本發(fā)明涉及一種可見光通信非正交多址系統(tǒng)的公平性(fairness)優(yōu)化問題技術(shù)，特別涉及一種基于公平性原則的可見光通信非正交多址系統(tǒng)功率分配的方法，屬于無線光通信
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：可見光通信(vlc)技術(shù)具有免費(fèi)的獨(dú)立于射頻頻譜的寬帶頻譜資源，無電磁干擾和輻射，是一種“綠色的”無線通信技術(shù)。發(fā)光二極管(led)具有高速響應(yīng)特性，可通過它將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到可見光中進(jìn)行信息傳輸。在無線通信中，多址技術(shù)是用來區(qū)分不同用戶的一種技術(shù)?？梢姽馔ㄐ诺亩嘀芳夹g(shù)一般由移動(dòng)通信發(fā)展而來。在移動(dòng)通信中，常用的多址技術(shù)有時(shí)分多址(tdma)，頻分多址(fdma)，碼分多址(cdma)，空分多址(sdma)，它們分別對時(shí)域、頻域、碼域、空間資源進(jìn)行復(fù)用，使這些資源得到了充分利用。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對系統(tǒng)容量和吞吐量的需求越來越大，這使得多址技術(shù)成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。非正交多址(noma)技術(shù)由日本通信運(yùn)營研發(fā)商nttdocomo于2014年正式提出，其目的就是為了在滿足用戶體驗(yàn)需求的同時(shí)，更加高效的利用頻譜資源。noma的基本原理是在發(fā)送端采用疊加編碼(sc)，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過串行干擾抵消(sic)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。與傳統(tǒng)的正交多址(oma)技術(shù)相比，noma通過對功率域的復(fù)用，可以很好地提高頻譜效率。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種基于公平性原則的可見光通信非正交多址noma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)化不同用戶所分配的功率，使各用戶的最小傳輸速率最大。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明提供一種基于公平性原則的可見光通信非正交多址noma系統(tǒng)功率分配的方法，所述公平性原則為最大化可見光通信非正交多址系統(tǒng)的最小傳輸速率。該方法的具體步驟如下：步驟1，建立可見光通信非正交多址系統(tǒng)的最小傳輸速率最大的優(yōu)化問題：其中，p為功率分配向量，p＝(p1,p2,…,pn)，pn為分配給第n個(gè)用戶的功率，n為用戶數(shù)；rn(p)為第n個(gè)用戶的傳輸速率；idc為發(fā)射端的直流偏置；步驟2，求解步驟1中建立的優(yōu)化問題，得到使得系統(tǒng)最小傳輸速率最大的最優(yōu)功率分配向量p*；步驟3，根據(jù)步驟2中求解得到的功率分配向量p*，完成可見光通信非正交多址系統(tǒng)中的用戶功率分配。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟1中第n個(gè)用戶的傳輸速率rn(p)為：其中，hn為發(fā)射端到第n個(gè)用戶的信道響應(yīng)，且h1≤h2≤…≤hn，；pi為分配給第i個(gè)用戶的功率；為第n個(gè)用戶的噪聲方差。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，發(fā)射端到第n個(gè)用戶的信道響應(yīng)hn為：其中，m為朗伯階數(shù)，θ1/2為led半角，dn為第n個(gè)用戶與發(fā)射端的直達(dá)距離，a為光電二極管pd的接收面積，rp為光電二極管pd的響應(yīng)度，為第n個(gè)用戶的輻照角，φn為第n個(gè)用戶的入射角，t(φn)為第n個(gè)用戶的光濾波器的增益，g(φn)為第n個(gè)用戶的聚光透鏡的增益，β為聚光透鏡的折射率，ψfov為光電二極管pd的視場。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，第n個(gè)用戶的噪聲方差為：其中，q為一個(gè)電子所帶的電荷量；b為系統(tǒng)帶寬；χamb為背景光電流；iamp為前置放大器的噪聲電流密度。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2中求解步驟1中建立的優(yōu)化問題的方法為：2.1，引入變量t，將步驟1中建立的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為：s.t.rn(p)≥t,n＝1,2,…,n2.2，設(shè)定精度∈，令可行迭代次數(shù)k＝0，并計(jì)算t的初始上、下界，t的初始上界t的初始下界tlb＝0；2.3，計(jì)算初始功率分配向量其中，1n為n維全一列向量；2.4，判斷tub-tlb≤∈是否成立，若成立則輸出pk作為最優(yōu)功率分配向量p*；否則進(jìn)入步驟2.5；2.5，令計(jì)算功率分配向量p＝(p1,p2,…,pn-2,pn-1,pn)，具體為：其中，hn為發(fā)射端到第n個(gè)用戶的信道響應(yīng)，為第n個(gè)用戶的噪聲方差，為第j個(gè)用戶的噪聲方差，hj為發(fā)射端到第j個(gè)用戶的信道響應(yīng)；2.6，根據(jù)2.5中獲得的功率分配向量p，判斷是否成立：若成立則令k＝k+1、pk＝p、tlb＝t，若此時(shí)tub-tlb≤∈則輸出pk作為最優(yōu)功率分配向量p*，否則返回2.5；若不成立則令tub＝t，若此時(shí)tub-tlb≤∈則輸出pk作為最優(yōu)功率分配向量p*，否則返回2.5。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：1)本發(fā)明在保證光通信系統(tǒng)發(fā)射端信號(hào)始終為正實(shí)數(shù)的前提下，以最大化最小通信速率為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)noma的最優(yōu)功率分配，使得信道最差的用戶也擁有較好的通信速率；2)本發(fā)明利用二分法能夠直接找到最優(yōu)的功率分配方法，二分法的每個(gè)分步驟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)明考慮的可見光通信系統(tǒng)下行鏈路模型示意圖；圖2為本發(fā)明的方法流程示意圖；圖3為noma和oma技術(shù)的平均最小速率隨功率變化的曲線圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：本發(fā)明所針對的通信模型為可見光通信(vlc)下行鏈路，其模型如圖1所示，發(fā)射端為掛在天花板中間的發(fā)光二極管(led)，發(fā)射的信號(hào)被光電二極管接收，有n個(gè)在房間內(nèi)隨機(jī)分布的用戶。有研究表明，vlc系統(tǒng)的視距信號(hào)能量遠(yuǎn)大于反射信號(hào)，因此反射信號(hào)可以忽略。第n個(gè)用戶的直流信道增益即所述信道響應(yīng)hn由下式確定：其中，n＝{1,2,…,n}，π為圓周率，m為朗伯階數(shù)，θ1/2為led半角，dn為第n個(gè)用戶與led的直達(dá)距離，a為光電二極管pd的接收面積，rp為光電二極管pd的響應(yīng)度，為第n個(gè)用戶的輻照角，φn為第n個(gè)用戶的入射角，t(φn)為第n個(gè)用戶的光濾波器的增益，g(φn)為第n個(gè)用戶的聚光透鏡的增益，β為聚光透鏡的折射率，ψfov為光電二極管pd的視場。noma的基本思想是在發(fā)送端利用疊加編碼(sc)技術(shù)，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過串行干擾刪除(sic)技術(shù)實(shí)現(xiàn)解調(diào)。具體來說，led需同時(shí)發(fā)送n個(gè)用戶的信號(hào)s1,s2,…,sn，其中，sn∈[-1,1]。第n個(gè)用戶所分配的功率為pn，noma采用sc技術(shù)，最終發(fā)射的信號(hào)為由于vlc系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)需為正實(shí)數(shù)，因此有如下約束：其中，idc為發(fā)射端led的直流偏置。第n個(gè)用戶接收到的信號(hào)為yn＝hnx+zn，其中，zn為第n個(gè)用戶的噪聲，其方差為其中，q為一個(gè)電子所帶的電荷量，取常數(shù)q＝1.6×10-19庫侖；b為系統(tǒng)帶寬；χamb為背景光電流；iamp為前置放大器的噪聲電流密度。不失一般性，假設(shè)h1≤h2≤…≤hn。在接收端通過sic技術(shù)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，第n個(gè)用戶的傳輸速率為：其中，p＝(p1,p2,…,pn)為功率分配向量，pn為分配給第n個(gè)用戶的功率，pi為分配給第i個(gè)用戶的功率。本發(fā)明提供基于公平性原則的可見光通信非正交多址noma系統(tǒng)功率分配方法，為使得系統(tǒng)最小傳輸速率最大，建立如下優(yōu)化問題：如圖2所示，求解上述建立的優(yōu)化問題的方法為：2.1，引入變量t，將步驟1中建立的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為：s.t.rn(p)≥t,n＝1,2,…,n2.2，設(shè)定精度∈，令可行迭代次數(shù)k＝0，并計(jì)算t的初始上、下界，t的初始上界t的初始下界tlb＝0；2.3，計(jì)算初始功率分配向量k＝0，其中，1n為n維全一列向量；2.4，判斷tub-tlb≤∈是否成立，若成立則輸出pk作為最優(yōu)功率分配向量p*；否則進(jìn)入步驟2.5；2.5，令計(jì)算功率分配向量p＝(p1,p2,…,pn-2,pn-1,pn)，具體為：其中，hn為發(fā)射端到第n個(gè)用戶的信道響應(yīng)，為第n個(gè)用戶的噪聲方差，為第j個(gè)用戶的噪聲方差，hj為發(fā)射端到第j個(gè)用戶的信道響應(yīng)；2.6，根據(jù)2.5中獲得的功率分配向量p，判斷是否成立：若成立則令k＝k+1、pk＝p、tlb＝t，若此時(shí)tub-tlb≤∈則輸出pk作為最優(yōu)功率分配向量p*，否則返回2.5；若不成立則令tub＝t，若此時(shí)tub-tlb≤∈則輸出pk作為最優(yōu)功率分配向量p*，否則返回2.5。為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的性能，特進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，所涉及的參數(shù)如表1所示參數(shù)取值房間尺寸(長、寬、高)5m、5m、3mpd響應(yīng)度0.4a/wpd視場(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前置放大器噪聲密度5pa/hz1/2背景光電流10.93a/m2/sr帶寬100mhz圖3為noma和oma技術(shù)的平均最小速率隨功率變化的曲線圖，參數(shù)如表1所示，用戶隨機(jī)分布在房間地板上，平均最小速率為利用蒙特卡羅方法統(tǒng)計(jì)的用戶處在1000組不同位置的最小速率的平均值。由圖可以發(fā)現(xiàn)，增加光功率或減少用戶數(shù)，都能增大最小速率。隨著光功率的不斷增加，noma技術(shù)相較于oma技術(shù)的優(yōu)勢也將不斷增加，功率足夠大時(shí)，noma的最小速率總會(huì)大于oma。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁12