一种可见光通信网络中上行容量区域和最佳波速优化方法技术

本发明专利技术提供了一种可见光通信网络中上行容量区域和最佳波速优化方法，用于可见光通信物联网网络的非正交多址接入，并为5G和5G应用提供了系统设计。针对具有离散输入和连续输入的多个IoT设备的实际上行链路NOMA的容量区域，对于离散输入提出了熵近似方法来逼近通道容量并获得离散的内部和外部边界；对于连续输入，以封闭形式导出了内部和外部边界。提供了VLC IoT网络的多址接入信道的最佳接收器波束成形设计，以在接收器功率限制下最大化最小上行链路速率。通过利用可达到的速率表达式的结构，最优波束形成器是最大广义特征值对应的广义特征向量，结果表明所提出的容量区域的紧密性以及VLC IoT网络波束形成器的优越性。

【技术实现步骤摘要】
一种可见光通信网络中上行容量区域和最佳波速优化方法
本专利技术涉及一种可见光通信网络中上行容量区域和最佳波速优化方法。
技术介绍
截止目前，上行NOMA(non-orthogonalmultiple-access，非正交多址接入)已经引起了广泛关注和研究。基于泊松聚类过程理论，Modelingandanalysisofuplinknon-orthogonalmultipleaccessinlarge-scalecellularnetworksusingpoissonclusterprocesses一文中的作者提供了一个框架来分析速率收敛概率。在OnuserpairinginuplinkNOMA中，针对各种上行NOMA的场景提出了最优用户配对。在Enhanceduplinkresourceallocationinnon-orthogonalmultipleaccesssystems中，作者研究了联合子信道分配和功率分配问题。在Interferencebalancepowercontrolforuplinknon-orthogonalmultipl本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可见光通信网络中上行容量区域和最佳波速优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，建立一个可见光通信VLC上行非正交多址接入NOMA系统，系统包含N个发射机和一个接收机；/n步骤2，限制所述系统的峰值光功率和平均光功率；/n步骤3，计算用户和基站之间的信道增益以及基站的接收信号；/n步骤4，求解所述系统的具有离散输入的内界和外界；/n步骤5，求解所述系统的具有离散输入的容量区域；/n步骤6，设计所述系统的最优波速成形。/n

【技术特征摘要】
1.一种可见光通信网络中上行容量区域和最佳波速优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立一个可见光通信VLC上行非正交多址接入NOMA系统，系统包含N个发射机和一个接收机；
步骤2，限制所述系统的峰值光功率和平均光功率；
步骤3，计算用户和基站之间的信道增益以及基站的接收信号；
步骤4，求解所述系统的具有离散输入的内界和外界；
步骤5，求解所述系统的具有离散输入的容量区域；
步骤6，设计所述系统的最优波速成形。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，每个发射机安装一个发光二极管LED，接收机安装一个单光子探测器PD；设si是第i个用户所需要发送的信息。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：信号幅值满足|si|≤Ai，均值满足方差满足经过功率放大和加偏置之后，新的第i个用户实际发送的信息xi为：



式中，pi是第i个用户的发射功率，bi是第i个用户的直流偏置，直流偏置需要满足Ai是发射信号的幅度约束，εi是发射信号的方差。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括：第i个用户和基站之间的信道增益gi为：



式中，τ为LED灯的朗勃阶数，取决于半角φ1/2，di代表第i个用户和接收机之间的距离，φk是反射角，ψi是入射角，ψFOV是接收机接收视场的半角，AR为单光子探测器PD的有效面积；
基站的接收信号y为：



式中，z～N(0,σ2)代表散粒噪声和热噪声的和分布；
设定项满足降序，即：基站采用SIC技术来解码接收信号以降序，即从s1到sN，当基站解码si，它首先解码给用户sk的信号，顺序为k≤i，然后从y中减去。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4包括：
步骤4-1，设定信号si是一个离散随机变量，有Mi个实值如下所示，信号si满足：
Pr{si＝ai,m}＝pi,m,m＝1,...,Mi,(4a)









式中，ai,m代表第m个点，pi,m代表ai,m对应的概率；Pr{si＝ai,m}是指当信号si取到ai,m时的概率为pi,m；其中，Pr是概率的数学表示形式；
步骤4-2，求解离散输入的内界：
Ri代表第i个用户的容量，1≤i≤N，Ri的容量写为：



式中，是变量var(Q)的随机变量；I是互信息，h指信息熵，z是指所有信道的总噪声，是接收到的第k个用户的信息，pk是第k个用户的发射功率，εj是发送信息的方差；指单个用户的信道的噪声；
基于(5d)，离散输入的内界通过最大化熵得到：



其中，是接收信号的概率密度函数，dy是微分；
噪声服从均值为0方差为的高斯分布，K指用户数，fY(y)的概率密度函数pdf为：



则熵最大化问题写为：



s.t.(4a)(4b)(4c)(4d)
定义如下向量：









其中，ai、pi、qi均为自定义的向量；
将问题(8)重写为如下形式：



s.t.






pi≥0(10e)
设定Mi个点在[-Ai,Ai]范围内等间隔划分：



通过熵近似方法求解出最优的接收信号的信息熵把代入到(5d)，得出离散输入的的内界：



其中，Ri是指系统中的第i个用户的速率；
用代表所述系统的可达速率域，由下式给出：



其中，ri是通式，是第i个用户的速率；是单个用户的速率集合，是用来形容系统的容量区域的；是实向量空间；
步骤4-3，求解离散输入的外界：



式中，P(si)是指发送的第i个信号si的功率，f(si)是第i个信号si的概率密度函数；不等式(14...

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