一种MU-MISO可见光通信系统迫零预编码矩阵确定方法

摘要

本发明公开了一种MU-MISO可见光通信系统迫零预编码矩阵确定方法，本发明根据MU-MISO可见光通信系统所需的误码率确定的误码参数，然后根据该误码参数以及MU-MISO可见光通信系统第k个用户的等效信道增益、第k个用户接收机噪声的标准差、信道矩阵、LED的最大发射光功率建立目标函数和其对应的约束条件，然后对目标函数进行优化求解，得到最佳迫零预编码矩阵W，与基于信道伪逆的传统迫零预编码方案相比，本发明在每个发射LED光功率均受限的场景下可获得显著的带宽利用率增益。

说明书

技术领域

本发明涉及无线光通信技术领域，尤其涉及一种MU-MISO可见光通信系统迫零预编 码矩阵计算方法。

背景技术

近年来，可见光通信技术已成为通信学术界和工业界关注的一大研究热点。该技术 能够同时实现照明与无线通信功能，并且具有传输数据率高，保密性强，无需频谱认证， 无电磁干扰等优点，是未来无线通信系统中一项极具潜力的关键技术。

MISO系统的特点在于发射端配备多根天线，而接收端配备单根天线。如果所有天线 发送相同的信号，由于天线位置不一样，那么在到达接收端的位置时这些信号已经是经 历了不同程度的小尺度衰落，因而是同一信号的不同副本。这时如果在接收端使用诸如 最大比合并等特定技术对接收信号的包络进行处理，则在相同的发射功率下可以获得比 单输入单输出更好的信噪比，这一效果被称之为发射分集增益。虽然多输入多输出 (Multi-InputMulti-Output，MIMO)技术已经得到了广泛的研究，但是由于用户终端 的物理尺寸限制使得MIMO的应用范围受到了较大限制。在这样的背景下，MISO技术仍 然呈现了很强的生命力。在单用户MISO技术的基础上，MU-MISO技术由于能够在相同的 时间和频率上实现多数据流和多用户的空间复用并提供丰富的空间分集增益和多用户 分集增益，有望成为未来无线通信系统的核心技术。

目前，一些学者已经开始将MU-MISO技术引入可见光通信系统中，以提高系统的带 宽利用率与可靠性。在MU-MISO系统中，发射端使用预编码矩阵对发射信号进行处理可 以有效提高系统的性能。最简单的预编码方式为迫零预编码，即利用信道信息抵消用户 间干扰。传统迫零方案采用信道伪逆的形式，而对于每发射LED光功率受限的MU-MISO 系统，该方案不能确保系统性能达到最优。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种MU-MISO可见光通信 系统迫零预编码矩阵确定方法，该迫零预编码矩阵确定方法对于每发射LED光功率受限 的MU-MISO系统，不仅能确保系统性能达到最优，而且能够获得显著的带宽利用率增益，

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种MU-MISO可见光通信系统迫零预编码矩阵确定方法，包括以下步骤：

步骤1，根据MU-MISO可见光通信系统所需的误码率确定的误码参数η；

步骤2，根据MU-MISO可见光通信系统第k个用户的等效信道增益、第k个用户接 收机噪声的标准差、信道矩阵、LED的最大发射光功率以及步骤1中确定的误码参数η建 立目标函数和其对应的约束条件：

目标函数为：

最大化$\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\eta \mu }}_k}{{\sigma }_k});$

约束条件为：

μ≥0_K×1，

HW＝diag(μ)，

abs(W)1_K×1≤p；

其中，μ＝(μ₁,μ₂,...,μ_K)^T，μ_k表示第k个用户的等效信道增益，k＝1,2,...,K，K 为用户数，上标T表示转置运算；0_K×1表示所有元素均为0且元素数量为K的列向量； σ_k为第k个用户接收机噪声的标准差，H为信道矩阵，diag(μ)表示主对角线元素为μ的 K×K对角矩阵，W表示迫零预编码矩阵，abs(W)表示对W中所有元素取绝对值；1_K×1表示所有元素均为1且元素数量为K的列向量；p＝(p₁,p₂,...,p_N)^T，p_n表示第n个LED 的最大发射光功率，n＝1,2,...,N，N为发射LED数；

步骤3，将步骤2得到的目标函数和约束条件进行优化，得到最佳迫零预编码矩阵 W。

优选的：所述误码参数η为：

$\eta =\sqrt{{(-log(5{\mathrm{BER}}_T\left)\right)}^{-1}};$

其中，η为误码参数，BER_T表示系统所需的误码率。

优选的：所述步骤3中优化时采用的优化工具为CVX工具箱。

5.优选的：所述步骤2中主对角线元素为μ的K×K对角矩阵diag(μ)形式为：

其中，diag(μ)表示主对角线元素为μ的K×K对角矩阵，μ_k表示第k个用户的等效 信道增益。

本发明提供的一种MU-MISO可见光通信系统迫零预编码矩阵确定方法，相比现有技 术，具有以下有益效果：

传统方法中，迫零预编码局限为信道伪逆的形式。而对于每发射LED光功率受限的 MU-MISO系统，该方案不能确保系统性能达到最优。本发明在计算预编码矩阵的过程中 不局限于信道伪逆的固定形式，而是直接将迫零作为一个约束条件进行预编码优化，在 每个发射LED独立光功率受限的场景下相比传统方法可获得显著的带宽利用率增益，同 时能够能确保系统性能达到最优。

附图说明

图1为本发明所提出的MU-MISO可见光通信系统发射端迫零预编码矩阵计算方法的 流程图；

图2为使用本发明计算的迫零预编码与传统迫零方案的带宽利用率曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发 明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种 等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种MU-MISO可见光通信系统迫零预编码矩阵确定方法，如图1所示，包括以下步 骤：

步骤1，根据MU-MISO可见光通信系统所需的误码率确定的误码参数η；

所述误码参数η为：

$\eta =\sqrt{{(-log(5{\mathrm{BER}}_T\left)\right)}^{-1}};$

其中，η为误码参数，BER_T表示系统所需的误码率。

步骤2，根据MU-MISO可见光通信系统第k个用户的等效信道增益、第k个用户接 收机噪声的标准差、信道矩阵、LED的最大发射光功率以及步骤1中确定的误码参数η建 立目标函数和其对应的约束条件：

目标函数为：

最大化$\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\eta \mu }}_k}{{\sigma }_k});$

约束条件为：

μ≥0_K×1，

HW＝diag(μ)，

abs(W)1_K×1≤p；

其中，μ＝(μ₁,μ₂,...,μ_K)^T，μ_k表示第k个用户的等效信道增益，k＝1,2,...,K，K 为用户数，上标T表示转置运算；0_K×1表示所有元素均为0且元素数量为K的列向量； σ_k为第k个用户接收机噪声的标准差，H为信道矩阵，diag(μ)表示主对角线元素为μ的 K×K对角矩阵，W表示迫零预编码矩阵，abs(W)表示对W中所有元素取绝对值；1_K×1表示所有元素均为1且元素数量为K的列向量；p＝(p₁,p₂,...,p_N)^T，p_n表示第n个LED 的最大发射光功率，n＝1,2,...,N，N为发射LED数；

步骤3，将步骤2得到的目标函数和约束条件进行优化，优化时采用的优化工具为 CVX工具箱，得到最佳迫零预编码矩阵W。

如图2所示，为使用本发明计算的迫零预编码与传统迫零方案的带宽利用率曲线对 比图，仿真涉及到的参数在表1所示。

参数 取值 房间尺寸(长×宽×高) 5m×5m×3m

LED数量 9 LED高度 2.5m LED间距 1.25m 接收平面高度 0.85m 发射机发射半角 62_o光电探测器响应率 0.4A/W 接收机视场(FOV)(半角) 62_o光学集中器的折射率 1.5 前置放大器噪声密度 5pA/Hz^-1/2环境光光电流 10.93A/m²/Sr 接收机数量 4 接收机噪声带宽 2MHz 接收机位置 随机(共300组) 接收机面积 1cm²误码率要求 10^-3

表1

从图2中可以看出，相对于传统方法，本发明方法可以提供显著的带宽利用率增益， 这是由于改进算法没有将迫零预编码矩阵局限为信道伪逆的形式。

综上所述，本发明根据MU-MISO可见光通信系统所需的误码率确定的误码参数，然 后根据该误码参数以及MU-MISO可见光通信系统第k个用户的等效信道增益、第k个用 户接收机噪声的标准差、信道矩阵、LED的最大发射光功率建立目标函数和其对应的约 束条件，然后对目标函数进行优化求解，得到最佳迫零预编码矩阵W，与基于信道伪 逆的传统迫零预编码方案相比，本发明在每个发射LED光功率均受限的场景下可获得显 著的带宽利用率增益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。