本發(fā)明屬于無線光通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配方法。
背景技術(shù)：
：隨著移動(dòng)設(shè)備和多媒體應(yīng)用的井噴式增長(zhǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜利用率的要求越來越高?？梢姽馔ㄐ?VLC)系統(tǒng)作為最具潛力的下一代高速無線通信系統(tǒng)之一，無論是在學(xué)術(shù)界還是工程界都得到了廣泛的研究。通信中，承載用戶信息的資源主要有，頻域、時(shí)域、空域、碼域和功率域。前3種有子載波正交等成熟技術(shù)保障多用戶多址接入的獨(dú)立性，后兩種只能通過串行干擾抵消來區(qū)分多用戶信息。幾乎所有針對(duì)射頻(RF)通信系統(tǒng)的多址技術(shù)都可應(yīng)用到VLC系統(tǒng)，比如常見的時(shí)分多址、頻分多址、碼分多址、空分多址等，均有學(xué)者將其應(yīng)用到VLC系統(tǒng)中。為進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率，日本DoCoMo公司首先提出的非正交多址接入(NOMA)技術(shù)，已成為下一代5G系統(tǒng)多址技術(shù)的備選方案之一。NOMA與時(shí)域、頻域、空域、碼域等正交多址(OMA)方式不同，所有的NOMA用戶可共享相同的時(shí)頻資源，利用串行干擾抵消(SIC)技術(shù)，在接收端將疊加的用戶信號(hào)分離。由于NOMA采用的是多個(gè)用戶信號(hào)功率域的簡(jiǎn)單線性疊加，對(duì)現(xiàn)有的其它成熟的多址技術(shù)影響不大，可與已有多址技術(shù)簡(jiǎn)單結(jié)合使用，增加有限資源下的用戶連接數(shù)，目前NOMA技術(shù)已在移動(dòng)通信領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而學(xué)術(shù)界對(duì)VLC系統(tǒng)的NOMA的研究還處在起步階段。事實(shí)上，NOMA技術(shù)在VLC系統(tǒng)中同樣適用，且比其在RF系統(tǒng)中更為簡(jiǎn)單。NOMA在發(fā)射端進(jìn)行疊加編碼時(shí)需已知系統(tǒng)的信道響應(yīng)，而在VLC系統(tǒng)中，短時(shí)間內(nèi)設(shè)備固定，信道響應(yīng)時(shí)不變，比RF信道更容易估計(jì)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配的方法，即在發(fā)射信號(hào)滿足正實(shí)數(shù)約束的條件下，優(yōu)化不同用戶的所分配的功率，使各用戶達(dá)到最小速率時(shí)所消耗的總功率最小。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配，將NOMA技術(shù)引入可見光通信系統(tǒng)的下行鏈路中，為保證接收機(jī)干擾抵消的有效性，NOMA系統(tǒng)要求為信道好的用戶分配低功率，信道差的用戶分配高功率，建立如下基于服務(wù)質(zhì)量(QoS)的優(yōu)化問題：本發(fā)明提供一種基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配方法，將N個(gè)用戶的傳輸速率分別表示為N個(gè)用戶所消耗的最小總功率表示為：其中，N為總的用戶數(shù)，Pk為第k個(gè)用戶所分配的功率且為待優(yōu)化變量，所述Pk滿足以下約束條件：0≤PN≤…≤P1(c)其中，第k個(gè)用戶的傳輸速率IDC為發(fā)射端的直流偏置；hk為L(zhǎng)ED燈到第k個(gè)用戶的信道響應(yīng)；為噪聲方差；π、e分別為圓周率和自然常數(shù)。進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的一種基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配方法，包括以下具體步驟得到基于QoS的優(yōu)化問題的閉式解：1)按照用戶信道響應(yīng)從小到大的順序，將各個(gè)用戶分別標(biāo)記為用戶1，用戶2，……，用戶N，求解第N個(gè)用戶分配的功率2)求解第k個(gè)用戶分配的功率其中，函數(shù)y＝max{x1，x2}的定義為y取x1，x2中的較大值；3)檢驗(yàn)所得的用戶分配的功率是否滿足約束條件(b)，如果滿足，則所得結(jié)果即為QoS優(yōu)化問題的最優(yōu)解，則執(zhí)行輸出最優(yōu)功率分配；如果不滿足，說明在所給直流偏置的約束下，系統(tǒng)無法令各個(gè)用戶達(dá)到所給的傳輸速率要求，則請(qǐng)求上層調(diào)節(jié)參數(shù)，直至所得的用戶分配的功率滿足約束條件(b)。本發(fā)明中約束條件(a)為QoS約束；約束條件(b)為可見光通信的正實(shí)數(shù)約束；約束條件(c)為NOMA的系統(tǒng)約束。有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)本發(fā)明在保證系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的前提下，以最小化總功率為目標(biāo)，對(duì)各用戶功率進(jìn)行分配，有效地減少了功率消耗；2)本發(fā)明直接給出了功率分配的閉式解，極大地降低了計(jì)算復(fù)雜度，利于實(shí)現(xiàn)。附圖說明圖1為本發(fā)明的方法流程示意圖；圖2為本發(fā)明考慮的可見光通信系統(tǒng)下行鏈路模型示意圖；圖3為NOMA技術(shù)的示意圖；圖4為NOMA和OMA技術(shù)所消耗的總功率對(duì)比圖；圖5為OMA和NOMA所消耗的總功率之差與NOMA總功率的比值(功率節(jié)省比例)隨近端用戶所處位置變化的曲線圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。實(shí)施例1：如圖1所示，本發(fā)明基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配，將NOMA技術(shù)引入可見光通信系統(tǒng)的下行鏈路中，為保證接收機(jī)干擾抵消的有效性，NOMA系統(tǒng)要求為信道好的用戶分配低功率，信道差的用戶分配高功率，建立如下基于服務(wù)質(zhì)量(QoS)的優(yōu)化問題：本發(fā)明提供一種基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配方法，將N個(gè)用戶的傳輸速率分別表示為N個(gè)用戶所消耗的最小總功率表示為：其中，N為總的用戶數(shù)，Pk為第k個(gè)用戶所分配的功率且為待優(yōu)化變量，所述Pk滿足以下約束條件：0≤PN≤…≤P1(c)其中，第k個(gè)用戶的傳輸速率IDC為發(fā)射端的直流偏置；hk為L(zhǎng)ED燈到第k個(gè)用戶的信道響應(yīng)；為噪聲方差；π、e分別為圓周率和自然常數(shù)。本發(fā)明提供的一種基于QoS的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配方法，包括以下具體步驟得到基于QoS的優(yōu)化問題的閉式解：1)按照用戶信道響應(yīng)從小到大的順序，將各個(gè)用戶分別標(biāo)記為用戶1，用戶2，……，用戶N，求解第N個(gè)用戶分配的功率2)求解第k個(gè)用戶分配的功率其中，函數(shù)y＝max{x1，x2}的定義為y取x1，x2中的較大值；3)檢驗(yàn)所得的用戶分配的功率是否滿足約束條件(b)，如果滿足，則所得結(jié)果即為QoS優(yōu)化問題的最優(yōu)解，則執(zhí)行輸出最優(yōu)功率分配；如果不滿足，說明在所給直流偏置的約束下，系統(tǒng)無法令各個(gè)用戶達(dá)到所給的傳輸速率要求，則請(qǐng)求上層調(diào)節(jié)參數(shù)，直至所得的用戶分配的功率滿足約束條件(b)。本發(fā)明中約束條件(a)為QoS約束；約束條件(b)為可見光通信的正實(shí)數(shù)約束；約束條件(c)為NOMA的系統(tǒng)約束。實(shí)施例2：如圖2所示，本發(fā)明所針對(duì)的通信模型為可見光通信系統(tǒng)的下行鏈路，即天花板有一個(gè)發(fā)光二極管(LED)作為發(fā)射端，下方隨機(jī)分布N個(gè)用戶，LED服從近朗伯輻射模型，該鏈路的傳輸信息滿足[-1,1]的均勻分布，有研究表明，VLC系統(tǒng)的視距信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反射信號(hào)，考慮信道模型時(shí)，只考慮視距信息即可。第k個(gè)用戶的直流信道增益即所述信道響應(yīng)hk由下式確定：其中，m為朗伯階數(shù)，θ1/2為L(zhǎng)ED半角，dk為第k個(gè)用戶與LED的直達(dá)距離，φk為入射角，為輻照角，A為光電二極管(PD)的接收面積，RP為PD的響應(yīng)度，T(φk)為光濾波器的增益，g(φk)為聚光透鏡的增益，n為聚光透鏡的折射率，ΨFOV為PD的視場(chǎng)，不失一般性，假設(shè)h1≤h2≤…≤hN。實(shí)施例3：如圖3所示，本發(fā)明中所述非正交多址技術(shù)的原理是在發(fā)射端LED處將各用戶的信號(hào)si疊加發(fā)射，即根據(jù)不同用戶的信道響應(yīng)，分配不同的功率，為信道好的用戶分配低功率，信道差的用戶分配高功率，即用戶再在接收端利用干擾抵消(SIC)技術(shù)對(duì)各自的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)施例中各用戶的信號(hào)si滿足[-1,1]的均勻分布，方差N為總的用戶數(shù)；IDC為直流偏置，以保證光信號(hào)的正實(shí)數(shù)要求?；诖?，第k個(gè)用戶的接收信號(hào)為，其中nk為噪聲，方差為在該模型下，各用戶傳輸速率的下確界為各用戶所需滿足的服務(wù)質(zhì)量(QoS)是指它們的傳輸速率分別至少達(dá)到則結(jié)合以上對(duì)系統(tǒng)的描述，基于QoS的優(yōu)化問題用數(shù)學(xué)公式表示為Pk滿足以下約束條件：0≤PN≤…≤P1(c)約束條件(a)為QoS約束；約束條件(b)為可見光通信的正實(shí)數(shù)約束；約束條件(c)為NOMA的系統(tǒng)約束。利用以下具體步驟得到基于QoS的優(yōu)化問題的閉式解：1)按照用戶信道響應(yīng)從小到大的順序，將各個(gè)用戶分別標(biāo)記為用戶1，用戶2，……，用戶N，求解第N個(gè)用戶分配的功率2)求解第k個(gè)用戶分配的功率其中，函數(shù)y＝max{x1，x2}的定義為y取x1，x2中的較大值；3)檢驗(yàn)所得的用戶分配的功率是否滿足約束條件(b)，如果滿足，則所得結(jié)果即為QoS優(yōu)化問題的最優(yōu)解，則執(zhí)行輸出最優(yōu)功率分配；如果不滿足，說明在所給直流偏置的約束下，系統(tǒng)無法令各個(gè)用戶達(dá)到所給的傳輸速率要求，則請(qǐng)求上層調(diào)節(jié)參數(shù)，直至所得的用戶分配的功率滿足約束條件(b)。實(shí)施例4：為了驗(yàn)證本發(fā)明算法性能，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示，所涉及的參數(shù)如表1所示：參數(shù)取值用戶數(shù)2天花板與接收平面的垂直距離3mPD響應(yīng)度0.4A/WPD視場(chǎng)(FOV)(半角)62°LED半角47.5°聚光透鏡的折射率1.5PD面積1cm2光濾波器增益1噪聲方差10-3W直流偏置2A表1圖4為本發(fā)明所述基于QoS的NOMA功率分配方法所得的總功率與OMA技術(shù)所消耗的總功率對(duì)比圖，采用圖2所示信道，參數(shù)如表1所示，用戶2處在LED正下方，用戶1與用戶2的距離為3m；由圖4可以看出當(dāng)用戶滿足相同的傳輸速率要求時(shí)，NOMA技術(shù)所需消耗的總功率比OMA要小得多。圖5為兩個(gè)用戶工作時(shí)，本發(fā)明所述基于QoS的NOMA功率分配方法所得的總功率相應(yīng)于OMA技術(shù)所節(jié)省的功率與NOMA消耗總功率的比值(功率節(jié)省比例)隨近端用戶所處位置變化的曲線，采用圖2所示信道，參數(shù)如表1所示，速率門限為0.5bps/Hz。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)于OMA技術(shù)，當(dāng)兩用戶的水平距離固定時(shí)，隨著近端用戶距LED中心距離的增加，NOMA的總功率增益呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。此外，我們發(fā)現(xiàn)，兩用戶的距離越遠(yuǎn)(信道響應(yīng)相差越大)，NOMA相較于OMA所取得的增益越大，也就是說用戶信道差距越大，NOMA性能越好，這都和NOMA在射頻系統(tǒng)的性質(zhì)相一致。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3