[發明專利]MIMO-VLC系統中基于幾何均值分解容量最大化的預編碼設計方法

有效

• 申請號: 202211698935.2
• 申請日: 2022-12-28
• 公開（公告）號: CN115967423B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 劉曉葉;陳政韻;高向川
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B10/116
• 代理公司: 鄭州晟佳專利代理事務所(普通合伙) 41205
• 代理人: 張心龍

本發明涉及一種MIMO?VLC系統中基于幾何均值分解容量最大化的預編碼設計方法，計算MIMO?VLC系統的光發送端和光接收端之間的信道增益矩陣，獲得預編碼設計方案的約束條件，對信道增益矩陣進行奇異值分解，構造等效信道增益矩陣，得到三級組合優化預編碼矩陣，添加功率約束系數，滿足功率約束條件，通過判決反饋均衡器進行分步檢測得到容量下界表達式，基于最大化容量下界優化準則優化容量下界，簡化優化問題，設計隨機梯度下降法迭代優化問題中的參數，進行迭代直到最大化容量下界下的功率分配算法收斂，得到最優的功率分配方式和預編碼器，能夠使得系統錯誤率性能同時被優化，改善系統性能，提高系統的容量下界和誤碼率性能。

技術領域

本發明涉及一種MIMO-VLC系統中基于幾何均值分解容量最大化的預編碼設計方法。

背景技術

可見光通信(VLC)由于無需可頻譜、抗射頻(RF)干擾和高信噪比等優點，最近已成為一個流行的領域。與傳統的射頻通信不同，在VLC中，通常采用多個低成本的發光二極管(LED)和光電二極管(PD)或圖像傳感器作為光發射器或接收器。因此，在VLC系統中使用多輸入多輸出(MIMO)技術，可以在沒有額外的時間和頻率資源的情況下實現更高的容量和可靠性。研究表明，MIMO-VLC系統(MIMO-VLC系統為可見光MIMO通信系統)可以提供Gbit/s的傳輸速率。近年來，可見光通信系統要求更加高速可靠的數據傳輸，使得在該領域展開了許多研究工作。MIMO-VLC系統預編碼技術能夠大幅度的降低用戶終端硬件的復雜程度和設計難度，又在一定程度上抑制用戶間的干擾。

傳統MIMO-VLC系統的預編碼設計主要包括基于信道反演和基于奇異值分解(SVD)的方案，基于信道反演的預編碼設計方案復雜度較低，但在信道病態時可能會導致噪聲放大，降低整體的性能?；赟VD分解的預編碼使得信道之間的增益差距過大，且對于高信噪比區域的誤碼率來說不一定是最優的。

發明內容

有鑒于此，為了解決上述技術問題，本發明提供一種MIMO-VLC系統中基于幾何均值分解容量最大化的預編碼設計方法，能夠對MIMO-VLC系統中不同的可見光端口進行預編碼設計和端口之間的功率分配。

本發明采用以下技術方案：

一種MIMO-VLC系統中基于幾何均值分解容量最大化的預編碼設計方法，包括：

S1：構建MIMO-VLC系統模型，計算光發送端和光接收端之間的信道增益矩陣，光發送端通過可見光信號的非負性與總功率約束，獲得預編碼設計方案的約束條件；

S2：對信道增益矩陣進行奇異值分解，從總的子信道中選擇傳輸信息流的子信道，構造等效信道增益矩陣，引入滿矩陣對預編碼矩陣進行二次優化，得到三級組合優化預編碼矩陣，并添加功率約束系數，滿足功率約束條件；

S3：通過判決反饋均衡器進行分步檢測和干擾消除，得到容量下界表達式，基于最大化容量下界的優化準則對容量下界進行優化，并基于子信道增益相等，對優化問題進行簡化；

S4：設計隨機梯度下降法迭代優化問題中的參數，引入了部分幾何均值分解來代替迭代中的幾何均值分解，直到最大化容量下界下的功率分配算法收斂，選擇奇異值最大的子信道組合，，得到在不同信噪比下的最優功率分配和預編碼器。

進一步地，步驟S1中，MIMO-VLC系統由N_t個光發送端和N_r個光接收端組成，光發送端的信號為x＝Fs+d，其中F是預編碼矩陣，s是M-PAM調制信號，d是直流偏置，由于可見光信號的非負性，則有d+Fs≥0，考慮總功率約束有1^Td≤P_t，為了最小化總傳輸功率，總功率約束為1^Tabs(F)1≤P_t。

進一步地，步驟S2中，對信道增益矩陣H進行奇異值分解：

H＝UΛV^T