本發(fā)明涉及可見光通信領域，尤其涉及可見光通信干擾信道容量分析和計算方法。

背景技術：

5g已成為全球無線通信領域的研究熱點。與4g相比，5g提出了“1000倍數(shù)據(jù)流量增長，100倍無線終端容量，10gbps峰值傳輸速率和100mbps-1gbps邊緣速率”等技術目標，意味著5g對頻譜資源和能源消耗的要求將遠遠超過4g。隨著各類寬帶無線通信網(wǎng)絡的興起和大量移動終端設備的出現(xiàn)，可用無線頻譜資源已日趨耗盡。因此，高容量無線通信引起的頻譜資源緊缺問題和能源消耗問題，將是5g技術實現(xiàn)過程中需要解決的關鍵問題。

可見光通信(visiblelightcommunication)作為5g中的潛在關鍵技術之一，相關的研究具有重要的科學意義和應用前景，并且已經(jīng)引起了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。

可見光通信目標是在led照明系統(tǒng)的基礎上進行高速傳輸，必須首先要保證室內(nèi)照明的相關要求。因此，與建立在有限平均電功率約束下的射頻無線通信系統(tǒng)不同，可見光通信為了保證人眼安全與舒適度要求以及照明亮度要求，還需要滿足有限峰值功率約束和有限平均光功率約束，同時為了滿足led與光學器件的性能要求，有限平均電功率約束也與射頻無線通信有著一定不同之處。

信道容量分析是信息處理與編碼、能效優(yōu)化、資源優(yōu)化以及調(diào)度優(yōu)化的重要基礎之一。射頻無線通信的干擾信道容量依然是一個開放性問題，盡管有一些較好的方法，但是形式和實現(xiàn)相對復雜，導致這種方法難以應用，也難以遷移到可見光通信。目前對于可見光通信，干擾信道容量以及多用戶可達速率域依然是一個開放問題，研究者目前致力于尋找足夠優(yōu)良的計算方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題在于克服現(xiàn)有方案不足之處，利用信息論和凸優(yōu)化等相關理論，提出了一種可見光通信干擾信道信道容量內(nèi)界的計算方法，并給出兩種實用的信道容量內(nèi)界。這種信道容量內(nèi)界具有閉式表達式，并且滿足可見光通信對于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均電功率的約束，形式簡單易于應用。

本發(fā)明采用以下具體技術方案解決上述技術問題：

根據(jù)信息論和信號處理相關理論，可以得到一個通用的可見光通信干擾信道容量內(nèi)界，即本發(fā)明提供了可見光通信干擾信道容量分析方法，包括如下步驟：

步驟1，對于可見光通信網(wǎng)絡中的第i個用戶，設置其未加入直流偏置的發(fā)射信號xi；

步驟2，計算未加入直流偏置的發(fā)射信號xi的微分熵{h(xi)}；

步驟3，加入直流偏置ai，設置加入直流偏置的發(fā)射信號為其平均光功率為po,i，平均電功率為pe,i；

步驟4，計算得到可達速率域。

步驟1中，所述未加入直流偏置的發(fā)射信號xi服從連續(xù)概率分布，這一概率分布的概率密度函數(shù)為fi(xi)，并且概率密度函數(shù)fi(xi)滿足如下條件：

其中，ai表示直流偏置，則未加入直流偏置的發(fā)射信號xi幅度范圍、均值和平均電功率為：

|xi|≤ai

其中εi為預先設定的第i個用戶的平均電功率約束，為求均值。

步驟2中，通過如下公式計算未加入直流偏置的發(fā)射信號xi的微分熵{h(xi)}：

其中l(wèi)og(·)為對數(shù)函數(shù)。

步驟3中，通過如下公式設置加入直流偏置的發(fā)射信號平均光功率po,i和平均電功率pe,i：

步驟4包括：設置干擾信道通信系統(tǒng)的信道噪聲服從方差為σ²的零均值高斯分布，可達速率域為其中為第i個用戶的最大可達速率，i取值為1～n，n為傳輸對的總數(shù)，則對于第i個用戶，的一個下界為：

其中π為圓周率，σ²為噪聲方差，j的取值為1～n，j表示用戶的傳輸對序號，εj為步驟4中設置的第j個發(fā)射端的平均電功率，h(·)為對應隨機變量的微分熵；

則一個可達速率域為：

根據(jù)現(xiàn)有文獻和信息論，可知在點對點信道中，使用截斷高斯分布，可以得到相對簡單的用戶可達速率閉式表達式，并且可以在高信噪比條件下接近最優(yōu)輸入分布的用戶可達速率。因此，本發(fā)明還提供了基于截斷高斯分布的可見光通信干擾信道容量計算方法，包括如下步驟：

步驟1，對于可見光通信網(wǎng)絡中的第i個用戶，設置其未加入直流偏置的發(fā)射信號xi；

步驟2，計算未加入直流偏置的發(fā)射信號xi的微分熵{h(xi)}；

步驟3，加入直流偏置ai，設置加入直流偏置的發(fā)射信號為其平均光功率為po,i，平均電功率為pe,i；

步驟4，步驟4，計算得到可達速率域。

步驟1中，所述未加入直流偏置的發(fā)射信號xi服從截斷高斯分布，將關于隨機變量xi，方差為νi²的零均值高斯分布概率密度函數(shù)表示為φ(0,νi²；xi)，則對應的截斷高斯分布概率密度函數(shù)fi^tg(xi)表示為：

其中，ai為直流偏置，ηi為歸一化系數(shù)，即根據(jù)方差約束，根據(jù)如下關系計算得到

其中εi為預先設定的第i個用戶的平均電功率約束。

步驟2中，通過如下公式計算未加入直流偏置的發(fā)射信號xi的微分熵{h(xi)}：

其中，e為自然常數(shù)，log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)函數(shù)。

步驟3中，通過如下公式設置加入直流偏置的發(fā)射信號為其平均光功率為po,i和平均電功率為pe,i：

步驟4中，可達速率域為其中為第i個用戶的最大可達速率，i取值為1～n，n為傳輸對的總數(shù)，則對于第i個用戶，的一個下界為：

其中j的取值為1～n，j表示用戶的傳輸對序號，εj表示步驟4中設置的第j個用戶的平均電功率，νj表示步驟1中設置的第j個用戶的截斷高斯分布的方差，

一個可達速率域為：

其中，ηj為歸一化系數(shù)，采用與步驟1中計算ηi同樣的方法得到，即

盡管基于截斷高斯分布的方法形式相對簡單，但不是最優(yōu)的方法。根據(jù)現(xiàn)有文獻和資料，使用最大熵分布可以更加準確的近似獲得信道容量。因此，本發(fā)明還提供了基于abg分布的可見光干擾信道容量計算方法，包括如下步驟：

步驟1，對于可見光通信網(wǎng)絡中的第i個用戶，設置其未加入直流偏置的發(fā)射信號xi，xi服從連續(xù)概率分布，這一概率分布的概率密度函數(shù)為fi(xi)，并且概率密度函數(shù)fi(xi)滿足如下條件：

其中，ai表示直流偏置，則未加入直流偏置的發(fā)射信號xi幅度范圍、均值和平均電功率為：

其中εi為預先設定的第i個用戶的平均電功率約束，為求均值；

步驟2，求解第i個用戶的abg(alpha-beta-gamma，因為abg分布為研究中推導得出的，而非一種常用概率分布，因此名稱就是α-β-γ三個變量的英文首字母)分布，對應的概率密度函數(shù)fi^abg(xi)為：

其中n為傳輸對的總數(shù)，參數(shù)αi，βi和γi為如下方程組的解：

其中，函數(shù)x∈[-ai,ai]，erf(·)為高斯誤差函數(shù)；

步驟3，計算未加入直流偏置的發(fā)射信號xi的微分熵{h(xi)}：

其中fi^abg(xi)為步驟2計算得到的abg分布的概率密度函數(shù)；

步驟4，加入直流偏置ai，設置加入直流偏置的發(fā)射信號為其平均光功率為po,i，平均電功率為pe,i，則：

步驟5，計算可達速率域：可達速率域為其中為第i個用戶的最大可達速率，i取值為1～n，n為傳輸對的總數(shù)，則對于第i個用戶,的一個下界為：

其中j的取值為1～n，表示第j個用戶的傳輸對序號，αj，βj，γj表示采用與步驟2中相同的方法求出的第j個用戶的abg參數(shù)(將方程組的下標換為j即可)，εj表示步驟1中設置的第j個用戶的平均電功率，σ²為噪聲方差，則一個可達速率域為：

本發(fā)明涉及可見光通信領域干擾信道容量估計和可達速率域計算方法。本發(fā)明利用信息論、信號處理和凸優(yōu)化方法，獲得更緊的信道容量下界和可達速率域的閉式表達式。

有益效果：本發(fā)明可以使得信道容量計算更加簡便準確，同時也可以更加簡便的實現(xiàn)通信系統(tǒng)能效優(yōu)化與資源分配。由于目前可見光干擾信道相關成果極少，本發(fā)明價值主要體現(xiàn)在提出了一種適用于任意連續(xù)發(fā)射信號的可見光干擾信道容量通用計算方法，提供了形式簡單的閉式表達式，為之后的研究和應用提供了基礎。在此基礎上，使用理論和工程實踐中常用的截斷高斯分布，提出了一種擁有閉式表達式且形式簡單，可行的完整計算方法。進一步提出了一種可以在數(shù)學上證明其更緊的完整計算方法。這兩種實用的計算方法可以直接應用于通信系統(tǒng)性能優(yōu)化和資源分配。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做更進一步的具體說明，本發(fā)明的上述或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。

圖1為可見光干擾信道系統(tǒng)模型。

圖2為具體實施中可見光通信干擾信道容量分析方法流程圖。

圖3為具體實施中基于截斷高斯分布的可見光通信干擾信道容量分析方法流程圖。

圖4為具體實施中基于abg分布的可見光通信干擾信道容量分析方法流程圖。

圖5a～圖5c為可見光通信干擾信道容量分析仿真實驗1容量區(qū)域內(nèi)界。

圖6為可見光通信干擾信道容量分析仿真實驗2和速率-信噪比變化曲線。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明針對可見干擾信道通信系統(tǒng)的信道容量分析與計算方法提出來一種新的計算框架，以及基于這種方法的兩種實用計算方法。利用信息論、信號處理和凸優(yōu)化方法，提出了滿足可見光通信約束要求的，擁有閉式表達式且更緊的信道容量計算方法，可以方便的求解通信系統(tǒng)功率優(yōu)化、資源調(diào)度、信道容量分析以及可達速率域分析等基本問題。

圖2顯示了采用本發(fā)明技術方案的可見光通信干擾信道容量分析的基本流程，可見光干擾信道系統(tǒng)模型如圖1所示，具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)設計要求設置系統(tǒng)相關參數(shù)和輸入信號。

對于第i個用戶，未加入直流偏置ai的發(fā)射信號為xi，其參數(shù)如下：

峰值：|xi|≤ai；

均值：

均方值：εi為目標平均電功率；

概率密度函數(shù)：fi(xi)。

步驟2：計算信源微分熵{h(xi)}，即其中l(wèi)og(·)為對數(shù)函數(shù)。

步驟3：加入直流偏置ai，產(chǎn)生加入直流偏置的發(fā)射信號為

步驟4：求解信道下界

其中l(wèi)og2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)，π為圓周率，σ²為噪聲功率，n為傳輸對數(shù)目。

求解可達速率域：

其中l(wèi)og2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)，π為圓周率，σ²為噪聲功率，n為傳輸對數(shù)目。

圖3顯示了采用本發(fā)明技術方案的基于截斷高斯分布的可見光通信干擾信道容量分析的基本流程，可見光干擾信道系統(tǒng)模型如圖1所示，具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)設計要求設置系統(tǒng)相關參數(shù)和輸入信號。

對于第i個用戶，未加入直流偏置ai的發(fā)射信號為xi，其參數(shù)如下：

峰值：|xi|≤ai；

均值：

均方值：εi為目標平均電功率；

概率密度函數(shù)：xi∈[-ai,ai]，ηi為歸一化系數(shù)，φ(0,νi²；xi)為關于隨機變量xi，方差為νi²的零均值高斯分布概率密度函數(shù)。

步驟2：計算信源微分熵{h(xi)}，即

其中π為圓周率，e為自然常數(shù)，log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)，ai為直流偏置，xi∈[-ai,ai]，ηi為歸一化系數(shù)，φ(0,νi²；xi)為關于隨機變量xi，方差為νi²的零均值高斯分布概率密度函數(shù)。

步驟3：加入直流偏置ai，產(chǎn)生加入直流偏置的發(fā)射信號為

步驟4：求解信道下界

其中l(wèi)og2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)，σ²為噪聲功率，εi為目標平均電功率，n為傳輸對數(shù)目。

求解可達速率域：

其中l(wèi)og2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)，σ²為噪聲功率，εi為目標平均電功率，n為傳輸對數(shù)目。

圖4顯示了采用本發(fā)明技術方案的基于abg分布的可見光通信干擾信道容量分析的基本流程，可見光干擾信道系統(tǒng)模型如圖1所示，具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)設計要求設置系統(tǒng)相關參數(shù)和輸入信號。

對于第i個用戶，未加入直流偏置的發(fā)射信號為xi，其參數(shù)如下：

峰值：|xi|≤ai；

均值：

均方值：

步驟2：求每個用戶的解方程組

其中π為圓周率，e為自然對數(shù)，erf(·)為高斯誤差函數(shù)。

獲得對應的參數(shù)αi，βi和γi，計算每個用戶的abg概率分布的概率密度函數(shù)：

步驟3：計算信源微分熵{h(xi)}，即其中l(wèi)n(·)為自然對數(shù)。

步驟3：加入直流偏置ai，產(chǎn)生加入直流偏置的發(fā)射信號為

步驟4：求解信道下界：

其中π為圓周率，σ²為噪聲方差，，αi和γi為abg分布參數(shù)，εi為對應發(fā)射端的平均電功率，h(·)為對應隨機變量的微分熵，n為傳輸對的總數(shù)，log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)函數(shù)。

求解可達速率域：

其中π為圓周率，σ²為噪聲方差，，αi和γi為abg分布參數(shù)，εi為對應發(fā)射端的平均電功率，h(·)為對應隨機變量的微分熵，n為傳輸對的總數(shù)，log2(·)為以2為底數(shù)的對數(shù)函數(shù)。

實施例

為了驗證本發(fā)明效果，進行了仿真對比實驗。

對于基本可見光干擾信道通信系統(tǒng)，相關參數(shù)計算公式如下：

系統(tǒng)平均電功率：

系統(tǒng)平均光功率：

系統(tǒng)歸一化信噪比(db)：

系統(tǒng)峰均功率比：

給定系統(tǒng)信噪比snr與系統(tǒng)峰均功率比的情況下，

系統(tǒng)平均電功率：

系統(tǒng)平均光功率：

對于第i個led燈，

平均電功率分配系數(shù)：

平均光功率分配系數(shù)：

平均電功率：εi＝νiε；

平均光功率：ai＝μia；

峰均功率比：

可見光通信干擾信道容量分析仿真實驗1按照如表1所示給定的仿真實驗參數(shù)，展示了本發(fā)明技術方案不同情況下隨著系統(tǒng)平均電功率分配比例變化的容量區(qū)域內(nèi)界?？梢姽馔ㄐ鸥蓴_信道容量分析仿真實驗2按照如表2所示給定的仿真實驗參數(shù)，展示了本發(fā)明技術方案不同情況下隨著系統(tǒng)信噪比變化的系統(tǒng)和速率變化。實驗1和實驗2是兩種實用的信道容量計算方法在可見光通信系統(tǒng)功率分配中的應用，根據(jù)圖5a～圖5c和圖6的仿真結果可以看出本發(fā)明提供的信道容量分析方法是可行的(圖中的術語翻譯:snr:信噪比，truncatedgaussian:截斷高斯分布，abginnerbound:abg內(nèi)界，bits:比特，bits/sec/hz:比特每秒每赫茲，db:分貝，dbm:分貝毫瓦，r1:用戶1的可達速率，r2:用戶2的可達速率)，并且可以用于可見光通信系統(tǒng)的性能優(yōu)化和資源分配，同時abg分布對應的仿真結果中各條曲線均高于截斷高斯分布，表明基于abg分布的計算方法準確性要優(yōu)于基于截斷高斯分布的計算方法。

表1可見光通信干擾信道容量分析仿真實驗1參數(shù)

表2可見光通信干擾信道容量分析仿真實驗2參數(shù)

本發(fā)明提供了可見光通信干擾信道容量分析和計算方法，具體實現(xiàn)該技術方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。