可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法技术方案

本发明专利技术公开了可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，涉及可见光通信技术，用于解决目前许多研究者将约束松弛为峰值功率约束和平均光功率约束来寻找最优发射信号的近似，但是这种方法并不能实用。对于可见光通信，点对点信道的容量以及多用户信道的可达速率域依然是一个开放问题，研究者目前致力于寻找足够优良的估计方法和上界与下界。它提供一种针对SISO点对点以及SISO多用户的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。这种发射信号产生方法具有闭式表达式，并且满足可见光通信对于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均电功率的约束，能够在理论上证明这种方法优于其他方法，形式简单易于应用。

【技术实现步骤摘要】
可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法
本专利技术涉及可见光通信技术，具体来说，是可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。
技术介绍
可见光通信是一种新型无线通信技术，相比于现有的射频无线通信技术，可见光通信技术具有传输速率高，带宽资源丰富且无须授权，能耗低，没有无线电电磁干扰，保密性好等诸多有点，因此各国学术界与工业界都在这一领域投入大量人力物力，并取得了一定的阶段性成果。未来可见光通信技术可以在人流密集区域，如机场、车站和商城等，以及一些电磁辐射要求严苛的场所，如矿井、医院和飞机等，提供高速可靠的无线网络覆盖，因而可见光通信技术也被认为是5G移动通信系统的关键构成技术之一。目前，可见光通信主流的系统框架是强度调制/直接检测(IM/DD)，基本原理如图1所示，首先将携带有原始信息的电信号进行基带调制，然后使用发光二极管(LED)作为发射装置，利用基带调制后的电信号控制发光二极管产生强度高频变化的光信号，经过无线光信道之后，使用光电检测器(PD)作为接收装置进行直接检测，将光信号还原为电信号，从而恢复出原始信息。可见光通信通常建立在LED照明系统的基础上，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。发射信号产生方法和信道容量分析是通信信息处理与编码、功率分配优化以及资源调度优化的重要基础之一。射频无线通信最优发射信号为满足平均电功率约束的高斯分布，这一发射信号产生方法并不满足可见光通信的约束条件。根据既有研究表明，满足可见光通信三个约束的最优发射信号是一个有限的离散分布，但是分布中随机变量取值和概率大小都只能通过穷举搜索的方法得到，无法求解处闭式表达式，导致这种方法难以应用于功率分配和资源调度等重要领域。目前许多研究者将约束松弛为峰值功率约束和平均光功率约束来寻找最优发射信号的近似，但是这种方法并不能实用。对于可见光通信，点对点信道的容量以及多用户信道的可达速率域依然是一个开放问题，研究者目前致力于寻找足够优良的估计方法和上界与下界。
技术实现思路
本专利技术目的是旨在提供了一种针对SISO点对点以及SISO多用户的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。提供一种闭式表达式，并且满足可见光通信对于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均电功率的约束的计算方法。在本专利技术的提出的发射信号产生方法的基础上，本专利技术利用信息论相关理论进一步提出了一种对于可见光通SISO点对点信道上界与下界以及SISO多用户广播信道可达速率域内界的估计方法，形式简单，准确度高于常用方法。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种可见光通SISO点对点信道发射信号产生方法以及信道容量上界与下界估计方法，一个典型的可见光SISO点对点通信系统模型如图2所示，首先根据凸优化和信息论相关理论和方法求解满足可见光三种约束，以最大化为信源熵为目标函数的优化模型；然后根据信息论相关理论，得到信道容量的上界与下界，具体步骤如下：步骤1：设置未加入直流偏置的发射信号为X，信源电信号幅度范围、均值和平均电功率为：-A≤X≤A设置加入直流偏置的发射信号为XLED，其平均光功率为Po，平均电功率为Pe，直流偏置为A，则XLED＝X+A步骤2：设置未加入直流偏置的发射信号服从连续概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：步骤3：上述凸优化问题经过求解，可以得到如下结果：解得最优解为其中参数α，β和γ为如下方程组的解：该方程组可以根据步骤1给定的参数值，通过数值计算的方法得到满足条件的解，得出未加入直流偏置的发射信号概率密度函数的闭式表达式，并将该分布命名为ABG分布；步骤4：根据步骤3计算得到ABG分布，产生未加直流偏置的X；步骤5：加入直流偏置，得到发射信号XLED＝X+A；步骤6：根据信息论相关理论，可以得到可见光SISO点对点通信系统信道容量CSISO的上界与下界；信道容量上界为其中σ2为服从零均值高斯分布的信道噪声功率；信道容量下界为其中h(X)为未加入直流偏置的发射信号的所采用的概率分布对应信源熵，此处发射信号必须为连续函数；易证为h(X)的增函数，因此根据步骤2所建立凸优化模型，在步骤3所求出的未加入直流偏置的发射信号模型，即ABG分布，可以得到最紧的下界；可求得ABG分布的信源熵为将根据ABG分布得出的可见光SISO点对点通信系统信道容量的下界命名为ABG下界，即在上述技术方案的基础上，还可以得到一种SISO多用户广播信道发射信号产生方法与可达速率域内界计算方法。一种典型的可见光SISO多用户广播通信系统模型如图3所示，首先给定系统总体发射信号参数；然后对用户进行功率分配，按照分配结果计算每一个用户发射信号的参数；然后按照每一个用户的参数计算相应的ABG分布；最后计算可达速率域的内界，具体包括如下步骤：步骤1：设置用户数量为N，第i个用户的未加入直流偏置的发射信号为Xi，其中i＝1，2，...，N，则未加入直流偏置的总体发射信号总直流偏置为A，则未加入直流偏置的总体发射信号峰值、均值和均方值为-A≤X≤A设置加入直流偏置的发射信号的平均光功率与平均电功率为步骤2：设置第i个用户的平均光功率分配比例为μi，平均电功率分配比例为vi，并且μi，vi∈[0，1]，因此，第i个用户未加入直流偏置的原始信号的峰值、均值和均方值为：-Ai≤Xi≤AiAi＝μiA步骤3：根据步骤1和步骤2得到的参数，求解第i个用户的ABG分布，对应的概率密度函数为：其中参数αi，βi和γi为如下方程组的解：步骤4：根据步骤3计算得到每一个用户对应ABG分布，产生各自对应的未加直流偏置的Xi，相加计算未加入直流偏置的总体发射信号步骤5：加入直流偏置，得到发射信号XLED＝X+A；步骤6：设置SISO多用户广播通信系统信道噪声服从方差为σ2的零均值高斯分布，可达速率域为其中为第i个用户为最大可达速率，则的一个下界为因此，一个可达速率域为将各自用户对应得ABG分布信源熵代入，得这一可达速率域为可见光SISO广播通信系统的一个内界，将其命名为ABG可达速率域。进一步限定，其中，ABG分布的计算方法，包括如下步骤：S1，已知可见光通信系统对于经过基带调制后电信号参数要求：-A≤X≤A则满足要求且具有最大信源熵的信号的概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：S2，经过求解，可以解得最优解为其中参数α，β和γ为如下方程组的解：进一步限定，其中，可见光SISO点对点通信系统信道容量的上界与下界的计算方法，其步骤包括：已知系统噪声功率为σ2，发射信号平均电功率为ε以及信源熵h(X)，则信道容量的上界与下界为进一步限定，其中，可见光SISO广播通信系统可达速率以及可达速率域内界计算方法，其步骤包括：已知系统噪声功率为σ2，发射信号总体平均电功率为ε，第i个用户的平均电功率分配比例vi，信源熵h(Xi)，则：第i个用户的最大可达速率为系统的可达速率域内界为本专利技术相比现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，可见光SISO点对点通信系统发射信号产生方法及其信道容量估计方法，包括如下步骤，步骤1：设置未加入直流偏置的发射信号为X，信源电信号幅度范围、均值和平均电功率为：‑A≤X≤A

【技术特征摘要】
1.可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，可见光SISO点对点通信系统发射信号产生方法及其信道容量估计方法，包括如下步骤，步骤1：设置未加入直流偏置的发射信号为X，信源电信号幅度范围、均值和平均电功率为：-A≤X≤A设置加入直流偏置的发射信号为XLED，其平均光功率为Po，平均电功率为Pe，直流偏置为A，则XLED＝X+A步骤2：设置未加入直流偏置的发射信号服从连续概率分布pX，其概率密度函数fX(x)为如下凸优化问题的最优解：步骤3：上述凸优化问题经过求解，可以得到如下结果：解得最优解为其中参数α，β和γ为如下方程组的解：该方程组可以根据步骤1给定的参数值，通过数值计算的方法得到满足条件的解，得出未加入直流偏置的发射信号概率密度函数的闭式表达式，并将该分布命名为ABG分布；步骤4：根据步骤3计算得到ABG分布，产生未加直流偏置的X；步骤5：加入直流偏置，得到发射信号XLED＝X+A；步骤6：根据信息论相关理论，可以得到可见光SISO点对点通信系统信道容量CSISO的上界与下界；信道容量上界为其中σ2为服从零均值高斯分布的信道噪声功率；信道容量下界为其中h(X)为未加入直流偏置的发射信号的所采用的概率分布对应信源熵，此处发射信号必须为连续函数；易证为h(X)的增函数，因此根据步骤2所建立凸优化模型，在步骤3所求出的未加入直流偏置的发射信号模型，即ABG分布，可以得到最紧的下界；可求得ABG分布的信源熵为将根据ABG分布得出的可见光SISO点对点通信系统信道容量的下界命名为ABG下界，即2.根据权利要求1所述的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，其特征在于：其中，可见光SISO广播通信系统可达速率以及可达速率域内界计算方法，包括如下步骤：步骤1：设置用户数量为N，第i个用户的未加入直流偏置的发射信号为Xi，其中i＝1，2，...，N，则未加入直流偏置的总体发射信号总直流偏置为A，则未加入直流偏置的总体发射信号峰值、均值和均方值为-A≤X≤A设置加入直流偏置的发射信号的平均光...

【专利技术属性】
技术研发人员：马帅，杨瑞鑫，代佳辉，
申请(专利权)人：徐州坤泰电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32