可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置制造方法及图纸

本说明书实施例提供了一种可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，该方法包括：计算可见光通信VLC系统的平均功率；计算所述用户设备的数据传输速率；计算所述用户设备的收集电量；计算VLC系统的发射光功率；根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。本发明专利技术能够提高可见光通信网络的频谱效率。见光通信网络的频谱效率。见光通信网络的频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置


[0001]本文件涉及可见光网络优化设计
，尤其涉及一种可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置。

技术介绍

[0002]由于物联网(the Internet of Things，IoT)的出现，部署的无线用户设备的数量急剧增加，导致数据流量指数增加。为了应对爆发式增长的无线通信流量要求和高速度、超可靠、低延迟的海量连接，超第五代(the beyondfifth generation，B5G)无线网络越来越受到业界和学术界的关注。然而，这不可避免地对射频(radio frequency，RF)频谱产生巨大的压力，亟需频谱扩展满足上述要求。为解决射频频谱短缺问题并提供高数据速率无线通信服务，可见光通信(visible light Communication，VLC)已被认为是一种有前途的射频通信的补充。相比射频通信，可见光通信的主要优点在于基于二极管(light emitting diode，LED)的VLC包括宽光谱可用性(约400THz)，免频谱执照，对人类健康无负面影响。此外，由于现有广泛部署的LED照明设施，基于LED的VLC能够同时提供无线网络访问服务以及照明服务，这降低了网络成本。另一方面，由于无线物联网设备通常能量有限，由小容量电池供电，需要手动更换电池或充电，对于海量设备来说这是不切实际的，尤其是在有毒或无法接近的环境下。
[0003]为了延长无线物联网设备的使用寿命，避免手动更换电池的高成本，能量收集(energy harvesting，EH)技术被用于解决物联网设备供电，其中光波信息和能量同时传输技术(simultaneous lightwave information and powertransfer，SLIPT)被认为是作为室内低功耗物联网系统供电最有前途的解决方案之一。使用SLIPT，可以从接收到的可见光中提取信息信号和能量，同时还可以照明。支持SLIPT的VLC具有巨大的潜力应用于各种场景，如机舱、办公室和购物中心，同时提供低功耗物联网通信、充电服务和照明服务。
[0004]迄今为止，很少有人研究具有独立光电检测器(photo detector，PD) 接收信息和太阳能电池板(solar panel，SP)接收能量的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络可达到的总和速率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法及装置，旨在解决现有技术中的上述问题。
[0006]本专利技术提供一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第 k个用户设备，所述方法包括：
[0007]计算可见光通信VLC系统的平均功率；
[0008]计算所述用户设备的数据传输速率；
[0009]计算所述用户设备的收集电量；
[0010]计算VLC系统的发射光功率；
[0011]根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。
[0012]本专利技术提供一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第 k个用户设备，所述装置包括：
[0013]第一计算模块，用于计算可见光通信VLC系统的平均功率；
[0014]第二计算模块，用于计算所述用户设备的数据传输速率；
[0015]第三计算模块，用于计算所述用户设备的收集电量；
[0016]第四计算模块，用于计算VLC系统的发射光功率；
[0017]优化求解模块，用于根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。
[0018]本专利技术实施例还提供一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的步骤。
[0019]本专利技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现上述支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的步骤。
[0020]采用本专利技术实施例，在满足每个用户设备的最低能量收集要求约束、 LED的总发射功率约束和LED调光控制约束条件下，通过联合优化波束成形向量和LED直流(direct current，DC)偏置向量，使得所有用户设备的总和数据传输速率最大。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1是本专利技术实施例的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的流程图；
[0023]图2是本专利技术实施例的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络的示意图；
[0024]图3是本专利技术实施例的求解P0的示意图；
[0025]图4是本专利技术装置实施例一的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置的示意图；
[0026]图5是本专利技术装置实施例二的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化装置的示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本
的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，
下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
[0028]方法实施例
[0029]根据本专利技术实施例，提供了一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，图1是本专利技术实施例的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法的流程图，如图1所示，根据本专利技术实施例的支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法具体包括：
[0030]步骤101，计算可见光通信VLC系统的平均功率；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种支持多输入单输出的可见光信息与能量同步传输网络和速率最大化方法，用于有N个LED和K个用户设备的多输入单输出可见光信息和能量同步传输网络，其中，n和k分别用来表示第n个LED和第k个用户设备，其特征在于，所述方法包括：计算可见光通信VLC系统的平均功率；计算所述用户设备的数据传输速率；计算所述用户设备的收集电量；计算VLC系统的发射光功率；根据所述平均功率、所述数据传输速率、所述收集电量、以及所述发射光功率构建用户设备总和数据传输速率最大化优化模型并求解。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算可见光通信VLC系统的平均功率具体包括：根据公式1计算总发射信号：其中，其中是直流偏置向量，是与第k个UE相关联的波束成形向量，为保证第n个LED的发射信号为非负值，即w
k
满足其中e
n
是第n个元素等于1的全零向量，I
H
是LED的最大输入电流，表示给第k个UE传输的模拟实值数据符号，表示实数域，s
k
的信号幅度满足A
k
表示给第k个UE传输的模拟实值数据符号峰值振幅；根据公式2计算可见光通信VLC系统的平均功率：其中，其中，表示随机变量x的期望。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述用户设备的数据传输速率具体包括：根据公式3计算第k个UE可达到的信息速率：其中，α
i
、β
i
和τ
i
通过求解方程组获得，函数T(x)定义
为其中erf(x)是误差函数其中erf(x)是误差函数表示第n个LED和第k个UE的PD之间的LoS VLC链路的信道增益，A
PD
代表PD的物理区域，是第n个LED与第k个UE的PD之间的距离，φ
1,k,n
和ψ
1,k,n
分别表示从第n个LED到第k个UE的PD的辐照角和入射角，代表兰伯特指数，Φ
1/2
是半照度下的半角，g
of
表示滤光器增益，G(ψ
1,k,n
)表示聚光器增益，其中ρ1表示聚光器的折射率，Ψ
FoV,1
是PD视场的半角，h
k
为N个LED与第k个UE的PD之间的信道增益向量，对于第k个UE，去除直流偏置后，接收到的信号为其中第一项是第k个UE的期望信号，第二项是其他UE的信号对第k个UE的干扰，表示加性高斯白噪声(AWGN)，σ2表示噪声功率，表示数学期望为μ、方差为σ2的正态分布，此外，γ和η分别表示电
‑
光和光
‑
电的转换因子。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算所述用户设备的收集电量具体包括：根据公式4计算第k个UE的太阳能电池板每秒收集的能量：其中，其中，其中，V
k,oc
是开路电压，是比例常数，μ
k
＝I
k,Light
/(I
s0
E
k
)，是面板理想因子，q
e
表示电子电荷，k
B
表示玻尔兹
曼常数，J
f
表示理想因子，I
s0
表示暗饱和电流，I
s0,stc
是标准测试条件下的暗饱和电流，E
g,stc
＝1.12eV，α
k,stc
和I
sc,stc
分别代表标准测试条件下的温度系数和短路电流，E
stc
为辐照度，T
a,stc
为温度，λ和分别表示可见光的波长和LED 的归一化光谱能量密度，θ表示在特定波长处的最大可见度，V(λ)表示标准光度曲线，E
a
表示环境光的照度，Φ
n,T
表示为第n个LED的光通量，其中a＝354.286和z＝27，第n个LED与第k个UE的太阳能电池板之间的通道增益向量表示为A
sp
代表太阳能电池板的物理面积，是第n个LED到第k个UE的太阳能电池板的距离，φ
2,k,n
和ψ
2,k,n
分别表示从第n个LED到第k个UE的太阳能电池板的辐照角和入射角，G(ψ
2,k,n
)表示太阳能电池板的聚光器增益，其中ρ2表示太阳能电池板的折射率，Ψ
FoV,2
是太阳能电池板的视场的半角。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算VLC系统的发射光功率具体包括：根据公式5计算VLC系统的发射光功率：根据公式6计算调光水平：其中，∈∈(0,1]，P
OT
是LED的标称光学强度。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张煜，熊轲，郭杨波，皇甫昱慧，郑海峰，吴鹏，谭显东，霍沫霖，单葆国，王成洁，唐伟，谭清坤，吴姗姗，李江涛，张成龙，冀星沛，姚力，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：