基于选择调光和预编码的多用户MIMO可见光通信方法技术

本发明专利技术在MU‑MIMO技术的基础上，充分挖掘LED灯光源、预编码技术、空间调光等各方面的特性，设计了一种基于LED选择调光（Selective Dimming，SD）和波形调节BD预编码（Waveform‑Adapted BD Precoding，WA‑BDP）的新型MU‑MIMO‑VLC室内通信方法。该方法能在不同的调光要求下，尽可能地充分利用LED光源的动态范围进行信息传输，从而可在室内大部分区域内大幅提升MU‑MIMO‑VLC系统的性能。

【技术实现步骤摘要】
基于选择调光和预编码的多用户MIMO可见光通信方法
本专利技术涉及可见光通信
，更具体地，涉及一种基于LED选择调光和块对角化预编码设计的多用户多输入多输出可见光通信方法。
技术介绍
随着时代发展和日常生活中发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)灯具的广泛应用，基于LED灯的可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)技术逐渐受到各国研究者的青睐并对其展开了研究。VLC技术主要基于强度调制(IntensityModulation，IM)和直接检测(DirectDetection，DD)，它利用人眼无法识别的强度快速变化的明暗信号进行信息的传输。传统无线通信中广泛应用的多天线传输技术(Multiple-inputMultiple-output，MIMO)也凭借其在系统扩容等方面的优势在VLC中获得应用，它能有效同时利用多个LED灯实现高速数据传输，提高VLC系统的传输速率。因此，MIMO技术与VLC技术相结合也逐渐成为当前室内VLC通信系统的研究热点。普通MIMO-VLC系统中所有光检测器(Photodetector，PD)均属于同一个用户终端，也即单用户系统。而在更为实际的VLC场景中，利用覆盖室内的可见光信号进行广播通信是未来的发展趋势，因此可以同时支持多个用户终端进行通信的多用户(Multiuser，MU)VLC系统也逐渐引起了研究者的关注。MU-VLC系统通过特定的干扰消除算法来消除用户间干扰(Multi-UserInterference，MUI)，使得多个用户终端可以利用相同的LED灯阵列互不干扰地进行通信。尽管在传统无线通信领域中已对多用户系统进行了广泛研究，但目前对于室内多用户VLC领域的研究还相对较少。由于室内场景下VLC信道的特性与VLC系统特有的发射和接收结构，使得室内MU-VLC系统的设计需要进一步深入考虑VLC信道的实际特性，以便设计出更符合实际的MU-VLC系统。目前已有一些文献对每个用户只有一个PD的多用户多输入单输出(Multi-InputSingle-Output，MISO)系统从一些方面展开研究，如根据最小化最大均方误差(MeanSquaredErrors，MSE)准则设计的MU-MISO可见光通信收发机，根据最大速率准则设计的基于迫零(Zero-Force，ZF)的多用户MISO可见光通信系统等。针对每个用户终端有多个PD的情况，即多用户MIMO系统，可采用基于块对角化(BlockDiagonalization，BD)的MU-MIMO系统，有选择性地结合VLC系统特性对实现最大速率优化。MU-MIMO技术作为传统MIMO技术的进一步拓展和应用，有着广阔的研究应用前景，目前已有的研究一般仅针对MU-MIMO可见光通信系统的某个方面进行探索。而针对室内VLC系统的其它不同特性进行系统设计，仍存在很多潜在的技术结合点和创新点值得挖掘。通常而言，在更为实际的VLC系统中，由于VLC系统需要同时兼顾室内照明和通信的需求，有时需要在不同的光照覆盖需求下完成通信。因此如何进一步结合LED灯动态范围限制和不同的调光需求对多用户MIMO-VLC系统结构进行完整设计，从而使系统在室内大部分环境下能获得更好的性能则显得尤为重要，是一个极具现实意义和挑战性的问题。寻找该问题的解决方案，对于室内VLC技术走向成熟乃至实用具有重要作用。
技术实现思路
本专利技术在MU-MIMO技术的基础上，充分挖掘LED灯光源、预编码技术、空间调光等各方面的特性，设计了一种基于LED选择调光(SelectiveDimming，SD)和波形调节BD预编码(Waveform-AdaptedBDPrecoding，WA-BDP)的新型MU-MIMO-VLC室内通信方法。该方法能在不同的调光要求下，尽可能地充分利用LED光源的动态范围进行信息传输，从而可在室内大部分区域内大幅提升MU-MIMO-VLC系统的性能。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：基于选择调光和预编码的多用户MIMO可见光通信方法，包括以下步骤：S1.首先根据实际需求将LED灯集合划分为B1个第(1)层次宏观控制块，然后在第(2)层次中，将每个宏观控制块划分为M个单位块；S2.计算相应的W2,L、W2,U、W1,L、W1,U和W1,R，其中为每个单位块被激活的LED灯数目下界；为每个单位块被激活的LED灯数目上界；B2＝B1M；Nt表示激活的LED灯数目；为每个宏观控制块中激活W2,L个LED灯的单位块数目的下界；为每个宏观控制块中激活W2,L个LED灯的单位块数目的上界；W1,R＝mod(B2-W2,R,B1)，其含义为假设B1个宏观控制块均包含W1,L个激活了W2,L盏LED灯的单位块后，还剩余W1,R个激活了W2,L盏LED灯的单位块待分配；S3.初始化TR＝0，和WTh＝W1,U，其中为第b1个宏观控制块中的第b2个单位块所激活LED灯数目的判断阈值，表示第b1个宏观控制块中激活了W2,L个LED灯的单位块数目，TR表示包含W1,U个激活了W2,L个LED灯的单位块的宏观控制块数目；S4.若目前LED灯激活集合中的LED灯数目不满足|Ω|＞Nt，则进入最后的步骤S14，否则继续进入步骤S5；S5.若目前LED灯激活集合中的LED灯数目满足|Ω|＞Nt，对于集合中所有LED灯i∈Ω，确定该LED发射天线所属的单位块也即定义|A|为求集合A中元素个数的操作，若该LED发射天线i满足条件则执行：a)定义删去该天线后的LED灯激活集合定义Γ＝Γ+{i}用于存储可备选被删除的LED灯集合；b)对于所有j＝1,2,...,J，计算得到与相对应的奇异值矩阵计算与相对应的其中diag(·)表示取矩阵所有对角线上元素的操作；c)方式一：计算与相对应的MSV：方式二：求解WA-BDP，得到与相对应的最大调节因子再计算AMSV：S6.在计算完步骤S5中所有可删去LED灯的对应后，求解得到最优的删除LED灯iopt；确定该LED灯所属单位块执行然后进入均匀调光控制；S7.若此时不满足则执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S8.若满足步骤S7中的条件则执行S9.若此时不满足则执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S10.若满足步骤S9中的条件则执行更新第个宏观控制中每个单位块的激活LED灯数目阈值，同时执行累加TR＝TR+1；S11.若此时不满足TR＝W1,R，则执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S12.若满足步骤S11中的条件TR＝W1,R，则执行WTh＝W1,L，同时检索出所有B1个宏观控制块中此时满足的宏观控制块：更新这些宏观控制块中每个单位块的激活LED灯数目阈值S13.执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S14.得到最终的LED灯激活集合Ω后，也即得到对应的多用户信道矩阵，计算最后WA-BDP的预编码矩阵和对应的最大调节因子。优选地，所述步骤S14计算最后WA-BDP的预编码矩阵的具体过程如下：定义所有J个用户终端构成的(Nr×Nt)维信道矩阵为其中J表示J个用户终端，第j个用户终端配备有Nr,j个PD，系统的PD总数目为Hj表示第j个用户的(Nr,j×Nt)维信道矩阵；定义第j个用户本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于选择调光和预编码的多用户MIMO可见光通信方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.首先根据实际需求将LED灯集合划分为B1个第(1)层次宏观控制块，然后在第(2)层次中，将每个宏观控制块划分为M个单位块；S2.计算相应的W2,L、W2,U、W1,L、W1,U和W1,R，其中

【技术特征摘要】
1.基于选择调光和预编码的多用户MIMO可见光通信方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.首先根据实际需求将LED灯集合划分为B1个第(1)层次宏观控制块，然后在第(2)层次中，将每个宏观控制块划分为M个单位块；S2.计算相应的W2,L、W2,U、W1,L、W1,U和W1,R，其中为每个单位块被激活的LED灯数目下界；为每个单位块被激活的LED灯数目上界；B2＝B1M；Nt表示激活的LED灯数目；为每个宏观控制块中激活W2,L个LED灯的单位块数目的下界；为每个宏观控制块中激活W2,L个LED灯的单位块数目的上界；W1,R＝mod(B2-W2,R,B1)，其含义为假设B1个宏观控制块均包含W1,L个激活了W2,L盏LED灯的单位块后，还剩余W1,R个激活了W2,L盏LED灯的单位块待分配；S3.初始化b1＝1,...,B1；b2＝1,...,M，，TR＝0，b1＝1,...,B1，和WTh＝W1,U，其中为第b1个宏观控制块中的第b2个单位块所激活LED灯数目的判断阈值，表示第b1个宏观控制块中激活了W2,L个LED灯的单位块数目，TR表示包含W1,U个激活了W2,L个LED灯的单位块的宏观控制块数目；S4.若目前LED灯激活集合中的LED灯数目不满足|Ω|＞Nt，则进入最后的步骤S14，否则继续进入步骤S5；S5.若目前LED灯激活集合中的LED灯数目满足|Ω|＞Nt，对于集合中所有LED灯i∈Ω，确定该LED发射天线所属的单位块也即定义|A|为求集合A中元素个数的操作，若该LED发射天线i满足条件则执行：a)定义删去该天线后的LED灯激活集合定义Γ＝Γ+{i}用于存储可备选被删除的LED灯集合；b)对于所有j＝1,2,...,J，计算得到与相对应的奇异值矩阵计算与相对应的其中diag(·)表示取矩阵所有对角线上元素的操作；c)方式一：计算与相对应的MSV：方式二：求解WA-BDP，得到与相对应的最大调节因子再计算AMSV：S6.在计算完步骤S5中所有可删去LED灯的对应后，求解得到最优的删除LED灯iopt；确定该LED灯所属单位块执行然后进入均匀调光控制；S7.若此时不满足则执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S8.若满足步骤S7中的条件则执行S9.若此时不满足则执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S10.若满足步骤S9中的条件则执行更新第个宏观控制中每个单位块的激活LED灯数目阈值，同时执行累加TR＝TR+1；S11.若此时不满足TR＝W1,R，则执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S12.若满足步骤S11中的条件TR＝W1,R，则执行WTh＝W1,L，同时检索出所有B1个宏观控制块中此时满足的宏观控制块：更新这些宏观控制块中每个单位块的激活LED灯数目阈值S13.执行Ω＝Ω-{iopt}，返回步骤S4；S14.得到最终的LED灯激活集合Ω后，也即得到对应的多用户信道矩阵，计算最后WA-BDP的预编码矩阵和对应的最大调节因子。2.根据权利要求1所述的基于选择调光和预编码的多用户MIMO可见光通信方法，其特征在于：所述步骤S14计算最后WA-BDP的预编码矩阵的具体过程如下：定义所有J个用户终端构成的(Nr×Nt)维信道矩阵为其中J表示J个用户终端，第j个用户终端配备有Nr,j个PD，系统的PD总数目为Hj表示第j个用户的(Nr,j×Nt)维信道矩阵；定义第j个用户的(Nt×Nr,j)维预编码矩阵和(Nr,j×1)维符号向量分别为Fj和uj，Fj用于对符号向量uj进行预编码操作，以在发送端消除MUI；基于上述参数假设，预编码技术的MU-MIMO系统可用下式表示：其中，yj是第j个用户的(Nr,j×1)维接收信号向量，nj是(Nr,j×1)维的零均值加性高斯白噪声向量；为在接收机端消除MUI，需满足：为此，需要构造合适的Fj(j＝1,2,...,J)满足式(2)；以下介绍构造Fj(j＝1,2,...,J)的方法；首先定义第j个用户的预编码矩阵为Fj，用于对第j个用户的符号向量进行预编码操作，以在发送端消除MUI；可以将Fj分为两个部分，表示为其中第一部分可以由传统BD预编码方法得到，它位于除了第j个用户信道矩阵外的信道矩阵零空间内；第二部分用于预编码过程中对VLC波形进行优化设计的附加矩阵，它位于所有用户信道矩阵的零空间内；公式(3)的第一部分可由传统BD预编码方法得到，方法如下：定义包含除了第j个用户以外的((Nr-Nr,j)×Nt)维用户信道矩阵令矩阵的秩为使用奇异值分解(SingularValueDecomposition，SVD)方法对矩阵进行分解可得到其中：((Nr-Nr,j)×(Nr-Nr,j))维矩阵包含了全部左奇异向量；((Nr-Nr,j)×Nt)维矩阵表示奇异值对角矩阵；维矩阵包含前个右奇异向量；维矩阵包...

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