非平坦信道下dco-ofdm直流偏置和功率聯(lián)合優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信領(lǐng)域，具體而言涉及一種一般的非平坦可見(jiàn)光信道 下 DCO-OFDM(Direct-Current-Biased Optical Orthogonal Frequency Division Mu 11 ip I ex ing)通信系統(tǒng)直流偏置和子載波功率的聯(lián)合優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可見(jiàn)光通信（VLC)是一種新興的接入技術(shù)，兼顧了照明和通信，能滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)，擁有包括成本低廉，綠色安全，保密性好，易于實(shí)現(xiàn)，電磁兼容性好在內(nèi)的眾多優(yōu)勢(shì)。 和傳統(tǒng)射頻無(wú)線(xiàn)通信不同的是，可見(jiàn)光通信使用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（頂/DD)，即發(fā)射端用光 強(qiáng)表示信號(hào)幅度，接收端檢測(cè)光強(qiáng)來(lái)收取信號(hào)。發(fā)射端通過(guò)LED將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，通 過(guò)信道傳播后，在接收端通過(guò)光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于解調(diào)電路處理。由于 發(fā)送信號(hào)載體為光強(qiáng)，因而要求發(fā)送信號(hào)必須是非負(fù)實(shí)數(shù)。
[0003] 為了達(dá)到更高的速率，目前可見(jiàn)光系統(tǒng)使用越來(lái)越寬的頻帶。在實(shí)際系統(tǒng)中由 于光器件的特性，信道一般不平坦，具有明顯的低通特性。在單載波通信系統(tǒng)中信道均衡 需要巨大的計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)成本高。因而大量寬帶可見(jiàn)光通信系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用技術(shù) (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，簡(jiǎn)稱(chēng) 0FDM)作為有效解決方案。將多 載波技術(shù)和可見(jiàn)光通信技術(shù)相結(jié)合，使其兼?zhèn)淞丝梢?jiàn)光通信和多載波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是一種 具有較高研究意義和實(shí)用價(jià)值的技術(shù)。但是由于發(fā)送信號(hào)必須為非負(fù)實(shí)數(shù)，傳統(tǒng)射頻中 的多載波技術(shù)需要改進(jìn)才能應(yīng)用到可見(jiàn)光通信領(lǐng)域。直流偏置正交頻分復(fù)用多載波技術(shù) (Direct-Current-Biased Optical 0FDM，簡(jiǎn)稱(chēng) DC0-0FDM)作為諸多改良方案中的一種，相 比于其他方案具有頻譜效率高的優(yōu)勢(shì)。DC0-0FDM在發(fā)送信號(hào)上疊加了直流分量，將疊加后 仍小于零的部分削去，從而使得雙極性信號(hào)變成了單極性信號(hào)，以滿(mǎn)足可見(jiàn)光通信中信號(hào) 非負(fù)性的條件。
[0004] 在DC0-0FDM系統(tǒng)中，直流偏置可以調(diào)節(jié)，但并不傳輸信號(hào)。過(guò)大的直流偏置會(huì)浪 費(fèi)能量；而過(guò)小會(huì)導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重畸變。因而存在一個(gè)最合適的直流偏置?？紤]到可見(jiàn)光通 信系統(tǒng)常常工作在非平坦信道下，發(fā)明提出了一種適用于一般非平坦可見(jiàn)光信道的直流偏 置B d。和子載波功率{pk}聯(lián)合優(yōu)化方法。優(yōu)化后的系統(tǒng)性能大大提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種適用于一般非平坦信道下的 可見(jiàn)光通信中DC0-0FDM系統(tǒng)直流偏置和子載波功率聯(lián)合優(yōu)化方法，能夠給出最大化系統(tǒng) 速率的直流偏置和子載波功率。
[0006] 技術(shù)方案：為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種非平坦信道下DC0-0FDM直流偏置和功率聯(lián)合優(yōu)化方法，其中，DC0-0FDM系統(tǒng) 共有2K個(gè)子載波，該方法包括以下步驟：
[0008] (1)設(shè)置優(yōu)化方法初始參數(shù)值，包括信道參數(shù)、最大光功率或電功率、初始子載波 功率分配= KA = -I).、最大允許誤差和初始迭代次數(shù)η = I ;
[0009] (2)固定子載波功率分配丨沁，，以系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率最大為目標(biāo)優(yōu)化直流偏置大小 筆？和有效功率;
[0010] ⑶固定直流偏置大小巧:1和有效功率浐1，優(yōu)化子載波功率W+'1};
[0011] (4)反復(fù)執(zhí)行步驟（2)和（3)直至兩次迭代計(jì)算得到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率差值在最大 允許誤差范圍之內(nèi)，最后輸出直流偏置大小和子載波功率{ρΠ =丨AT}產(chǎn)、
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟（2)中，具體包括：
[0013] (2. 1)為各子載波建立系統(tǒng)功率限制條件相關(guān)方程，記為fk(x) = 0,并分別求解 方程得到根 xk，（k = 1，. . .，K-1);
[0014] (2. 2)根據(jù)公式
（j = 1，· · · K-2)，計(jì)算得到中間變量Bu (j)和(j)，其中
SNDRk (X)是 第k個(gè)信道的功率噪聲畸變比，κ是與系統(tǒng)所要求誤比特率、調(diào)制方式和編碼有關(guān)的參數(shù)；
[0015] (2. 3)找到所有滿(mǎn)足Bu(J) > 0和BJj) < 0的元素 j構(gòu)成集合Θ = 〇1，」2，....，^}，對(duì)于每個(gè)元素_]_￡0，分別在區(qū)間[\，\ +1]中使用線(xiàn)性搜索法找到使得 系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率
[0016] (2.4)令集合0中對(duì)應(yīng)速率最大的乃等于4匕即<1=&>^1#彳/?沙 /，//廣)〖，并根 據(jù)求得的4m)計(jì)算本輪迭代的最優(yōu)有效功率p(w)和最優(yōu)直流偏置Bini。進(jìn)一步地，所述步驟 (2. 4)中計(jì)算最優(yōu)有效功率歹n)的公式為：在光功率限制下，
_在電功率限 制下，
[0017] 計(jì)算最優(yōu)直流偏置的公式為：
[0018] 其中，Pciimax為最大光功率，P e,max為最大電功率，p。(X) = g(x)-xQ(x)，pe(x) =-xg(X) + (1+x2) Q(X)，Q(X)和g(X)分別為Q函數(shù)和正態(tài)分布的概率密度函數(shù)。
[0019] 進(jìn)一步地，所述步驟（2. 1)中求解方程fk (X) = 0的根乂1<具體包括：
[0020] (2. I. 1)設(shè)置計(jì)算精度ε，初始化迭代次數(shù)η = 0,方程根的迭代初始值xf =:0;
[0021] (2. L 2)根據(jù)公式
更新方程根；
[0022] (2. L 3)如果|χΓ+1> -4"?<，，則％ 否則，令 η = η+1，進(jìn)入步驟（2. L 2)。
[0023] 進(jìn)一步地，所述步驟（3)中，具體包括：
[0024] (3· 1)根據(jù)公式
丨計(jì)算得到 中間變量qk，并令qK= + 00 ;
[0025] (3. 2)找到包含1的區(qū)間[qtj i，qtj]，輸出正數(shù)Q，Q彡1 ;
[0026] (3. 3)計(jì)算注水平I
[0027] (3. 4)計(jì)算歸一化子載波功率.，其中（·）+ = max {0, · } 〇
[0028] 進(jìn)一步地，所述步驟（2. 1)中fk(x)的表達(dá)式為：在光功率限制下，
為系統(tǒng)最大光功率，H 第k個(gè)子信道系數(shù)，為噪聲功率；在電功率限制下，.〇) = g⑴+ .ν[1 - ρ(χ)]+ ，其中
Pf3llnax為系統(tǒng)最大電功率，Q(x)和g(x)分別為Q函數(shù)和正態(tài)分布的概 率密度函數(shù)。
[0029] 有益效果：相比與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法的具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 1)本優(yōu)化方法用于聯(lián)合優(yōu)化直流偏置大小Bd。和每個(gè)子載波功率大小{p J，并且 考慮多種實(shí)際中可能出現(xiàn)的情況，包括光功率限制和電功率限制的情況。因而本發(fā)明具有 非常強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
[0031] 2)本發(fā)明的優(yōu)化方法通過(guò)對(duì)DCO-OFDM系統(tǒng)及其中的非線(xiàn)性過(guò)程建模，抽象出該 問(wèn)題的數(shù)學(xué)形式。該問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的高度非線(xiàn)性的非凸優(yōu)化問(wèn)題，可能存在多個(gè)局部極 大值。本發(fā)明基于對(duì)該問(wèn)題的等價(jià)變換給出了具體算法，能夠得到精確的最優(yōu)解。
[0032] 3)而本優(yōu)化方法不需要額外改變系統(tǒng)硬件等外部條件，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，就能 大大提升系統(tǒng)性能。采用本優(yōu)化方法得到的直流偏置大小B d。和子載波功率大小{pk}能夠 最大化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。
[0033] 4)當(dāng)系統(tǒng)的最大光功率受限時(shí)，優(yōu)化后的系統(tǒng)光強(qiáng)能夠保持恒定，可以兼顧照明。
[0034] 5)本發(fā)明優(yōu)化方法收斂速度快，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果精度高。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1為DCO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射器框圖。
[0036] 圖2為DCO-OFDM系統(tǒng)的接收器框圖。
[0037] 圖3為本發(fā)明方法的簡(jiǎn)易流程圖。
[0038] 圖4為在誤比特率為10 5時(shí)光功率受限的優(yōu)化系統(tǒng)與未優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率對(duì)比 示意圖?？梢钥吹絻?yōu)化后系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率高于未優(yōu)化的系統(tǒng)。
[0039] 圖5為在誤比特率為10 5時(shí)電功率受限的優(yōu)化系統(tǒng)與未優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率對(duì)比 示意圖?？梢钥吹絻?yōu)化后系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率高于未優(yōu)化的系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 為了更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn) 一步說(shuō)明。
[0041] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的DCO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射器框圖，如圖1所示，DCO-OFDM發(fā) 射機(jī)工作過(guò)程如下：DCO-OFDM系統(tǒng)共有2K個(gè)子載波，每個(gè)子載波調(diào)制并且進(jìn)行功率分配 得到符號(hào)S k，每個(gè)子載波上功率為pk= E[ I S k 12]。由于光通信要求輸出信號(hào)為實(shí)數(shù)，因而 信號(hào)需要滿(mǎn)足& = 和S。= S κ= 0。由于5； = 帶來(lái)的對(duì)稱(chēng)性，只考慮子載波k = 1，...，K-I的功率。經(jīng)過(guò)快速離散傅立葉反變換（IFFT)得到時(shí)域信號(hào)Sn。然后在時(shí)域信 號(hào)sn上疊加大小為B d。的直流分量得到s d^= s n+Bd。，并將信號(hào)疊加直流分量后仍然小于 零的部分削去以滿(mǎn)足非負(fù)性要求，即Sd lpin= LlipinU(^lipin)，其中u( ·)是單位階躍函數(shù)。 最后，數(shù)字信號(hào)\liPin通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化器（D/A)和LED得到信號(hào)s &(t)。而&(t)的光 功率和電功率都是受限的。認(rèn)為輸出信道的光功率大小為P。= E[sdJt)]，電功率大小為 Pfi