一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法技术

本发明专利技术涉及一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，该方法结合CSK星座图的特点和PDNOMA的基本思想，将CSK的单层星座图扩展为多层，提出MLCSK调制方案。每层星座点供单个用户终端使用且每层星座点的功率的分配根据各用户终端的信道条件所决定，以实现具有信道自适应的多用户VLC通信系统，从而可增大系统总体的吞吐率。

【技术实现步骤摘要】
一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法
本专利技术涉及面向可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)领域，提出了一种具有信道自适应特性并可实现非正交多址接入(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)、增大系统容量的多层色移键控(Multi-LayerColorandShiftKeying，MLCSK)调制方法。
技术介绍
在如今信息化时代，人们对高速宽带多媒体通信的需求正呈现几何级数增长，稀缺的频谱资源与用户对数据流量的巨大需求之间的矛盾日益突出[1]。面对这样的背景下，基于发光二极管(Light-emittingDiode，LED)的VLC技术逐渐受到各方关注，学术界与工业界对其展开了广泛研究。VLC技术是一种能在保证LED照明功能前提下，实现信息高速传输的通信技术。它主要通过强度调制(IntensityModulation，IM)和直接检测(DirectDetection，DD)技术，利用人眼不可察觉的快速光强变化来实现信息的传输，做到同时支持照明和通信。它具有高速率、宽频谱且无需授权，高安全性、低成本以及无电磁干扰的特性[2]。在应用于VLC的调制方式中，色移键控(ColorandShiftKeying，CSK)是在IEEE802.15.7标准中提出的调制方式，适合应用于高速率单用户传输的应用场景中[3]。不同于使用单光源的开关键控(On-Offkeying，OOK)调制和变脉冲位置调制(VariablePulse-PositionModulation，VPPM)方式，CSK调制是一种使用红、绿、蓝(Red、Green、Blue，RGB)三色LED光源，通过控制在三个颜色带宽上的光强以及三种颜色光成分的组合比例来实现信息传输的调制方式，调制过程中通过控制三色光的瞬时总强度不变，避免产生影响照明体验的灯光闪烁效应。另外，CSK调制使用的是RGB-LED作为发射光源，它相比传统用于VLC系统的荧光粉LED光源具有更高的调制带宽，能以更高的频率实现光强的变化[4]。由于CSK的光功率约束条件，CSK的星座点被限制在一个三维平面上，其高阶星座图性能受限。另一方面星座图平面的高度以及大小取决于系统发射的总功率，因此在不改变色度映射规则的前提下通过设定总功率即能生成一个单层CSK星座图。非正交多址接入(Non-orthogonalMultipleAccess，NOMA)技术是为满足第五代(TheFifth-generation，5G)无线网络中低延时、高稳定、大规模互联、公平、高吞吐量所提出的多址接入技术。其核心思想是在相同的资源块上，如时隙、子载波或扩频码，实现多个用户的信息传输。考虑到用户终端信道的特殊性，同一时间段内不同用户终端的信道特性可能会出现较大差异，当一个信道条件很差的用户终端由于公平性因素而必需被服务时，在应用传统的正交多址接入(OrthogonalMultipleAccess，OMA)技术由于资源块只被该用户终端占用，必然会导致系统频谱效率以及系统总体吞吐率的下降。然而在这个场景下，使用NOMA不仅能满足信道条件差的用户终端的通信服务，同时也能支持信道条件优良的用户终端的通信。可以证明，在用户终端公平性保证的前提下，NOMA系统的总体吞吐量相比于OMA系统有较大的提升[5]。在NOMA技术中，功率域(Power-Domain，PD)NOMA是高效频谱利用率的一种实现方式，它通过对不同用户终端的发射功率进行合理分配，利用不同用户终端所分配的功率不同这一特性对各用户终端的信息加以区分，从而实现在同一时隙上同时服务多个用户终端[6]，以提高系统整体的吞吐率。然而，NOMA技术在VLC领域的应用十分有限，仍未找到一种合适应用于NOMA技术的VLC调制方案，因此本专利技术结合CSK星座图的特点和PDNOMA的基本思想，将CSK的单层星座图扩展为多层，提出了多层色移键控(Multi-LayerColorShiftKeying，MLCSK)的调制方案。每层星座点供单个用户使用且每层星座点的功率的分配根据各用户终端的信道条件所决定，以实现具有信道自适应的多用户VLC通信系统，从而可增大系统总体的吞吐率。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于结合CSK星座图的特点和PDNOMA的基本思想，将CSK的单层星座图扩展为多层，提出了多层色移键控的调制方法，使得NOMA技术能够适用于VLC调制领域。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：包括有以下步骤：(一)假设一个发射机服务的用户终端数量为K，第k个用户终端的二进制比特数据携带Nb＝log2M比特信息进入M-CSK调制模块，经过颜色编码映射成色度坐标k＝1,2,…,K，p＝1,2,…,M；然后利用式(1)实现色度域到光强域的变换，得到光强符号其中(xr,yr)，(xg,yg)和(xb,yb)表示色度域中三基色光源波长对应的色度坐标,Popt为设定的总光功率；(二)根据PDNOMA的基本原理，对每个符号sk分配一个功率因子ak，ak由各个用户终端的信道质量所决定；最终由LED发射的符号x＝[xr,xg,xb]T可以表示为：此时在强度域中，符号映射的星座图为单层CSK星座图符号的K层扩展，符号x生成后，经过数模转换，形成电流信号并通过电光转换控制三个颜色对应的LED光强，最终由LED发出的符号经过信道到达各用户终端；(三)假设K个用户终端的信道质量满足：h1≤…≤hK；其中hk表示在VLC信道中，LED与第k个用户终端LoS链路的直流信道增益，表示为：其中，m是朗博系数，为m＝-1/log2(cos(Φ1/2))，Φ1/2是LED的半功率角，dk为LED和第k个用户终端之间的欧氏距离，φk和ψk分别为LED向第k个用户终端辐射的辐射角和第k个用户终端处的入射角，A和Rp分别表示第k个用户终端光电检测器的接收面积和响应因子，T(ψk)表示第k个用户终端的前端滤波器增益，g(ψk)则表示第k个用户终端的聚光器增益，由下式给出：其中n是聚光器的反射指数，ΨFoV是光电检测器的视野角；(四)则第k个用户终端接收的信号表示为：其中为零均值实值高斯噪声向量；利用串行干扰消除方法去除yk中信道质量较第k个用户终端差的前k-1个用户终端的信息信号，然后对第k个用户终端的信息信号进行解调，得到符号将符号送入M-CSK解调模块，进行CSK调制的逆过程，最终恢复出该用户终端的Nb比特信息。优选地，保证在通信过程中不产生闪烁。优选地，所述信号x是由aisi叠加而成的，为保证在接收端使用串行干扰消除方法的稳定性，要求第k个用户终端的信息信号在叠加了第k+1个用户终端的信息信号后仍能被复原，即第k个用户终端的符号在叠加第k+1个用户终端的符号后不能超越第k个用户终端符号的判决范围，该问题的数学表达为：||ak+1s(β)||≤||aks(α)+ak+1s(β)-aks(γ)||，α≠γ，α,β,γ＝1,2,...,M(3)其中s(ξ)∈SM，SM为M-CSK符号全集，根据色度映射规则和式(1)确定；s(ξ)是SM中的第ξ个符号，ξ＝1,2，…,M，||·||表示向量取模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：包括有以下步骤：(一)假设一个发射机服务的用户终端数量为K，第k个用户终端的二进制比特数据携带Nb＝log2M比特信息进入M‑CSK调制模块，经过颜色编码映射成色度坐标

【技术特征摘要】
1.一种可实现非正交多址接入的多层色移键控调制方法，其特征在于：包括有以下步骤：(一)假设一个发射机服务的用户终端数量为K，第k个用户终端的二进制比特数据携带Nb＝log2M比特信息进入M-CSK调制模块，经过颜色编码映射成色度坐标k＝1,2,…,K，p＝1,2,…,M；然后利用式(1)实现色度域到光强域的变换，得到光强符号其中(xr,yr)，(xg,yg)和(xb,yb)表示色度域中三基色光源波长对应的色度坐标,Popt为设定的总光功率；(二)根据PDNOMA的基本原理，对每个符号sk分配一个功率因子ak，ak由各个用户终端的信道质量所决定；最终由LED发射的符号x＝[xr,xg,xb]T可以表示为：此时在强度域中，符号映射的星座图为单层CSK星座图符号的K层扩展，符号x生成后，经过数模转换，形成电流信号并通过电光转换控制三个颜色对应的LED光强，最终由LED发出的符号经过信道到达各用户终端；(三)假设K个用户终端的信道质量满足：h1≤…≤hK；其中hk表示在VLC信道中，LED与第k个用户终端LoS链路的直流信道增益，表示为：其中，m是朗博系数，为m＝-1/log2(cos(Φ1/2))，Φ1/2是LED的半功率角，dk为LED和第k个用户终端之间的欧氏距离，φk和ψk分别为LED向第k个用户终端辐射的辐射角和第k个用户终端处的入射角，A和Rp分别表示第k个用户终端光电检测器的接收面积和响应因子，T(ψk)表示第k个用户终端的前端滤波器增益，g(ψk)则表示第k个用户终端的聚光器增益，由下式给出：其中n是聚光器的反射指数，ΨFoV是光电检测器的视野角；(四)则第k个用户终端接收的信号表...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文俊，张琳，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44