LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法技术方案

本发明专利技术提供了LiFi‑WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法，包括：步骤1，对LiFi‑WiFi聚合系统进行设定；步骤2，求解聚合LiFi‑WiFi系统可达速率；步骤3，求解LiFi‑WiFi聚合系统的最优离散星座输入；步骤4，求解基于下界和上界的最优离散星座输入分布。采用本发明专利技术方法优化的星座分布和功率可显著提高可达速率。

【技术实现步骤摘要】
LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法
本专利技术属于可见光通信领域，尤其涉及一种LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法。
技术介绍
物联网设备的数量不断增加，不断给无线网络带来巨大的带宽负担。考虑到在室内环境中产生的无线数据80％以上，可见光通信(VLC)或光保真度(LiFi)在400-790THz中具有巨大的免许可证带宽，支持高速数据传输和室内照明同时进行。LiFi利用现成的发光二极管(LED)和光电二极管(PD)作为收发器，可以集成到物联网设备中。虽然LiFi是下一代无线解决方案的竞争对手，但易受阻塞和小信号覆盖仍然给各种室内应用带来许多挑战。
技术实现思路
专利技术目的：为解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法，包括如下步骤：步骤1，对LiFi-WiFi聚合系统进行设定；步骤2，求解聚合LiFi-WiFi系统可达速率；步骤3，求解LiFi-WiFi聚合系统的最优离散星座输入；步骤4，求解基于下界和上界的最优离散星座输入分布。步骤1包括：考虑一个LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输，其中发射机配备了一个发光二极管LED和一个WiFi天线，接收机配备一个单光子探测器PD和一个射频天线，发射机同时通过LiFi链路和WiFi链路传输信息，其中LiFi链路和WiFi链路的带宽分别为B1和B2；设表示发送的信号向量，其中x1∈R和x2∈C分别表示LiFi链路的发送信号和WiFi链路的发送信号，R为实数集合，C为复数集合。步骤1还包括：在LiFi-WiFi聚合系统中，传输的信号分布在离散星座上，设定LiFi链路信号通过M脉冲幅度调制发送，WiFi链路信号通过N-正交幅度调制发送，信号x1取自具有基数M的非负实离散星座集Ω1，表示为：其中Pr(·)表示求概率；x1,k表示星座点，取值为非负实数；k表示星座点的序号，p1,k表示x1＝x1,k的概率；参数A，Pe,1分别表示x1的峰值光功率、平均光功率和电功率门限；WiFi信号x2取自一个具有基数N的复数离散星座集Ω2，表示为：其中x2,l表示星座点，取值为复数，l表示星座点的序号，p2,l表示选择x2,l的概率，Pe,2表示x2的电功率门限。步骤1还包括：设q1∈R和q2∈C分别表示x1的功率放大因子和x2的功率放大因子，q1和q2需满足平均功率约束，即：其中η1和η2分别表示LiFi链路的功率放大器的效率和WiFi链路的功率放大器的效率，PT表示平均电功率门限，中间参数ε1和ε2分别为：步骤1还包括：对LiFi信号的功率控制需要满足平均光功率和峰值光功率要求，如下所示：q1A≤Pins，其中，表示求均值，表示x1的均值；Po和Pins分别表示平均光功率和瞬时光功率门限。步骤1还包括：设表示信道向量，其中g1和g2分别是LiFi链路的信道增益和WiFi链路的信道增益；设y1和y2分别表示来自LiFi链路的接收信号和来自WiFi链路的接收信号，写成如下矢量形式：其中是来LiFi链路的实高斯噪声，是来自WiFi链路的复高斯噪声，表示均值为0、方差为的高斯分布，表示均值为0、方差为的复高斯分布；步骤2包括：步骤2-1，将聚合LiFi-WiFi系统可达速率RLiFi-WiFi定义为：其中和分别表示LiFi链路的可达速率和WiFi链路的可达速率，I(x；y)表示信道平均互信息；步骤2-2，基于离散星座点输入的LiFi-WiFi聚合系统，给定LiFi链路和WiFi链路带宽B1和B2，则LiFi-WiFi聚合系统可达速率RLiFi和RWiFi分别为：其中，表示求关于z1函数的均值，表示求关于z2函数的均值，表示信道增益g2的共轭；步骤3包括：步骤3-1：LiFi-WiFi聚合系统的最优离散星座输入问题表述为：q1≤min(Po/μ,Pins/A),(7c)其中，表示LiFi链路星座点的序号，表示WiFi链路星座点的序号；步骤3-2：可达速率RLiFi-WiFi写为：其中，和分别表示LiFi链路的发射功率和WiFi链路的发射功率；步骤3-3：定义约束条件(7e)和(7d)写为：其中，表示LiFi链路的星座点向量，x1,M表示LiFi链路的第M个星座点，Υ1表示关于向量p集合，p1表示LiFi链路的星座点概率向量，p1,M表示x1＝x1,M的概率，表示元素全为1的1×M的行向量，p代表向量；定义约束条件(7f)和(7g)写成：其中，表示WiFi链路的星座点向量，x2,N表示WiFi链路的第N个星座点，Υ2表示关于向量p集合，p2表示WiFi链路的星座点概率向量，p2,N表示x2＝x2,N的概率，表示元素全为1的1×N的行向量；引入辅助变量w、r、则可达速率RLiFi-WiFi重写为：步骤3-4：问题(7)等效如下问题(14)：p1∈Υ1,p2∈Υ2,(14d)其中τ表示Po/μ,Pins/A中的最小值；问题(14)中，和的功率分配变量只包含在约束(14b)和(14c)中，而分布变量p1和p2只包含在约束(14d)中，问题(14)通过迭代求解以下两个子问题来处理，直到总体问题收敛：功率分配子问题1：给定的p1和p2优化和概率分布子问题2：给定的和优化p1和p2；对于功率分配子问题1：当给出p1和p2时，问题(14)是一个最优的功率分配问题，如下问题(15)所示：其中，h(·)表示关于的函数；问题(15)对和是一个凸问题，采用注水法解决该问题，并得到最优功率分配和对于概率分布子问题2：当给出和时，问题(14)表示为如下问题(16)：s.t.p1∈Υ1,(16b)p2∈Υ2,(16c)问题(16)是一个有两个变量p1和p2的凸优化问题，采用不精确梯度下降法，并得到LiFi链路的概率分布p1和WiFi链路的概率分布p2；综上所述，求解优化问题(7)，可以通过迭代求解功率分配子问题(15)和概率分布子问题(16)，可以得到最大可达速率RLiFi-WiFi。步骤4包括：步骤4-1：在离散星座点输入条件下，LiFi链路传输速率RLiFi的上界和下界的闭式表达式分别为步骤4-2：在离散星座点输入条件下，给出WiFi链路可达速率的上界和下界，如下所示：步骤4-3：让本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，对LiFi-WiFi聚合系统进行设定；/n步骤2，求解聚合LiFi-WiFi系统可达速率；/n步骤3，求解LiFi-WiFi聚合系统的最优离散星座输入；/n步骤4，求解基于下界和上界的最优离散星座输入分布。/n

【技术特征摘要】
1.LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对LiFi-WiFi聚合系统进行设定；
步骤2，求解聚合LiFi-WiFi系统可达速率；
步骤3，求解LiFi-WiFi聚合系统的最优离散星座输入；
步骤4，求解基于下界和上界的最优离散星座输入分布。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：考虑一个LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输，其中发射机配备了一个发光二极管LED和一个WiFi天线，接收机配备一个单光子探测器PD和一个射频天线，发射机同时通过LiFi链路和WiFi链路传输信息，其中LiFi链路和WiFi链路的带宽分别为B1和B2；
设表示发送的信号向量，其中x1∈R和x2∈C分别表示LiFi链路的发送信号和WiFi链路的发送信号，R为实数集合，C为复数集合。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：在LiFi-WiFi聚合系统中，传输的信号分布在离散星座上，设定LiFi链路信号通过M脉冲幅度调制发送，WiFi链路信号通过N-正交幅度调制发送，信号x1取自具有基数M的非负实离散星座集Ω1，表示为：



其中，Pr(·)表示求概率；x1,k表示星座点，取值为非负实数；k表示星座点的序号，p1,k表示x1＝x1,k的概率；参数A，Pe,1分别表示x1的峰值光功率、平均光功率和电功率门限；
WiFi信号x2取自一个具有基数N的复数离散星座集Ω2，表示为：



其中，x2,l表示星座点，取值为复数，l表示星座点的序号，p2,l表示选择x2,l的概率，Pe,2表示x2的电功率门限。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：设q1∈R和q2∈C分别表示x1的功率放大因子和x2的功率放大因子，q1和q2需满足平均功率约束，即：



其中η1和η2分别表示LiFi链路的功率放大器的效率和WiFi链路的功率放大器的效率，PT表示平均电功率门限，中间参数ε1和ε2分别为：








5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：对LiFi信号的功率控制需要满足平均光功率和峰值光功率要求，如下所示：



q1A≤Pins，
其中表示求均值，表示x1的均值；Po和Pins分别表示平均光功率和瞬时光功率门限。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：设表示信道向量，其中g1和g2分别是LiFi链路的信道增益和WiFi链路的信道增益；设y1和y2分别表示来自LiFi链路的接收信号和来自WiFi链路的接收信号，写成如下矢量形式：



其中是来LiFi链路的实高斯噪声，是来自WiFi链路的复高斯噪声，表示均值为0、方差为的高斯分布，表示均值为0、方差为的复高斯分布。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2-1，将聚合LiFi-WiFi系统可达速率RLiFi-WiFi定义为：



其中和分别表示LiFi链路的可达速率和WiFi链路的可达速率，I(x；y)表示信道平均互信息；
步骤2-2，基于离散星座点输入的LiFi-WiFi聚合系统，给定LiFi链路和WiFi链路带宽B1和B2，则LiFi-WiFi聚合系统可达速率RLiFi和RWiFi分别为：






其中，表示求关于z1函数的均值，表示求关于z2函数的均值，表示信道增益g2的共轭。


8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤3-1：LiFi-WiFi聚合系统的最优离散星座输入问题表述为：






q1≤min(Po/μ,Pins/A),(7c)












其中，表示LiFi链路星座点的序号，表示WiFi链路星座点的序号；
步骤3-2：可达速率RLiFi-WiFi写为：



其中，和分别表示LiFi链路和WiFi链路的发射功率；
步骤3-3：定义约束条件(7e)和(7d)写为：



其中，表示LiFi链路的星座点向量，x1,M表示LiFi链路的第M个星座点，Υ1表示关于向量p集合，p1表示LiFi链路的星座点概率向量...

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