基于概率整形提升非正交多址可见光通信传输容量的方法

摘要

本发明公开了一种基于概率整形提升非正交多址可见光通信传输容量的方法，涉及上行链路与下行链路最优的概率分布和对应硬判决的判决门限。发送端先通过映射将二进制数据映射为麦克斯韦‑玻尔兹曼分布的符号，随后在发送端将符号进行调制并通过发送调制信号；在接收端对误符号率进行最近邻近似然后求出接收到的星座图符号的最优判决门限，根据最优判决门限进行硬判决解出发射信号中对应的符号。由于不同信噪比下对应的麦克斯韦‑玻尔兹曼分布的系数不同，使用梯度下降等优化方法寻找调制信号的互信息函数的全局最优来实现对不同信噪比情况自适应。本发明在非正交多址接入技术的基础上，通过调整发送信号概率分布实现传输速率和用户公平性的提升。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于概率整形的提升非正交多址(Non-orthogonal multipleaccess，NOMA)可见光通信传输容量的方法。

背景技术

目前，由于通信网络对大容量连接的需求，提高传输数据速率是通信网络最重要的。目前有两种广泛使用的提高传输速率的策略。第一种方法是增加带宽。可见光通信是一种流行的技术。可见光通信可以利用几百太赫兹的不需要许可的带宽。此外，可见光通信可以在不影响主照明的情况下实现节能、高速、低成本和安全通信。

提高传输数据速率的第二种方法是提高频谱效率。近年来，NOMA被认为是提高系统吞吐量的一种很有前途的5G候选技术。NOMA最近也被研究作为一种提高可见光通信上行链路和下行链路系统的数据速率性能的解决方案。在上行通信系统中，连续干扰消除接收机被应用于NOMA中，以实现多用户检测。在下行链路通信系统中，NOMA在每个发射机上应用叠加编码，在每个接收机上应用连续干扰消除，以区分不同的用户。多用户的信息在功率域叠加后传输，从而可以提高频谱利用率。

目前在可见光通信中引入NOMA技术可以提高传输速率，改善系统误码率性能。此外多种基于NOMA可见光通信技术的系统性能改进研究也大量出现，NOMA技术的发展前景良好。

发明内容

针对现有技术，本发明提出了一种基于概率整形的提升非正交多址可见光通信传输容量的方法，本发明在非正交多址接入技术的基础上，通过调整发送信号概率分布实现传输速率和用户公平性的提升。

为了解决上述技术问题，本发明提出的1.一种基于概率整形提升非正交多址可见光通信传输容量的方法，包括发送端和接收端，根据发送端和接收端的个数不同有：

1)当发送端为多个，每个发送端对应一个用户，同时接收端为一个时：

每个发送端要发送的随机二进制数据在各自的发送端进行映射，映射为具有麦克斯韦-玻尔兹曼概率分布的符号，随后对映射后的符号通过厄米特对称操作和傅里叶逆变换处理后变为实信号，发送端将该实信号发出；接收端的光电探测器将接收到多个发送端的混合信号，接收端先对该混合信号进行傅里叶变换，将实信号变为复信号，然后根据最优的判决门限按照功率从大到小依次解调信号，其中：解调信号判决门限根据不同信噪比下的信号，通过最大化互信息来获得在不同信噪比下的最优麦克斯韦玻尔兹曼函数的系数，根据该系数实现判决门限概率分布的自适应，从而提升非正交多址可见光通信传输容量；

2)当发送端为一个，且该发送端包含多个用户，同时接收端为多个时：

发送端将要发送的多个用户的随机二进制数据在功率域进行叠加，随后进行映射，映射为具有麦克斯韦-玻尔兹曼概率分布的符号，随后对映射后的符号通过厄米特对称操作和傅里叶逆变换处理后变为实信号，发送端将该实信号发出；接收端的光电探测器将接收到发送端的实信号，接收后先对该实信号进行傅里叶变换恢复出叠加的信号；然后根据最优的判决门限按照功率从大到小依次解调信号，其中：解调信号判决门限根据不同信噪比下的信号，在接收端通过最大化叠加信号的互信息来获得在不同信噪比下的近似最优麦克斯韦玻尔兹曼函数的系数，根据该系数实现概率分布的自适应，从而提升非正交多址可见光通信传输容量。

进一步地，分别描述发送端为两个，同时接收端为一个；及发送端为一个，且该发送端包括两个用户，同时接收端为两个的具体步骤：

1)发送端为两个，同时接收端为一个时，具体步骤如下：

步骤一、将两个发送端各自的二进制数据分别进行正交振幅调制，从而分别得到对应的调制后的复数据，将该复数据的星座图星座点的概率分布调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，

式(1)和式(2)中，p

步骤二、对上述调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的信号进行反傅里叶变换以实现频域到时域的转换，而后时域信号分别通过两个用户对应的信道h

式(3)和式(4)中，N

2)发送端为一个，且该发送端包括两个用户，同时接收端为两个，具体步骤如下：

步骤一、将发送端的两个用户各自的二进制数据分别进行正交振幅调制，从而分别得到对应的调制后的复数据，将该复数据的星座图星座点的概率分布调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，

式(5)中，p

步骤二、对信号进行反傅里叶变换以实现频域到时域的转换，而后时域合信号分别通过两个用户对应的信道h

式(6)和式(7)中，N

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在非正交多址接入技术的基础上，通过调整发送信号概率分布实现传输速率和用户公平性的提升。在已有的方法中，发送端采取均匀分布(非麦克斯韦分布)，互信息与加性高斯白噪声信道的信道容量之间有一个几分贝的差距，本发明提出的方法不但可以缩小这个差距，并且减小用户间的可达速率差距(即提高公平性)；

附图说明

图1为本发明实施例一上行链路概率成形方法的系统框图；

图2为本发明实施例二下行链路概率成形方法的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施方法仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明基于概率整形提升非正交多址可见光通信传输容量的方法中涉及到上行链路与下行链路最优的概率分布和对应的硬判决的判决门限。

以发射端均为LED，接收端采用光电探测器为例。发送端先通过映射将二进制信号映射为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的符号，随后在发送端将符号进行调制并通过LED发送调制信号；随后，在接收端，对误符号率进行最近邻近似然后求出接收到的星座图符号的最优判决门限，根据最优判决门限进行硬判决解出发射信号中对应的符号。

在上行链路的发送端，发送端进行可见光传输，每个发射端上的发送信源为随机二进制信息。随机二进制信息通过映射后变为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的符号，发送端采用厄米特对称来保证发射信号为实信号，实信号经过调制后通过LED发射；在上行链路的接收端，光电探测器接收到的信号的星座图是N个发射端发射的调制信号的星座图的叠加，先对误符号率进行最近邻近似然后求出接收到的星座图符号的最优判决门限，然后根据最优的判决门限采用连续干扰消除按照功率从大到小依次对不同用户的信号进行硬判决，解出每个用户的符号；

在下行链路的发送端，发送端进行可见光传输，发射端上的发送信源为随机二进制信息，发送端首先将不同用户的二进制信息进行叠加，随后将叠加后的二进制信息通过映射后变为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的星座图符号，星座图符号经过调制后通过LED发射；在下行链路的接收端，不同用户的光电探测器接收到所有用户的叠加信号，先对误符号率进行最近邻近似然后求出接收到的星座图符号的最优判决门限，不同用户对应的接收端采用连续干扰消除根据最优判决门限对接收到的叠加信号按照功率从大到小进行硬判决，得到每个用户的符号。

本发明中，由于不同的信噪比下对应的麦克斯韦-玻尔兹曼分布的系数不同，使用梯度下降等优化方法寻找调制信号的互信息函数的全局最优来实现对不同信噪比情况自适应，得到全局最优结果后，发送端和接收端再根据得到的概率分布求出麦克斯韦-玻尔兹曼分布系数和最优判决门限。

实施例一

如图1所示，在该上行链路中，一共有2个发送端和一个接收端，每个发送端对应于一个用户，所述发送端分别含有各自用户的数据，两个用户记为用户1和用户2。每个发送端要发送的随机二进制数据在各自的发送端进行映射，映射为具有麦克斯韦-玻尔兹曼概率分布的符号。随后对映射后的符号通过厄米特对称操作和傅里叶逆变换处理后变为实信号。接收端的光电探测器将接收到发送端1和发送端2的混合信号，接收端先对信号进行傅里叶变换根据最优的判决门限按照功率从大到小依次解调信号。对于不同信噪比下的信号，通过最大化互信息来获得在不同信噪比下的最优麦克斯韦玻尔兹曼函数的系数。根据该系数就可以实现概率分布的自适应。

发送端分别将各自的待发送二进制数据进行正交振幅调制(QAM)得到复数据；将上述复数据在星座图上的星座点概率调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，然后通过反傅里叶变换得到时域信号；发送端发射该时域信号；经过信道传输后接收端接收到两个信号在时域的合信号，并分别解调用户1和用户2的信号，从而得到两个用户的数据。具体步骤是：

步骤一、将两个发送端各自的二进制数据分别进行正交振幅调制，从而分别得到对应的调制后的复数据，将该复数据的星座图星座点的概率分布调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，如下：

式(1)和式(2)中，p

步骤二、对上述调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的信号进行反傅里叶变换以实现频域到时域的转换，而后时域信号分别通过两个用户对应的信道h

式(3)和式(4)中，N

实施例二

如图2所示，在该下行链路，包括一个发送端和两个接收端，所述发送端含有两个用户所需的数据，两个用户分别记为用户1和用户2，用户1和用户2分别对应于两个数据接收端，本是实施例中，假设用户1的功率大于用户2的功率。

发送端将要发送的随机二进制数据在功率域进行叠加，随后进行映射，映射为具有麦克斯韦-玻尔兹曼概率分布的符号。随后对映射后的符号通过厄米特对称操作和傅里叶逆变换处理后变为实信号。接收端的光电探测器将接收到发送端发送的混合信号。接收端先对信号进行傅里叶变换恢复出叠加的信号。然后根据最优的判决门限按照功率从大到小依次解调信号。对于不同信噪比下的信号，通过最大化叠加信号在接收端1的互信息来获得在不同信噪比下的近似最优麦克斯韦玻尔兹曼函数的系数。根据该系数就可以实现概率分布的自适应。

发送端分别将两个用户的待发送二进制数据进行QAM得到两组复数据，而后根据两个用户的功率分配系数调整两组复数据的功率，并将两组复数数据叠加变为一个合信号，所述合信号仍为复数数据，即，将发送端两个用户各自的二进制数据在功率域进行叠加，随后进行正交振幅调制，从而得到对应的调制后的复数数据及其星座图，将该星座图星座点的概率分布调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，然后通过反傅里叶变换得到时域合信号；发送端发射该时域合信号；经过信道传输后两个数据接收端均接收到该时域合信号，并分别解调该时域合信号，从而得到两个用户所需的数据。具体步骤是：

步骤一、将发送端的两个用户各自的二进制数据分别进行正交振幅调制，从而分别得到对应的调制后的复数据，将该复数据的星座图星座点的概率分布调整为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，如下：

式(5)中，p

步骤二、对信号进行反傅里叶变换以实现频域到时域的转换，而后时域合信号分别通过两个用户对应的信道h

式(6)和式(7)中，N

本发明是在非正交多址接入和可见光通信技术的基础上，通过调整发送端信号星座图的概率分布来提高传输速率。在如图1所示的上行链路中，在信噪比为20dB时，使用本发明所述的方法比不使用概率整形的方法速率提高了1.83dB；在如图2所示的下行链路中，在用户1的信噪比为20dB时，使用本发明所述的方法比不使用概率整形的方法速率提高了1.41dB。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均在本发明的保护之内。