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申请/专利权人：中国矿业大学

摘要：本发明提供了一种DCO‑OFDM系统的最优谱效和能效实现方法，给出了有限字母输入的DCO‑OFDM系统的精确可达率。利用互信息与最小均方误差之间的关系，本发明提出了一种多级注水法，以在有限字母输入下实现最大SE谱效。在最小谱效要求、最大平均光功率和总电发射功率约束下，进一步解决了DCO‑OFDM系统的两个能效最大化问题。利用Dinkelbach丁克尔巴赫型迭代算法，将这些能效最大化问题转化为一系列凸子问题，通过内点算法得到最优的功率分配。数值结果表明，最大谱效的功率分配既取决于各子载波的信道增益，也取决于总发射功率的限制。此外，本发明揭示了最大功率的最优功率分配与功率需求有关。

主权项：1.一种DCO-OFDM系统的最优谱效和能效实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在DCO-OFDM可见光通信系统的发送端，输入的比特流在串并联转换后被多进制QAM调制；步骤2，建立约束条件；步骤3，在接收端，通过模数转换器ADC获得数字信号，通过快速傅立叶变换FFT和解调操作恢复比特流；步骤2包括：步骤2-1，为了保证IFFT逆傅里叶变换的输出信号是实值可见光通信系统信号，经过Hermitian厄米特变换和功率分配的2N个子载波的IFFT逆傅里叶变换输入符号需要满足： 其中Xi是第i个子载波的信号，X0＝XN＝0，pi表示分配的第i个子载波的携带信息的能量，Xi*是Xi的厄米特对称；步骤2-2，给出时域IFFT输出信号Xi： 其中k＝1,...,2N-1；ki是傅里叶变换中的数字变量，j代表虚部；是信号xk的期望；为了保证VLC信号是非负的，时域信号xk转换为剪切信号xclip,k， 其中Idc是直流偏置；步骤2-3，数字信号xdc,k是通过数模转换器DAC转换成模拟信号，再由LED发光二极管传输，为了满足照明和人眼安全的要求，平均光功率受到限制，即： 式中Po为最大平均光功率预算；VLC系统的电气传输总功率也受到限制，即： Pe指的是最大的输出总功率预算；步骤2-4，设为第i子载波LOS视距传输链路的通道增益，其中ηL为广义朗伯辐射体： 其中，m＝-ln2lncosΦ12为Lambertian朗伯发射阶数，Φ12为半角半功率；Ar为光探测器PD的有效探测面积，和θ分别是LED到PD的入射角度和辐射角度；和分别是滤光器接收机的增益和集中器增益，Ψ代表的视场FOV接收机；当|x|≤1时，矩形函数rectx取1，否则为0；fi第i个副载波的频率，τL＝dc为LED发光二极管到光探测器PD之间LOS视距传输链路的信号传播延迟，d为LED发光二极管到光探测器PD之间的距离，c表示光速；令表示第i副载波的漫射链路的通道增益，其中为漫射通道增益因子，Aroom是房间的表面积，ρ是房间反射率因子的平均值；是时间常数，Vroom是房间的体积；第i个子载波的总通道增益Hi表示为：Hi＝HL,i+HD,i,i＝0,...,2N-17；；步骤2还包括：步骤a1，第i个子载波的可达速率RF,ipi表示为： 其中是离散星座点Xi,n，和Xi,k之间的差的度量，是噪声Zi的期望；其中Xi,k是第i个子载波的第k个星座点，Xi,n是第i个子载波的第n个星座点，M是星座点的基数；W为每个子载波的带宽；IiXi；Yi为Xi和Yi的互信息；有限字母输入的DCO-OFDM系统的总可达率RF,total{pi}为： 步骤a2，推导8b的下界与封闭形式的表达式：由于log2·是一个凹函数，则8b中期望项的上界为： 设RL,ipi表示第i个子载波有限字母输入的互信息的下界： RL,ipi对于功率分配pi是一个凹函数，相应的DCO-OFDM直流偏置的正交频分复用系统的总可达率的下界为： 步骤a3，基于RL,total{pi}的SE谱效最大化利用可达率下界12的封闭形式表示，SE谱效表示为： 其中RL,total{pi}是DCO-OFDM系统对于功率pi的总可达速率下界，SEL{pi}是功率pi条件下的功率谱效率；步骤a4，在幅值约束、平均光功率约束和总电发射功率约束下，使DCO-OFDM系统的SE谱效最大，则优化问题如下： s.t.xk+Idc≥0,14b pi≥0,i＝1,...,N-114e 由式14f和式14b得到式14d的总电功率为： 其中表示加上直流偏置的k个信号的均方值；步骤a5，从公式2得到： 在不截断信号xk的情况下，使直流偏压的功率最小的最佳写成： 将17a、15b、17相结合，将平均透射光功率改写为： 步骤a6，计算平均光功率的平方的上界：根据Cauchy-Schwarz柯西施瓦茨不等式： 平均光功率的平方的上界为： 因此，平均光功率约束14c限制为： 步骤a7，计算总电功率：将最优代入15b，总电功率为： 应用不等式19，总电功率22的上界为： 因此，约束14d重新表述为： 步骤a8，SE谱效最大化问题14重新表述为： pi≥0,i＝1,...,N-125d基于RF,total{pi}的SE谱效最大化给出在精确互信息条件下所得到的熵： 步骤a9，有限字母输入的SE谱效最大化问题重新表述为： s.t.25b,25c,25d步骤a10，导出问题27的拉格朗日函数 其中，λ1≥0、λ2≥0分别为约束25b和25c对应的拉格朗日乘子；问题27的KKT条件为： λ1≥0,λ2≥0,pi≥0,i＝1,...,N-129fXi的MMSE最小均方误差为： 其中SNR是信噪比为第i个子载波的信噪比，为Xi的条件期望，即互信息8与MMSE最小均方误差30之间的关系为： 其中结合8和31，函数RF,ipi的偏导数写成： 把32代入29a得到： 由式33得到功率分配pi为： 其中是MMSEi·的反函数，对于SE谱效最大化问题27，第i个子载波的最优分配功率为： 步骤a11，求解公式12中的下界RL,total{pi}具有闭型表达式的EE能效最大化问题；步骤a12，将原来的联合优化问题37转化为凹-凹分式问题；步骤a13，计算基于RF,total{pi}的EE能效最大化问题；步骤a10中，对偶变量λ1和λ2通过如下水法得到：步骤a10-1，给定δ10，其中是λ1的上界，δ1是常数；初始化λmin＝0，步骤a10-2，当λmax-λmin≥δ1时，令λ1＝λmin+λmax2；步骤a10-3，找到最小的λ2≥0，使得：如果则带入λ1、λ2，得到： 否则，如果令λmax←λ1；否则λmin←λ1；其中←是指赋值，即当前式满足时将λ1赋值为λmax；步骤a10-4，结束循环，输出步骤a11包括：根据速率式12，EE能效为： 式中，为直流偏置功率，Pc为整个直流偏置的正交频分复用的可见光通信系统的恒定总电路消耗；相应的EE能效最大化问题表述为： 其中为DCO-OFDM系统的最小SE谱效要求，表示相应的最小总可达速率门限；步骤a12包括：Pdc为： 根据： EE能效最大化问题37重新表述为： 其中分子RL,total{pi}为pi的凹函数；定义一个新的函数f{pi},q，如下所示： 其中q是一个需要迭代查找的实参数，通过计算可行约束集中方程f{pi},q＝0的根，得到问题40的解；对于每次迭代中给定的q，pi上的凸子问题表示为： s.t.25b,25c,25d,40b步骤a13包括：有限字母输入的EE能效表示为： 有限字母输入的最优表达最大化问题重新表述为如下问题44： 其中43的分母中Pdc的取值与约束38和39的取值相同；步骤3包括：接收信号的频域表达式写成： 式中，Yi和Hi分别表示接收信号的总信道增益和第i个子载波的总信道增益；Zi是零均值的加性高斯白噪声，即其中σ2表示噪声功率谱密度，每个子载波的带宽为W均值为0。

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百度查询： 中国矿业大学 一种DCO-OFDM系统的最优谱效和能效实现方法