数据交换的开销，本专利技术还公开了一种分布式可见光通信多小区干扰管理方法，包括如下步骤：步骤1，对于可见光通信网络中的第i个用户，对其未加入直流偏置的发射信号Xi进行设置；未加入直流偏置的发射信号Xi服从连续概率分布，这一概率分布的概率密度函数为fi(Xi)，并且概率密度函数fi(Xi)满足如下条件：其中，Ai>0为信源信号的幅度峰值，则未加入直流偏置的发射信号Xi幅度范围、均值和平均电功率分别如下：|Xi|≤Ai，其中εi为目标i的平均电功率，为求均值；步骤2，求解第i个用户的ABG(Alpha-Beta-Gamma)分布对应的概率密度函数：其中，K表示用户本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集中式可见光通信多小区干扰管理方法，包括如下步骤：步骤1，对于可见光通信网络中的第i个用户，对其未加入直流偏置的发射信号X

【技术特征摘要】
1.一种集中式可见光通信多小区干扰管理方法，包括如下步骤：步骤1，对于可见光通信网络中的第i个用户，对其未加入直流偏置的发射信号Xi进行设置；步骤2，求解第i个用户的ABG分布对应的概率密度函数；步骤3，计算未加入直流偏置的发射信号Xi的微分熵{h(Xi)}；步骤4，假设可见光通信网络中包含K个传输对，在每一个传输对中，发射端包含N个LED，接收端只包含一个光电检测器PD，求解发射信号Xi光功率和电功率；步骤5，设置信道参数；步骤6，求解第i个用户的基于ABG分布的信道容量下界步骤7，最优波束形成设计；步骤8：输出波束形成矩阵{wi}。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，未加入直流偏置的发射信号Xi服从连续概率分布，这一概率分布的概率密度函数为fi(Xi)，并且概率密度函数fi(Xi)满足如下条件：其中，Ai为信源信号的幅度峰值且Ai＞0，则未加入直流偏置的发射信号Xi幅度范围、均值和平均电功率分别如下：|Xi|≤Ai，其中εi为目标平均电功率，为求均值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，第i个用户的ABG分布对应的概率密度函数fiABG(Xi)为：其中，K表示用户总数，即传输对总数，参数αi，βi和γi为如下方程组的解：其中π为圆周率，e为自然对数，函数erf(·)为高斯误差函数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，通过如下公式计算未加入直流偏置的发射信号Xi的微分熵{h(Xi)}：其中log2(·)为以2为底数的对数函数，ln(·)为自然对数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4中，对于第i个传输对，令wi表示波束形成向量，wi,n表示第i个传输对的第n个LED的加权系数，n＝1,…,N，表示N维的实数空间，其中|Xi|≤Ai，且K表示传输对总数，第i个发射端所发射的信号si为：其中li为第i个用户的直流偏置向量，bi为第i个用户的直流偏置大小，并且bi≥0，由于可见光通信中发射信号必须为非负的，因此wi必须满足：其中|·|为求模，步骤4所得的发射信号si的光功率和电功率分别为：其中i表示传输对的序号，n表示每个发射端中LED序号,||·||为求2-范数。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5包括：根据朗伯发光模型，第j个灯具上第n个LED到第i个用户的信道增益gi,j,n表示为：其中，cos(·)为余弦函数，|·|为求模，m表示朗伯发射等级，log(·)为对数函数，φ表示LED的发射角，φ1/2表示半功率角的一半，ηc表示电光转换效率，ηl表示光电转换效率，G表示跨导放大器的增益，AR表示接收端物理面积大小，其中nr表示接收端聚光透镜折射率，APD表示光电检测器的面积，sin(·)为正弦函数，di,j,n表示第n个LED与第i个用户的距离，ψn表示接收端的入射角，ψFoV表示用户的视野宽度。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤6中，通过如下公式求解第i个用户的基于ABG分布的信道容量下界其中，σ2为噪声功率，gi,j为第j个发射端到第i个用户的信道增益，wj为第j个发射端的波束形成向量。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤7中，根据凸优化理论，每个用户目标速率约束和每个LED功率约束条件下，以最小化发射功率为目标的可见光波束形成框架，得到如下公式：其中Ri是第i个用户的目标速率，en为除了第i个元素为1而其他元素为0的向量，min表示求最小值；将上述公式转化为如下优化问题：其中gi,j为第j个发射端到第i个用户的信道增益，且使用半正定规划技术处理，定义使得并且rank(Wi)＝1，上述优化问题松弛为：其中Tr(·)为求矩阵的迹，通过可达内点算法解出最优解，即的最小值以及对应的wi。9.一种分布式可见光通信多小区干扰管理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，对于可见光通信网络中的第i个用户，对其未加入直流偏置的发射信号Xi进行设置；未加入直流偏置的发射信号Xi服从连续概率分布，这一概率分布的概率密度函数为fi(Xi)，并且概率密度函数fi(Xi)满...

【专利技术属性】
技术研发人员：马帅，杨瑞鑫，李世银，贺阳，代佳辉，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32