一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，属于光无线通信技术领域。本发明专利技术所述方法在保证室内所有用户最小请求速率得到满足和用户信息可以正确解调的前提下，通过优化NOMA用户分组和用户的发射功率，实现室内VLC

【技术实现步骤摘要】
一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法


[0001]本专利技术属于光无线通信
，涉及一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信用户数量的急剧增长，虚拟现实、高清视频等各种新兴业务逐渐出现，然而，有限的无线频谱资源不能满足通信业务的快速增长，为满足未来6G更加丰富多彩的业务场景以及速率需求，中国信通院IMT
‑
2030推进组发布《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书，并将可见光通信(Visible Light Communication,VLC)列为6G潜在的关键技术之一。VLC是一种很有前途的技术，有取代传统的无线局域网进行室内通信的潜力，因为人们将超过80％的时间花在室内。然而，目前的发光二极管(Light Emitting Diode,LED)调制带宽受限，只有几十兆赫兹，极大的限制了系统的容量以及接入的用户终端数目。因此，非正交多址接入(Non
‑
Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术被引入VLC系统中，能极大地提升系统的容量和接入的用户终端数目。在发射端，通过功率域复用技术实现多用户传输，在接收端，连续干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术，实现用户信息解调。因此，功率分配策略对NOMA系统的性能提升至关重要。现有研究表明：在VLC系统中引入NOMA技术可以改善VLC
‑
NOMA系统和速率，但是若没有对NOMA用户组中的用户数量进行限制，当所有用户共享一个子载波时，会导致较高的解调复杂度，解码延迟和误码传播现象，将所有用户放在一个NOMA用户组中是不现实的。因此，在NOMA中设计联合用户分组和功率分配更具有实际意义。此外，目前的研究大多数都集中在系统吞吐量的提升上，忽略了系统能耗的增加。随着无线数据流量需求的快速增加，大量用户接入网络导致无线网络的能耗迅速增长。因此，如何联合用户分组和功率分配以提升系统的能效至关重要。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的核心在于提供一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，在实现用户的动态分组，增加用户分组的准确性的同时，提升系统的能效。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
[0006]S1：建立VLC
‑
NOMA系统的能效优化模型；
[0007]S2：计算所有用户的信道增益平均值，统计用户信道增益大于信道增益平均值的用户数目，记为K，执行动态用户分组策略，得到K个NOMA用户组；
[0008]S3：根据所得的K个NOMA用户组，依次对K个NOMA用户组执行能效最优的功率分配策略，获得K个NOMA用户组中各个用户的最优发射功率，并分别计算K个NOMA用户组的能效，然后将各个NOMA用户组的能效累加，获得系统的能效。
[0009]进一步，所述S1具体方法为：
[0010]S101：对于接入VLC
‑
NOMA系统的N个用户，根据朗伯辐射模型，计算LED与用户之间的用户信道增益，并按照用户信道增益升序排列并编号用户，即h1＜h2＜L＜h
N
，用户i的信道增益h
i
计算公式为：
[0011][0012]其中，A表示光接收机的接收面积，朗伯辐射系数m＝
‑
ln2/log2[cos(θ
1/2
)]，θ
1/2
是LED的半功率角。d
i
是LED和第i个用户之间的直线距离，θ
i
和φ
i
分别是LED的发射角和第i个用户的接收角，ψ
FoV
是光接收机视场角，T
S
(φ
i
)是光集中器增益，g(φ
i
)是光滤波器增益；
[0013]S102：用户i的可达速率计算公式为：
[0014][0015]其中，B是用户组的带宽，P
i
是用户i的发射功率，γ是光电转换效率，a
i,k
和a
j,k
是第i个用户和第j个用户与第k个用户组的关联因子，σ2是信道噪声功率；
[0016]S103：构建以系统能效最大化为目标的优化问题，表示为：
[0017][0018][0019][0020]a
i,k
∈{0,1}
[0021][0022]其中，a
i,k
是第i个用户和第k个用户组的关联因子，若a
i,k
＝1，则表示第i个用户属于第k个NOMA用户组，若a
i,k
＝0，则表示第i个用户不属于第k个NOMA用户组，R
i
是第i个用户的可达速率，P
i
是第i个用户的发射功率，P是系统的最大发射功率，P
C
是电路消耗的总功率，R
min
是第i个用户的最小请求速率，γ是接收端光电探测器的光电转换效率，P
tol
是接收端使用连续干扰消除技术解调时所需的最小功率差。
[0023]进一步，所述S2具体方法为：
[0024]S201：根据公式计算所有用户的信道增益平均值h
ave
，其中，h
i
是第i个用户的信道增益；
[0025]S202：统计用户信道增益大于h
ave
的用户数目，记为K，并将N个用户分为Q个用户集合，其中，表示对计算结果向上取整，每个用户集合中的用户都属于不同的
NOMA用户组；
[0026]S203：判断K是否为0，若是，此时可以认为所有的用户信道增益是一样的，则无法完成用户分组，使用正交多址接入技术，均分地分配带宽和功率，动态用户分组过程结束，执行步骤S204，若不是，则执行步骤S205；
[0027]S204：计算采用正交多址接入技术时的系统能效，计算公式为：
[0028][0029]其中，B
ave
是给每个用户平均分配的带宽资源，B
V
是VLC系统的带宽，P
ave
是给每个用户平均分配的功率资源，P是LED灯的发射功率，γ是光电转换效率，γ＝0.53A/W，σ2是信道噪声功率，σ2＝N0B
ave
，N0是VLC信道噪声功率谱密度，N0＝1
×
10
‑
21
；
[0030]S205：将N个用户依次放入Q个用户集合中，第1个用户集合中包括序号为1到K的用户，第2个用户集合中包括序号为K+1到2K的用户，依次类推，第Q个用户集合中包括序号为(Q
‑
1)
×
K+1到N的用户；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：对于接入VLC
‑
NOMA系统的N个用户，根据朗伯辐射模型，计算LED与用户之间的用户信道增益，并按照用户信道增益升序排列并编号用户，即h1＜h2＜L＜h
N
，用户i的信道增益h
i
计算公式为：其中，A表示光接收机的接收面积，朗伯辐射系数m＝
‑
ln2/log2[cos(θ
1/2
)]，θ
1/2
是LED的半功率角，d
i
是LED和第i个用户之间的直线距离，θ
i
和φ
i
分别是LED的发射角和第i个用户的接收角，ψ
FoV
是光接收机视场角，T
S
(φ
i
)是光集中器增益，g(φ
i
)是光滤波器增益；S2：计算所有用户的信道增益平均值，统计用户信道增益大于信道增益平均值的用户数目，记为K，执行动态用户分组策略，得到K个NOMA用户组；S3：根据所得的K个NOMA用户组，依次对K个NOMA用户组执行能效最优的功率分配策略，获得K个NOMA用户组中各个用户的最优发射功率，并分别计算K个NOMA用户组的能效，然后将各个NOMA用户组的能效累加，获得系统的能效。2.如权利要求1所述的一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，其特征在于：所述S2具体方法为：S201：根据公式计算所有用户的信道增益平均值h
ave
，其中，h
i
是第i个用户的信道增益；S202：统计用户信道增益大于h
ave
的用户数目，记为K，并将N个用户分为Q个用户集合，其中，其中，表示对计算结果向上取整；S203：判断K是否为0，若是，则无法完成用户分组，使用正交多址接入技术，均分地为所有用户分配带宽和功率资源，动态用户分组过程结束，执行步骤S204，若不是，则执行步骤S205；S204：计算采用正交多址接入技术时的系统能效，计算公式为：其中，B
ave
是给每个用户平均分配的带宽资源，B
V
是VLC系统的带宽，P
ave
是给每个用户平均分配的功率资源，P是LED灯的发射功率，γ是光电转换效率，γ＝0.53A/W，σ2是信道噪声功率，σ2＝N0B
ave
，N0是VLC信道噪声功率谱密度，N0＝1
×
10
‑
21
；S205：将N个用户依次放入Q个用户集合中，第1个用户集合中包括序号为1到K的用户，第2个用户集合中包括序号为K+1到2K的用户，依次类推，第Q个用户集合中包括序号为(Q
‑
1)
×
K+1到N的用户；S206：若是整数，则每个用户集合中的用户数目为K；若不是整数，则前Q
‑
1个用户集合中的用户数目为K，最后一个用户集合用户数目为N
‑
K
×
(Q
‑
1)；S207：依次从Q个用户集合中按序取出一个用户，分为一组，即用户1，K+1，2K+1，L，(Q
‑
1)
×
K+1为第1组，用户2，K+2，2K+2，L，(Q
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘焕淋，杨健，陈勇，袁夕淋，陈科，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：