非平坦信道下DCO‑OFDM直流偏置和功率联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种非平坦信道下可见光通信DCO‑OFDM系统的直流偏置和子载波功率联合优化方法。优化设计的目的是在一定的光功率限制或电功率限制下通过调节直流偏置和子载波功率最大化系统数据速率。所述方法包括：（1）初始化信道参数、限制条件、初始子载波功率分配等相关参数；（2）固定子载波功率分配，优化直流偏置大小和有效功率；（3）固定直流偏置大小和有效功率，优化子载波功率；（4）反复执行步骤（2）和（3）直至收敛，输出最终直流偏置大小和子载波功率。本发明专利技术可以在光功率受限，电功率受限等多种情况下，精确得到最佳的直流偏置大小和子载波功率分配方案，并且优化方法收敛速度快，易于实现，结果精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可见光通信领域，具体而言涉及一种一般的非平坦可见光信道 下 DCO-OFDM(Direct-Current-Biased Optical Orthogonal Frequency Division Mu 11 ip I ex ing)通信系统直流偏置和子载波功率的联合优化方法。
技术介绍
可见光通信（VLC)是一种新兴的接入技术，兼顾了照明和通信，能满足高速数据 业务，拥有包括成本低廉，绿色安全，保密性好，易于实现，电磁兼容性好在内的众多优势。 和传统射频无线通信不同的是，可见光通信使用强度调制直接检测（頂/DD)，即发射端用光 强表示信号幅度，接收端检测光强来收取信号。发射端通过LED将电信号转变为光信号，通 过信道传播后，在接收端通过光电二极管将光信号转换为电信号，用于解调电路处理。由于 发送信号载体为光强，因而要求发送信号必须是非负实数。 为了达到更高的速率，目前可见光系统使用越来越宽的频带。在实际系统中由 于光器件的特性，信道一般不平坦，具有明显的低通特性。在单载波通信系统中信道均衡 需要巨大的计算量，实现成本高。因而大量宽带可见光通信系统采用正交频分复用技术 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称 0FDM)作为有效解决方案。将多 载波技术和可见光通信技术相结合，使其兼备了可见光通信和多载波技术的优势，是一种 具有较高研究意义和实用价值的技术。但是由于发送信号必须为非负实数，传统射频中 的多载波技术需要改进才能应用到可见光通信领域。直流偏置正交频分复用多载波技术 (Direct-Current-Biased Optical 0FDM，简称 DC0-0FDM)作为诸多改良方案中的一种，相 比于其他方案具有频谱效率高的优势。DC0-0FDM在发送信号上叠加了直流分量，将叠加后 仍小于零的部分削去，从而使得双极性信号变成了单极性信号，以满足可见光通信中信号 非负性的条件。 在DC0-0FDM系统中，直流偏置可以调节，但并不传输信号。过大的直流偏置会浪 费能量；而过小会导致信号严重畸变。因而存在一个最合适的直流偏置。考虑到可见光通 信系统常常工作在非平坦信道下，专利技术提出了一种适用于一般非平坦可见光信道的直流偏 置B d。和子载波功率{pk}联合优化方法。优化后的系统性能大大提升。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种适用于一般非平坦信道下的 可见光通信中DC0-0FDM系统直流偏置和子载波功率联合优化方法，能够给出最大化系统 速率的直流偏置和子载波功率。 技术方案：为达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现： -种非平坦信道下DC0-0FDM直流偏置和功率联合优化方法，其中，DC0-0FDM系统 共有2K个子载波，该方法包括以下步骤： (1)设置优化方法初始参数值，包括信道参数、最大光功率或电功率、初始子载波 功率分配= KA = -I).、最大允许误差和初始迭代次数η = I ; (2)固定子载波功率分配丨沁，，以系统数据速率最大为目标优化直流偏置大小 笔？和有效功率; ⑶固定直流偏置大小巧:1和有效功率浐1，优化子载波功率W+'1}; (4)反复执行步骤（2)和（3)直至两次迭代计算得到的系统数据速率差值在最大 允许误差范围之内，最后输出直流偏置大小和子载波功率{ρΠ =丨AT}产、 进一步地，所述步骤（2)中，具体包括： (2. 1)为各子载波建立系统功率限制条件相关方程，记为fk(x) = 0,并分别求解 方程得到根 xk，（k = 1，. . .，K-1); (2. 2)根据公式（j = 1，· · · K-2)，计算得到中间变量Bu (j)和(j)，其中SNDRk (X)是 第k个信道的功率噪声畸变比，κ是与系统所要求误比特率、调制方式和编码有关的参数； (2. 3)找到所有满足Bu(J) > 0和BJj) < 0的元素 j构成集合Θ = 〇1，」2，....，^}，对于每个元素_]_￡0，分别在区间中使用线性搜索法找到使得 系统数据速率 (2.4)令集合0中对应速率最大的乃等于4匕即<1=&>^1#彳/?沙 /，//广)〖，并根 据求得的4m)计算本轮迭代的最优有效功率p(w)和最优直流偏置Bini。进一步地，所述步骤 (2. 4)中计算最优有效功率歹n)的公式为：在光功率限制下，_在电功率限 制下， 计算最优直流偏置的公式为： 其中，Pciimax为最大光功率，P e,max为最大电功率，p。(X) = g(x)-xQ(x)，pe(x) =-xg(X) + (1+x2) Q(X)，Q(X)和g(X)分别为Q函数和正态分布的概率密度函数。 进一步地，所述步骤（2. 1)中求解方程fk (X) = 0的根乂1<具体包括： (2. I. 1)设置计算精度ε，初始化迭代次数η = 0,方程根的迭代初始值xf =:0; (2. L 2)根据公式更新方程根； (2. L 3)如果|χΓ+1> -4"?<，，则％ 否则，令 η = η+1，进入步骤（2. L 2)。 进一步地，所述步骤（3)中，具体包括： (3· 1)根据公式丨计算得到 中间变量qk，并令qK= + 00 ; (3. 2)找到包含1的区间，输出正数Q，Q彡1 ; (3. 3)计算注水平I (3. 4)计算归一化子载波功率.，其中（·）+ = max {0, · } 〇 进一步地，所述步骤（2. 1)中fk(x)的表达式为：在光功率限制下，为系统最大光功率，H 第k个子信道系数，为噪声功率；在电功率限制下，.〇) = g⑴+ .ν+ ，其中Pf3llnax为系统最大电功率，Q(x)和g(x)分别为Q函数和正态分布的概 率密度函数。 有益效果：相比与现有技术，本专利技术方法的具有如下优点： 1)本优化方法用于联合优化直流偏置大小Bd。和每个子载波功率大小{p J，并且 考虑多种实际中可能出现的情况，包括光功率限制和电功率限制的情况。因而本专利技术具有 非常强的实用价值。 2)本专利技术的优化方法通过对DCO-OFDM系统及其中的非线性过程建模，抽象出该 问题的数学形式。该问题是一个复杂的高度非线性的非凸优化问题，可能存在多个局部极 大值。本专利技术基于对该问题的等价变换给出了具体算法，能够得到精确的最优解。 3)而本优化方法不需要额外改变系统硬件等外部条件，仅通过简单的计算，就能 大大提升系统性能。采用本优化方法得到的直流偏置大小B d。和子载波功率大小{pk}能够 最大化系统的数据速率。 4)当系统的最大光功率受限时，优化后的系统光强能够保持恒定，可以兼顾照明。 5)本专利技术优化方法收敛速度快，易于实现，结果精度高。【附图说明】 图1为DCO-OFDM系统的发射器框图。 图2为DCO-OFDM系统的接收器框图。 图3为本专利技术方法的简易流程图。 图4为在误比特率为10 5时光功率受限的优化系统与未优化系统的数据速率对比 示意图。可以看到优化后系统的数据速率高于未优化的系统。 图5为在误比特率为10 5时电功率受限的优化系统与未优化系统的数据速率对比 示意图。可以看到优化后系统的数据速率高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非平坦信道下DCO‑OFDM直流偏置和功率联合优化方法，其中，DCO‑OFDM系统共有2K个子载波，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)设置优化方法初始参数值，包括信道参数、最大光功率或电功率、初始子载波功率分配最大允许误差和初始迭代次数n＝1；(2)固定子载波功率分配以系统数据速率最大为目标优化直流偏置大小和有效功率(3)固定直流偏置大小和有效功率优化子载波功率(4)反复执行步骤(2)和(3)直至两次迭代计算得到的系统数据速率差值在最大允许误差范围之内，最后输出直流偏置大小和子载波功率{pk(n)}={μk(n)}p~(n).]]>

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王家恒，凌昕彤，梁霄，赵春明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32